暗物质真的是无处不在么?

140亿年前,它是一个点,体积小,质量大,温度高。然后,这个点发生爆炸,并开始膨胀,温度也随之降低——宇宙就这样形成了。解释宇宙起源的这一大爆炸理论已被科学家广泛接受。尽管如此,大爆炸理论只是搭好了研究的框架,框架里诸多问题不是犹抱琵琶半遮面,就是依然悬而未解。
1997年,科学家观测到了一颗编号为“1997ff”的超新星。对光线的相对强度进行的研究表明,它爆发于110亿年前,是迄今发现的最遥远的超新星。当时宇宙的年龄只有现在的四分之一。这颗超新星亮度是预计正常亮度的两倍,而且比距离更近、更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。科学家据此判断,“1997ff”爆炸时宇宙处于减速膨胀阶段。
暗能量:引力的“对手”
苹果为什么会落地?人为什么跳不离地球?我们知道,这是因为存在引力的缘故。在宇宙大爆炸理论中,引力也发挥了作用,它使宇宙的膨胀速度减小。但科学家们最新观测发现,现在宇宙实际上在不断加速膨胀。这就是说,宇宙很有可能先减速、后加速膨胀,而且其中存在一种与引力作用相反的力把时空结构向外推。我们如今称之为负引力,也就是“暗能量”。
宇宙真的是先减速、后加速膨胀吗?“暗能量”真的存在吗?
超新星帮助科学家解决了这个问题。超新星是爆炸中的恒星,它发出的亮度是几十亿颗恒星亮度的总和。我们可以从它的亮度来判断宇宙膨胀的速度。因此,如果是在宇宙减速膨胀中诞生的星体,其发出的光到达地球时,该星体和地球之间的距离由于膨胀减速的原因要比预计的近,因而地球上的观测者会发现其光要比预计中更亮。然后可根据这一亮度差异来判断宇宙处于减速膨胀阶段。
1997年,科学家观测到了一颗编号为“1997ff”的超新星。对光线的相对强度进行的研究表明,它爆发于110亿年前,是迄今发现的最遥远的超新星。当时宇宙的年龄只有现在的四分之一。这颗超新星亮度是预计正常亮度的两倍,而且比距离更近、更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。科学家据此判断,“1997ff”爆炸时宇宙处于减速膨胀阶段。
这一发现不仅证实了宇宙膨胀先减速后加速,也证明宇宙中确实存在暗能量。暗能量和引力两者综合决定宇宙的膨胀速度。引力如胶水一样,试图把物质结合在一起;暗能量与引力相反,试图将物体分开。据推测,大约在60亿年前,引力在与暗能量的较量中落败,暗能量占据上风,宇宙进入加速膨胀状态。
暗能量占宇宙的三分之二
“暗能量”的概念最早是由爱因斯坦提出来的,但后来爱因斯坦把这个概念说成是他科学生涯中的大错误,因为它破坏了广义相对论的优美性。从那以后,暗能量成了科学家争论的话题。今年2月的美国《发现》杂志提出了物理学11大困扰,其中一大困扰就是暗能量。一般认为,暗能量不是物质,而更接近能量。根据计算,常规物质和看不见的物质——暗物质加起来并不足以构成整个宇宙,剩余成分就是暗能量。那暗能量占据宇宙成分的多大比例?
