暗物質與暗能量

2020-11-25 中國科學院

宇宙的起源和進化是物理學研究的最基本的問題之一。建立在廣義相對論和宇宙學原理（即在宇宙大尺度上，物質的分布是高度均勻各向同性的）之上的大爆炸宇宙模型告訴我們大約137億年前，大爆炸發生的那一刻，宇宙處於一個極緻密、極高溫的狀態，形成了空間和時間，宇宙隨之誕生，並經過膨脹、冷卻演化至今。在這個過程中，宇宙經歷了原初輕元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恆星形成等幾個重要的時期，星系、地球、空氣、水和生命便在這個不斷膨脹的時空裡逐漸形成。

二十世紀二十年代，天文學家哈勃從星系光譜的紅移的觀測中發現宇宙中所有的星系都在彼此遠離退行，距離越遠，退行速度越大，二者成正比，這個比例係數被稱為哈勃常數，這個規律叫哈勃定律。在此基礎上，產生"膨脹宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。二十世紀大量的天文觀測和天體物理研究結果都證實這個模型。

2003年威爾金森微波背景各向異性探測器(WMAP)和斯隆數字巡天(SDSS)天文觀測以其對宇宙學參數的精確測量，進一步強有力地支持了這一模型。這在人類探索宇宙奧秘和物質基本結構的道路上無疑是一個光輝的成就。WMAP的結果告訴我們，宇宙中普通物質只佔4%，23%的物質為暗物質，73%是暗能量, SDSS 也給出類似的結果。從物質基本結構的觀點出發，普通的物質，如樹木、桌子以及我們人類本身，是由分子、原子構成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理標準模型所描述的夸克和輕子以及傳遞相互作用的粒子（如光子，膠子等）。北京正負電子對撞機就是系統地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)輕子。

什麼是暗物質呢？暗物質是不發光的，但是它有顯著的引力效應。比如，對於一個星系考慮距其中心遠處的天體的旋轉速度，如果物質存在的區域和光存在的區域是一樣的話，由牛頓引力定律可知，距離中心越遠，速度應該越小。可是天文觀測事實不是這樣的，這就說明當中有看不見的暗物質。目前各種天文觀測和結構形成理論強有力地表明宇宙中有大約三分之一是暗物質。中微子是一種暗物質粒子，但WMAP和SDSS的結果說明，它的質量應當非常小，在暗物質中只能佔微小的比例，絕大部分應是所謂的中性的弱作用重粒子。它們究竟是什麼目前還不清楚。理論物理學家猜測，它們可能是超對稱理論中的最輕的超對稱粒子，是穩定的，在宇宙演化過程中像微波背景光子一樣被遺留下來。目前世界各國科學家，例如中意科學家合作組DAMA實驗，丁肇中先生領導的AMS實驗，正在進行著各種加速器和非加速器實驗，試圖找到這種暗物質粒子。

暗能量是近年宇宙學研究的一個裡程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據有兩個。一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹，星系膨脹的速度不象哈勃定律描述的那樣，是恆定的，而是在不斷加速。按照愛因斯坦引力場方程，加速膨脹的現象推論出宇宙中存在著壓強為負的"暗能量"。另一個證據來自於近年對微波背景輻射的研究精確地測量出宇宙中物質的總密度。但是，我們知道所有的普通物質與暗物質加起來大約只佔其1/3左右，所以仍有約2/3的短缺。這一短缺的物質稱為暗能量，其基本特徵是具有負壓，在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結團。最近WMAP數據顯示，暗能量在宇宙中佔總物質的73％。值得注意的是，對於通常的能量（輻射）、重子和冷暗物質，壓強都是非負的，所以必定存在著一種未知的負壓物質主導今天的宇宙。

然而現在物理學的基本理論還無法解釋觀測到的這一暗能量。暗能量是二十一世紀物理面臨的最大的挑戰。物理學對暗能量這種新類型物質的探索才剛剛開始。眾說紛紜，但僅僅是一些猜測和設想，遠沒有形成一個基本合理的解釋。科學家正在計劃發射新的探測衛星，對於宇宙大尺度空間進行更多更精確更系統的觀測，進一步研究宇宙加速膨脹的規律，確定暗能量的形式和物理特徵，不同的暗能量形式將導致非常不同的宇宙膨脹的規律。解決這一問題需要新的理論，這樣的理論一旦被找到，很可能是人們長期追求的包括引力在內的各種相互作用統一的量子理論。這將是一場重大的物理學革命。

綜上所述，研究暗物質、暗能量這些新的問題需要將描述微觀世界的粒子物理與描述宇觀世界的宇宙學結合起來。這一極大與極小的聯繫是21世紀物理學和天文學研究的一個新特點。

