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超流体现象是什么 宇宙是超流体吗

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发表于 2016-9-6 22:12:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
超流体现象是什么 宇宙是超流体吗?宇宙中的大部分物质都是看不见的,从我们身边经过却不留痕迹,即使是科学家制造的用来捕捉它们的检测仪也无能为力。但是暗物质或许并不像大多数理论学家设想的那样由看不见的粒子云构成,相反,它可能更奇怪,是由数十亿年前的超流体凝聚而成的流体涡,是我们今天观察到的星系的发端。
这种新提法对宇宙学和物理学都有巨大的启示。超流体暗物质理论能够克服粒子云带来的许多理论问题。长期以来,科学家一直无法确定构成粒子云的单一组成成分是什么,而新理论解释了为什么会这样。另外,这一新理论提供了向前推进的具体科学道路,提出了可能很快就可以验证的明确的科学预测。
同时,超流体暗物质理论具有重要的概念意义。它指出,我们认识的一般宇宙图景,即大量单个粒子通过力的相互作用结合在一起形成的整体——几乎就像乐高玩具模型那样——忽略了许多自然界的复杂度。宇宙中的大部分物质或许与构成你我身体的物质完全不同:不是由原子组成的,甚至不是由我们通常认识意义上的粒子构成的,而是一个广阔伸展的连续整体。
宾夕法尼亚大学的理论物理学教授贾斯丁·库里说:“很多年以来,人们一直有一种简单的暗物质模型,即不发光、无碰撞的粒子。但是在最近20年里,观测手段和计算机模拟水平都有所提高,这种简单模型在星系尺度上会有一些力不从心。”
无碰撞的暗物质颗粒不会产生实质上的相互作用,因此不会稳定下来形成等同于恒星和行星的致密结构。由于暗物质不发光,它存在的证据来自引力效应:星系的形成、旋转和运动似乎受到了看不见的物质的影响。在非常大的尺度上,无碰撞的暗物质与天文观测很好地吻合。

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威尔逊山天文观测台
然而在较小的尺度上,这个受欢迎并且使用广泛的暗物质模型预测在星系中心会有更多物质凝结,比天文学家实际观测到的多,这个问题叫作“尖点问题”。该模型同时预测了过多的银河系卫星星系,并且无法解释真正存在的那些卫星星系为什么几乎位于同一个平面。最后,无碰撞暗物质无法说明为什么旋转星系的亮度与其旋转速度相关。这个简单的模型,看来是过于简单了。
对于这些缺陷,一个可能的解释是物理学家遗漏了星系形成中某个重要的天文物理学过程。但是库里并不这么认为。对他来说,这些缺陷暗示了更深层的东西。这不仅仅在于无碰撞的冷暗物质模型无法跟观测数据吻合,还在于另一个完全不同的模型对这些观测结果的解释比标准模型更好。这个不同的模型没有引入全新的未知粒子,而是假定暗物质的证据来自修正的引力。对于引力在数千甚至数百万光年的距离上如何作用,我们没有直接测量的方法。在地球上无法检测到的细微效果,可能在整个星系的尺度上强大到造成重要影响。
引力修正在某些情况下获得了令人惊叹的成功,在另一些地方却面临问题。一方面,它能够几乎毫不费力地与星系旋转相吻合,并解释为什么星系的亮度与转速的关系看上去都很类似。另一方面,修正的引力在解释比典型星系大得多或者小得多的尺度上的观测数据时,出现了困难。在这些尺度上,冷暗物质模型的解释力更强。


