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悟空号探测器肯能发现的太空幽灵——暗物质,是个什么鬼?

11月30日,科研展现传来好消息,我国悟空号暗物质探测器发现了暗物质存在的某些证据,一时间,暗物质成为街头巷议的热点话题。



蛋总去年写过一篇科普文,那时候我还不是老司机,文风稚嫩,请大家鉴赏。



 针对本文小编要唠叨一下:第一是由于小编本身水平有限,第二是本微信公众账号是少儿科普,第三是这一篇是写给文科生的,所以,文中坚决不用专业词汇,坚决不用枯燥的数据,只讲道理!所以,恳请各位理科学霸手下留情,不要挑刺。


    不过呢,本文已经找了中国科学技术大学天文物理系的袁业飞教授备案并斧正过了。袁教授给了本文的点睛之笔,帮本文进行了专业性把关。(此处可以有一些噼里啪啦的掌声)




我们生活的世界,是这样的真实。我们之所以觉得世界真实,是因为我们感知了世界。 在遥远的过去,我们感知世界,主要靠我们五中基本感觉,那就是视觉,听觉,嗅觉,味觉以及触觉。


如果有某种东西,超出了我们这五觉而存在,我们就会心生恐怖


我们的恐惧来自哪里?

在古代,瘟疫来了,我们不知道是病菌病毒在传播,所以各种宗教或者巫婆大仙都爱用天降灾祸,神灵报应来解释。越这样神秘的解释,人们胆子越小,生怕得罪了身边看不见摸不着的神仙。


直到科学家们直到他们是由于病毒和病菌传播引起的,只要做好消毒,做好灭菌,做好隔离,阻止病毒病菌的传播途径即可。


很多恐怖片导演都会得心应手的运用这一手,只不过他们是故弄玄虚。比如,他们会安排一个看不见摸不着寂静无声的幽灵,来拉开我们的窗帘,或者推开我们卧室的门。


再比如看不见摸不着的核辐射,可以使人得上怪病,最后死去,如果放在放射性发现之前,那么最好的解释就是找个人中了邪,被恶魔缠身,或者遭到了神灵的报应。


但是,后来人们发现了某些物质的放射性,会辐射出有害的射线。人们只要做好防护做好隔离就会没事,人类的恐怖也会随之消失。这种射线,看不见,摸不着,无法直接感知,但是,我们通过科学仪器,间接地感知他们的存在,比如可以使胶卷曝光,可以再荧光屏留下斑点,或者在科学家的云室中留下痕迹。但是,总是我们间接地感知了。


但这也带来一个问题,世界上是不是还存在超出我们感知范围的物质,甚至我们间接地感知也很困难?答案是:不但存在,而且很多!比我们能直接感知到的物质还多20倍!


那我们今天就来聊聊

当今笼罩在物理学的两个幽灵(两朵乌云)之一的暗物质。(另一个幽灵是暗能量)

说暗物质之前,先说说普通物质。从微观的原子、电子、质子,到地球上动物植物、土壤石头,以及放眼太空,肉眼看到的太阳月亮,以及望远镜观测到的恒星行星,星云尘埃。然而,然而这一切我们直接观测到的物质,只构成了现有宇宙的不足5%……。那剩下的是什么呢,科学家说就是25%的暗物质,和70%的暗能量



 先看看科学怪蜀黍是怎么说暗物质的!

然而科学家说:我们也不知道暗物质是什么。因为他们不参与电磁相互作用。不参与电磁相互作用,也就不发光,不反射光,同时也就不会产生弹力,那么100公斤或100吨的暗物质放在手上,就直接漏过去了,我们却一点没感觉。同样,他们砸到仪器上,仪器也不会发现。



那这么诡异的东西,科学怪蜀黍怎么会认为他们存在?

因为,他们会产生引力。

事情是这样的。我们的宇宙中,星系中的恒星受到轨道半径内所有的物质的引力作用,围绕星系中心旋转。就像图中这位家长,拉着孩子在飞速旋转。这个游戏成功的最重要的秘诀,就是中间这位家长要有足够的力量拉住孩子。


转得越快,需要的拉力越大。不信你可以那一根绳子,另一头系上一个大石头甩甩看,转的越快,需要的拉力越大。不过,要小心,也不能太快!太快可能拉断绳子而甩出去,砸到小朋友可就麻烦大了!砸不到小朋友,砸到隔壁老王的劳斯莱斯也赔不起!


