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1、 TED | Wiley The Edge of Knowledge Instructor Materials 1 物理学：知识的边际 第五节 前沿宇宙论：何为暗物质 最近，我们意识到宇宙中的普通物质我所说的普通物质就是指你、我、行 星、恒星、银河系这些普通物质仅仅占据了宇宙组成的一小部分。 Patricia Burchat 源自 TED: 观看 2008 年 TED 演讲“Patricia Burchat: 何为暗物质”。这位斯坦福 大学的物理学家结合粒子物理学和天体物理学，通过列举有关暗物质的现 有证据以及描述如何开发极其灵敏的新型探测器（其中一个位于明尼苏达 州铁矿深处），解释了暗物质和
2、暗能量现象。 主要讨论：有哪些证据能表明宇宙中充满了神秘的暗物质以及暗能量？关于他们的本质，我 们又有哪些好的想法？ 关键术语 普通物质 对宇宙进行的观测主要是通过观察我们能接收到的远距离天体所发射 的电磁辐射（“光”）。普通物质是指，我们通过无线电波、可见光 以及伽马射线可观测到电磁波谱频率的一切物质。 暗物质 与普通物质相比，暗物质不会通过电磁力相互作用，也就不会发射或 反射电磁辐射。因此，我们不能直接看见暗物质。但是，暗物质会通 过引力相互作用，从而是我们可以通过暗物质对普通物质的影响推断 其存在。 膨胀 纵观历史，宇宙一直处于不断的膨胀之中。我们所处星系团以外的所 有天体正在以不断增长
3、的速度逐渐远离。造成这一现象的原因并不是 那些天体在空间上的移动，而是处于我们彼此之间的空间正在扩大。TED | Wiley The Edge of Knowledge Instructor Materials 2 你可以想象一下，在一个充气气球上画上两个星系。如果你对着气球 不断充气，两个星系之间的距离就会扩大，但两者在气球上的位置实 际上并没有变化。 暗能量 宇宙各个组成部分能量的分布决定了宇宙膨胀的方式。通过观察，我 们可以得知这种膨胀正在加速。然而，引起这一现象的原因不可能是 普通物质或暗物质的能量。那么，必然存在另一种能量，而这种能量 就被称为暗能量。 引力透镜 爱因斯坦描述了质量是
4、如何扭曲时空的。当宇宙中光线经过星系或星 系团等大质量天体时，就如同光线会因放大镜的弧度而弯曲一样，这 些光线的路径也会因天体而改变。 结构形成 早期的宇宙是混沌均匀的，但之后星系逐渐形成，结构形成就是指这 一过程，而结构形成的方式极易受到宇宙中物质的数量和类型的影 响。 作业： 1. 宇宙正在不断扩张，在这个过程中暗物质和暗能量起到了什么作用？这两者又是怎样 的相对状态？ 2. 在演讲中8:57，Burchat 展示了三类证明暗物质存在的证据。通过图表，清晰简洁 地介绍一下这三类证据。 3. 为什么在明尼苏达铁矿设置的暗物质探测器位于地下深处？请将此与 LHC 对暗物质的 研究进行比较。参考
5、以下资源： Cort, J. (Director) and Tyson, N.D. (Host). (2008, June 25). Dark matter Television broadcast. NOVA scienceNOW. Ray, C.M. (2012, August 1). At old mine, hopes of striking gold with dark matter Radio broadcast. NPRs All Things Considered. Major, J. (2013, April 13). Researchers may have finally
6、 detected a dark matter particle. Universe Today. Huffington Post UK/PA (2013, April 19). Large Hadron Collider scientists turn focus to search for dark matter. Huffington Post. 4. 天文学家如何确定天体的距离？我们又如何能够确定远距离天体相对于我们的速度？ 格林威治皇家天文台制作的视频动画“Measuring the Universe”将会做一个简介。TED | Wiley The Edge of Knowledge
7、 Instructor Materials 3 然后，试着做一下麦格劳希尔出版社设计的练习“Stellar Parallax Interactive” 或是 NOVA 开发的互动功能“Reading Redshifts”。最后，发掘深层内容，观看加州 大学洛杉矶分校教授 Terence Tao 在 2010 年 10 月发表的讲座“The Cosmic Distance Ladder”，或是“天文学 365 天”2012 年 6 月做的一档播客“Astronomy Word of the Week: Redshift”。 5. 我们知道空间正在不断膨胀（这是爱因斯坦“引力理论”中的一项预测），
8、解释一下 这个说法为什么和以下这两个错误的说法是一致的： a) 宇宙大爆炸时宇宙是极小的； b) 由于宇宙大爆炸，宇宙中的恒星、行星以及其他事物被抛向了外围空间。 6. 宇宙加速膨胀意味着怎样的后果？面对这一情况，我们有哪些解决方案？如果观察结 果是扩张正在减速，又会怎样？ 深入阅读及相关资源： Gillies, J. (Presenter), Dickey, J. (Director) and Hibbert, G. (Animator). Dark matter: The matter we cant see Video animation. TED-Ed. NASA Astrophysi
9、cs: Dark Energy, Dark Matter Theuns, T. (2012). Cosmic Universe iPhone/iPad app. Quiros, G. (Writer/Producer) and KQED (Producer) (2011, October 4). Dark energy Video. KQED Quest. Annenberg Learner: Physics in the 21st Century (see in particular units 10 and 11) Carroll, S. (2010). From Eternity to
10、Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time. New York: Penguin. Morison, I. (2008). Introduction to Astronomy and Cosmology. London: Wiley-Blackwell NASA (2003). Biggest zoom lens in space takes Hubble deeper into the universe. (Demonstration of gravitational lensing) European Space Agency (2013
11、, April 1). Planck sees a cosmic journey 13 billion years in the making. (The first all-sky map of dark matter distribution in the Universe) NASA (2013, April 12). A whiff of dark matter on the ISS Video. NASA ScienceCast. Super Cryogenic Dark Matter Search Advanced Large Synoptic Survey Telescope:
12、Dark Energy Science TED | Wiley The Edge of Knowledge Instructor Materials 4 Collaboration (2012, October 31. White Paper. 接下来： 我们将观看 TED 演讲“Aaron OConnell：了解可见的量子物体”，了解 一下它所涉及的突破型设备是如何演示运动中的量子力学的。 关于作者：Jeff Forshaw 是彻斯特大学粒子物理学教授，同时也著有 100 多篇科学文章和书籍，包括 两部最畅销科普读物。Peter Millington 是谢菲尔德大学的博士后研究员，主要研究最早期宇宙的数 学基础。 翻译: Zuhong Yue 审译: Alexandra Shi
