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从“暗体”到“暗物质”

2017-12-07 10:22 来源:光明日报

  我们首先要明确一点:到目前为止,物理学家和天文学家根据观测事实和理论推测,构建出各种各样的宇宙模型,其中最成功的是大爆炸宇宙模型,宇宙在加速膨胀也是公认的事实。而暗物质是基于现有引力理论的一种假想物质,暗能量是基于现有宇宙模型的一种假想能量。

  暗物质和暗能量的存在能够解释一系列令人困扰的天文观测现象,也能在现有理论模型下能够很好地解释宇宙的演化和存在,可是还没有实验能够直接探测到暗物质和暗能量并为它们的存在进行决定性地描述。但是,很多新的观测现象都指向同一个事实:暗物质和暗能量是真实存在的。

  今天,我们来说说暗物质理论的沿革。一直以来,物理学对于物质本质的描述,朝着两个极限不断前进。一个是微观极限,现在已经深入到原子核内部;另外一个是宏观极限,现在已经扩展到整个宇宙。从微观上讲,标准模型能够解释到目前为止发现的大部分粒子,标准模型也是基于地球上的物质、对撞机产生的粒子以及宇宙射线而构建的;但是当人类将探索的触角伸向浩瀚无垠的宇宙的时候,发现了一些令人费解的现象。

  早在19世纪末20世纪初,开尔文勋爵(即威廉·汤姆森,著名的“物理学天空的两朵乌云”的论断的提出者,也是热力学温标的发明人)在计算银河系的恒星质量时就提出,银河系中的大多数星体或许都是“暗体”(dark bodies)。

  1906年,亨利·庞加莱(早期翻译作品多译作昂利·彭加勒,是法国著名的数学和物理学家,著名的“庞加莱猜想”提出者)在讨论开尔文勋爵的工作时,在《银河系和气体理论》一文中首次使用暗物质(dark matter)这一词汇。

  20世纪30年代到70年代间,不少科学家在观测不同星系时发现引力质量比星系的光度质量大的多。自此,科学家指出宇宙间存在大量看不见的物质——如果只有可见物质参与引力相互作用,那么从星系中心到旋臂,随着半径的增大,旋转的速度会越来越低。根据天体物理的理论,这样会导致星系的不稳定。我们通过中学物理学过的引力圆周运动公式,也可以简单地得到这一结论。

  但实际观测表明,稳定星系旋臂的转动速度随着半径增大,呈现出一个恒定速度,这样才会使星系保持稳定。而这个现象也说明,星系的大部分质量并不是集中在星系中心,而是有许多看不见的“暗物质”分布在整个星系,可见物质只是星系质量的一小部分。

  我们知道,物理学发展至今,虽然理论物理已经可以完全独立发展,但理论正确与否,最终要经过可靠实验的检验,理论和实验相辅相成。暗物质的提出,虽然只是来源于科学家们的头脑风暴和数学计算,但是对于人类认识宇宙有着重要意义。至于理论最终会得到证实还是被推翻,还是要靠具体的实验探测来说话。

  (本文由科普中国融合创作提供)

(责任编辑:王蔚)

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