宇宙中的星系也是这样。比如,太阳必须有足够的吸引力,来拉住地球等九大行星。如果引力过大,则地球被吸引到太阳里边去了,如果引力过小,地球就脱离现在的轨道飞走了。


那这些引力是怎么产生的呢?牛顿告诉我们,引力的大小,跟太阳地球的质量以及他们两者间的距离有关系。因此太阳的质量是地球的33万倍,才巩固了太阳在太阳系的老大地位(核心地位),九大行星以及才能平稳的年复一年的围绕着太阳旋转。


当老大还得有硬实力


然而,如果你看到的是下边这个图,你就会蒙圈了 !(下图就是蒙圈的你)

一个小朋友,怎么能拉的住两个小朋友呢?


你肯定会坚定的认为:小编又PS造假!(小编你开···开··开玩笑吧!)


天文学家却在1932年发了跟这个类似的诡异的现象。1932年,美国加州工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇观测螺旋星系旋转速度时,发现星系外侧的旋转速度比预期的快。

理论上,这个星系团必定会四处飞散,很快就被彻底摧毁。如果用绳子旋转的例子来说,就是绳子无法承受这样的速度而被甩断!如果按旋转孩子的游戏来说,中间的孩子拉不住旋转的小孩,旋转的小孩会被甩飞!


难道我们真的见鬼了吗?


我们可以说真是见鬼了!

然而,有鬼的说法,科学家并不满意。

于是,兹威基作出了一个有根据的推测:后发星系团中一定充满了某种“暗物质”它们的引力足够强,可以把星系团束缚在一起。

这就像是称体重一样,本来我们根据一姑娘的体型估测她体重是50kg,结果体重秤却显示有200kg。在检查了体重秤、引力都没有问题后,我们只能猜测姑娘身上有着某种我们看不见的东西占着很大一部分体重(鬼附身啦)。


 继续回到旋转游戏这张图,也就是这个中间的小朋友,如有神助拉着另外两个小朋友,如果小编没有ps的话,那就是见鬼了。对,真的见鬼了,科学家最烦见鬼的解释,于是,科学家说,有一种看不见、摸不着的物质,帮着小姑娘拉着两个小朋友,这个看不见摸不着的鬼,就被科学家称为暗物质。


既然看不见摸不着,不能被感知,

那科学家为什么说暗物质存在?


这么说吧,科学家们也曾经面临两个艰难的选择:要么放弃爱因斯坦的广义相对论,要么相信暗物质的存在。然而爱因斯坦是这样的伟大,到引力波被证实,他的所有关于宇宙的预言都被证实了(除了一些细节末梢)。而且,只要相对论没有被证明错误(证伪),也没有推翻的必要。因此,我们要继续努力寻找暗物质,就如同一个世纪以前寻找以太一样。


 而且,暗物质纵然秉性古怪孤僻,社交圈子非常小(不与其他物质发生电磁相互作用),神龙见首不见尾,但还是留下了一些蛛丝马迹,那就是暗物质存在引力效应。遥远宇宙的光线,穿过物质或暗物质附近的时候,会由于物质和暗物质的引力作用,光线发生弯曲。就像光线通过透镜一样。


哈勃望远镜曾拍到一个超新星爆炸,但是照片上却有四个成像。


通过引力透镜,根据光线弯曲的程度,科学怪蜀黍们可以计算出物质和暗物质的分布,去掉直接观察到的物质,剩下的就是暗物质的分布了


另外,暗物质存在证据还有宇宙学上的证据:由于暗物质弥漫分布在宇宙空间,它们会影响宇宙的膨胀。



说了半天,还是没搞明白,暗物质到底是什么?


