宇宙学被两朵“乌云”笼罩分别是暗物质和暗能量

宇宙奥秘 2020-01-13 09:15奇闻网www.qiwenkd.com
早在1900年,英国大物理学家开尔文勋爵曾公开宣称:“物理学已走到尽头,例外的只是漂浮在远方地平线上的两小朵乌云。”开尔文勋爵所指的两朵“乌云”,实际是指当时处于萌芽状态的量子理论和相对论。一百多年过去了,尽管现在人们在欢呼量子力学和广义相对论取得了胜利,因为这两者几乎能解释所有我们已知的现象。但是,几乎所有当代的物理学家内心都明白,现在欢呼胜利还为时过早,因为还有两朵“乌云”笼罩在物理学和宇宙学头上,这两朵“乌云”分别是暗物质和暗能量。
 
最近几十年的观测表明,我们的宇宙主要是由未知的物质和能量构成的,宇宙中足足有70%的物质密度似乎来自暗能量的形式,有26%是来自暗物质,只有4%是普通物质。这4%的普通物质囊括了一切我们所能见到的东西,包括我们自身在内。也就是说,当代的物理学,无论是实验观测还是粒子物理学标准模型所能描述的物质,还不足整个宇宙的二十分之一,对其余的96%,我们一无所知!
 
一、关于暗物质。在过去的几十年里,天文学家以两种不同的方式测量了星系的物质分布及星系质量,第一种方式是通过观测恒星绕星系中心旋转的轨道速度来确定星系的质量;第二种方式是通过估算和直接计数所能看到的星系中的恒星、气体和尘埃来确定星系的质量。从理论上来说,这两种方式都是基于我们对经典牛顿引力理论的深刻认识,由这两种方式得到的星系质量和物质分布应该是一致的,即使不一致,偏差也不应该很大。
 
但是,用着两种方法对附近的100多个星系的测量结果让人震惊,两种测量结果偏差极大,星系的质量差了近10倍。不仅如此,差别总是指向同一个结论:为了解释观测到的恒星运动和星系运动,直接计数可见物质是远远不够的,必须还要添加更多的物质,这种物质既看到又摸不到、既不发光也不反光,科学家们将这种人为添加和定义的物质称为“暗物质”。
 
到这里问题就来了,既然所有物质都是由粒子构成,那么暗物质应当也不例外,但物理学家迄今为止都没有找到构成暗物质的粒子。那么只能有两个解释:1、要么暗物质真的存在,但人类现有的科学水平还不能发现它;要么暗物质根本不存在,牛顿定律也许在太阳系中适用,但在如星系一类的大尺度引力结构中并不适用,牛顿定律或许仅在小尺度上是正确的,在大尺度上是错误的。
 
二、关于暗能量。天文学家近年又发现,当他们对更大尺度(数十亿光年)进行观测时,由宇宙大爆炸所驱动的宇宙膨胀似乎正在加速,而根据我们所看到的物质以及加入暗物质,宇宙的膨胀应该是减速才对。也就是说,即使加入了暗物质,广义相对论方程也不能解释宇宙正在加速膨胀这个事实。科学家由此认为,也许还有一种新的能量形式在宇宙大尺度上发生作用,这种新的能量形式在左右着宇宙的膨胀,他们将之称为“暗能量”。
 
和暗物质的遭遇一样,科学家们同样无法知晓这种“暗能量”的性质,不能从物理学上给出一个根本性的解释。说得更直白一点,就是没有找到“暗能量”确切存在的证据。同样的问题再次出现:要么暗能量真的存在,现在的科学水平还无法解释;要么暗能量根本不存在,是广义相对论错了。也许广义相对论真的错了,它只在太阳系和我们的银河系这样的尺度上适用,如果扩大到整个宇宙的尺度,广义相对论可能不再适用了。
综上所述,如果暗物质和暗能量都不存在,那么必定是牛顿定律和爱因斯坦的广义相对论错了——那就太可怕了!

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