暗物質、暗能量為什麼看不見摸不著,但科學家說它的的確確存在?

2020-11-25 薛丁格的科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

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%。

相關焦點

  • 暗物質、暗能量看不見摸不著,科學家為什麼能確定它們存在?
    據我們目前對宇宙了解進行推測,整個宇宙中大約25%是暗物質,70%是暗能量,這兩個佔據最多的部分,我們是看不見的。我們所感知到的只是宇宙中的一小部分,而暗物質、暗能量又遠在天邊近在眼前.因為我們看不見它們,所以我們也悲催的不知道它們是什麼。那麼暗物質、暗能量是否有可能不存在呢?或者說既然看不見,又不知道是什麼,它倆是怎麼來的?
  • 暗物質和暗能量主宰著我們的世界,它到底是一個什麼存在?
    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。科學界現在也是公說公有理,婆說婆有理,甚至我今天還看到一個說法,說是有一位科學大神~哥倫比亞大學天體生物學主任Caleb Scharf說,暗物質有可能是外星文明體弄出來的玩意,甚至很可能就是外星文明體本身。這當然是扯淡。
  • 應該怎麼理解暗物質與暗能量?
    科學界現在也是公說公有理,婆說婆有理,甚至我今天還看到一個說法,說是有一位科學大神~哥倫比亞大學天體生物學主任Caleb Scharf說,暗物質有可能是外星文明體弄出來的玩意,甚至很可能就是外星文明體本身。這當然是扯淡。時空通訊雖然不是科學大神,但對於並非建立在科學理論依據上的胡思亂想隨意說法是不認同的。
  • 宇宙的暗能量看不見,摸不著,那它存在嗎?我們又該如何去發現它
    我談論過天文學家是如何知道暗能量的存在的。即使他們看不見暗能量,但他們可以通過重力對光的影響來探測它。在宇宙中暗物質所佔的比例為27%,暗能量所佔的比例為68%。暗能量到底是什麼天文學家也不知道,他們唯一能確定的就是暗能量確實存在。這麼說吧宇宙中95%的物質都是個迷。我們還不知道那些是些什麼物質。所以這次,我們只把注意力放在暗能量上。
  • 暗物質暗能量藏身於太空哪個角落,它們真的存在嗎?
    經過幾十年研究,科學家們認為愛因斯坦的理論沒有錯,而且這些古怪現象更證明了場方程的正確性,宇宙中存在一些人類看不見的東西,才導致了與理論的不符。根據愛因斯坦場方程,可以推導出我們看到的宇宙只是宇宙整體質量中很少一部分,而絕大部分是我們看不見的東西。
  • 生命技術:施一公教授說宇宙中96%都是看不見感覺不到的暗物質
    暗能量-->神?or 計算誤差?。最近看了一個視頻特別震撼,是關於施一公教授關於生命的研究,發現我們人類能夠感知的物質世界,只有佔宇宙的4%,另外96%都是看不見感覺不到的。這96%裡面絕大部分是暗能量,其中23%是暗物質。
  • 什麼是暗物質和暗能量?
    你們可能都知道,在算錯了的情況下等於3,但是科研工作者並不喜歡這個答案,我們可以給大家另一個答案:1+1,再加上一個看不見的「暗」數字1,那麼也可以等於3。什麼意思呢?就是說,我們星系當中所有的可見物質加到一起,不能提供足夠的引力去維持速度幾乎不變的旋轉曲線。怎麼辦?我們就再加一些看不見的物質,這種看不見的物質我們叫作「暗物質」。
  • 暗物質暗能量謎團:宇宙中95%是它們,我們卻觀察不到
    暗物質是一種物質,科學家們認為宇宙中85%的物質都是暗物質,然而天文學家從來沒有實際觀測到它。暗物質存在的主要證據來自計算,科學家們使用牛頓萬有引力公式計算星系的結構,結果表明,如果它們不包含大量看不見的物質,許多星系會飛散或者它們將不會像它們現在那樣轉動。其他一些次要證據包括在引力透鏡和宇宙微波背景中的觀測,以及對可觀測宇宙當前結構。
  • 暗物質與暗能量
    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。
  • 以太漂不漂移?暗物質,暗能量?
    託馬斯·楊然而事實是從來就沒有任何人能夠看到或者摸到這種「以太」,也沒有實驗測定到它的存在。因此許多科學家懷疑以太的存在。不過以現在的觀點看來也不算什麼,現代物理認為宇宙中存在著暗物質,暗能量。按當時的觀點來看也是難以理解的。2:麥可遜-莫雷實驗的零結果。以太說認為以太是光媒介質,那麼地球在以太中運動,在地球上各個方向的光速與地球運動應該符合伽利略變換,即C+V和C-V。麥可遜-莫雷實驗正是測量C+V和C-V中的V,得到結果為零。
  • 暗物質和暗能量至今未被發現,人類仍迷失在宇宙中
