暗物质粒子到底何时现身？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
暗物质粒子到底何时现身？
丁肇中的阿尔法磁谱仪寻找暗物质粒子公布最新进展
丁肇中和他的阿尔法磁谱仪，正在间接探测宇宙中暗物质粒子存在的证据。图片背景为著名的子弹头星系团，是天文学家观测到的暗物质存在的证据之一。图片来源：slate.fr
本文作者:李淼
元宵节前，传来丁肇中先生领导的一个大型太空实验发现暗物质的消息。好几家媒体要我谈谈看法或写点东西介绍一下。我说，现在只有英国BBC一家新闻，而且语焉不详，现在谈这件事还太早。
不仅媒体在等，研究暗物质的同行更在焦急地等。毕竟，从天文学家第一次推测暗物质的存在已经过去了80年，从天文学家作为一个整体全面承认暗物质的存在也过去了30年，我们只是由对大型天体系统观测间接地推测暗物质的存在，还没有人直接探测到暗物质。
那么，丁肇中的团队到底做了什么？他们终于在4月3日发表了一篇论文，我们终于可以从这篇论文直接解读他们到底发现了什么，而不必从丁肇中谨慎的演讲以及他的面部表情中解读这些内容了。
丁肇中团队实验的正式名称叫做阿尔法磁谱仪，这是一台固定在国际空间站上的设备。现在正在运作的阿尔法磁谱仪已经是第二代了，于2011年5月发射。因为是第二代，物理学家用简称AMS-02来称呼它。这个实验总造价15亿美元，曾经引起过争议。不过，经过19个月的观测，AMS发表的结果足以证明这笔钱是花得值的。
天文学家推测暗物质存在
那么，暗物质是什么？各国政府为什么舍得花大价钱建造AMS和其他一些暗物质探测设备，试图找到这种看不见摸不着的物质？
1932年，荷兰天文学家奥尔特通过对银河系中的恒星的运动推测银河系里面应该有更多的质量，也就是说，有一些隐藏的质量不能用可见的恒星来解释， 事后他的结果被认为是错误的。奥尔特是一个高产的天文学家，太阳系外围的奥尔特云就是以他的名字命名的。1933年，瑞士天文学家兹威基研究了由星系结成的星系团，得到类似的结论。他研究的对象是后发星系团，这是一个巨大的星系团，含有上千个星系。不过，兹威基推测的暗物质质量实在太大了。
天文学界真正积累了暗物质证据的时代是上世纪60年代。女天文学家鲁宾对当时天文学的主流研究不感兴趣，去研究不那么主流的星系转动曲线。所谓星系转动曲线就是旋转的星系在距离星系中心不同距离处的速度曲线。她和同事福特一同发现，多数涡旋星系的转动速度大于理论计算的数值，一个最简单的原因是，这些星系含有很多不可见的质量。他们的结果是，星系平均含有高于可见物质6倍的暗物质。
经过天文学家长期的检验，鲁宾等人的结论得以确立，人们找到了更多的暗物质存在的证据，包括观测到了星系引力场对其后面其他星系光线的弯曲，以及现代宇宙学的一些观测。今天，研究星系以及星系尺度之上的天文学不用暗物质几乎是不可能的。
日，美国航天局公布合并星系团Abell 520多波段图像。巨大的星系团正发生碰撞，但天体物理学家不清楚为何暗物质会与正常物质分离。在上面这张多波段影像中，暗物质以蓝色呈现，这是通过仔细分析远方星系发出的光被引力扭曲的程度而描绘出来的。图片来源：NASA
黑洞？还是特殊粒子？
在我读研究生的时候，人们还不知道暗物质究竟是什么。当时流行的两个主要候选者有燃烧尽的恒星和黑洞，以及所谓的“极弱相互作用粒子”，这两类候选者有一个共同特点，都是不发光不可能用电磁学手段探测到的东西，但都引起更大的万有引力。慢慢地，人们认为只有极弱相互作用粒子是可能的候选者。
