這是你聞所未聞、前所未見、也不可能見到的物質——暗物質

2021-01-10 天文在線

古希臘人有個很好的想法:宇宙很簡單。

在他們看來,宇宙的一切都由四種元素組成:土壤、空氣、火,還有水。這個美妙的理論繼續發展,它既簡單,又優雅。它說,只要用不同的方式組合這四種元素,就能得到宇宙中多樣的一切。比如說,土壤和火能合成乾燥的東西。空氣和水能合成溼的。

但是隨著理論發展,問題來了。它的預測裡,沒有能被測量的東西,而測量是實驗科學的基礎。更糟的是,這個理論根本不對。不過,希臘偉大的哲學家留基伯,在公元前5世紀,提出了有史以來最久經考驗的理論:我們能看到的一切都由一種叫原子的看不見的微粒組成。這個理論簡單而優美,而且比起四元素學說,它更有希望被證實。幾個世紀的科學思考和實驗證實了真實的物質,比如氫、碳、或者鐵,都能被分解成原子。留基伯的理論中,原子是物質最小的組成部分,就像氫、碳、或者鐵。留基伯理論中唯一的錯誤,就是原子其實仍然可分。而且人們發現,他的理論只能解釋宇宙組成的一小部分。宇宙中看似常見的物質,事實上相當稀少。留基伯的原子,以及它們的組成其實只佔了宇宙的5%。

(古希臘數學家歐幾裡得的手稿殘片)

物理學家知道,宇宙剩下的95%都是暗宇宙,即暗物質和暗能量,我們是怎麼知道的?因為如果我們看著什麼,我們就會看見什麼。看起來很簡單,其實非常深奧,所有組成原子的物質都是可見的。它們反射光,從而被我們看見,當我們仰望星空,就能看見星星和星系。其中有一些,和銀河系一樣,美麗,螺旋狀,在宇宙中優雅地旋轉。

(宇宙大部分質量為暗物質和暗能量,我們可見的只是極少一部分,圖為鷹狀星雲,又名創生之柱)

科學家在20世紀30年代第一次測量了星系群的運動和它們包含物質的重量,他們非常驚訝,他們發現沒有足夠的可見物質來讓物質聚在一起。而後對各個星系的單獨測量也證實了這個令人困惑的結果:星系中沒有足夠的可見物質來產生足夠支持它們的引力。在我們看來,它們會飛散開,可是它們沒有,所以一定有什麼物質是我們看不見的,我們叫它們:暗物質。

(所有的星系都在遠離我們,在光譜上呈現紅色,稱之為紅移)

如今,暗物質存在的最佳證明是測量一種叫「宇宙微波背景輻射」的餘輝,產生於宇宙大爆炸中,那又是另一個故事了。我們所有的證據都表明了暗物質存在,並且是布滿天穹的美麗星系的主要成分,所以我們要怎樣呢?我們早就知道地心說是錯的,我們生活的星球,其實相當普通,它的恆星也很普通,位於一個普通星系的旋臂中。發現暗物質使我們又揭開了物質的一層面紗,我們發現,組成我們的物質只是宇宙極小的一部分,剩下的還有很多。

本世紀初,科學家研究了宇宙的外圍並證實,所有東西都在互相遠離。想想開天闢地的大爆炸這並不令人意外,而且,宇宙膨脹的速度似乎也在加快,這是怎麼回事?要麼有一種能量推動了這種加速,就像你讓汽車加速一樣;要麼就是引力的作用,這和我們想的不完全一樣。大多數科學家相信前者,即有一種能量,推動了加速,他們叫它:暗能量。當下最先進的測量方法使我們能夠算出宇宙中暗部分有多大。看起來,暗能量組成了宇宙的68%,暗物質則佔27%。我們,和我們能看見的只有5%。

(哈勃望遠鏡拍攝,有缺失)

那暗物質和暗能量的組成是什麼?我們不知道,但有一個叫「超對稱」的理論可以解釋其中的一部分。超對稱簡稱SUSY(supersymmetry),預測了很多新粒子,其中的一些也許可以組成暗物質。如果能證明SUSY,我們就能從理解宇宙的5%,也就是我們能看見的東西,到理解大約三分之一。

(大型強子對撞機)

理解暗能量也許會更難,但也有一些投機理論也許能指出一些道路,其中一些理論能追溯到古希臘人最早的偉大想法,就是我們幾分鐘前講過的宇宙一定很簡單的想法,些理論預言,宇宙的多樣全都來自一個元素,也就是「弦 」。我們知道的一切微粒都是弦的不同諧波,不幸的是,弦論至今都無法被證明。不過,可以探索的宇宙如此廣袤,風險很高,這一切是否讓你覺得自己很渺小?不用這樣,相反,你應該驚嘆我們已經發現的一切,你是宇宙中能思考自己這個神奇而唯一的物種中的一員,而且你生逢其時,能看到我們正在探索。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Tianshu Wang- Gabriella Hu-觀漢居士

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