世界上的一切物質都是由原子組成的,那暗物質是否也包含粒子呢?

2021-01-13 悟空科學世界

導語

在宇宙中,我們觀察到的所有事物,從物質到輻射,都可以分解為最小的成分。世界上的一切物質都是由原子組成的,原子又是由核子和電子組成的,而核子又分為夸克和膠子。例如,光也由粒子組成,即:光子;引力波,理論上它也包含引力子,如果幸運的話,總有一天,我們會發現並修復這些引力子。那暗物質呢?我們不能否認它存在的間接證據,如果存在,那它是否也包含粒子呢?

問題

曾經,我們認為暗物質由粒子組成,並試圖去找到它們,但是如果我們尋找錯了,該怎麼辦?

如果把暗能量認為是空間本身組織中固有的能量,那麼「暗物質」是否也是空間本身的內部功能?如果不是這樣的話,那麼如何去解釋我們觀察到的引力效應會受到「暗物質」的制約呢?

分析過程

接下來,物理學家伊森·西格爾專門為你制定了一套理論方法和事件發展的可能情況。

宇宙中的事物與宇宙膨脹速率,隨時間變化的一對一關係是宇宙中最有趣的特徵之一。由於科學家對恆星,星系,超新星,宇宙微波背景和宇宙的大規模結構進行了許多仔細的測量,那我們就能明白兩者間的關係,並能夠確定宇宙是由什麼構成的。原則上,關於我們的宇宙組成問題,存在許多不同的觀點,以及這些觀點對宇宙的擴張又存在著不同的影響。

這裡有一些數據,宇宙是由以下幾點組成的:

即使在空間擴張的情況下,但仍有68%的暗能量保持著恆定的能量密度;27%的暗物質,表現為引力,它們隨著體積的增加而變得模糊,並且不以任何其他已知的力量來測量自身;0.1%的中微子,表現出引力和電弱相互作用,它們由粒子組成,只有當它們放慢到足以表現物質而不是輻射時,才會撞在一起;0.01%的光子,具有引力和電磁效應,其行為表現為輻射,並且隨著體積的增加和波長的拉長而變得模糊。

隨著時間的推移,這些不同的組成部分變得越來越重要,同時這個比例也代表了當今宇宙的組成部分。

從測量結果中,我們可以看出,暗能量在空間的任何地方、在空間的所有方向以及在我們空間歷史的所有階段,都具有相同的性質。換句話說,暗能量是均勻的和各向同性的,即:它無處不在,總是相同的。據我們判斷,暗能量是不需要粒子的; 它很容易成為空間結構中固有的特性。

解釋暗物質

然而,從本質上,暗物質是不同的。

為了形成我們在宇宙中看到的結構,特別是在大空間尺度上,暗物質不僅應該存在,而且還應該聚集在一起。它應該集中在密度較高的區域,實際上,我們可以通過觀察來說明有多少暗物質處於不同的空間區域。這裡有三個最重要的問題:

物質的功率譜。看看它在星系中有多大?如果宇宙是由均勻的物質構成的,那其結構將被抹掉;如果宇宙中存在暗物質,而這些暗物質不是早早被聚集的話,那麼小規模的結構就會被破壞。能量功率譜告訴我們,在宇宙中,大約85%的物質是由暗物質所代表的,而暗物質與質子、中子和電子有很大的不同,這個暗物質是冷的,或者它的動能與其他質量相當。引力透鏡效應。看看這個巨大的物體,假設是一個類星體,一個星系,或星系團,了解它們的背景光是如何因物體的存在而變形的。由於我們理解了愛因斯坦的廣義相對論所控制的引力定律,所以我們可以確定光線是如何彎曲的,從而確定在每個物體中存在多少質量。通過其他方法,我們可以確定在普通物質中存在的質量數量,如恆星,氣體,塵埃,黑洞,等離子體等。我們再次發現,85%的物質是由暗物質所代表的。此外,它的分布比普通物質更為分散、渾濁。這是由弱光和強光透鏡所證實的。宇宙微波背景。如果你看看宇宙大爆炸的餘輝,你就會發現它幾乎是均勻的。但是,如果你仔細觀察,在從幾十到幾百個尺度上,你會發現它存在微小的缺陷。它們告訴我們一些重要的信息,包括普通物質的能量密度,暗物質和暗能量,但最重要的是,它們告訴我們,當宇宙只有當前年齡的0.003%時,宇宙是均勻的。換句話說,暗物質從一個均勻的狀態開始,隨著時間的流逝,它變成了團塊。

結論

綜合所有上面這些,我們得出這樣的結論:暗物質應該像流體一樣充滿著宇宙,這種流體具有可忽略的壓力和粘度特徵,對輻射壓力有反應,不與光子或普通物質發生碰撞,並且隨著時間的推移,它在自身重力的作用下被散開;它決定了宇宙中最大規模結構的形成;而且它是非常不均勻的,其異質性的程度,隨著時間而增加。

這就是為什麼試圖直接探測暗物質是如此重要的原因。在理論上,證實或駁斥暗物質的基本成分是不可能的,只有在實踐中才能得到觀察的支持。顯然,暗物質與暗能量無關。

它是否由粒子組成?在我們找到它們之前,我們只能猜測。當涉及到任何其他形式的物質時,宇宙表現為量子性質,因此,可以合理地假設暗物質是相同的。

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