近年来，宇宙学观测的主要方式有好多种，最引人注目的有两种，一种是用Ia型超新星测量宇宙膨胀的历史，得出的结论是，暗物质占宇宙总质量的 25%。第二种方式是探测宇宙中无所不在的微波背景辐射，这一种方法得到的最新结论是，暗物质占宇宙总质量的26.8%。可见物质有多少？只有4.9%， 这个结果证明，当年鲁宾等人的结果接近正确。（参见一文）
现在，天文学家对暗物质的“共识”是，暗物质的主要成分是不参与电磁相互作用的粒子，这些粒子统称WIMPs（参与极弱相互作用的重粒子）。这些粒子较重，运动的速度较低，叫做冷暗物质，分布于星系中和星系的外围，以及星系团中和星系团的外围——这些结构叫暗物质晕。星系的暗物质晕的密度要大于星系团的暗物质晕。它们的存在使得每个恒星感受到的引力大于恒星引起的引力，使得每个恒星绕星系中心的运动速度变大，使得星系团中的星系之间的相对运动速度变大。另外，它们对背景的星系和星系团具有引力透镜效应。除了可见的引力效应外，暗物质的存在影响了微波背景辐射以及大尺度结构的形成。
地下实验室试图直接探测暗物质
推测暗物质存在的是天文学家，现在，轮到物理学家登场了。
直接探测暗物质的实验已经进行多年，还没有任何具有说服力的结果。这些实验都是地下实验，选择在地下建造实验室是为了屏蔽宇宙射线以及地球表面的其他辐射背景。
地下实验室用来探测暗物质的方法有两个，一个是将晶体放在极低温的环境中探测，温度低于100毫开尔文。当暗物质粒子击中晶体中的一个原子核， 原子核反冲可以被探测到，例如反冲可以产生微小的热量。最常用的晶体是锗。第二种方式是用惰性液体，暗物质粒子与液体中的原子发生反应后产生光子，这些光子可以被探测到。常用的液体有氙和氩。
到目前为止，还没有公认的暗物质被探测到的事例。意大利Gran Sasso地下实验室中的DAMA实验从1996年开始收集数据（用晶体探测手段），到2002年升级，从2003年开始继续收集数据。DAMA实验发现，暗物质导致以年为周期的调制现象。也就是说，由于地球在每年不同的时间相对暗物质的平均速度不同，导致暗物质引发的反冲事例数不同，这个不同会在其他背景事件之上出现年调制现象。但这个结果争议很大，因为其他实验没有证实这个现象，而其他实验用更加成熟的方法扣除了背景导致的事件。
多余的正电子，暗物质的影子？
探测暗物质的第二大类实验是所谓的间接探测，即不是直接观测暗物质与探测器的碰撞，而是探测宇宙空间中暗物质相互作用的后果。例如，假如暗物质粒子就是其反粒子，那么暗物质粒子之间会互相湮灭产生高能光子和正负电子，通过对高能光子和正负电子的探测，我们可以间接地探测暗物质。目前，在太空中最有名的实验是意大利的PAMELA实验，这个实验在2008年探测到多余的正电子。同样，2011年，美国的费米伽玛射线太空望远镜在更高的能量探测到多余的正电子。
正电子当然不是暗物质，是反物质的一种。一般来说，由于恒星和星际物质都是普通的正物质，这些物质通常不会产生反物质。但是，旋转的中子星可以抛出一些反物质，如正电子。所谓多余的正电子，就是超出天文学家通过计算预言的来自于高能宇宙射线的正电子。如果我们观测到多余的正电子，这些正电子可能的来源有两种，一种是旋转的中子星，一种就是暗物质湮灭。
PAMELA卫星和费米伽玛射线太空望远镜的结果让物理学家激动了，不过，这两个观测都不够精确，更不能分辨多余的正电子是否来源于暗物质湮灭。
国际空间站上的阿尔法磁谱仪（右下标有AMS的装置）。图片来源：symmetrymagazine.org
阿尔法磁谱仪果然身手不凡
轮到阿尔法磁谱仪了。
4月初刚刚发布第一批科学结果的阿尔法磁谱仪，领导者是丁肇中，团队成员大约有500人，来自于16个国家56个单位。我们前面说过，AMS- 02是第二代阿尔法磁谱仪，第一代设备是1998年安装在发现号航天飞机上的，而AMS-02是2011年5月安装在国际空间站上的。
