宇宙暗物质是什么东西(为什么它占宇宙95%以上,人类却难以观察)

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2020年5月21日10:40:28 评论 2,641 1937字阅读6分27秒

说起暗物质,其实很多人都纳闷这到底是什么东西?为什么科学家特别热衷于寻找暗物质?对于这样的东西,我们很容易问出哲学三问来:到底是什么?在哪里?有什么用?

今天,我们就来讲一讲暗物质。

要了解暗物质到底是什么,我们就得先搞清楚“引力”。我们可以想象一下,有一种神器的大炮,它能把炮弹打出任意的速度。那接下来,如果我们徒手拿一个炮弹,然后松手,炮弹就会自由落体掉在地面上,这是地球引力吸引的结果。

如果,我们用大炮来打,让炮弹稍微具备一点初速度,那就会是下面这样:

如果,我们再让大炮打出的炮弹快到一定程度,那这炮弹就很有可能绕着地球转起来。

这个时候,我们继续让炮弹的初速度再快一旦,那这个炮弹绕着圈子就会更大一点。

如果我们再大幅度去增加炮弹的速度,那这个炮弹就很有可能摆脱地球的引力,飞出去。

基于这些发现,我们至少可以下这么一个结论,物体是不是绕着一个天体转,和这个物体的速度以及它的引力有关,速度越快,所需要的引力就越大。

而多少速度对应多少引力,我们可以用牛顿的万有引力理论进行计算。了解这些,我们再回过头看星系,就拿银河系来说吧,

我们如果通过理论去计算,就会发现理论上太阳绕着银河系质心的速度应该是160km/s,而实际上,太阳的速度竟然是220km/s。

实际速度比理论快得多,按照刚才的结论,应该是存在额外的引力才能够做到。那这额外的引力到底从哪来的呢?

刚发现这样现象的时候,科学家也很纳闷。这个现象不止是发生在银河系,很多星系也有这样的现象,最早发现这样的现象是基于观测其他星系的结果。

于是,科学家不得不假设存在一种物质,它提供了额外的引力,但是我们的观测手段没有办法观测到它的存在。他们把这种物质叫做暗物质。

假设存在了暗物质,并不意味着我们就知道它的属性,它具体存在于哪里和它本身的属性是有关系的。关于暗物质的假设理论有特别多,但是目前比较主流的是冷暗物质假说(Cold Dark Matter)。

首先,暗物质之所以不容易被观测到,是因为我们是通过电磁辐射来观测的,所以,冷暗物质的“暗”其实就来源于这里;同时构成暗物质的粒子其实移动特别缓慢,因此,冷暗物质的“冷”就是这么来。

你可能不能理解,“冷”和移动缓慢有什么关系?其实我们在定义温度时,在微观尺度上物体分子热运动的剧烈程度。

粒子平均动能越大,也就是运动得越欢快,温度就越高,而绝对零度,实际上就是在粒子几乎就在原地振动。(这还是不确定性原理导致的)

所以,粒子移动得慢,说明温度就低,也就是“冷”。基于这样的认识,科学家就开始思考什么样的粒子时符合这样的特质?

目前来说,有两种主流的看法:

大质量弱相互作用粒子:这种粒子是目前还未知的,科学家也在考虑是不是通过大型粒子对撞机来找到它。

大质量致密晕天体:这一类包括黑洞、白矮星、中子星等一些暗淡的恒星或者不发光的行星。

不过,目前来看,第一种假设的可能性更高一点。为什么这么说呢?

这是因为,科学家通过理论计算,得到了暗物质在宇宙中的占比,它比已知物质总量的5倍还要多。

如果,它真的是黑洞,中子星之类的天体,那意味着,宇宙中布满了这些天体,如果是这样的话,很多恒星早就被这些黑洞和中子星吞噬掉了,你敢想象太阳系内存在一个黑洞?那太阳和几大行星还真不够人家吃的。

不仅如此,暗物质还具有一个特点,那就是不参与电磁力和强相互作用。要了解这些,我们必须先知道,在宇宙中存在四大作用力,分别是引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。它们是万物的粘合剂,不过它们之间还是有区别的,比如说强度就相差很多。

其中强相互作用最强,电磁力其次,弱相互作用第三,引力最弱。强相互作用和弱相互作用保证了原子核可以形成,电子不至于掉落到原子核内。而电磁力,保证了原子可以形成,原子间和分子间的作用力都是通过电磁力来完成。而引力则是星系的粘合剂。

在冷暗物质模型中,冷暗物质只参与弱相互作用,而且发生作用概率极其低,和这个类似的其实还有中微子,我们的身体每秒钟会有100万亿个中微子穿过,我们还不知情。而冷暗物质也是一样,所以,暗物质也是布满整个空间,而且还会穿过我们的身体,只是因为不发生作用,我们无法感知到。因此,暗物质实际上无处不在,我们的地球上,太阳系中,银河系中都有。当然,凡事并不绝对,目前也有发现几个星系没有暗物质,至于为什么目前还不得而知。

那暗物质有什么用呢?实际上,我们刚才也提到,引力是星系的粘合剂。而暗物质是已知物质的5倍还要多,因此,星系之所以可以形成,完全是需要暗物质的帮助,如果没有了暗物质,星系中的那些天体沿着切线飞出去。因此,宇宙诞生的早期就有暗物质了,正是在暗物质的引力作用下,才逐渐形成了星系,才有了银河系,有了太阳系。

关于暗物质,我们就说到这里。

来源:莫然博客,欢迎分享本文!

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