暗物质和暗能量

暗物质和暗能量

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作者/村山齐(Hitoshi Murayama)

美国加州大学伯克利分校MacAdams冠教授,日本东京大学Kavli数学物理联合宇宙研究机构所长,国际直线对撞机 (International Linear Collider)项目负责人,研究内容曾获日本西宫湯川纪念奖(2002年),科普作品《隐匿的宇宙:用基本粒子揭开宇宙之谜》获日本新书大奖(2011年)。


我们曾在学校学到“万物都是由原子构成的”,而且地球之外的天体也确实是由原子构成的。但是,2003年的发现告诉我们,其实“原子之外的东西”大约占据了宇宙的96%。刚刚进入21世纪不久,20世纪的“常识”就被彻底颠覆了。

暗物质

那么,非原子的96%到底是什么呢?很遗憾,目前我们还没有找到答案。不过,这些神秘的东西已经拥有了自己的名字。其中之一叫作“暗物质”(Dark Matter)。听起来像是科幻电影的名字,我们这一代人会在脑海里不由得浮现出《星球大战》(Star Wars)中的达斯·维德(Darth Vader)。不管怎样,由于我们完全不了解它的真身,也只能给出这样的叫法了。

不过,即便真身不明,我们也知道它是“存在”的。因为就像曾经的中微子,如果不以它的存在为前提,就会出现各种不合理的现象。在此,我先简单介绍其中一种不合理现象。

地球之所以能以30千米每秒的速度转动而不飞向别处,是因为它被太阳的引力拉住“落”了下来。因此,拥有众多行星的太阳系并没有四分五裂,各奔东西。

大部分人可能都不记得在学校学过地球的公转速度。日本的学校没有教授这个知识点,可能是担心让孩子产生恐惧心理。(笑)例如想到自己时刻都生活在以30千米每秒(时速108 000 千米!)的速度疾 驰的物体上,或许有人会感到不舒服。

不仅如此,其实包含地球在内的太阳系也在急速转动,而且速度为220千米每秒。也就是说,我们以约80 万千米每时的速度徜徉于宇宙的海洋中。

不过,我们并不是毫无目的地盲目运动。与地球被太阳的引力拉住“落”下来一样,太阳系也受到了整个银河引力的牵制,所以太阳系不会脱离银河系,请放心好了(但是,预计45亿年后银河系会撞上附近的仙女座大星系,这样看来,我们也得提前制订逃亡计划了)。

如此急速飞驰的太阳系也无法逃脱银河系,可见银河系引力之巨大。然而,在这一点上,我们却发现了一件不可思议的事情。那就是即使将整个银河系的星球和黑洞等天体全部集中起来,也无法形成足以牵制住太阳系的引力。

人类能够计算得出上述结果,本身已经是巨大的进步。从计算结果上看,银河系中还存在天体以外的某种东西,否则我们的太阳系是无法稳定地在银河系中运行的。现实状况是太阳系作为银河系的一员运行非常稳定,这样看来,确实存在某种我们未知的东西。

那么,是什么东西的引力将太阳系限制在银河系中呢?

是暗物质。

当然,暗物质并非仅存在于我们所在的银河系。邻近的仙女座大星系也基本都是暗物质。

暗物质遍布于整个宇宙的各个角落,其能量约占宇宙总能量的23%,为原子的5倍。我们原本以为闪闪发光的天体是银河系的主角,然而却没想到构成天体的原子在宇宙中只是个小角色。“星系”徒有其名,其实它是暗物质的聚集地。银河系的实际状态是混杂了少量天体的巨大暗物质集合。

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图(银河系):银河系是拥有几千亿天体的集合体,太阳系以220千米每秒的速度围绕银河系的中心旋转

暗能量

阅读完前文,想必你应该明白了“万物并非都是由原子构成的”。但是,就算将原子和暗物质加在一起,其能量也仅占宇宙的27%,这只不过是整个宇宙的一小部分。其余的73%,也就是宇宙的大部分究竟是什么呢?