经过一年多的观测，AMS-02一共收集了680万个电子和正电子，能量谱很宽，从5亿电子伏特到3500亿电子伏特（这些都是高能粒子，我们知道，电子和正电子的质量只有50万电子伏特，所以5亿电子伏特的能量是电子质量的一千倍）。这些电子和正电子中有40万个是正电子，这是迄今最大的正电子样本，将过去所有实验的样本数目提高了100倍。
这500位物理学家发现，正电子数目与电子数目的比例随着能量逐步提高，证实了PAMELA的结果（意大利人终于靠谱了一次！），在费米伽玛射线太空望远镜结果的误差范围之内，也证实了费米望远镜的结果。
可以说，我们现在确切地知道，正电子真的超出了天文学家预计的结果，一定来自于我们过去不知道的东西。是脉冲星还是超新星，还是我们最期待的暗物 质？我们还要耐心地等待AMS缓慢地捕获更高能量的正电子。也许，更高能量的正电子与电子之比会在一个能量处突然下降（比如说3500亿电子伏，或4000亿电子伏？），那时，我们也许就可以说，暗物质粒子，或者至少一种暗物质粒子的质量大约具有那个能量。
在AMS成果的鼓舞下，其他探测暗物质的实验肯定在加快步伐。
如果说，我们这一代人，有可能在活着的时候亲眼看见物理学家解开暗物质之谜，大概不会太离谱。
本文授权转载自@李淼 在《北京日报》上发表的文章，略有改动。
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“意大利人终于靠谱了一次”戳中笑点……
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全部评论(34)
地质学硕士生
我是来鄙视谢耳朵的。。。
勘查技术与工程专业，编程爱好者
引用 的话：我是来鄙视谢耳朵的。。。看完没杀
我是来得瑟AMS上的散热装置是我们学校搞的
ALIENWARE官方账号
暗物质粒子！速速现身啊！扭扭捏捏不是大丈夫啊！
“意大利人终于靠谱了一次”戳中笑点……
不正经——& 豆瓣阿尔法城和这个阿尔法有什么关系么 ╮(╯▽╰)╭
丁肇中好像还有俩弟弟：丁肇华，丁肇民。 还有一个没出生的弟弟：丁肇国
专业级业余天文爱好者
引用 的话：“意大利人终于靠谱了一次”戳中笑点……之前不靠谱太多次了……
李老师，这句是不是有笔误啊：“也许，更高能量的正电子与电子之比会在一个能量处突然下降（比如说3500亿电子伏，或400亿电子伏？）”在更高能量处，应是4000亿（400G）电子伏特吧？
小学生围观……虽然看不懂，但是暗物质的发现是否会引起像核能一样的能源革命？亦或者有组织或国家利用暗物质与正物质的反应制造更恐怖的武器？不是有一说古斯通大爆炸就是由这个原因引起的么……
为最后一句话感慨一下。。。。暗物质一旦有了进展，理论物理学和众多学科必将迎来又一次大发展，也许说是革命都不为过，然后带动工程相关的科学技术大发展。。。。只是不知道那时候的人类社会的心智是否足够成熟。。。。
百家讲坛即视感
引用 的话：小学生围观……虽然看不懂，但是暗物质的发现是否会引起像核能一样的能源革命？亦或者有组织或国家利用暗物质与正物质的反应制造更恐怖的武器？不是有一说古斯通大爆炸就是由这个原因引起的么……你把暗物质和反物质搞混了，通古斯爆炸是陨石造成的
我靠 小学生来错地方 见谅见谅
引用 的话：“意大利人终于靠谱了一次”戳中笑点……引用 的话：之前不靠谱太多次了……同笑
通古斯爆炸是陨石造成的，但是很多证据表明通古斯爆炸是一次核爆炸。核物质、暗物质、反物质……它们之间的关系谁先谁后？
测试头像。exe
果壳科技真有意思,我发现我能学到很多东西!