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WIMPS
想要对爱因斯坦的引力理论做出修改极其困难,很难做到改动时不把整个理论彻底搞砸,所以大多数物理学家选择了更安全的暗物质粒子理论。对他们来说,提出新粒子是解决问题的常用方法,相关的数学已被熟知。但是库里不想对任何一个理论有偏颇,他想结合两个理论的优点,做出与真实宇宙最吻合的解释。
“习惯上,人们用修正引力来解决星系尺度上的问题,作为暗物质理论的替代。”库里说,“由于某些原因,或许是社会学上的原因,这两种理论被认为是相互排斥的:你或者属于修正引力阵营,或者属于暗物质粒子阵营。但为什么不能两者都对呢?当然,根据奥卡姆剃刀原则,这不那么令人信服。因此,我们采取的途径是,修正引力和暗物质粒子属于同一个理论的两个方面。”
暗物质的证据自其80多年前被瑞士天文学家弗里茨·兹威基发现起一直在累积。1933年,兹威基看中了加利福尼亚威尔逊山天文观测台的254厘米胡克望远镜,并将其对准后发星系团。后发星系团是由1000个以上的星系靠自身引力场牵引聚在一起的群体,该群体中各组分的速度——此处指各个星系——基于被束缚的总质量。兹威基发现,这些星系移动的速度比可见质量加起来能够产生的快很多,因此他推测星系团里一定含有看不见的物质。他把这些物质称为Dunkle Materie,也就是德文的“暗物质”。

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玻色-爱因斯坦冷凝体
物理学家把这个结果看成了特例。但是从20世纪60年代美国天文学家薇拉·鲁宾研究螺旋星系的旋转开始,兹威基的观测结果就已经成为普遍现象了。远离星系中心轨道上的恒星速度取决于系统的总体质量(也就是万有引力),即星系的质量。鲁宾的测量结果表明有几十个星系的旋转都比她期待的可见物质造成的速度快很多。鲁宾的观测将暗物质带到了镁光灯下,占据了物理学家未解决问题列表的首位。

直接观测不但没有解决谜团,反而使谜团更大了。
随着稳定提高的望远镜技术,暗物质得到了更多、更精确的观测。物理学家现在可以观测到星系团附近由引力扭曲造成的微小时空畸变。这种畸变被称为引力透镜效应,会使更遥远的天体图像产生轻微变形。光线在星系团周围产生弯曲,因为星系团的引力起到了透镜的作用。从这一效应的强度,我们可以计算星系团的总质量,证明暗物质的存在。通过这种方法,物理学家甚至制作出暗物质分布地图。通过将这些运算结果和其他证据结合,他们推测,宇宙85%的质量都是暗物质。



通过更多数据,物理学家还可以排除暗物质由普通原子(学术上称之为重子物质)构成的理论。这种普通物质跟自己的相互作用过于强烈,不会产生观测到的暗物质分布。暗物质同样不会由坍缩成黑洞的恒星或者其他非常暗淡的天体构成,否则这些天体必须在数量上极大超过我们星系中的恒星,并且产生可以被我们观测到的强烈的引力扭曲。暗物质也不可能是其他已知粒子组成的,比如恒星散射出的大量弱相互作用的中微子。中微子不会导致足够的聚集来创造我们观测到的星系结构。
因此,为了解释什么组成了暗物质,物理学家必须理论推导目前没有被检测到的新粒子。在广义上,最常用的粒子被分为两类:大质量弱相互作用粒子(WIMPS)和相比之下轻很多的轴粒子,还有大量将几种类型的粒子组合在一起的更为复杂的假设。然而到目前为止,所有对这些假定粒子进行直接检测的尝试都失败了。直接观测不但没有解决谜团,反而使谜团更大了。
“在今天,你可以只对宇宙感兴趣,而对暗物质不感兴趣。”意大利进修国际学校的物理学教授斯蒂法诺·利贝拉蒂说。利贝拉蒂及其合作者独立做出了与库里的理论非常相似的暗物质理论。当利贝拉蒂第一次得知修正引力在冷暗物质无法符合实际观测的星系尺度上有多成功时,他立即开始尝试寻找一种将两种理论结合起来的方式。“它让我觉得,或许小尺度上的暗物质发生了某种相变,”他说,“或许它变成了一种流体,具体来说就是超流体。如果它在星系尺度上形成冷凝物,就解决了很多问题。”

