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2015-01-14


18. 暗物质和暗能量

 

曾几何时,我们认为我们已经发现了宇宙中所有的物质组成成分。它们的大名被列在元素周期表上,或者是基本粒子表中。然而,天文观测的最新结果给了我们当头一棒。根据普朗克卫星2013年公布的资料,我们的宇宙中,只有很少的一小部分,大概4.9%左右,是我们常见的、熟悉的普通物质,有大约四分之一(26.8%)是一种看不见摸不着、至今我们尚未弄清楚的暗物质。更不可思议的是,其余的68.3%,连物质都谈不上,是某种无孔不入无处不在的所谓“暗能量”。

 

实际上,暗物质的说法并非现在才有,早在1932年就由荷兰天文学家扬·奥尔特提出来了。几十年前,宇宙学家们便通过天文观测和理论研究发现,宇宙中除了普通物质之外还存在着一种看不见的物质。科学家们之所以将其称为“暗物质”,之所以认为它们神秘,就因为它们看不见,不像普通物质那样能够对光波或者电磁波有所反应。我们平时所见的普通物质,无论藏身何处,灯光一照便现出原形。即使是普通的灯光照不见,人类还有紫外线、红外线、x射线、伽马射线、各种频率的无线电波,种种探测手段。但是,现在发现的暗物质似乎对这些“光”都是不视也不见,完全无动于衷。

 

那么,既然看不见,科学家们又如何知道它们确实存在呢?那是因为它们仍然具有“引力”作用,仍然符合广义相对论的预言,造成了时空的弯曲。

 

暗物质存在的最有力证据是天文学家观测星系时发现的“星系自转问题”。

 

恒星或气体围绕星系的核心转动,对星系本身而言,叫做“星系自转”。根据引力理论,无论是牛顿引力或广义相对论,都可以预期在足够远的距离上,环绕星系中心天体的平均轨道速度应该与轨道至星系中心距离的平方根成反比(图18-1)。但实际上的观测结果却不是如此。

 

 


18-1:薇拉·鲁宾观察到星系自转问题

 

薇拉·(古柏)·鲁宾(Vera(Cooper) Rubin1928-)是一位美国女天文学家,是研究星系自转速度曲线,继而发现暗物质存在证据的先驱。从薇拉得到的图18-1b中的“观测结果”曲线,实际上远处恒星具有的速度要比理论预期值大很多。恒星的速度越大,拉住它所需的引力就越大,这更大的引力是哪儿来的呢?于是便有了关于暗物质的设想,认为这份额外的引力是来自于暗物质。

 

支持暗物质存在的另一个有力证据,来自于引力透镜。

 

望远镜的发明对天文观测而言太重要了。没有高灵敏度的天文望远镜,人类不可能得到如此多的天文知识。人眼观测的范围极度有限,因而,可以毫不夸张地说,人类对宇宙的真正了解起于望远镜。如果你想要孩子学点天文,第一个要买的实验仪器就应该是望远镜。但是,在研究暗物质的热潮来临的同时,人们发现,大自然早就造好了许多望远镜。它们赫然挂在黑暗的天边,等待人类去学会使用它们。

 

光学望远镜的关键元件是透镜。透镜的原理是因为光线通过玻璃时产生折射而偏离直线路径弯曲所致。根据广义相对论,光线走过引力场附近时也会发生偏转,这样的话,在某种情况下,引力场就能够起到和光学透镜类似的作用,即产生“引力透镜”的效应,见图18-2

 


18-2:引力透镜

 

还是爱因斯坦本人最了解他的相对论,在1936年就提出用恒星作为引力透镜的想法。但他同时又认为可能因为成像的角度太小而无法实际上观测到这种效应。但后来,有天文学家提出如果以星系作为透镜能够被观测到的可能性。但真正证实了爱因斯坦想法的透镜观测结果,是在他已经离世二十多年之后的1979年,才由英国天文学家Carswell得到的。

 

如今,当暗物质和暗能量成为了21世纪初(这十几年)的最大科学之谜的时候,引力透镜,大自然赐以人类的天然望远镜,成了引起众人注目的新型天文观测手段。它至少有两个方面的用途:一个是真正作为“望远镜”来使用,它能够使我们观测到非常遥远的星系。

 

为什么要观察很遥远的星系呢?因为观测更遥远的星系就等于是观测更早期的宇宙图景。比如说,现在接受到的距离为100亿光年远的星系的光,不就是它在100亿年之前发出的吗。也就是说,是大爆炸之后37亿年左右发出来的,那时候,星系正在逐渐形成的阶段。这些早年的光,终于通过引力透镜的放大作用被我们捕获到,这样就使得我们能够了解到早期星系形成和演化的过程。

 

2012年初,芝加哥大学天文学家团队,借助哈勃太空望远镜拍摄了一个近100亿光年远的星系团的引力透镜影像,见图18-3。其中包括一条90°左右的透镜弧。这个太空中的天然透镜,帮助哈勃望远镜扩展了它的观测距离。天文学家本来就是“眼光”看得最远的科学家,有了引力透镜,更是如虎添翼。现在,他们“一眼”看过去,就是上亿光年。这个引力透镜使我们得以了解到,当宇宙只有大约是现在1/3年龄时,星系是如何演化的。

 


18-3RCS2 032727-132623星系团的引力透镜影像

 

