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既然暗物质遍布宇宙,人类为啥感知不到,却又能知道确实存在?

日期: 2022-10-27
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来源:《凤凰新闻网》 2022-05-16

要说清这个问题,需要先弄清三个基本问题,即:1、人类如何感知这个世界;2、暗物质的存在方式;3、人类感知到了暗物质的存在吗?

既然暗物质遍布宇宙,人类为啥感知不到,却又能知道确实存在?

弄清了这三个小问题,这个大问题就解决了。下面就来谈谈我的看法,也就是将已知的科学常识通过本人理解,通俗地与各位朋友讨论分享。

先说说人类如何感知这个世界

这个世界上存在着四种基本作用力,即强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用力、万有引力相互作用力,简称强力、弱力、电磁力、引力。这四种力主导着这个世界的一切运动,也就是包罗万象,都脱离不了这四种基本力,其中就包括你我他在这个世界里的一切活动。

而人类感知世界主要依靠的是电磁作用力,这是我们日常生活中最常见的力。不要把电磁力狭隘地理解为电流或无线电作用,包括我们理解或者不理解的化学、物理所有现象,都是电磁力的表现。

既然暗物质遍布宇宙,人类为啥感知不到,却又能知道确实存在?

为什么这样说呢?因为强力和弱力只作用于原子及亚原子层面,超出原子层面就不存在了;引力无处不在,凡有质量就会产生引力,但引力是四种力中最弱小的力,除了我们被重力吸附在地球表面,平时人们很难感受到。

这样,我们人类直接感知这个世界的所有方面,包括吃喝拉撒,坐着不动,或与人见面,说说话,握握手,都是通过电磁力相互作用。

理论上,电磁作用力就是带电荷的粒子或具有磁矩粒子通过电磁场传递着相互作用,又叫洛伦兹力,传递的媒介是光子。我们知道,这个世界所有的物质都是由原子组成的,而原子是由原子核和电子组成的,其本身都带有电荷,只是由于原子核与电子的正负电相等,因此原子才呈现出中性。

当原子与原子之间碰撞和接触,被接触的部分原子表面电子就相互发生作用了,由此产生电磁力刺激,这就让我们产生了感觉。人类的视觉、听觉、嗅觉、触觉、思维都是电磁力作用的结果。

既然暗物质遍布宇宙,人类为啥感知不到,却又能知道确实存在?

视觉依靠光子传递;听觉是机械波,是传递介质中的分子原子振动传递;嗅觉是某物质挥发在空气中的分子、原子接触人类的嗅觉器官,发出电刺激的结果;触觉是摩擦力的一种表现,是身体表面分子与其他物体分子接触产生电磁力传导的结果;思维更是脑电波在神经细胞和突触等结构中运动的结果。

我们接触到的各种电波,光和热等一切事物,都是电磁作用力的结果。电磁作用力强度是仅次于强力的一种力,理论上传播距离无限远,因此我们通过望远镜能够看到130多亿光年的星系。

理论上,只要具有电磁作用力的物质,能够与光子发生交互作用,都能够被人类所发现或看到。如某物体在光照下发生反射、折射、衍射,就会被人眼或电磁仪器捕捉到;或能够与物质的原子分子发生交互作用,也能够被观测和感觉到。

可暗物质完全没有电磁力

首先,暗物质不与光子发生作用,在光照下不会发出任何反射、折射、散射、衍射,对光完全透明,人眼无法观测。这至少说明它不是由原子或者亚原子等带电荷的基本粒子组成,因为这些粒子只要带电荷就受电磁力约束,就会与各种带电粒子,包括分子、原子、质子、电子、光子发生作用。

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基于此,暗物质不光是隐形的,也不会被人类触觉、听觉、嗅觉所感知。因此,理论上我们周围充满了暗物质,但我们却无法感知。

经过多年的观测和研究,科学界已经对宇宙中可见物质和不可见物质有了一个比较精确的计算,就是整个宇宙中,可见物质只占总质能的4.9%,不可见质能占95.1%。为什么说是总质能呢?因为在不可见质能里,并不都是暗物质,暗物质只占据了26.8%,暗能量占据了68.3%。

暗物质和暗能量在宇宙中扮演着对立打架的角色。暗物质起着拉拢和聚合的引力作用;暗能量却起着排斥和扩张的膨胀作用。一个拉扯聚合,一个排斥扩张,两种力量一直在博弈中,目前暗能量胜出,最终谁胜谁负,还无法预料。

既然暗物质遍布宇宙,人类为啥感知不到,却又能知道确实存在?

万有引力的大小与质量成正比,暗物质在可见物质和不可见物质中,占据着84.5%的比重,因此主导着星系的引力作用;而暗能量则主导着宇宙膨胀,其质能比暗物质大了一倍多,因此暗物质的引力无法让宇宙收缩,而是被暗物质主导着整个宇宙呈现膨胀趋势。

暗物质和暗能量都没有电磁力,因此都无法被直接观测到。

既然暗物质遍布宇宙,人类为啥感知不到,却又能知道确实存在?

那么,人类又是如何知道暗物质的存在呢?

