神秘莫測的暗物質(zhì)

侯明東

20世紀90年代.天文科學(xué)家根據(jù)觀察得出了一個驚人的結(jié)論：宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量.暗物質(zhì)占宇宙25%.暗能量占70%，通常所觀測到的普通物質(zhì)只占宇--宙質(zhì)量的5%.這個結(jié)論與我們傳統(tǒng)的認識相去甚遠.我們現(xiàn)在已知的一切行星、恒星、星系、黑洞……這樣一個龐大的我們能看到的宇宙僅僅是真正宇宙的5%.真讓人不可思議.

一個令人難以置信的結(jié)論

科學(xué)的大發(fā)現(xiàn)往往是與感官的直覺相沖突的.400年前哥白尼提出日心說的時候.很少有學(xué)者認為這是對宇宙的真實描述.明明看到的是太陽每天東升和西落.怎么會是地球圍繞太陽轉(zhuǎn)呢？人們花了幾代人的時間才接受了日心說，為了宣傳、捍衛(wèi)和發(fā)展哥白尼的學(xué)說.布魯諾甚至付出了生命的代價.達爾文提出生物進化論時曾遭到反對者的嘲笑.辱罵達爾文是“與猴子有血緣關(guān)系的人”.《物種起源》出版已經(jīng)過去150多年了.人們還繼續(xù)爭論著進化論的對與錯.不過.我們的祖先是類人猿，這并非是異想天開.有大量的化石和標本，以及生物學(xué)、地理學(xué)、遺傳學(xué)、古生物學(xué)等各個學(xué)科的研究.都支持這一結(jié)論.

暗物質(zhì)的提出盡管“駭人聽聞”.然而我們必須改變我們的傳統(tǒng)認識。接受這一新的觀點，雖然我們還不知道暗物質(zhì)和暗能量是什么.因為這一理論不是某個人頭腦發(fā)熱的突發(fā)奇想，而是有科學(xué)事實依據(jù)的.是建立在天文觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的.既然暗物質(zhì)“看不見”。人們又是怎么覺察到它的存在呢？

暗物質(zhì)存在的證據(jù)

1933年，瑞士天文學(xué)家茲威基在觀測距離地球3.2億光年的“后發(fā)座星系團”時.發(fā)現(xiàn)在大星系團中星系運動速度非常大.用星系團中所有看得見的物質(zhì)算出的引力遠不能束縛住它們，除非將星系團質(zhì)量增大100倍以上.這個發(fā)現(xiàn)首次暗示有大量的完全不同于我們所熟知的另類物質(zhì)的存在.我們把通常所知的普通物質(zhì)稱為重子物質(zhì).其質(zhì)量主要由質(zhì)子、中子提供，而把這種未知的另類物質(zhì)稱為暗物質(zhì).

后來，天文學(xué)家同時用“光學(xué)方法”和“力學(xué)方法”來測量許多天體的質(zhì)量.“光學(xué)方法”的原理是：恒星的亮度與它的質(zhì)量相關(guān).恒星的質(zhì)量大，內(nèi)部的壓力和溫度就高，產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的效率也高.因此，通過恒星的亮度就可以求出恒星的質(zhì)量.“力學(xué)方法”的原理是：處于星系團內(nèi)部的星系朝著各個方向不停地運動，但整個星系團總質(zhì)量所產(chǎn)生的引力拉拽著高速運動的星系。使其不會飛出星系團.星系的速度越大，需要的引力也越大.所以從星系運動速度的平均值就能求出星系團的全部質(zhì)量.科學(xué)家通過兩種方法測量的結(jié)果發(fā)現(xiàn).用力學(xué)方法測出的質(zhì)量總比用光學(xué)方法測出的質(zhì)量大幾百倍.也就是說.在星系團中存在著大量的“看不見的物質(zhì)”.正是這種看不見的物質(zhì)所產(chǎn)生的引力像鎖鏈一樣使星系保持在星系團之內(nèi).