    大爆炸的那一瞬間,物質被推散到各個方向,向各個方向遠離的物質之間存在著萬有引力相互作用。照此說物質會在萬有引力的作用下運動的越來越慢,即宇宙的膨脹會越來越緩慢,可實際的觀測卻顯示宇宙是在加速膨脹。宇宙的加速膨脹讓物理學家很是苦惱。按照人類已知的物理學,要加速膨脹就應該有一個力對抗著引力,並且那個力還要大於引力。
  • 暗物質、暗能量和量子糾纏顛覆我們的認識
    暗物質、暗能量和量子糾纏顛覆我們的認識暗物質,看不見摸不著的物質,完全不同於我們已知的一切可見物質,佔宇宙物質的85%,可見物質的5倍。暗能量,驅動宇宙運動的一種能量。它和暗物質都不會吸收、反射、輻射,所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。量子糾纏,二個沒有任何關係的量子,會在不同位置出現完全相關的相同表現。如相隔很遠的二個量子,一個出現狀態變化,另一個在相同的時間出現相同的變化,而且不是巧合。暗物質、暗能量和量子糾纏顛覆我們的認識。
  • 為什麼說暗物質如果不存在,人類就無法解釋宇宙的結構
    當你讀這篇文章時,大概每秒鐘有一百萬個暗物質粒子穿過你的身體。人們看不見它們,因為它們不發光,不帶電荷,與原子物質的相互作用也很小。暗物質沒有電磁場,這意味著它們很難被任何傳統的科學測量設備探測到。但人們知道它們存在,因為如果它們不存在,就無法解釋宇宙的結構。暗物質是誰最先發現的?
  • 非自然現象=暗物質?傳說中神秘的「暗物質」真的存在嗎?
    文/三飯手中敲著鍵盤,看著電腦屏幕,口渴了便拿起桌子旁的咖啡,這些都是我觸手可及的東西,以前在學校老師也會告訴我們:物質組成的基本單位是原子。然而,今天我們卻要說的是那個摸不著看不到聽不到的一個物質——暗物質。
  • 暗物質和暗能量的不存在會引起物理學翻天覆地的變化
    暗物質和暗能量是當今宇宙學的重大研究課題,一旦對其有了實質性的突破研究,用諾貝爾獎也無法體現出研究成果的偉大。圍繞著暗物質和暗能量,科學家在天上和地底下布下了天羅地網,可一直未發現它們的真實蹤跡。上世紀30年代起,科學家們陸續發現星系的運動數據與萬有引力的計算結果之間存在很大的偏差,為了解釋這種現象科學家提出了暗物質概念,認為宇宙中存在不參與電磁相互租用但是能參與引力相互作用的暗物質,正是這種物質導致了觀測結果與理論值之間有很大的偏差。星系和星系之間存在著引力相互作用,照理說宇宙的膨脹會在引力的作用下趨於緩和,可實際的觀測卻顯示宇宙是在加速膨脹。
  • 暗物質到底是什麼?科學家對它的判斷可能一開始就錯了
    科學家研究後認為,可能是有一種我們不知道的東西把它制住了。也就是說有一種我們看不見的物質將天體鎖定在了星系裡面,即使星系的旋轉速度大於引力,也無法將其中的天體等物質甩出去,而這種看不見的物質,科學家稱之為暗物質。暗物質早在上個世紀20年代就被科學家提出來了,當時這只是科學家猜想中的一種物質。
  • 宇宙的終極命運,或藏在「暗物質」與「暗能量」之中
    如果宇宙之中只存在一種萬有引力來維繫宇宙的運轉,那麼就不可能出現加速膨脹的情況。由此,科學家們猜測在宇宙之中一定存在其他的力推動宇宙不斷膨脹的現象。後來,現代天文學家通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構的形成以及微波背景輻射等方法和理論探測暗物質,最終通過探測的數據得出在宇宙中的確存在暗物質和暗能量的結論。
  • 暗物質和暗能量的結合構成了宇宙,那暗物質的組成結構是什麼?
    事實上,就宇宙的絕大部分而言,人是種怪異的存在,微不足道。構成你以及你所關心的一切事物的普通材料只佔宇宙不到10%的內容;宇宙的其餘部分則是由被稱為暗物質和暗能量的神秘物質構成的,這是我們這個時代最偉大的宇宙奧秘之一。至於它們到底是什麼,誰也說不準。
  • 人眼睛看不見的就是不存在的嗎?科學家:還有很多看不見
    人眼睛看不見的就是不存在的嗎不一定一個東西看不到,就代表不存在嗎?這其實是一個很深刻的問題,早在2000多年前,科學家就在思考。首先,什麼是看不見的?科學家的定義與一般人的定義並不一樣,很多有超自然體驗的人堅持自己真的感受到了一些「確實存在」但是眼睛看不見的東西。科學的定義完全不局限於眼睛,只要是可以被任何客觀物體捕捉的東西,都是存在的。
  • 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。事實上,暗物質的概念是科學家引入的,目的是為了證明他們在宇宙中觀察到的某些效應的合理性,而不是根據我們所知的所有物理定律來證明自己的存在。其中包括引力透鏡(即大型空間物體對光的偏轉)和星系外部區域的異常高的旋轉速度。