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宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

2020-05-07  fjgsd

在物理学和天文学领域,常常会出现一些新词,比如:暗物质、暗能量、反物质。这些概念对于一般人来说,第一次听到会感到不知道所云。不过,客观地说,它们是真实存在的东西,当你对它们有一定了解时,你会感到宇宙的神奇,同时对于我们所在的这个宇宙有更深刻的理解。今天,我们就一组一组地讲,首先是物质和反物质,然后是物质、暗物质和暗能量。

物质&反物质

在我们这个宇宙当中,存在着时间、空间和物质。所谓的物质就是各种天体,包括人和动物在内。物质是由粒子构成的,粒子中包括了分子、原子等等。

原子并不是物质的最小构成单位,因为原子还可以继续再分成原子核和电子。原子核还可以继续再分为质子和中子。

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

质子和中子还可以继续分为夸克,只是由于夸克禁闭,到目前为止,我们还没有办法直接观测到夸克的存在,但通过轰击质子和中子,分析偏转角度,我们就会知道,质子内部还有结构。

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

按照目前主流的科学理论,我们知道,宇宙诞生于138亿年前的一场大爆炸。目前,我们并不知道为什么会有这场大爆炸。当然,按照宇宙学和量子力学,科学家认为这场大爆炸来自于量子真空(假真空)的量子能量扰动(量子涨落)。当然,目前这还只是猜测,某种程度上看,我们也很难验证这个说法到底对不对。

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

宇宙大爆炸之后,宇宙处于一种纯能量的状态,当时宇宙内有大量的高能电磁波(光子)。光子和光子如果对撞,就会发生反应。这个反应不是化学反应,而是从光子转变为其他粒子。比如,一对高能光子对撞后,可能会产生一个正电子,一个电子。所谓正电子就是电子的反物质粒子。(其实光子的反物质粒子就是光子自身。)

所以,你发现没有?这个宇宙原本其实是很对称的,一个正电子,就会对应电子。同样地,一对光子对撞也可能会产生质子和反质子。因此,一个质子,就会对应反质子。至于光子对撞会产生什么样的粒子,取决于光子自身的能量,我们把能撞出粒子所对应的这个温度称之为阈值温度

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

这里的正电子和反质子就是反物质。如今科学家在一些宇宙的高能射线中,还能够发现正电子的踪迹。

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

这里多说一句,量子力学有许多奠基人,其中有一位大神叫做狄拉克,当时海森堡和薛定谔从不同的角度诠释了量子力学的理论。而他把量子力学的理论和相对论进行结合,得到狄拉克方程,在这个方程中,就预言了反物质粒子的存在。

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

反物质和物质之间会发生湮灭,比如,正电子和电子就会湮灭,然后会完全转化成光子。

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

而同时,科学家还发现,宇宙大爆炸的早期,每10亿对的正反物质粒子会发生湮灭,但会有一个幸存者留下,而且每回都是正物质粒子,不过科学家也没有搞清楚为什么会这样。这些正物质最终构成了我们如今这个世界的各种物质。因此,我们都正物质。

物质&暗物质&暗能量

暗物质和暗能量是这几年说的比较多的词汇,也是如今物理学和天文学的研究前沿。那它们到底是咋来的呢?

我们想说暗物质,我们都知道,宇宙中天体之间互相绕转是因为万有引力。如果一个天体绕转的速度变快了,要拉住它,不让它飞出去,那中心天体就需要提供更大引力。我们平时看到的链球比赛,运动员把链球甩起来时,甩的速度越快,要拽住的力就越大,如果力不够,链球就会被甩出去。

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

科学家就发现,在一些大星系周围,天体运动的速度要比理论值更高,这意味着牵引它们的引力要比理论值更大。那到底是什么在牵引它们呢?

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

按照如今的理论,科学家推测应该是一种我们观测不到的物质,也就是不参与到电磁相互作用上的物质,于是,就把它称为暗物质

科学家还发现,几乎所有的大型星系都有暗物质存在,只有极个别的小型星系没有暗物质。这意味着暗物质其实是星系的粘合剂,如果它们突然不存在了,那么许多大型的星系就会分崩离析。

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

至于暗物质的具体性质,如今还是个迷,科学家还在想各种办法来搞懂它。

接下来,我们来说说暗能量。就像上文说到的,宇宙来自于一场大爆炸,大爆炸之后宇宙的空间距离的膨胀。但是我们知道宇宙中存在着物质和暗物质,它们都是提供引力的。因此,科学家就在思考,宇宙大爆炸之后,由于引力的存在,宇宙空间的膨胀速度已经是逐渐减慢的。但是这仅仅是猜测,最终还是要用观测来确定。

结果,这一观测,科学家傻眼了,宇宙非但没有减速膨胀,相反,宇宙正在加速膨胀。这就意味着一定存在某种东西,它提供了斥力,让宇宙加速膨胀。于是,科学家就把这个东西叫做暗能量。同样的,暗能量到底是什么,至今也是个谜一样,而且我们距离真正的答案还很远很远,科学家对于暗物质的了解要比暗能量更多,

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

虽然,我们不知道暗物质和暗能量的性质,但是这并不妨碍我们测算它们的含量。如今,科学家根据普朗克卫星的数据,结合现有的理论,已经可以估算出宇宙中物质、暗物质、暗能量的比例。暗能量所占比例最高,其次是暗物质,我们能观测到的可见物质仅仅占据不到5%。

宇宙中的暗物质、暗能量、反物质,它们之间的逻辑关系是什么?

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