这个,虽然小编不好回答,但我一点都不羞愧,因为,科学家对暗物质了解的也少。目前,关于暗物质有三点是可以确定的:

(1)宇宙中存在暗物质。

(2)它们能产生引力。

(3)它们大量存在。是普通物质的4倍还多!暗物质是弥漫在星系中的,或者,星系是埋在暗物质晕之中。

关于他们,可能是什么,有下边的说法要等待证实:暗物质很可能由某些和光线不发生任何作用的特殊粒子构成,他们的性质还不为我们所知道。



排除法:暗物质不是什么?


虽然暗物质是什么,我们知道的还不多,但我们还知道更多暗物质不是什么

第一:暗物质不是没有恒星的分子云,或星际尘埃团。因为目前我们还探测不到任何物质粒子。

第二:暗物质不是反物质。因为反物质和普通物质接触,会湮灭,产生特殊的伽马射线。


第三:暗物质不是黑洞,虽然黑洞也不可见,也有引力。因为黑洞的边缘会和其他物质发生猛烈作用,比如被黑洞吞噬前的天体会垂死挣扎,这个挣扎过程中因高热而放出紫外线和X射,从而我们可以获取黑洞存在的讯息。我们感受到的暗物质只是在空间中弥散分布。



寻找暗物质有什么用呢?


(1)我可以肯定的说:对于像我一样的吃货来讲,没什么用。对不是吃货的普通人,也没啥用。

(2)但,对于科学家而言,他们对暗物质的执着,肯定超过了我对美食的执着。他们对未知世界充满了好奇心和求知欲。所以他们也代表了人类的未来,而我们不能。在此向他们表示致敬!


(3)对于科学家来说,发现暗物质是继哥白尼的日心说,牛顿的万有引力说,爱因斯坦的相对论,量子学说之后,人类认识自然规律的又一次重大飞跃!比引力波还要重大的而发现!因为如果能找到暗物质,将使人类对宇宙的认识向前迈进一大步,了解到更加深远的物质世界。


(4)另外,在寻找暗物质的过程中,科学家们要绞尽脑汁去想一切办法,在这过程中,还会有歪打正着的新发明新发现新技术,作为额外附加的回报。


(5)另外,如果我国率先发现暗物质,那么得诺贝尔奖是肯定的了。另外,科学上的领先,也是国际上综合国力竞争的主要指标。


那目前寻找暗物质的思路有哪些呢?


首先,无论探测什么物质,一定要让被探测物质与探测器发生相互作用,一般最终转化为易测的光电信号。这是最基本的思路。目前,国际上对暗物质探测方式主要分为3类,这也是基于不同的物理模型。

第一类是在加速器上通过两束高能粒子对撞将暗物质粒子“创造”出来,如欧洲核子中心的大型强子对撞机;

第二类是在地下进行的直接探测,各国有不少这样的实验项目,其中我国四川锦屏地下实验室是目前世界上最深的研究暗物质实验室。地下的实验是基于暗物质是一种质量很大的、只参与弱相互作用的粒子,简单地说,就是质量很大的类中微子粒子。


第三类是在太空进行间接探测,比如我国的悟空号探测卫星。空间的实验是基于暗物质是一种自身就是自身的反粒子的粒子物理模型,暗物质与暗物质湮灭产生正负电子对。空间实验其实测量的是正负电子,这些正、负电子的数目可能比我们预想的要多,多到只能用暗物质湮灭来解释。

  大咖简介




袁业飞教授:

1999年6月获中国科学技术大学天体物理专业博士学位。2001年1月被破格聘任为中国科学技术大学副教授。2005年12月晋升为教授。1998年获中国科学院院长奖学金优秀奖。入选2005度教育部“新世纪优秀人才支持计划”。现任天文学系执行主任。2002-2003被教育部国家留学基金委以高级访问学者的身份选派到美国哈佛大学天文系访问一学年。2001,2004年曾应邀访问香港大学物理系,并作合作研究。主要承担高年级大学生和研究生的《天体物理概论》、《热力学与统计物理》、《广义相对论》和《相对论天体物理》的教学工作,并从事以相对论天体物理、致密星物理为主要研究方向的理论天体物理的研究工作。参加的主要学术团体有:国际天文联合会(IAU)会员,中国天文学会常务理事,中国物理学会引力和相对论天体物理分会理事,安徽省天文学会会员


此文衷心感谢袁教授精心斧正,在此小编有礼啦!


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