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1 # 河北薛之謙
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2 # 活的自在點
暗物質的發現:
1933年,加州理工大學的瑞士天文學家茨威基在研究星系團時發現了奇怪的現象:星系相對於星系團中心的運動速度似乎太快了。星系團是星系的集合體,可以包含數百個明亮的星系,這些星系由共同的引力場束縛。茨威基的同事史密斯用當時世界上最好的望遠鏡收集了星系團中成員星系的速度。利用引力理論,天文學家可以透過星系的運動速度推斷星系團的總質量,星系的運動速度越快,說明束縛它們的引力場越強大,也就意味著星系團的總質量越大。周所周知,物體做圓周運動需要圓心提供向心力,天體圍繞另外一個天體運動,是由萬有引力提供的向心力。引力越大,轉速就越大。根據萬有引力公式不難看出,星系團中,距離中心的星系所受引力越大,應該轉速速度更快,才不致於被黑洞吞噬。而遠離星系團中心的星系所受引力小,轉速就該慢。
如像太陽系,水星公轉週期為88天,金星為224天,地球為365天,依次到木星4332天等等。公轉週期越短,不考慮轉動半徑以及引力大小,說明太陽系轉動符合萬有引力規律。而茨威基透過星系速度推斷出星系團質量顯得太大了些,要比星系的質量多出幾百倍。茨威基很快將星系團中隱藏的質量命名為“暗物質”。由以上觀測,必須補充暗物質這樣的概念,才能很好解釋觀測現象。
暗能量的發現:
由哈勃發現了星系團紅移,是由光的多普勒效應和時空膨脹效應一起產生的。遠離我們的恆星發出的光的光譜會向紅色的一端移動,這個現象是由哈勃證實的。1929年,E.P.哈勃發現河外星系視向退行速度v與距離d成正比,即v=Hd。換言之,就是星系團在加速遠離我們。科學家把這一現象補充為暗能量。
總結:星系團內支撐星系運動是引力和暗物質,更大尺度的星系團之間支撐的運動是暗能量。
暗物質不與物質發生任何碰撞和反應,基本是穿越而過,所有目前還沒有被發現。只是為了滿足上述兩個觀察到的天體物理現象的補充。根據計算,暗物質是宇宙物質的5∽6倍,如此一算,每升空間應該有5×10的22次方克。
暗物質行為非常像幽靈般的中微子,粒子間的各種弱相互作用都會產生中微子,如核反應堆發電(核裂變)、太陽發光(核聚變)、天然放射性(β衰變)、超新星爆發、宇宙射線等等。所以宇宙中充斥著大量的中微子,大部分為宇宙大爆炸的殘留。透過中微子振盪現象間接證實了中微子是有質量的,宇宙中物質與暗物質的不對稱很有可能是由中微子造成。
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普通物質為構成宇宙萬物的實物、場等客觀事物;是能量的一種聚集形式。例如空氣和水,食物和棉布,煤炭和石油,鋼鐵和銅、鋁,人工合成的各種纖維、塑膠,以及各類能量波(如光、熱)和場(電力、磁力、引力),甚至更高階形態,如人及人組成的集團、民族、國家等等,都是物質。總之,世界上,我們周圍所有的客觀存在都是普通物質。
暗物質是理論上提出的可能存在於宇宙中的一種不可見的物質,它可能是宇宙物質的主要組成部分,但又不屬於構成可見天體的任何一種目前已知的物質。
暗物質的存在已經得到了廣泛的認同,然而目前對暗物質屬性瞭解很少。目前已知的暗物質屬性僅僅包括有限的幾個方面:
1) 暗物質參與引力相互作用,所以應該是有質量的,但單個暗物質粒子的質量大小還不能確定;
2) 暗物質應是高度穩定的,由於在宇宙結構形成的不同階段都存在暗物質的證據,暗物質應該在宇宙年齡(百億年)時間尺度上是穩定的;
3) 暗物質基本不參與電磁相互作用,暗物質與光子的相互作用必須非常弱,以至於暗物質基本不發光;暗物質也基本不參與強相互作用,否則原初核合成的過程將會受到擾動,輕元素丰度將發生改變,將導致與當前的觀測結果不一致。
4) 透過計算機模擬宇宙大尺度結構形成得知,暗物質的運動速度應該是遠低於光速,即“冷暗物質”,否則我們的宇宙無法在引力作用下形成目前觀測到的大尺度結構。
暗能量是驅動宇宙運動的一種能量。它和暗物質都不會吸收、反射或者輻射光,所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。
暗能量與光會發生中和作用,作用域為同級暗能量的分佈範圍。當暗能量與光反應時,會對作用域的時間產生影響,絕對速度v0>c,此時作用域的能量E產生躍遷,根據E=mc²,作用域內的物質質量會有減少。由於宇宙空間不斷髮生的中和反應,作用域內的物質質量不斷減小致使物質的引力減小,出現宇宙膨脹 。
對宇宙膨脹的高精度測量可以使我們對膨脹速度隨時間變化有更深入的理解。在廣義相對論中,膨脹速度的變化受宇宙狀態方程式的影響。確定暗物質的狀態方程式是當今觀測宇宙學的最主要問題之一。
加入宇宙學常數後,宇宙學標準羅伯遜-沃爾克度規可以匯出Λ-冷暗物質模型,後者因與觀測結果的精確吻合而被稱為宇宙“標準模型”。暗物質被認為是當今形式化宇宙迴圈模型的至關重要的一個因素。