科学家猜测说,可能达到三分之二。这一猜测近日得到了证实。科学家这一次使用的是类星体。类星体是宇宙中的“四不象”,体积相对较小而能量巨大。它在一般光学观测中类似恒星,但实际与恒星并不相同,因此被称为类星体。一些质量巨大的天体会导致经过它们附近的光线等发生弯曲,使遥远天体的成像产生扭曲和变形,这一原理与光学透镜类似,因而被称为“引力透镜”效应。
借助设在英国和美国的一些大型射电望远镜,科学家们共对数千个遥远类星体进行了观测,结果发现平均每700个类星体中就有一个受到“引力透镜”的影响,其射电信号会发生弯曲,最终出现两个以上“虚像”。科学家们认为,这也许只有暗能量才能解释。他们的进一步分析表明,在假设暗能量占到宇宙成分的三分之二时,理论计算与实际观测的结果最为吻合。这一计算过程我们暂且不去深究。暗能量如此奇怪,以至于甚至连负责这一研究的英国曼彻斯特大学的伊恩·布朗说:“宇宙由暗物质所统治,这想法太奇怪了。值得大家去仔细研究验证。”
任何给定的空间暗能量都很小
我们为什么感受不到暗能量?科学家说,在任何一个给定的空间里,暗能量的量很小,因此它的作用在日常生活中不能被感觉出。但在广漠的宇宙空间中,其效果将非常强大,足以使星系和星系簇分离开。
黑洞:谜一样的天体
没有一种天体比黑洞更能说明引力的威势了。黑洞不是黑的,也不是一个空洞。它是一个实在的天体。在很多科普文章中,它被冠以“怪物”的昵称。黑洞之所以能在宇宙中“横行霸道”,是因为它拥有强到连光都不能逃脱束缚的引力武器。
黑洞能实现时空转换
黑洞引起人们兴趣的一个重要原因是,时间和空间在黑洞中消失,这意味着通过黑洞有可能将我们现在的时间和空间连接另外一个时间和空间,时间旅行有可能实现。
黑洞也会“消化不良”
黑洞还有许多其他特性。比如,1999年,科学家发现,如果“食物”太多,黑洞有可能会“因噎废食”。这意味着,引力强大无比的黑洞,可能并非拥有所假设的吞噬一切的“胃口”。模拟结果发现,物质环在落入黑洞过程中,先被黑洞吞下的部分还会不断被吐出,最终使得只有很少一部分物质环真正进入黑洞。科学家们认为,这一结果显示黑洞并不像假设的那样能吞下“喂”给它的一切“食物”,并且强行“塞”给黑洞大量“食物”还很可能会将它“噎”住。
黑洞都唱“同一首歌”
黑洞不论大小,不论质量,都有着相同的波动规律,如同快慢不同地演唱音调相同的“同一首歌”。这一特性是科学家于今年4月对由超巨黑洞和小质量黑洞发出的X射线辐射进行比较研究时发现的。超巨黑洞一般存在于星系的中心,质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍。小质量黑洞质量与太阳基本处于一个数量级,主要由质量相当于太阳10倍左右的恒星发生超新星爆炸形成。
科学家发现中型黑洞
到底有没有中型黑洞呢?科学家今年9月才找到这中间“缺失的一环”。这次的功能应归功于哈勃太空望远镜,它观测到了两个中型黑洞,一个位于飞马星座的M15球状星团,距地球3.2万光年,质量为太阳的4000倍。另一个黑洞位于仙女星系的G1星团中,质量相当于2万个太阳,距离地球220万光年。M15和G1这两个星团都包含着大量紧凑排列的恒星,其中一些恒星相当古老,诞生于距今100多亿年前。新观测到的两个中等质量黑洞都位于球状星团而非星系之中。
超巨黑洞位于星系中心
超巨黑洞位于星系中心,据推测每个星系都有,质量一般约为星系总质量的0.5%。目前,关于超巨黑洞的形成主要有两种理论。一种观点认为,它可能是随着星系的诞生一次性产生的。但也有推测说,超巨黑洞是以质量更小的黑洞为基础形成的,后者就好比是一些“种子”,随着时间的推移进化成了巨型黑洞。
银河系巨型黑洞质量为太阳的370万倍
今年10月,欧洲科学家宣布了银河系中心存在超巨黑洞的最佳证据。他们说,过去20年中,科学家们一直在观测银河系中心一些星体的活动情况,尤其对一颗名为S2的星体的运行轨道进行了跟踪研究,最终得出结论:S2附近确实存在一个巨型黑洞。质量是太阳7倍的S2,以每小时1.8亿公里的高速每15.2年绕银河系中心一周。之所以如此高速,是因为它周围存在黑洞,“害怕”被黑洞“吞噬”。经过计算,这一黑洞距地球2.6万光年,质量是太阳的370万倍。
