【腦洞系列】因為人類對宇宙的無知,才有了暗能量和暗物質的假設

薛定諤的貓 2021/06/02 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

自從懂得仰望星空之後,人類就對宇宙充滿了好奇,在過去的日子裡,人類一直在探索宇宙的奧秘,然而即使到了現在,人類依然對宇宙知之甚少。那麼人類到底對宇宙瞭解多少呢?科學家告訴我們,人類能直接觀測到的物質和能量只占宇宙總質能的很小一部分,也就是說,其實我們對大部分的宇宙都一無所知。

正是因為人類對宇宙的無知,才有了暗能量和暗物質的假設,根據目前對宇宙的瞭解,科學家推測暗能量(Dark Energy)和暗物質(Dark Matter)分別占宇宙總質能的68.3%和26.8%,而其餘的4.9%才是普通物質(Ordinary Matter)。

對於我們人類來說,暗能量和暗物質既看不到,也摸不著,既然如此,科學家為什麼會假設宇宙中存在著暗能量和暗物質呢?

暗能量

1929年,天文學家愛德溫·哈勃(Edwin Hubble)通過有力的觀測資料確定了宇宙處於一種持續膨脹的狀態,在此之後,科學家們就開始研究宇宙到底是怎麼樣在膨脹,以及膨脹的速度如何。

按照當時的思路,支持宇宙膨脹的能量來自於最初的「宇宙大爆炸」,而宇宙中所有具有質量的物質都會產生引力,這將對宇宙的膨脹進程形成阻礙,因此當時的科學家普遍認為,現在我們所看到的宇宙膨脹應該是處於一種逐漸減緩的狀態,至少也應該有這方面的趨勢。

1998年,兩個互不相關的天體物理學家團隊的研究成果都表明,宇宙的膨脹並沒有減緩的趨勢,與之相反,宇宙正在加速地膨脹,而這也就意味著,在宇宙中占主導的並不是引力,而是一種神秘的「斥力」。

在接下來的日子裡,人們又通過宇宙微波背景輻射(CMB)、重子聲學震盪(BAO)等其它的方式確定了宇宙確實是在加速膨脹,而1998年的那兩個研究團隊也因此獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。

導致宇宙加速膨脹的「斥力」是怎麼產生的呢?科學界的主流觀點認為,宇宙空間中可能存在著一種未知的能量,正是它導致了宇宙的加速膨脹,而這種未知的能量就被命名為「暗能量」。至於暗能量到底是什麼,就目前的情況來看,我們人類對其可以說是一無所知。

暗物質

早在20世紀初,人們就陸續發現了一些星系中的恒星的運動模式很不合理,因為它們的速度比想象中要快得多,從理論來講,如果以這樣高的速度運行,它們應該早就脫離了當前的運行軌道(因為星系的引力不足以把它們約束在當前的軌道上)。

這似乎說明了,這些恒星受到了某種人類探測不到的物質所產生的引力的影響,由於這種物質是不可觀測的,人們就將其稱為「暗物質」,根據計算,星系中暗物質的質量比可觀測的物質的質量大好幾倍。

然而這在當時並沒有引起太多的關注,原因就是那時的觀測水準有限,像這種「不合理」的天文現象可謂是比比皆是,直到時間到了20世紀70年代,天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)在對仙女座星系進行了高精度的測量之後,暗物質才逐漸引起了科學家們的重視。

簡單來講,魯賓首先確定了仙女座星系的旋轉速度比理論值的上限還要大很多,位於其邊緣的恒星更是如此,在後續的研究工作中,她又在其它的大約100個星系中發現了同樣的情況,這表明了在這些星系中很可能存在著大量的暗物質來提供額外的引力,否則的話,它們早就因為高速的旋轉而分崩離析了。

剛開始的時候,人們懷疑所謂的暗物質只不過是恒星消亡後留下的殘骸,但這種觀點很快就被否定了,因為科學家發現暗物質對光是完全透明的。也就是說,暗物質只會產生引力效應,卻不會阻擋光線的傳播。

根據廣義相對論,引力的本質是時空的彎曲,這就意味著,當光線「路過」暗物質密集的區域時,其傳播路徑會被暗物質的引力彎曲,而由於暗物質對光線又是透明的,這樣就會形成一種特殊的「引力透鏡」。

通過對這種「引力透鏡」的觀測,科學家就可以推測出暗物質團的質量、形狀以及運行姿態,從而「看」到暗物質。

現在的我們只知道宇宙中暗物質的總質量遠遠大於普通物質的總質量,它們屬於高度穩定的物質,幾乎不會參與「電磁相互作用」以及「強相互作用」,可能會參與「弱相互作用」,卻能夠產生與之質量匹配的引力。而人類對暗物質的瞭解也就到此為止,至於暗物質到底是什麼,我們仍然是一無所知。

小結

浩瀚的宇宙中隱藏著太多的神秘,人類對宇宙瞭解得越多,就越明白自己的無知,從目前的情況來看,我們對大部分的宇宙都一無所知,正因為如此,我們才有了暗能量和暗物質的假設。

從本質上來講,暗能量和暗物質的假設只是人類在探索宇宙的過程中所建立的自洽模型,或許在未來,人類會發現它們是不存在的。相信隨著科學的進步,遲早有一天人類會瞭解到其中的奧秘。

 

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