暗物质和暗能量无处不在，请看我的博客论述：欢迎讨论
@李淼 @ 九维空间“更高能量的正电子与电子之比会在一个能量处突然下降（比如说3500亿电子伏，或4000亿电子伏？），那时，我们也许就可以说，暗物质粒子，或者至少一种暗物质粒子的质量大约具有那个能量。”这是为什么呢？
引用 的话：丁肇中好像还有俩弟弟：丁肇华，丁肇民。 还有一个没出生的弟弟：丁肇国好内涵。。
引用 的话：我是来得瑟AMS上的散热装置是我们学校搞的哇 敢问你们学校大名？
都不靠谱。既然“天文学家对暗物质的‘共识’是，暗物质的主要成分是不参与电磁相互作用的粒子，这些粒子统称WIMPs（参与极弱相互作用的重粒子）。”使用电磁技术去探测多余的正电子靠谱吗？正如地球引力造就龙卷风的旋涡，也应该存在一个垂直于太阳系与银河系螺旋结构平面的力，这个力是来自负质量体的斥力。参见（如果我的假说成立，宇宙还会为暗物质和暗能量留下多少位置呢？）。请天体物理学家计算一下，按照我的假说，能否解释60年代女天文学家鲁宾所发现的现象？
引用 的话：丁肇中好像还有俩弟弟：丁肇华，丁肇民。 还有一个没出生的弟弟：丁肇国因为国没了 所以跑台湾去了 哈哈 人都不承认你们 你们还恬着脸去采访“我小时候对历史感兴趣 后来发现历史里找不到真理 改朝换代的时候总是会篡改历史 当然了 我只是说出自己的感受了啊 后来就去学理科了”
中国的民间发现了利用暗物质暗能量来影响物质的物质公元银河系研究十几年了，通过众多拭验发现物质与物质之间出现了间接的影响，这里要么是通过暗物质要么是通过暗能量来达到的影响。本人知识浅薄，但是我好像真的发现了通过物质影响暗能量或者暗物质，再通过暗物质暗能量来影响到物质，能过众多这样的对大尺度空天中的物质被地面物质的间接影响，来了解到暗物质、暗能量的属性特性，看到暗物质、暗能量的利用价值是十分巨大的。暗物质是有重量，地球上同样有。暗能量与物质的关系不可排除，物质是否通过暗物质来影响暗能量不清楚，但是物质确实可以并影响了暗能量，并且可以继续通过暗能量再影响到物质（中间不排除再通过暗物质来影响到物质）。当前人类科技能力已经可以做到以上通过物质、暗物质、暗能量、物质之间的相互影响。公元银河系通过研究发现：暗物质、暗能量可以影响光和热的运动，影响的运动的速度是大于每小时地球到太阳的距离，可以影响地球每几年或转快或慢几毫秒。看来干旱洪水全球气候变暖等等的自然灾害都可能不排除是有着暗物质、暗能量的间接影响哦。我们银河系可以通过大量的拭验来证明以上的论证，我们可以共同来发现和利用暗物质、暗能量的，我们都可以来见证我们公元银河系的这一发现，6818776减灾群我们公元银河系还会发很多实例来证明暗物质、暗能量的可以被人以影响利用。通过对地球上暗物质、暗能量对稀有物质的影响变化来发现的变化，我们公元银河系就只是根据这个来预报全球气候和未来影响我国的冷空气变化，特准确我们公元银河系成功的提前用暗物质、暗能量对稀有物质的影响变化来发现千年极寒，08南方雪灾和台风等。有记录可以查的！我的作品是独立完成的。创新之处是可以不花国家的一分钱，不用增雨炮弹等，不用投入科研就可直接让很多干旱省分得到降雨，只是我们的发明也有缺点，1就是慢，从开始民间人工降雨，到民间人工降雨到达需要8 天时间，降雨云需要时间。2是准确率，如果50次试验有30次成功，那么也是成功的。我们可以为国家的干旱减灾来发明人工影响天气。暗物质暗能量是当前科学的前沿，有稀有物质是可以影响暗物质暗能量的，可以试验验证的。而暗物质暗能量改变天气的能力是无限的，当前科学家正在努力寻找暗物质暗能量之时，我的发明就已经利用上了稀有物质对暗物质暗能量的影响，我从98年洪水后开始研究，无数次失败，但是我们的努力在走向成功，接近成功。我们有改变天气的记录：影响我国的冷空气时间预报是增加降雨干旱减灾的前提，慢慢的我们发现，我们的发明还可以有更多的用武之地，减缓和停止全球气候变暖等等。
有暗物质就可以造曲率引擎的飞行器了加油吧老年们~~
每个生物物种进化到一定关键时刻都有一个瓶颈期，迈过去了 整个物种就是一次飞跃发展，现在我们这个瓶颈期应该就是暗物质时期，根据查阅各种资料得出一个大概结论，掌握了暗物质技术就等于美国二战最初掌握原子弹技术类似，人类将由三维空间进化到四维空间，向五维空间发展。到时 星际穿越，时间旅行，平行宇宙，无法预料的某种超级武器，人类进化等等