银河系中心黑洞每年“食量”不足地球质量的1%
银河系中心黑洞或许正处于“饥饿”状态。科学家原先预测,它每年吞噬约相当于十倍于地球质量的“食物”。但实际上,它每年吞噬“食物”还不足地球质量的百分之一。黑洞“食量”是根据它吞噬“食物”时发出X射线的强弱程度计算出来的。科学家还提出,如果黑洞获得了源源不断的“食物供给”,就可能从相对安静的状态中“醒来”,处于活跃状态中。
人类将能制造微型黑洞
大量微型黑洞不久将能在实验室里制造出来。这一任务将由大型强子对撞机完成。目前欧洲核子研究中心正在建造大型强子对撞机,估计于2005年完工。届时,它将是世界最大的粒子加速器。用它长达27公里的环形隧道加速粒子,然后使这些粒子相撞,就能创造出与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时的状态类似的条件,同时还可以每秒1个的速度制造大量微小的黑洞,每个体积不到一个原子核的百万分之一。之所以能制造出微型黑洞,是因为大型强子对撞机能把大量能量压缩在很小的空间里,但这些黑洞的消逝也可能像雪花消融一样容易。
膨胀论:宇宙不断膨胀下去
这是英国着名理论物理学家斯蒂芬·霍金等人所持有的观点。他们认为宇宙将永远膨胀下去,不断扩大。最终我们将看到,星体会离我们越来越遥远,也越来越黯淡。这种理论的证据之一是氘元素。氘是氢元素的同位素之一,原子核中包括一个质子和一个中子。目前宇宙中所能探测到的所有氘元素,据认为都是在宇宙“大爆炸”几分钟后的原始核聚变过程中产生的。除了“大爆炸”之外,目前还没有发现宇宙中存在其他的氘元素源。
1999年,澳大利亚、荷兰等国科学家组成的小组,对位于距地球约1500光年的猎户星云区域进行了测量。科学家们通过对一种氘氢分子进行分析测算后发现,在猎户星云中高度活跃的恒星形成区,氘原子与氢原子的比例为1比10万。这与在宇宙其他一些区域获得的测量结果基本一致。这些科学家们说,根据被普遍接受的宇宙理论,宇宙中正常物质总量的多少,决定着宇宙最终将无限制膨胀下去,还是会在膨胀到一定程度时转为收缩。而氘元素密度与正常物质量直接相关。上述测量结果说明的是,宇宙中正常物质总量无法遏止宇宙无限膨胀的趋势。
逆转论:宇宙会在一两百亿年后凝聚到一个点
按照这种观念,宇宙的膨胀速度不仅会减慢,而且会逆转回去,将所有的物质挤压,最后浓缩成一个“症结点”,并在剧烈的大爆炸中消亡。今年9月7日出版的英国《新科学家》就刊登了一篇这样观点的文章。这篇文章说,大部分暗能量理论认为,宇宙的加速膨胀是在全宇宙范围的“标量场”的排斥作用下进行的,这种“标量场”在整个宇宙空间有着统一的量级。
而过去的看法认为,随着宇宙的扩展,上述能量场的排斥力将逐渐减小,最终降至零。尽管这可能使宇宙的扩展速度减慢,但实际上宇宙永远不会停止膨胀。可这种看法可能是不正确的。根据超重力的一些理论,“标量场”的暗能量可能不仅仅是降至零,它还将变为负数,并可能降至负无穷大。这将令宇宙的扩展速度减缓,然后转向相反方向,使空间和时间凝聚到一点,在一次大爆炸中消亡。
循环论:宇宙是轮回的
这是科学家最近提出来的。该理论认为,宇宙将永远不会结束,而是处于从生长到消亡的循环过程中。大爆炸既不是宇宙的起点也非终点,而只是宇宙不同阶段的“过渡”。美国普林斯顿大学的天文学教授保罗·斯坦哈特与英国剑桥大学教授尼尔·图罗克共同提出了这个观点。他们说,如今的宇宙是在上个宇宙的尘埃中诞生。此外,还有理论认为,人类所在的宇宙之外还有另外一个无限大的平行宇宙。这两个宇宙在多重维度(我们所处的空间只有四个维度)中互相区分开来。
两位科学家根据现有理论计算出,在这两个宇宙之间有一个力场,可以将两个宇宙呈周期性地互相吸引、尔后又再排斥开来,如同人们鼓掌时两只手的动作一般。新理论认为,当两个宇宙互相碰撞的时候,第五维度暂时消失,这时就会发生一次大爆炸。新的物质世界在原有消散的物质尘埃中被重新“创造”出来。于1968年最早提出弦论的意大利科学家加布里埃莱·韦内齐亚诺对新理论表示接受,认为该理论将使人们认识到“大爆炸只是某些事件的果,并非所有事件的因。”

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