像暗物质一样,这些未知的能量目前也仅仅有一个名字,即“暗能量”(Dark energy)。不过,对于暗能量的情况,我们目前了解的比暗物质还要少。

虽然暗物质与我们所了解的原子完全不同,但是它拥有类似于“物质”的属性。为什么这么说呢?因为随着宇宙的不断膨胀,暗物质的密度在逐渐变小。这个道理并不难以理解。例如,如果将盛放玻璃球的盒子的体积扩大到原来的2倍,玻璃球的密度就变成了原来的一半。所谓物质,就是这样的东西。从这一点上讲,原子和暗物质是没有区别的。

但是,暗能量就不一样了。用极为荒唐的话来说就是,无论宇宙这个“盒子”变到多大,暗能量的密度也不会变小。这句话听起来,仿佛暗能量像妖怪一样,令人感到十分恐惧。如果可以的话,就像《没有妖怪》1那首歌唱的那样,我更愿意认为“妖怪都是骗人的”。

1《お化けなんてないさ》是一首十分欢快的日本童谣。——译者注

但是,如果不以存在如此令人毛骨悚然的能量为前提,就无法解释令人更为恐惧的事实现象,即宇宙“正在加速膨胀”。

宇宙曾经被认为是既没有起点也没有终点,始终维持大小不变的空间。后来人类能够认识到宇宙正在不断膨胀的事实,则要归功于人类对来自宇宙的“光”的观测。

光和声音的“波”在接近或远离波源(光源、声源)的时候,其波长会发生变化。大家在日常生活中也都有过“多普勒效应”的体验吧?当一辆救护车逐渐接近自己的时候,我们听到的警笛声会越来越高;而车离去的时候声音则会越来越低。这是因为靠近我们的声音波长缩短了,远离我们的声音波长延长了。

光的波长也会发生与之相同的现象。声波随波长的变化出现声音“高低”的变化,而光波出现变化的是“颜色”。例如,离我们远去的天体看上去是红色的,静止的天体是黄色的,逐渐靠近我们的天体是蓝色的。

通过观察光谱中颜色的变化,例如看上去本应为黄色的天体变成红色等现象,我们发现恒星和星系正在逐渐远离地球的事实。这种说法并不意味着地球处于宇宙的中心,只是从地球观察点来看,其他天体在不断远离地球而去。因为整个宇宙空间都在膨胀,所以每个天体看上去都在彼此远离。

宇宙的“诞生”确实源自大爆炸,那么下一个问题就是它的膨胀将持续到何时。

关于这一点,研究领域目前大致认为有两种可能性。一种可能性是宇宙永远膨胀下去,另一种可能性是膨胀到极限后转向收缩。无论出现哪种结果,这里都是以宇宙的膨胀速度逐渐“减速”为前提的。

可以这样来理解,始于大爆炸并逐渐膨胀的宇宙,就像猛然向上空抛出的球。球所拥有的全部能量就是最初抛掷者向其施加的,球被抛出后会逐渐减速是理所当然的。那么关于球的未来趋势,我们只能想到球继续上升并逐渐减速,或者球上升到一定高度后转而下落这两种可能性。

但是,最近的研究发现宇宙的膨胀正在“加速”。这也是彻底颠覆我们宇宙观的事实之一。

如此一来,我们只能认为存在某种“透明人”似的东西在后面推着“抛出的球”上升。这里的“某种东西”被认为是暗能量。这种神秘的能量在宇宙背后推动其不断加速膨胀,无论宇宙这个“盒子”变成多大都不会使自身密度变小。这种来路不明的神秘能量占据了宇宙的70%之多。


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《隐匿的宇宙:用基本粒子揭开宇宙之谜》是著名基本粒子物理学家村山齐教授关于“宇宙是什么”的畅销科普读物。本书以回答“宇宙由什么组成”以及“我们为什么存在”这两个人类最为原始、朴素的疑问为线索,结合最新的基本粒子物理和天体物理研究,用风趣幽默的语言和比喻,从全新的视角讲述了“宇宙的本原结构”和“自然的本原法则”。