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宇宙暗物质 毕业论文.doc 15页
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宇宙暗物质 毕业论文
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xxxxx大学本科毕业论文
宇宙暗物质
学生姓名：
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物理与电子工程学院
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指导教师：
xxxx大学教务处
二OO八年五月
宇宙暗物质
指导老师:xxx
内容提要：20世纪末，天体物理学的一个新成就证实 ,各种化学原素或中子、质子的质量总和不超过宇宙总质量的1/10 ,而9/10的质量则是另外的物质贡献的，这种物质就是暗物质。所谓暗物质是指宇宙中存在的一种不明性质的物质粒子，它的电磁放射和折射非常微弱，所以不能被直接探测到。暗能量引力透镜the dark matter in the universe
Abstract: End of the 20th century, a new astrophysics achievements confirm that the various chemical elements or neutron, proton the quality of the universe does not exceed the sum total mass of 1 / 10, 9 / 10 the quality of the material is another contribution to this Kind of material is dark matter. The so-called dark matter in the universe there is a unknown nature of the material particles, the electromagnetic radiation and reflects very weak and therefore can not be directly detected. More than 10 years ago, the universe of dark matter has become astrophysics, particle physics and cosmology of the cross-hot. This article will explore the concept of dark matter urgent research background, research developments, the existing evidence, the trend of development and its significance. Study of dark matter will help us understand the universe, the universe of speculation the past and future development.
Key words: Cosmic dark matter
dark energy
gravitational lens
three-dimensional map目
1、暗物质的概念及研究背景 1
1.1宇宙暗物质的研究背景 1
1.2宇宙暗物质的概念 1
2、暗物质研究动态 2
2.1暗物质的提出 2
2.2暗物质存在的可能的早期证据 2
2.3暗物质存在的直接证据 4
2.4宇宙暗物质的三维图 7
2.5暗物质的新近研究 8
3、研究暗物质的意义 10
参考文献 11
宇宙暗物质
宇宙由各种物质组成，科学家对物质有一定的分类，其中有一种物质科学家命名为暗物质，通常称宇宙暗物质。各种化学原素或中子、质子的质量总和不超过宇宙总质量的1/10 ,而9/10的质量则是宇宙暗物质贡献的。宇宙暗物质既然是宇宙的主要成分，则对宇宙暗物质的研究，了解对我们的生活有着极大的作用，那么什么是宇宙暗物质呢？它有着什么样的作用，下面我们将一一说明。