超流体并不存在于人类的日常生活中,但物理学家对它们很熟悉。它们与超导体类似,是一种可以零阻力移动电子的材料。当温度降低到接近绝对零度时,氦就像超导体一样不受阻力地流动。它会爬过最细小的孔,甚至可能沿着容器壁向上攀爬而溢出容器。这种超流体特性并不是氦特有的,其他粒子在温度足够低时也能达到这种物相。超流体于1924年首次由爱因斯坦和印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色预言。现在这一大类极低温超流体被称为玻色-爱因斯坦冷凝体。利贝拉蒂意识到,暗物质或许也具有超流体相。
对玻色-爱因斯坦冷凝体最好的理解就是两种组分的混合物:一种是超流体,另一种不是。这两种组分的特性非常不同。超流体组分体现出了长距离量子效应,不具有黏性,并且在大的距离尺度上出现超预期的相互作用,就好像是由大很多的粒子(实际上是微小的组分)构成的。另一类常规组分的特性就像我们习惯的那样,跟容器壁粘在一起,也相互粘连——它具有黏性。这两种组分的比例取决于冷凝体的温度:温度越高,常规组分就越多。
我们习惯认为量子物理只在微观领域存在,但是物理学家对量子理论了解得越多,就越发现事实并非如此。玻色-爱因斯坦冷凝体是研究最充分地使量子作用在介质中广泛传播的物质之一。理论上讲,如果没有太多扰动,量子特性可以在任意大的距离尺度上延伸。
在像地球这样温暖嘈杂的环境里,脆弱的量子效应很快会被摧毁。这就是为什么我们通常无法观测到量子物理那些更为奇怪的方面,比如粒子像波一样的行为。但是在一个低温安静的环境里开始量子特性,它就会持续,例如在外太空中。在那里,量子效应或许能够延伸到广阔无垠的距离。

超流体暗物质或许还能克服修正引力带来的心理挑战:大多数天体物理学家不喜欢它。
如果暗物质是玻色-爱因斯坦冷凝体(具有量子效应、在整个星系中分布),便自然可以解释暗物质的两种不同特性。在星系内部,大部分暗物质是超流体相。但是跨越饱含了许多星际空间的整个星系团,大部分暗物质会处于正常态,产生不同的特性。根据库里及其合作者通过玻色-爱因斯坦冷凝体理论建立的一个简单模型,可以解释观测到的暗物质作用。这一模型只有为数不多的几个开放参数,也就是说,只要几个参数具有正确属性就能让模型成立。
“暗物质或许是玻色-爱因斯坦冷凝体”这一观点在天体物理学界流行过,但是这一次的版本不同。库里的新观点之所以令人信服,是因为他声称超流体暗物质同时可以模拟修正的引力:这达到了他将两个模型的优点结合的目的。原来引力不需要经过修正就能获得修正引力理论预测的结果。连贯的超流体可以产生相同的公式,以及相同的特性。这样一来,库里的模型就将冷暗物质和修正引力的优点结合起来了,剔除了两者的劣势。

超流体暗物质或许还能克服修正引力的最大挑战:大多数天体物理学家不喜欢它。这些研究者当中许多具有粒子物理学背景,修正引力公式跟他们习惯的理论公式不同。对粒子物理学家来说,这些公式没有吸引力,甚至不自然,它们看上去就像是为了符合要求故意编造出来的一样。但是超流体暗物质提供了一个不一样的,或许更自然的获得公式的方法。
根据库里的说法,这些超流体暗物质公式不属于基础粒子物理学范畴。它们产生于凝聚态物理理论,描述的不是基本粒子,而是它们在自然状态下的长距离特性。在库里的模型里,修正引力中出现的公式不是用来描述单个粒子的。相反,它们描述的是粒子的集体相互作用。许多粒子物理学家对这些公式并不熟悉,这也就解释了为什么超流体和修正引力之间的关系这么长时间以来一直没有被注意到。然而,描述超流体的公式已经有了强大的理论基础——只不过是在凝聚态物理领域。

