暗物质是真实存在的吗?
据了解,目前清华大学和二滩水电站合作,正在建设全世界最大埋深的暗物质地下探测实验室——四川省锦屏山地下实验室,埋深达2500米(水当量埋深达6000多米),预计年内可完工。
所谓“暗物质”是起于1933年,茨维克(Zwicky) 由星系团内各星系的弥散速度按“维里平衡条件”,或质量粒子的运动速度和空间分布应满足其间引力作用平衡的关系,而推断出:其总质量比其成员星系质量的总和大10-100倍。
万物之间存在万有引力,太阳系的八大行星围绕太阳旋转,越往外其转动的速度越低(公转速度),比如地球绕日速度是每秒30公里,高于火星,而火星的速度又高于位于它之外的木星,这是典型的中间有一颗大恒星的行星系表现。根据万有引力定律和圆周运动规律不难得出行星绕恒星(恒星质量设为M,万有引力常量为G,行星公转半径为R)的速度V.则V等于(GM/R)的1/2次方.
从前面的分析不难发现离恒星越远的行星其转动速度越小.
二十世纪70年代初,科学家在观测宇宙其他一些星系中的恒星运行速度时就发现,越往外,围绕中心的速度并不都是衰减下去,而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外,引力也越小,速度也应该越低的常规不符
从V=(GM/R)*1/2不难发现:R增大而V不减小的唯一原因是M增大.
也就是说在M的周围还存在着一些没办法观测到的物质.这些物质对行星产生了引力.
茫茫宇宙中,恒星间相互作用,做着各种各样的规则的轨道运动,而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此,人们设想,在宇宙中也许存着我们看不见的物质。
在此前、后200多年,人们已提出了各种不可探测的物质(例如:不发射或反射可见光、各种电磁辐射的物质,视界内光子不能逃离的黑洞,等等,都可测量到其存在的痕迹),却都没能解决这一如此大量的质量缺失。因而,天文学界目前的流行理论就认为:宇宙中存在一种不明性质的物质粒子,所谓“暗物质”,它们本身不发出任何辐射,而对于光和各种电磁辐射的折射和反射也都非常微弱,而不能被直接探测到,却可能大量存在。能见的普通物质如恒星、行星等等,所占质量只是宇宙中很小一部分。暗物质才是宇宙物质的“主宰”。
暗物质是真实存在的吗?
如果暗物质是真实存在的,那么在地球上,甚至在太阳系中占有多大比例?是否和宇宙中的比例一样——可见物质的6.5倍?它在太阳系、地球上是怎么分布的?它为什么没有影响地球绕太阳运行的速度?如果暗物质在太阳系和地球上的量很小,小到可以忽略不计,那么在太阳系它为什么会这么少?暗物质和可见物质不发生任何作用,那么我们怎么去探测它?
这些问题不搞清楚,就投进大量的资金建立地下实验室,探测什么暗物质,到底会得到什么样的结果!
要知道暗物质存在的前提条件是目前的理论是没有缺陷的,因为目前的理论解释不了观测现象,所以才引进了暗物质的概念,如果目前的理论有缺陷,就像牛顿力学解释不了微观世界的现象一样,现在的理论解释不了遥远星系的现象也是很正常的。相对论和量子力学引进了强相互作用和弱相互作用,解释了微观世界,那么在大尺度上是否存在我们未知的其它相互作用,而不是暗物质呢?如果是这样,与其花费大量的资金去寻找暗物质,倒不如由理论物理学家去完善现有理论更有意义!
暗能量到底是什么
20世纪70年代,天文物理学家为解释星系的运动,提出一类看不见的粒子存在于星系周围,这类粒子随后被称为“暗物质”。根据天文观察资料,科学家们估计宇宙中暗物质是常规物质的10倍之多。对暗物质的一种解释是,它们是由一类新的粒子“弱相互作用大质量粒子”组成的,这种粒子不能发光,并和常规物质几乎不发生相互作用。迄今科学家们已做了大量实验来搜寻这类粒子存在的证据。1998年以来,为解释宇宙加速膨胀运动,一些科学家又提出“暗能量”概念,认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。
科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念,原因是它们的表现不同。暗物质好像有质量并会形成巨大的团块,宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用,在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用。而暗能量相反似乎是没有质量的,并均匀分布在整个宇宙空间,其作用与引力相反,是一种斥力,把宇宙推散开来。
根据哈勃的宇宙膨胀理论,宇宙在经历极早期的极速膨胀后,膨胀速度应逐渐减缓,道理同人们把球上抛,在重力作用下,上升速度越来越慢一样。但科学家1998年在利用超新星观测宇宙膨胀速度时有“惊人”发现。他们注意到,“年龄”越大、也就是光线“旅行”距离越远的超新星,它“离开”地球的速度比哈勃宇宙膨胀理论预测的慢,而“年龄”越小的超新星,“离开”速度要比预测的快。利用现有理论,这只有一种可能解释,某种神秘力量超越了宇宙物质重力,一直在推动宇宙加速膨胀。这种力量与爱因斯坦“宇宙常数”中设定的神秘能量一致,科学家称之为“暗黑能量”。
物理学家认为,暗能量它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量,宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量来推动的。之所以暗能量具有如此大的力量,是因为它在宇宙的结构中约占73%,占绝对统治地位。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明,宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程,加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右,所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量,其基本特征是具有负压,在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示,暗能量在宇宙中占总物质的73%。值得注意的是,对于通常的能量(辐射)、重子和冷暗物质,压强都是非负的,所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。
暗物质和暗能量都是黑暗世界中的一种物质。黑暗世界中的暗能量是宇宙膨胀的主要动力,物质世界和暗物质则是阻止宇宙膨胀的主要力量。但根据质能关系式,暗能量也是一种物质,因此,其本身也是具有万有引力的,只不过同膨胀力、即排斥力相比,其所具有的万有引力占据次要地位而已。
用暗物质和暗能量固然可以解释现在观测到的这些现象,但是他也引出了其他一些疑问。例如在没有引进这两个概念之前,现有理论已经可以很好的解释太阳系所有星体的运动,引进了这两个概念后,暗能量是均匀分布在整个宇宙空间,那么我们是不是就可以算出地球或者说太阳系所有星球的暗物质量?这些暗物质是怎样分布于地球和其他星球的?他们占不占空间?使弥散在这些星球上的还时均匀分布于整个空间中的?
本人认为要引进新的概念去解释遥远星系的现象,就应该先把引进的这些概念在我们可以近距离观测的星球中解释清楚了。如果引进的新概念在太阳系里面存在疑问,那就不是一个成功的假设。所以暗能量同样是一个值得商榷的问题。