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    暗物質和暗能量暗物質和暗能量概念逐漸得到了越來越多的認可，更多的科學家開始接受這兩個概念。量子力學和相對論似乎都沒有涉及這兩個概念。我們已經知道的物理理論也難以理解暗物質或暗能量。因此這被稱為21世紀物理學大廈上空的兩朵烏雲，與20世紀初物理學大廈上空的兩朵烏雲如此類似。相對論預言的引力波得到了直接證實，這進一步地體現了相對論的正確性，但是相對論與量子力學依然是不相容的，卻各自在自己的領域內都是正確的，這是困擾物理學家近百年的問題。 看來，物理學實際上是面臨三大問題，暗物質和暗能量以及量子力學與相對論的融洽。
  • 什麼是暗能量,暗物質?
    它被稱為暗能量。什麼是暗能量？更多的是未知的。我們知道有多少暗能量，因為我們知道它如何影響宇宙的膨脹。除此之外，這是一個完全的迷。但這是一個重要的謎。事實證明，大約68％的宇宙是暗能量。暗物質約佔27％。
  • 什麼是暗物質和暗能量？
    或者說，我們通常意義上熟悉的原子、分子，以及原子、分子所組成的物質佔宇宙當中物質的多少呢？這個問題很難從理論的角度去回答，但是宇宙學觀測已經給了這個問題一個答案：我們通常所熟悉的原子、分子所組成的物質只佔宇宙總物質的大約5%，其他25%是一種所謂的「暗物質」，而更多的70%被稱為「暗能量」。
  • 什麼是暗物質和暗能量
    我們來聊一聊,如果讓我用一句話來解釋,暗物質貢獻引力,努力把物質拉向一起,暗能量則貢獻壓力,努力讓物質相導憶離,努力讓物質相互遠離,因為兩者都無法直接觀測,所以它們都姓「暗」,好啦今天的視頻就到這裡,目前的觀測表明,宇宙中的常規物質只佔總能量的4.9%,暗物質佔26.8%
  • 什麼是暗物質和暗能量
    我們來聊一聊，如果讓我用一句話來解釋，暗物質貢獻引力，努力把物質拉向一起，暗能量則貢獻壓力，努力讓勿質相導憶離，努力讓物質相互遠離，因為兩者都無法直接觀測，所以它們都姓「暗」,好啦今天的視頻就到這裡，目前的觀測表明，宇宙中的常規物質只佔總能量的4.9%,暗物質佔26.8%,剩下的68.3%
  • 應該怎麼理解暗物質與暗能量?
    應該怎麼理解暗物質與暗能量？這個問題地球上不管是陽春白雪還是下裡巴人，都還沒有弄清楚，所以理解也是五花八門。所謂陽春白雪，就是科學界那些科學家大神們，下裡巴人當然是指我等吃瓜群眾了。但暗物質研究了幾十年，有幾點是有進展的，知道了這個看不見摸不著但能夠感知的玩意有幾個特性：1、暗物質有質量，因為它參與了引力相互作用，但單個暗物質粒子的尺度質量還不知道；2、暗物質很穩定，已經存在百億年，在宇宙結構形成的不同階段都有暗物質的參與和作用；3、暗物質基本不參與電磁相互作用，即與光子不發生作用，因此基本不發光，就看不到；暗物質也不參與強相互作用
  • 什麼是暗物質?什麼是暗能量?
    物理學家仍然不知道怎麼解釋這些東西，但是他們起了個名字，這就是所謂的暗能量。什麼是暗能量？未知的遠比已知的多，我們知道暗能量切實存在，因為我們知道暗能量如何影響宇宙的膨脹。除此之外，它完全是個謎。但這是一個重要的謎。事實證明，大約68％的宇宙是暗能量。暗物質約佔27％。
  • 論引力場、宇宙、暗能量、暗物質
    暗物質是什麼？暗能量是什麼？大爆炸宇宙之外，宇宙大爆炸之前是什麼？關鍵詞：移動波；宇宙；暗能量；暗物質；速度宇宙加速膨脹的原因1920年代，哈勃發現了宇宙膨脹，宇宙不是靜態的、一成不變的，它浩瀚的空間每分每秒都在擴張，星系之間彼此遠離。宇宙膨脹是20世紀偉大的科學發現之一，直接導致了大爆炸宇宙學的學說。
  • 暗物質暗能量在宇宙的分布均衡嗎?
    賀俊傑/文物理宇宙學認為，暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。暗物質是一種比電子和光子還要小的物質，不帶電荷，不與電子發生幹擾，能夠穿越電磁波和引力場的未知物質。現代天文學通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、天文觀測和膨脹宇宙論研究表明：宇宙的密度可能由約68.3%的暗能量，26.8%暗物質，4.9%的重子物質組成。全世界的專家學者們研究暗能量、暗物質，基本上都建立在宇宙爆炸、宇宙膨脹的基本理論基礎之上，基本證明了暗能量和暗物質的存在，但仍然沒能找到暗能量和暗物質。
  • 暗世界:黑暗、黑夜、黑洞、暗物質及暗能量;