1、暗物质的概念及研究背景
1.1宇宙暗物质的研究背景
20世纪末 ,天体物理学的一个新成就证实 ,各种化学原素 或中子、质子 的质量总和不超过宇宙总质量的 1/10 ,而9/10的质量则是暗物质贡献的.所谓的暗物质是指除了常见的星球、星系、星系团、类星体、……等等发光及反射光的天体外 ,原则上它们自身不仅不能发光 ,而且也不会反射、折射或散射光 ,亦即对各种波长的光 ,它们都是百分之百的透明体【】在宇宙中是否还存在不发光物质、不发光的天体？这似乎是不成问题的问题。例如，在太阳的周围有9大
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具体一点来说，因为向心力由万有引力提供，所以：
可以推出：
同样地，对于一个旋转的星系来说，其线速度与轨道半径关系大致应该是这样（图片均来自网络）：
然而当我们实际观测星系的时候，（利用光谱红移等等现象）发现线速度与半径的关系完全不是这样！！而是这样（图中B曲线）：
随着轨道半径的增加，线速度竟然趋近一个常数！
这里有视频：https://link.zhihu.com/?target=https%3A//en.wikipedia.org/wiki/File%3AGalaxy_rotation_under_the_influence_of_dark_matter.ogv
这怎么解释？
于是人们推测，可能星系中存在大量我们目前观测不到的物质，使得星系密度与半径有如下关系：
，K是一个常数。
根据 Newton's Shell Theorem 可得：
（依然是向心力等于万有引力，但万有引力只跟距离r以内的质量有关系。）
两边消去m,
那么距离r以内的质量怎么计算呢？
上式其实就是质量等于体积乘密度啦，只不过因为密度随距离变化，所以需要用积分。带入之前的式子里，得到：
化简得到：
当我们假设了存在观测不到的物质后，就是一个常数了！！
而且当我们知道线速度之后，就可以算出的值。
代入到密度的函数中：
于是星系的质量为：
一般来说，星系的半径在100~200kpc之间（这里我代入100kpc），线速度约为220km/s。于是可以算出星系的质量约为：
而太阳的质量约为：
也就是说，
而我们能观测到的星系质量约为：
所以，这么算下来我们能观测到的质量大概只占总质量的10%，如果代入更大的，就发现这个比例更小。
具体可见：
评论里有人问可观测的质量是怎么知道的。
方法有不少，我大概说一下：可以通过观测binary stars（联星）的运动算出来；也可以通过luminosity（光度）与质量之间的关系算出来；也可以通过恒星oscillate的轨迹算出其密度，然后求得质量。
知道了各种恒星的质量之后，就可以测量它们发出的光，然后计算它们各自的M/L（Mass-to-light ratio）。然后对于一个给定的星系，观测其发出的光，然后乘上M/L，就可以得到星系的质量了。
来自知乎：https://www.zhihu.com/question/#answer-
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阅读(...) 评论()相对论与黎曼几何-18-暗物质和暗能量
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|个人分类:|系统分类:|关键词:暗物质,暗能量,宇宙常数,引透镜力|
18. 暗物质和暗能量&曾几何时，我们认为我们已经发现了宇宙中所有的物质组成成分。它们的大名被列在元素周期表上，或者是基本粒子表中。然而，天文观测的最新结果给了我们当头一棒。根据普朗克卫星2013年公布的资料，我们的宇宙中，只有很少的一小部分，大概4.9%左右，是我们常见的、熟悉的普通物质，有大约四分之一（26.8%）是一种看不见摸不着、至今我们尚未弄清楚的暗物质。更不可思议的是，其余的68.3%，连物质都谈不上，是某种无孔不入无处不在的所谓“暗能量”。&实际上，暗物质的说法并非现在才有，早在1932年就由荷兰天文学家扬·奥尔特提出来了。几十年前，宇宙学家们便通过天文观测和理论研究发现，宇宙中除了普通物质之外还存在着一种看不见的物质。