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在物理學和天文學領域,常常會出現一些新詞,比如:暗物質、暗能量、反物質。這些概念對於一般人來說,第一次聽到會感到不知道所云。不過,客觀地說,它們是真實存在的東西,當你對它們有一定了解時,你會感到宇宙的神奇,同時對於我們所在的這個宇宙有更深刻的理解。今天,我們就一組一組地講,首先是物質和反物質,然後是物質、暗物質和暗能量。
物質&反物質
在我們這個宇宙當中,存在著時間、空間和物質。所謂的物質就是各種天體,包括人和動物在內。物質是由粒子構成的,粒子中包括了分子、原子等等。
原子並不是物質的最小構成單位,因為原子還可以繼續再分成原子核和電子。原子核還可以繼續再分為質子和中子。
質子和中子還可以繼續分為夸克,只是由於夸克禁閉,到目前為止,我們還沒有辦法直接觀測到夸克的存在,但通過轟擊質子和中子,分析偏轉角度,我們就會知道,質子內部還有結構。
按照目前主流的科學理論,我們知道,宇宙誕生於138億年前的一場大爆炸。目前,我們並不知道為什麼會有這場大爆炸。當然,按照宇宙學和量子力學,科學家認為這場大爆炸來自於量子真空(假真空)的量子能量擾動(量子漲落)。當然,目前這還只是猜測,某種程度上看,我們也很難驗證這個說法到底對不對。
宇宙大爆炸之後,宇宙處於一種純能量的狀態,當時宇宙內有大量的高能電磁波(光子)。光子和光子如果對撞,就會發生反應。這個反應不是化學反應,而是從光子轉變為其他粒子。比如,一對高能光子對撞後,可能會產生一個正電子,一個電子。所謂正電子就是電子的反物質粒子。(其實光子的反物質粒子就是光子自身。)
所以,你發現沒有?這個宇宙原本其實是很對稱的,一個正電子,就會對應電子。同樣地,一對光子對撞也可能會產生質子和反質子。因此,一個質子,就會對應反質子。至於光子對撞會產生什麼樣的粒子,取決於光子自身的能量,我們把能撞出粒子所對應的這個溫度稱之為閾值溫度。
這裡的正電子和反質子就是反物質。如今科學家在一些宇宙的高能射線中,還能夠發現正電子的蹤跡。
這裡多說一句,量子力學有許多奠基人,其中有一位大神叫做狄拉克,當時海森堡和薛丁格從不同的角度詮釋了量子力學的理論。而他把量子力學的理論和相對論進行結合,得到狄拉克方程,在這個方程中,就預言了反物質粒子的存在。
反物質和物質之間會發生湮滅,比如,正電子和電子就會湮滅,然後會完全轉化成光子。
而同時,科學家還發現,宇宙大爆炸的早期,每10億對的正反物質粒子會發生湮滅,但會有一個倖存者留下,而且每回都是正物質粒子,不過科學家也沒有搞清楚為什麼會這樣。這些正物質最終構成了我們如今這個世界的各種物質。因此,我們都正物質。
物質&暗物質&暗能量
暗物質和暗能量是這幾年說的比較多的詞彙,也是如今物理學和天文學的研究前沿。那它們到底是咋來的呢?
我們想說暗物質,我們都知道,宇宙中天體之間互相繞轉是因為萬有引力。如果一個天體繞轉的速度變快了,要拉住它,不讓它飛出去,那中心天體就需要提供更大引力。我們平時看到的鏈球比賽,運動員把鏈球甩起來時,甩的速度越快,要拽住的力就越大,如果力不夠,鏈球就會被甩出去。
科學家就發現,在一些大星系周圍,天體運動的速度要比理論值更高,這意味著牽引它們的引力要比理論值更大。那到底是什麼在牽引它們呢?
按照如今的理論,科學家推測應該是一種我們觀測不到的物質,也就是不參與到電磁相互作用上的物質,於是,就把它稱為暗物質。
科學家還發現,幾乎所有的大型星系都有暗物質存在,只有極個別的小型星系沒有暗物質。這意味著暗物質其實是星系的粘合劑,如果它們突然不存在了,那麼許多大型的星系就會分崩離析。
至於暗物質的具體性質,如今還是個謎,科學家還在想各種辦法來搞懂它。
接下來,我們來說說暗能量。就像上文說到的,宇宙來自於一場大爆炸,大爆炸之後宇宙的空間距離的膨脹。但是我們知道宇宙中存在著物質和暗物質,它們都是提供引力的。因此,科學家就在思考,宇宙大爆炸之後,由於引力的存在,宇宙空間的膨脹速度已經是逐漸減慢的。但是這僅僅是猜測,最終還是要用觀測來確定。
結果,這一觀測,科學家傻眼了,宇宙非但沒有減速膨脹,相反,宇宙正在加速膨脹。這就意味著一定存在某種東西,它提供了斥力,讓宇宙加速膨脹。於是,科學家就把這個東西叫做暗能量。同樣的,暗能量到底是什麼,至今也是個謎一樣,而且我們距離真正的答案還很遠很遠,科學家對於暗物質的了解要比暗能量更多,
雖然,我們不知道暗物質和暗能量的性質,但是這並不妨礙我們測算它們的含量。如今,科學家根據普朗克衛星的數據,結合現有的理論,已經可以估算出宇宙中物質、暗物質、暗能量的比例。暗能量所佔比例最高,其次是暗物質,我們能觀測到的可見物質僅僅佔據不到5%。