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1、暗物质和暗能量简介摘要：自现代宇宙科学研究提出了宇宙中可能存在暗物质和暗能量的推测 后，找寻暗物质和暗能量存在的证据就成为当今天文学研究的热点课题。关键词：暗物质暗能量自现代宇宙科学研究提出了宇宙中可能存在暗物质和暗能量的推测后，找寻 暗物质和暗能量存在的证据就成为当今天文学研究的热点课题。依据对暗物质和 暗能量不同特征的认识，科学家提出了许多的看法，观点各异，表述各异。现在 暗物质和暗能量给我们留下了许多未解之谜。首先我们先来了解一下暗物质。简而言之暗物质就是看不见的物质。物理学上给出的系统性的定义如下：“由天文观测推断存在于宇宙中的不发光物质。由不发光天体、晕物质、以 及非重子中性粒子组成
2、。”在宇宙学中，暗物质是指那些自身不发射电磁辐射，也不与电磁波相互作用 的一种物质。暗物质是不发光的，但是它有显著的引力效应。人们目前只能通过引力 产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球 状星系旋转速度的观测。比如，对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速 度，如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话，由牛顿引力定律可知，距 离中心越远，速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的，这就说明当中有看 不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三 分之一是暗物质。中微子是一种暗物质粒子，但WMAP和SDSS的结果说明， 它的质量应当非常小
3、，在暗物质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的中性 的弱作用重粒子。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测，它们可能 是超对称理论中的最轻的超对称粒子，是稳定的，在宇宙演化过程中像微波背景 光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家，例如中意科学家合作组DAMA实 验，丁肇中先生领导的AMS实验，正在进行着各种加速器和非加速器实验，试 图找到这种暗物质粒子。同时2009年12月21 日，科学家在Souden煤矿中发现暗物质，这是迄今为 止最有力的发现暗物质证据。2011年5月，意大利暗物质探测无果，该研究结果质疑其它发现暗物质结 果。下面来介绍一下暗能量：刚开始时暗能量是某些人的猜想，指一
4、种充溢空间 的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。 这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。支 持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙 在加速膨胀，星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样，是恒定的，而是在不断 加速。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负 的暗能量。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中 物质的总密度。但是，我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3 左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有 负压，在宇
5、宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能 量在宇宙中占总物质的73%。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和 冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇 宙。但是在研究暗能量方面遇到了巨大的困难。现今物理学对暗能量这种新类型 物质的探索才刚刚开始。众说纷纭，但仅仅是一些猜测和设想，远没有形成一个 基本合理的解释。中国科学院理论物理研究所研究员李淼曾经半开玩笑地表示： “有多少暗能量专家，就有多少暗能量模型。”也许这种说法不无夸张之处，但 暗能量在理论方面的混沌状况，从中也可见一斑。其中不得不说一下“宇宙常数” 这一理论，1917年爱因斯坦为
6、了建立一个稳态的宇宙模型，提出了这一概念， 但是后来包括他本人也承认这是一个错误的概念。但是暗物质的存在则为宇宙常 数提供了新的可能性。如果暗能量就是这个宇宙常数的话，那么它的力量强弱将 只和宇宙的大小有关。随着宇宙的膨胀，其体积逐渐增大，因而暗能量也将逐渐 增大。最终，它会达到一个临界点，使得宇宙从减速状态变成加速状态，并且一 直加速下去。迄今为止的观测结果，包括瑞斯最新的结果在内，与爱因斯坦的宇 宙常数理论“都很符合”。美国宇航局正在计划发射新的探测卫星，对于宇宙大 尺度空间进行更多更精确更系统的观测，进一步研究宇宙加速膨胀的规律，确定 暗能量的形式和物理特征，不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规 律。解决这一问题需要新的理论，这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追 求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革 命。研究暗物质、暗能量这些新的问题需要将描述微观世界的粒子物理与描述宇 观世界的宇宙学结合起来。现今还有很多的工作要做，许多的难题难以解决。最 主要的是缺少很直观方便的理论模型表述。可以预见，在这一方面获得的任何一 成果都将产生巨大的震动。