科学家们之所以将其称为“暗物质”，之所以认为它们神秘，就因为它们看不见，不像普通物质那样能够对光波或者电磁波有所反应。我们平时所见的普通物质，无论藏身何处，灯光一照便现出原形。即使是普通的灯光照不见，人类还有紫外线、红外线、x射线、伽马射线、各种频率的无线电波，种种探测手段。但是，现在发现的暗物质似乎对这些“光”都是不视也不见，完全无动于衷。&那么，既然看不见，科学家们又如何知道它们确实存在呢？那是因为它们仍然具有“引力”作用，仍然符合广义相对论的预言，造成了时空的弯曲。&暗物质存在的最有力证据是天文学家观测星系时发现的“星系自转问题”。&恒星或气体围绕星系的核心转动，对星系本身而言，叫做“星系自转”。根据引力理论，无论是牛顿引力或广义相对论，都可以预期在足够远的距离上，环绕星系中心天体的平均轨道速度应该与轨道至星系中心距离的平方根成反比（图18-1）。但实际上的观测结果却不是如此。&&图18-1：薇拉·鲁宾观察到星系自转问题&薇拉·（古柏）·鲁宾（Vera(Cooper) Rubin，1928年-）是一位美国女天文学家，是研究星系自转速度曲线，继而发现暗物质存在证据的先驱。从薇拉得到的图18-1b中的“观测结果”曲线，实际上远处恒星具有的速度要比理论预期值大很多。恒星的速度越大，拉住它所需的引力就越大，这更大的引力是哪儿来的呢？于是便有了关于暗物质的设想，认为这份额外的引力是来自于暗物质。&支持暗物质存在的另一个有力证据，来自于引力透镜。&望远镜的发明对天文观测而言太重要了。没有高灵敏度的天文望远镜，人类不可能得到如此多的天文知识。人眼观测的范围极度有限，因而，可以毫不夸张地说，人类对宇宙的真正了解起于望远镜。如果你想要孩子学点天文，第一个要买的实验仪器就应该是望远镜。但是，在研究暗物质的热潮来临的同时，人们发现，大自然早就造好了许多望远镜。它们赫然挂在黑暗的天边，等待人类去学会使用它们。&光学望远镜的关键元件是透镜。透镜的原理是因为光线通过玻璃时产生折射而偏离直线路径弯曲所致。根据广义相对论，光线走过引力场附近时也会发生偏转，这样的话，在某种情况下，引力场就能够起到和光学透镜类似的作用，即产生“引力透镜”的效应，见图18-2。&图18-2：引力透镜&还是爱因斯坦本人最了解他的相对论，在1936年就提出用恒星作为引力透镜的想法。但他同时又认为可能因为成像的角度太小而无法实际上观测到这种效应。但后来，有天文学家提出如果以星系作为透镜能够被观测到的可能性。但真正证实了爱因斯坦想法的透镜观测结果，是在他已经离世二十多年之后的1979年，才由英国天文学家Carswell得到的。&如今，当暗物质和暗能量成为了21世纪初（这十几年）的最大科学之谜的时候，引力透镜，大自然赐以人类的天然望远镜，成了引起众人注目的新型天文观测手段。它至少有两个方面的用途：一个是真正作为“望远镜”来使用，它能够使我们观测到非常遥远的星系。&为什么要观察很遥远的星系呢？因为观测更遥远的星系就等于是观测更早期的宇宙图景。比如说，现在接受到的距离为100亿光年远的星系的光，不就是它在100亿年之前发出的吗。也就是说，是大爆炸之后37亿年左右发出来的，那时候，星系正在逐渐形成的阶段。这些早年的光，终于通过引力透镜的放大作用被我们捕获到，这样就使得我们能够了解到早期星系形成和演化的过程。&在2012年初，芝加哥大学天文学家团队，借助哈勃太空望远镜拍摄了一个近100亿光年远的星系团的引力透镜影像，见图18-3。其中包括一条90°左右的透镜弧。这个太空中的天然透镜，帮助哈勃望远镜扩展了它的观测距离。天文学家本来就是“眼光”看得最远的科学家，有了引力透镜，更是如虎添翼。现在，他们“一眼”看过去，就是上亿光年。这个引力透镜使我们得以了解到，当宇宙只有大约是现在1/3年龄时，星系是如何演化的。&图18-3：RCS2 623星系团的引力透镜影像&从另外一方面，引力透镜是研究暗物质的重要方法。因为我们看不见暗物质，这些我们知之甚少的东西，仅仅通过“引力”效应这个唯一的手段与我们交流信息。为了这个目的，我们仍然需要使用我们的光学望远镜，在茫茫太空中搜索寻找引力透镜的蛛丝马迹。找到了这些引力透镜形成的影像，再来考察这些引力透镜是否是由暗物质构成的？从而便可以研究它们，绘出它们在宇宙中的分布情况。从引力透镜暴露的暗物质存在的证据有哪些？图18-2中所示的爱因斯坦环便是一例。