前面说了,暗物质虽然没有电磁力,不会与电磁力发生相互作用,但其有质量,而且质量大大超过可见物质的质量。引力的大小是与质量成正比的,也就是说质量越大引力就越大,这样,这个隐身魔王就无法藏身了。

这有点像黑洞,由于黑洞引力超强,进入其势力范围(史瓦西半径)的光都无法逃逸,因此黑洞也无法被人类看到。但由于黑洞引力极端,凡靠近黑洞的天体物质都被它毫不客气地撕扯吞噬。

在这个过程,物质会被黑洞引力撕扯得粉碎,围绕着黑洞事件视界(就是在还没掉进黑洞史瓦西半径的临界点处)高速旋转,被撕成基本粒子的物质在接近光速的碰撞中,会发出耀眼的光芒和高能射线,由此被人们观测到。

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由此,人类才间接“看”到了黑洞。

暗物质也是这样,由于广泛存在于星际空间,质量很大,形成的引力就非常大,对周围时空就会造成影响。我们知道天体运动是受引力支配的,其运动状态可以通过质量计算出来,如果出现异常,要么是引力理论出了问题,要么就是其中存在着还没有被发现的东西,影响着天体运动。

许多天文学家发现,在一些巨大星团等天体运动中,与可见质量导致的作用不符,这种现象随机地发生在宇宙各个方向和远近距离,且可排除是引力理论发生了问题,于是科学家们倾向于宇宙中存在不可见物质。

1922年,荷兰天文学家雅各布斯·卡普坦通过观察星体运动,间接推算出星体周围可能存在不可见物质;1933年,瑞士天文学家弗里茨·兹威基利用光谱红移,测量了后发座星团中各个星系相对于星系团的运动速度,发现星系弥散度太高,仅靠星系团中可见物质质量产生的引力,根本无法将这些星系约束在星系团内。

由此,兹威基推断出星系团中有大量的暗物质,其质量是可见质量的百倍以上。后来,许多科学家观测和验证了这类结果,由此间接验证了暗物质的存在。

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再后来,人们根据爱因斯坦广义相对论,当光线接近或通过一个大质量物体时,会发生弯曲和放大效应,他把这种效应叫引力透镜效应,并预言在宇宙中存在这种引力透镜。

人们把这种透镜称为爱因斯坦环。

1979年,天文学家用美国基特峰天文台2.1米望远镜,首次观测到一个类星体因引力透镜效应形成的双重像;1998年,哈勃望远镜观测到第一个完整的爱因斯坦环,被命名为B1938+666;此后,引力透镜不断被发现。

2007年,哈勃空间望远镜发现了CL0024+17星系团拥有暗物质环的图像,环径达260万光年,只有星系团中存在巨量暗物质才能达到这种效应,这更有力地间接证明了暗物质的存在。

由于有了这种引力透镜放大效应,人类发现了距离我们越来越远的恒星和星系,如迄今发现距离我们最远的恒星WHL0137-LS,是一颗宇宙大爆炸9亿年后诞生的,光线走了129亿年才到达我们这里。

这颗昵称为“晨星”的恒星,就是经过庞大星系团WHL0137-08的引力透镜作用,才被我们看到的,这个引力透镜放大效应达到了1000倍,否则我们无法看到“晨星”。而这个作为透镜的星系团,光靠可见质量是无法达到如此巨大透镜效应的,得益于其中大量暗物质的作用。

暗物质到底是什么,以后能弄清楚吗?

暗物质到底是什么,现在科学界还没有定论。曾经有人怀疑过中微子或许就是暗物质,但后来被否认了。虽然中微子基本不与光子发生作用,几乎没有电磁力,但并不是完全没有,还有那么一丁点,100亿个中微子有一个会与物质发生作用,这就给人类探测留下了余地。

既然暗物质遍布宇宙,人类为啥感知不到,却又能知道确实存在?

而且在宇宙中,中微子虽然很多,但质量占比却很小,只有0.0034%。中微子在弱相互作用中产生,太阳的核反应每秒会产生10^38个中微子,由于基本不与物质发生相互作用,中微子就以接近光速的速度,畅通无阻地来到地球,又穿过地球走向远方。

不分日夜,每秒钟都有约有1000万亿个来自太阳的中微子穿越每个人体,人们却没有任何感觉。不过由于中微子多少还是有点踪迹,科学家们早就捕捉到了其踪迹,研究得越来越透彻。那么,还有些什么粒子可能是暗物质的备选呢?

科学界将目光集中在弱相互作用范围内有质量的粒子,如WIMP,包括超中性子(neutralino)、额外维理论中的最小Kaluza-Klein激发态粒子、Little Higgs模型中的T-odd粒子等。还有一个非常轻的中性粒子~轴子(axion),也是热门候选。

但这些粒子都还只存在于猜想中,没有被证实和发现。

既然暗物质遍布宇宙,人类为啥感知不到,却又能知道确实存在?

现在,世界各国的有关科学家们都在采取各种方法,力图揪出暗物质这个隐身魔王。主要方法有:1、直接探测,即通过天上、地下、冰层深处的立体探测系统,希望直接发现被探测器捕捉到的候选粒子;2、间接探测,就是寻找暗物质衰变或湮灭后产生的普通物质信号;3、人工制造,即通过粒子对撞机等设备,制造出新粒子,筛选出暗物质。

可以预见,暗物质现身之日,就是人类对宇宙认识的重大突破,人类文明或许将升级到一个更高层次。那么人类能尽快找到暗物质吗,还要多久?

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