库里能够发现这个联系完全是因为运气。他无意中看到了一篇凝聚态物理文献,文献中使用的公式与他熟知的修正引力公式非常相似。“其余的理论就这样到位了,”他说,“我认为这一切恰好为将两种现象统一构造了一个漂亮的图景。”
回到暗物质的观测证据上,库里的超流体理论可以解决许多现有模型无法解决的问题。首先,超流体可以阻止暗物质在星系中央过量聚集,消除了假性“尖点”,因为超流体相能够平均任何大型密度波动。“超流体会具有一个连贯长度(一种距离,在此距离上所有物质都处于同一状态),” 利贝拉蒂说,“因此不可能出现尖点。”
超流体能够生成与修正引力公式相同的吸引模式,所以它可以复制出观测到的星系旋转曲线的规律性。然而,与修正引力不同,它只有在超流体是主要组分的温度范围内才能表现出这种特性。在星系团这种大尺度上,暗物质过于扰动(即过热),失去了超流体特性。这样一来,超流体暗物质既可以形成可见星系的基础,又因为非超流体相而与观测到的星系团结构吻合。
我还是个学生的时候,每个月都会做关于修正引力的梦。
库里的理论解释了为什么天文学家在太阳系内找不到修正引力的证据。“太阳本身产生了强大的引力场,会在局部摧毁超流体的连贯性,”他说,“在太阳系附近,你不应该按照连贯的超流体来思考。太阳的作用类似于杂质,就好像流体里出现了异物。”
最后,超流体模型解释了为什么物理学家没能够找到暗物质粒子。从20世纪80年代开始,有一系列不同的实验致力寻找这种粒子存在的直接证据。这些实验一般会使用遮蔽良好的大型容器,容器中装填了只有在和暗物质相互作用的稀有情况下才能产生可观测信号的不同物质。虽然使用了多种技术和材料,检测器被小心翼翼地做了遮蔽,并且通过藏在地下矿场里来过滤假阳性信
号,这些实验还是没有找到暗物质存在的决定性证据。
因为没有检测到暗物质,“暗物质或许不仅仅是另一种粒子”这一曾经遭到嘲笑的观点重新流行了起来。“我还是个学生的时候,每个月都会做关于修正引力的梦,”普林斯顿大学的理论物理学教授尼马·阿尔卡尼·哈米德说,“后来一年能梦见一次,现在每100天梦见一次,修正引力的热度开始回升了。”
如果暗物质是超流体,构成它的粒子就必须是轻量的,比大多数搜寻工作的目标,即假想的暗物质粒子要轻很多。超流体的成分或许太轻了,不可能被目前运转的实验捕捉到。
库里的模型做出的一个更好更独特的预测是,超流体的量子特性会在星际碰撞中留下标志性的图样。当一个星系中凝聚的暗物质与另一个星系碰撞时,会产生干涉图样——物质和引力分布的涟漪,影响星系稳定下来的方式。超流体暗物质还预测星系团内的暗物质组分间具有摩擦,这样的摩擦又会产生独特的万有引力图样。观测引力透镜效应可以检测到这些超流体暗物质留下的
痕迹,如果我们很明确地知道自己在找什么的话。
为了量化这些预测,需要进行计算机模拟。库里目前就在和牛津大学的研究者一起做这样一个课题。模拟应该还可以显示超流体暗物质理论预测的卫星星系数量,看看与目前模型预测的相比是否更符合实际观测结果。
阿曼达·韦尔特曼,开普敦大学研究暗物质的宇宙学家,虽然她没有参与这项研究,但她表示这一新模型“非常有意思,很有创造性”。不过,她说,除非她看见一些实验证据,一些能够明确支持超流体的信号,否则她对这个新理论还是持保留意见:“只有这样的观测才能够给他们的想法增添真正的重量。” 如果超级计算机模拟是成功的,库里或许就能够获得这样的证据。然后我们就必须习惯一个更加怪异的宇宙观——宇宙不仅仅充满暗物质,而且在所有明亮星系的周围都围绕着无摩擦的流体。
阿尔卡尼·哈米德持更加怀疑的态度,他暂时还不想抛弃冷暗物质理论。“如果他们在下一组实验里发现不了弱相互作用大质量粒子,在未来20年里他们就没有发现的可能了。”他说。他认为,重新审视基于非常规粒子或者修正引力的模型的时候到了,哪怕是一个将这两种黑暗世界的优点相结合的模型。

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