从另外一方面,引力透镜是研究暗物质的重要方法。因为我们看不见暗物质,这些我们知之甚少的东西,仅仅通过“引力”效应这个唯一的手段与我们交流信息。为了这个目的,我们仍然需要使用我们的光学望远镜,在茫茫太空中搜索寻找引力透镜的蛛丝马迹。找到了这些引力透镜形成的影像,再来考察这些引力透镜是否是由暗物质构成的?从而便可以研究它们,绘出它们在宇宙中的分布情况。

从引力透镜暴露的暗物质存在的证据有哪些?图18-2中所示的爱因斯坦环便是一例。那张图中的圆环图像很清楚,大多数情形下,只能判断出一小段圆弧,或者是表现为“爱因斯坦十字”等特殊景象,请见图18-4

 


18-4:引力透镜和暗物质

 

目前人们已经有许多证据证实暗物质的存在,但它们到底是些什么?科学家们列举了很多可能组成暗物质的“候选者”。

 

实际上,暗物质中也可能有一部分是不发光也不吸收光,仅仅产生引力效应的普通物质,即质子、中子和电子。但经过研究可知,这些只能占其中的一小部分,约20%左右。这可能是哪些物体呢?比如说,棕矮星、白矮星、中子星、黑洞等。

 

暗物质的其它可能性,包括各种可能的中微子,以及由粒子对称理论所预言的可能存在的其它粒子,或者是完全是我们知识之外的东西。

 

继暗物质之后,暗能量又登上了历史舞台。暗能量的证据主要来自于宇宙加速膨胀的事实。2011年的诺贝尔物理奖颁发给了美国的三个天文学家:索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特与亚当·里斯,以表彰他们“透过观测遥远超新星而发现了宇宙加速膨胀”。

如何解释宇宙的加速膨胀?人们提出了各种假设,宇宙常数是比较流行的一种。

宇宙常数在引力场方程中起着什么作用呢?爱因斯坦原来将宇宙常数一项放在场方程等号的左边,但我们不妨把它移到等号右边。这样,场方程变为:


 现在,等号的右边有两项:原来的能量动量张量加上了宇宙常数一项。因为这一项的前面有个负号,如果宇宙常数为正值的话,它的作用便应该与原来的能量动量张量的作用相反。能动张量的作用是产生与万有引力等效的时空弯曲,而宇宙常数一项是负值,其效果便与原来正常物质产生的吸引力相反,在长距离时相当于某种排斥力的作用。因而,有时被称为“反引力”,或“负压强”。爱因斯坦原来以为在引力的作用下,宇宙可能会因为互相吸引塌缩而导致不稳定,因而才加上了这个大距离时的反引力来平衡它,以使宇宙成为一个不膨胀也不收缩的“稳态”。

 

但后来,弗里德曼等证明了,引力场方程的解本来就预言宇宙是膨胀的,不需要加入多余的宇宙常数,后来,哈勃的观测结果也支持这个膨胀宇宙的理论,还要这个宇宙常数干什么呢?爱因斯坦果断地把L扔进了垃圾箱

 

后来的人继续哈勃对宇宙膨胀的研究,历史很快地走到了1998年。一个到澳大利亚观测超新星的天文团队,以及加州柏克莱国家实验室的一个超新星天文研究团队,采用不同的观测方法,根据他们各自的观测数据,都得出了宇宙正在加速膨胀的结论。如何解释这种“加速度”膨胀呢?天文学家提出了多种理论模型,暗能量的存在是其中之一,也是比较流行的一种。但是,在解释为什么存在如此大比例的暗能量时,有人又想起了被爱因斯坦丢弃的宇宙常数。并且真是造化弄人,这垃圾箱里捡回来的L似乎还挺好用,能够解释不少观测结果。

18-5:(a)宇宙常数L的数值对宇宙模型的影响;(b)真空涨落

 

18-5a的数条曲线描述了宇宙常数L的数值对宇宙模型的影响。从中可以看出,宇宙常数L等于0时对应于那条紫色曲线,当时间从现在增大的时候,这条曲线增长越来越慢,表示宇宙的膨胀速度将减小。当L大于0时,宇宙有可能加速膨胀。

 

虽然根据爱因斯坦的质能关系式:E=mc2,质量和能量可以看作是物质同一属性的两个方面,但它们在宇宙构造成分中的具体表现还是大不相同的。也就是说,暗物质和暗能量两个概念在本质上有所区别。

 

暗能量和暗物质的共同点是它们既不发光也不吸收光。两者都是只对引力起作用。然而,暗物质是引力自吸引式的,在这方面与普通物质类似。暗能量的作用却类似于长距离的自相排斥和空间扩展。从这个意义上,它们的作用将互相制约而无法互相替代。另外,暗物质能够像普通物质一样成团分布,似乎是形成星系时的支撑框架;暗能量看起来在宇宙中却基本是均匀分布、无处不在、无孔不入。暗能量到底是什么样的一种能量?是如何产生的?这种“排斥力”的本质是什么?它是否可以包括到科学家现有理论的四种作用之中?还是属于它们之外的另一种新的基本力?目前还无法明确地回答这些问题。有人猜测它实际上就是量子场论中所描述的真空涨落,但是,计算的结果却并不完全支持这种解释,因为算出来两者的数量级相差甚远,真空涨落要比暗能量大许多个数量级(10120)。因此,到此为止,我们只能说,尚无完美的理论解释暗能量,天文学家和物理学家们仍在继续努力之中。(全文完)



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