    四，暗物質及暗能量！ 物理學一個重要的特徵是可證偽而不可證明的！ （黑色網絡是暗物質，懸掛於黑色網絡的橙色區域是物質，無所不在均勻分布的是暗能量。）
  • 什麼是普通物質、反物質、暗物質和暗能量?
    經常關注宇宙學得朋友，肯定都看到過反物質、暗物質和暗能量，這三個物理學中的詞彙，除了這三個還有一個普通物質，它們一起構成了宇宙中以前存在、現在存在的所有物質/能量形式，其中的反物質在目前的宇宙中，據我們觀察並不存在，而暗物質、暗能量、普通物質依然充斥著宇宙空間，組成了我們當今的宇宙。
  • 暗物質和暗能量理論過時了嗎?
    當我們嘗試做到這一點時，我們面臨的問題是，儘管我們對宇宙了解甚多，但除非我們添加至少兩個神秘成分，否則我們的預測和觀察到的結果將不會完全匹配：某種暗物質和某種類型的暗能量。這是一個非凡的難題，每個天體物理學家都不得不想辦法解決它。儘管許多人都喜歡提出替代方案，但它們都比暗物質和能量的令人滿意的解決方案還要糟糕。這是為什麼的科學。我們可以進行大量的測量，這些測量有助於揭示宇宙的本質。
  • 「暗物質與暗能量系列」暗能量,宇宙命運的主宰
    大家好，暗物質與暗能量系列，這是第二期。上一期，我們討論了暗物質，那麼什麼是暗能量呢？這件事，還要從愛因斯坦這輩子「最大的錯誤」談起。提出這個概念的科學家認為，在宇宙中有一種暗能量，和我們可見的物質的聯繫很少，只在引力和弱相互作用方面有所瓜葛。和萬有引力相反，這種暗能量專門提供斥力，導致天體之間的遠離。正是在暗能量的作用下，宇宙才會避免各個天體巨大引力導致的收縮，反而一直膨脹下去。
  • 「負質量」能否統一暗物質,暗能量?
    該理論已發表在該雜誌由英國牛津大學的傑米Farnes 天文學和天體物理學，如果正確就單槍匹馬解釋兩個宇宙的最神秘的現象：暗能量和暗物質。天文學家對宇宙的測量結果表明，諸如恆星和天然氣等可見物質僅佔宇宙的5％左右。例如，星系旋轉的方式顯示出重力效應，大約是我們所看到的物質的五倍：一個看不見的實體，被稱為暗物質。星系正以越來越快的速度相互遠離。
  • 暗物質和暗能量有什麼不同呢?
    在物理學，我們經常聽說暗物質和暗能量這兩個詞。但是，事實證明，很多人都把暗物質和暗能量混為一談。同時，它們完全是兩碼事。暗物質是一種物質形式，在電磁波譜中是看不見的，並不向外顯現出來。它僅以一種方式表現出來，那就是引力的相互作用。根據科學家的計算，宇宙的質能中包括了相當多的暗物質，大約佔25%。但遺憾的是，至今仍未發現到它。那麼，什麼是暗能量呢？
  • 暗物質與暗能量是什麼?看完秒懂
    我們所熟知的物，原子、恆星、星系、行星、樹、巖石，以及我們，但這些物質佔整個宇宙不到5%。在整個宇宙中，大約25%是暗物質，70%是暗能量。但是，暗物質與暗能量都無法被觀測到。這聽起來有點奇怪，這表示我們所接觸到的世界只佔了極其微小的部分。更糟糕的是，我們對暗物質與暗能量究竟是什麼、如何運作毫無頭緒。
  • 暗物質、暗能量的神秘面紗即將揭開
    在修正後的引力場方程中，宇宙因子項是一個包含了物理空間密度標量的負的曲率增量，表現出的是斥力的性質，它取代了暗物質和暗能量在引力場方程中的地位。在文章中，高海濤採用目前宇宙中已知物質的參數計算了由於物理空間的密度產生的哈勃紅移的量，計算得到的哈勃常數為：74.6607Km*s^-1*Mpc^-1，計算結果與近年來哈勃太空望遠鏡的觀測結果一致。
  • 暗物質、暗能量的神秘面紗即將揭開!
    在修正後的引力場方程中，宇宙因子項是一個包含了物理空間密度標量的負的曲率增量，表現出的是斥力的性質，它取代了暗物質和暗能量在引力場方程中的地位。 在文章中，高海濤採用目前宇宙中已知物質的參數計算了由於物理空間的密度產生的哈勃紅移的量，計算得到的哈勃常數為：74.6607Km*s^-1*Mpc^-1，計算結果與近年來哈勃太空望遠鏡的觀測結果一致。
  • 宇宙中的暗物質和暗能量是什麼
    要知道什麼是暗能量？首先要搞清楚什麼是暗物質.科學家認為暗物質就是不與現觀察到、發現的物質發生相互作用，但是卻可以觀察引力來判斷他們的存在，就是說暗物質其實是與引力相互作用的，這是為什麼？在相對論的框架裡還是離不開物質的質量。不管引力是因為物質之間的相互作用還是時空彎曲，都離不開物質的基礎屬性"質量.根據科學家的預測，暗物質的最大特點就是不與現有觀察到、發現到的物質產生相互作用，眾所周知，我們人類發現或者觀察到的物質都具備質量的特點，難道暗物質沒有質量嗎？沒有質量的物質就是暗物質嗎？根據愛因斯坦的質能方程，暗能量從何而來。