那张图中的圆环图像很清楚，大多数情形下，只能判断出一小段圆弧，或者是表现为“爱因斯坦十字”等特殊景象，请见图18-4。&图18-4：引力透镜和暗物质&目前人们已经有许多证据证实暗物质的存在，但它们到底是些什么？科学家们列举了很多可能组成暗物质的“候选者”。&实际上，暗物质中也可能有一部分是不发光也不吸收光，仅仅产生引力效应的普通物质，即质子、中子和电子。但经过研究可知，这些只能占其中的一小部分，约20%左右。这可能是哪些物体呢？比如说，棕矮星、白矮星、中子星、黑洞等。&暗物质的其它可能性，包括各种可能的中微子，以及由粒子对称理论所预言的可能存在的其它粒子，或者是完全是我们知识之外的东西。&继暗物质之后，暗能量又登上了历史舞台。暗能量的证据主要来自于宇宙加速膨胀的事实。2011年的诺贝尔物理奖颁发给了美国的三个天文学家：索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特与亚当·里斯，以表彰他们“透过观测遥远超新星而发现了宇宙加速膨胀”。如何解释宇宙的加速膨胀？人们提出了各种假设，宇宙常数是比较流行的一种。宇宙常数在引力场方程中起着什么作用呢？爱因斯坦原来将宇宙常数一项放在场方程等号的左边，但我们不妨把它移到等号右边。这样，场方程变为：&现在，等号的右边有两项：原来的能量动量张量加上了宇宙常数一项。因为这一项的前面有个负号，如果宇宙常数为正值的话，它的作用便应该与原来的能量动量张量的作用相反。能动张量的作用是产生与万有引力等效的时空弯曲，而宇宙常数一项是负值，其效果便与原来正常物质产生的吸引力相反，在长距离时相当于某种排斥力的作用。因而，有时被称为“反引力”，或“负压强”。爱因斯坦原来以为在引力的作用下，宇宙可能会因为互相吸引塌缩而导致不稳定，因而才加上了这个大距离时的反引力来平衡它，以使宇宙成为一个不膨胀也不收缩的“稳态”。&但后来，弗里德曼等证明了，引力场方程的解本来就预言宇宙是膨胀的，不需要加入多余的宇宙常数，后来，哈勃的观测结果也支持这个膨胀宇宙的理论，还要这个宇宙常数干什么呢？爱因斯坦果断地把L扔进了垃圾箱！&后来的人继续哈勃对宇宙膨胀的研究，历史很快地走到了1998年。一个到澳大利亚观测超新星的天文团队，以及加州柏克莱国家实验室的一个超新星天文研究团队，采用不同的观测方法，根据他们各自的观测数据，都得出了宇宙正在加速膨胀的结论。如何解释这种“加速度”膨胀呢？天文学家提出了多种理论模型，暗能量的存在是其中之一，也是比较流行的一种。但是，在解释为什么存在如此大比例的暗能量时，有人又想起了被爱因斯坦丢弃的宇宙常数。并且真是造化弄人，这垃圾箱里捡回来的L似乎还挺好用，能够解释不少观测结果。图18-5：（a）宇宙常数L的数值对宇宙模型的影响；（b）真空涨落&图18-5a的数条曲线描述了宇宙常数L的数值对宇宙模型的影响。从中可以看出，宇宙常数L等于0时对应于那条紫色曲线，当时间从现在增大的时候，这条曲线增长越来越慢，表示宇宙的膨胀速度将减小。当L大于0时，宇宙有可能加速膨胀。&虽然根据爱因斯坦的质能关系式：E=mc2，质量和能量可以看作是物质同一属性的两个方面，但它们在宇宙构造成分中的具体表现还是大不相同的。也就是说，暗物质和暗能量两个概念在本质上有所区别。&暗能量和暗物质的共同点是它们既不发光也不吸收光。两者都是只对引力起作用。然而，暗物质是引力自吸引式的，在这方面与普通物质类似。暗能量的作用却类似于长距离的自相排斥和空间扩展。从这个意义上，它们的作用将互相制约而无法互相替代。另外，暗物质能够像普通物质一样成团分布，似乎是形成星系时的支撑框架；暗能量看起来在宇宙中却基本是均匀分布、无处不在、无孔不入。暗能量到底是什么样的一种能量？是如何产生的？这种“排斥力”的本质是什么？它是否可以包括到科学家现有理论的四种作用之中？还是属于它们之外的另一种新的基本力？目前还无法明确地回答这些问题。有人猜测它实际上就是量子场论中所描述的真空涨落，但是，计算的结果却并不完全支持这种解释，因为算出来两者的数量级相差甚远，真空涨落要比暗能量大许多个数量级（10120）。因此，到此为止，我们只能说，尚无完美的理论解释暗能量，天文学家和物理学家们仍在继续努力之中。（全文完）
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