【生活百科】现代宇宙概貌——宇宙中的物质

作者介绍孟新河南开大学物理科学学院教授博士生导师。宇宙奥妙,世界神奇,大千人生,是由什么主宰?大量观测告知我...



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大量观测告知我们宇宙的几何是平的(曾读过一本书,说的是另回事), 那么这种几何结构与宇宙中的物质含量有何关系? 宇宙奥妙,世界神奇,大千人生,是由什么主宰?头上星空和内心律法让德国哲人康德(生于当时普鲁士的人杰地灵之地-著名拓扑学七桥发生地的柯尼斯堡,现为乌克兰的加里宁哥得)敬畏不已;芸芸众生不时也会想想这个基本问题。就客观物质层面来说, 天才,美食家, 乱发飘飘的爱因斯坦在他的狭义相对论中断言时空一体,不可分割和质量与能量等价;又在其广义相对论中说物质让时空弯曲,而时空告诉物质应该怎样运行, 时空几何与物质分布紧密相关. 具体到今天观测宇宙学结果:宇宙中物质和能量总和与一个判断宇宙演化几何的理论量值(所谓的临界密度)大小一样,宇宙几何曲率为零,故为平坦的;小于临界密度,则宇宙演化几何是封闭的球面,对应于有限宇宙;大于临界密度,则为马鞍面,宇宙演化为无限的,行为类似平坦的宇宙。 是故,宇宙中物质的含量和性质决定了宇宙的命运。

今天的宇宙学已从远古时期的神学宗教哲学成为以实证为基础的定量科学.陆(高山,极地,地下)海(水下)空多源观测和可控实验结果和数据告诉我们:我们日常习以为常的桌椅板凳日月星辰你我人类等等所谓重子物质仅占宇宙物质能量总量的约百分之五,其它约百分之六十八是所谓的神秘暗能量和至今我们也找不到的约占宇宙物质能量总量百分之二十七的鬼魅暗物质。那么神秘的暗成分怎么来的可能是什么,我们将在接下来的内容中详介其来源细节。宇宙时空几何是平坦的在宇宙学的定量描述中等价于宇宙中物质能量是按一定规律分布着, 但我们用肉眼看,用望远镜观测,上天入地也没找到除了重子物质外,我们需要的总物质含量的数值大小. 早在上世纪初,一位俄罗斯天体物理学家观测发现一些反常现象,需要有看不见的物质存在来解释.现代科学发源于西方,十多年后西欧天文学家 Oot 也有类似的断言,既需要有看不见的暗物质存在. 但今天人们普遍将暗物质发现归功于在美国工作的咄咄逼人的欧洲天文Zwicky 对星系旋转曲线的观测和前不久去世的美国犹太裔美籍女子天文学家 Vera Rubin 大量星系观测定量的证实 ( Vera Rubin 是位对中国物理界很友好的杰出的真正物理人才,笔者的老师之一,一位国际成名的相对论天体物理和宇宙学家, 曾访问美国时由她接到她家里食宿招待,无所不谈,不知要比安排在宾馆亲切多少?), 但具有讽刺意义的是, 尽管暗物质的概念也有百年了, 我们直到今天没有找到一个真实的暗物质实验实例。暗物质探测可分为直接和间接探测两类: 直接探测像我国雅砻江水电站副产品—四川锦屏地下实验室的两个独立暗物质实验;间接探测如我国已在太空运行一年的卫星”悟空”探测实验和欧洲大型强子对撞机( LHC)  实验。遗憾的是, 到目前所有结果都没找到一个可信实例,反而探测参数空间愈来愈小,已让一部分专业人氏怀疑我们目前理解的暗物质关键概念是否正确?

比起扑朔迷离的暗物质, 暗能量掌控了宇宙演化的命运, 它的行为和身份更让人难以探求.那么什么是暗能量呢？明日为你解答！

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