1980年前后.美國天文學(xué)家魯賓等人對許多星系的旋轉(zhuǎn)速度進行了詳細的觀測研究.發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象.按照常理.如果一個系統(tǒng)的主要質(zhì)量集中在中心的話.離中心近的地方要比遠的地方引力大.物體需要更大的旋轉(zhuǎn)速度.用離心力抵消引力.才能不被吸引到中心去.魯賓觀測的仙女座星系也是在中心部分集中了最多的可見質(zhì)量.本以為在這個星系中也是離星系中心的地方旋轉(zhuǎn)速度大.但通過比較仙女座星系的氣體旋轉(zhuǎn)速度.發(fā)現(xiàn)從中心到外圍其數(shù)值基本沒有變化.確鑿地證明除了在星系中心附近的發(fā)光物質(zhì)以外.在遠離中心甚至在星系暈中均還有大量暗物質(zhì)存在.

此外.引力透鏡效應(yīng)的觀測研究.也能得出同樣的結(jié)論.一個遠處天體所發(fā)出的光.在達到觀測者之前必然要受到中間天體的引力透鏡作用.所以.觀測者所看到的像.不僅反映了作為“光源”的遠處天體的性質(zhì).同時反映了作為“透鏡”的中間天體的性質(zhì).從天文學(xué)家觀測到的大量引力透鏡現(xiàn)象.也可以看出中間天體應(yīng)包含有大量的暗物質(zhì).

以上事實表明.暗物質(zhì)存在的天文觀測證據(jù)已相當豐富.宇宙中有太多不用暗物質(zhì)我們就無法解釋的東西.暗物質(zhì)是星系的鎖鏈.沒有暗物質(zhì)的宇宙模型是無法成立的.

什么是暗物質(zhì)

天文學(xué)上已證實了暗物質(zhì)的存在.這一科學(xué)的推斷已被人廣泛接受.但什么是暗物質(zhì)呢？暗物質(zhì)與一般的普通物質(zhì)有著根本性的區(qū)別.在我們的生活中.看不見的東西很多，比如，空氣就看不見，但我們可以通過壓力或浮力感知它的存在.也可以通過旗幟的飄動或帆船的航行感知它的存在.再比如.電磁波中我們僅能看到占其中很少部分的可見光，其他波段的電磁波如伽馬射線、x射線、紫外線、紅外線、微波等我們都看不見.但是我們可以借助特定波段的感光元件來探測它們.而暗物質(zhì)的“看不見”是完全不同的.到目前為止.無論用什么波段的光去觀測.我們都看不到暗物質(zhì).也就是說.暗物質(zhì)沒有發(fā)出任何可以被探測的光.

無論用什么樣的望遠鏡都看不到它的真容.但它卻一直通過引力極大地影響著周圍天體的運動.暗物質(zhì)是宇宙中“看不見的統(tǒng)治者”，它對恒星、星系等天體的誕生起著重要作用.科學(xué)家已證明黑洞、褐矮星都不是暗物質(zhì).并且它們的總質(zhì)量也達不到星系總質(zhì)量的10%.此外.科學(xué)家還知道暗物質(zhì)不可能是由原子構(gòu)成的物質(zhì).宇宙早期存在的組成原子的質(zhì)子和中子遠遠達不到暗物質(zhì)所需要的量.這些暗物質(zhì)的候選者都落選了.

那么.要成為暗物質(zhì)至少應(yīng)具備以下四點條件.首先.暗物質(zhì)不發(fā)射任何波長的光，既不發(fā)射光子.也不吸收或散射光子.是實實在在的“暗”.其次.暗物質(zhì)幾乎與所有的東西（包括原子或其他的暗物質(zhì)）都不發(fā)生碰撞，也不參與電磁作用.而是直接穿過物體。人們目前只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)感受它的存在.第三.在宇宙早期.暗物質(zhì)的速度幾乎是零.是運動得非常慢的冷暗物質(zhì).第四.暗物質(zhì)在宇宙中存在的數(shù)量非常大.約是可見物質(zhì)的5倍.可見雖然暗物質(zhì)存在的數(shù)量如此龐大.可是我們要想確實捕捉到這種神秘的物質(zhì).還需要特別的手段.

責(zé)任編輯 林洋