暗物质与暗能量两大宇宙“黑势力”合流_2.宇宙文明

暗物质与暗能量两大宇宙“黑势力”合流

发布时间：2009/7/30 阅读次数：4820 字体大小: 【小】【中】【大】

暗物质与暗能量两大宇宙“黑势力”合流

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暗物质和暗能量是当代宇宙学未解的两大谜，也决定着宇宙的最终命运，最新的理论表明：它们可能是一种东西。
　　在过去几年间，科学家发现宇宙似乎充满着不是一种而是两种看不见的成分——暗物质和暗能量，它们占了宇宙整个物质构成的绝大部分，根据最新的估计，在宇宙构成中，暗能量占了75%，暗物质占23%，常规物质和能量只占2%。
　　■ 两大谜团合二为一
　　1970年代，天文物理学家为解释星系的运动提出，一类看不见的粒子存在于星系周围，这类粒子随后被称为“暗物质”。根据天文观察资料，科学家们估计宇宙中暗物质有常规物质的10倍之多。对暗物质的一种解释是，它们是由一类新的粒子“弱相互作用大质量粒子”（简称WIMP）组成的，这种粒子不能发光，并和常规物质几乎不发生相互作用。迄今科学家们已做了大量实验来搜寻这类粒子存在的证据。
　　1998年以来，为解释宇宙加速膨胀运动，一些科学家又提出“暗能量”概念，认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。
　　揭示宇宙中这两种“黑势力”之谜成为了当前宇宙学的最大一个热点。日前，美国范德比尔特大学的理论物理学家罗伯特·谢勒提出一个新模型，把这两个谜缩减为一个，即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面。6月30日一期《物理学评论通信》杂志上刊载了描述他的这一模型的一篇文章。
　　他说：“思考这个问题的一个方式是：宇宙充塞着一种看不见的流体，这种流体会对常规物质施加压力，并改变宇宙扩张的方式。” 谢勒认为，他的这一模型极其简单，并可避免先前试图把暗物质和暗能量统一起来的一些理论模型中的困难。
　　■两个不同的演化阶段
　　谢勒在其理论模型中，把暗物质和暗能量统归为一种称为“标量场”的奇特能量形式。这种能量场有着严格的定义，而且性质复杂。在此，“场”是指一种具有能量和压力、遍及整个空间物理量。宇宙学家最先是用标量场来解释宇宙大爆炸之后的暴涨过程。根据暴涨理论，宇宙在大爆炸后即经历了一个持续时间不到一秒但暴涨了几万万亿倍的急剧膨胀过程。
　　谢勒在其模型中引入了一个第二代标量场，称为“K-本质”。“K-本质”这一概念是由普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯泰恩哈德等人为解释暗能量而提出来的，但谢勒是第一个指出一种简单的“K-本质”标量场也可以用来解释暗物质的人。
　　科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念，原因是它们的表现不同。暗物质好像有质量并会形成巨大的团块，宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用。而暗能量相反地似乎是没有质量的，并均匀分布在整个宇宙空间，其作用与引力相反，是一种斥力，把宇宙推散开来。
　　“K-本质”标量场能随时间而改变其行为。谢勒在研究一种非常简单的“K-本质”标量场——其中潜在的能量是固定的——时，发现这种标量场在其演化的某一个阶段时会发生团聚，导致看不见的暗物质粒子的效果，而随后在另一个阶段则会均匀分布在整个空间，具有暗能量一样的性质。
　　谢勒说：“这个模型在一段时间很自然地演化成一种像是暗物质的状态，然后又进到像是暗能量的状态。当我认识到这一点时，我想，‘这看来很有启发意义，值得好好研究一下。’”于是，谢勒更详尽地检查了这个模型，发现它不会产生先前那些试图把暗物质和暗能量统一起来考虑的理论模型的困难。
　　■我们处在一个特殊时期吗？
　　最早描述暗能量的理论模型是修改广义相对论，引入“宇宙常数”这个量。“宇宙常数”是爱因斯坦建立静态宇宙模型时提出的一个概念，为的是和引力作用平衡，防止这样的宇宙模型在引力作用下收缩成一个点。但是，在天文学家观察到宇宙在膨胀后，爱因斯坦放弃了这个概念，因为他觉得这个概念已经不必要了。现在一些解释暗能量的理论模型重新引入“宇宙常数”概念，可以在很大程度上说明暗能量所导致的效应，但是这并不能解释暗物质。
　　一种试图把暗物质和暗能量统一起来的努力是恰普雷金气体模型，这种理论模型以一位俄罗斯科学家上世纪30年代的工作为基础，能够先形成类似暗物质的状态随后形成类似暗能量的状态，但它不能说明星系的形成过程。
　　今年初，哈佛大学的尼玛·哈卡尼-海默等人也提出了一种把暗物质和暗能量统一起来的模型，他们认为暗物质和暗能量是由一种看不见的、无所不在的流体的不同行为导致的，他们把这种流体称为“幽灵冷凝物”。这个模型和谢勒的模型有类似之处。
　　谢勒本人承认，尽管他的模型有许多积极特征，它还是有一些缺陷。例如，它需要特别细微的“微调”才能使模型工作。谢勒本人还警告说：还需要进行更多的研究来判断该模型的表现是否和其他观察材料相一致。另外，这个模型也不能回答这样一个“巧合”问题：为什么我们生存在一个计算所得的暗物质和暗能量的密度大体相当的时期？许多科学家怀疑这是否意味着目前的时期有什么特殊之处。(国际先驱导报) 暗能量，它们占了宇宙整个物质构成的绝大部分，根据最新的估计，在宇宙构成中，暗能量占了75%，暗物质占23%，常规物质和能量只占2%。
　　■ 两大谜团合二为一
　　1970年代，天文物理学家为解释星系的运动提出，一类看不见的粒子存在于星系周围，这类粒子随后被称为“暗物质”。根据天文观察资料，科学家们估计宇宙中暗物质有常规物质的10倍之多。对暗物质的一种解释是，它们是由一类新的粒子“弱相互作用大质量粒子”（简称WIMP）组成的，这种粒子不能发光，并和常规物质几乎不发生相互作用。迄今科学家们已做了大量实验来搜寻这类粒子存在的证据。
　　1998年以来，为解释宇宙加速膨胀运动，一些科学家又提出“暗能量”概念，认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。
　　揭示宇宙中这两种“黑势力”之谜成为了当前宇宙学的最大一个热点。日前，美国范德比尔特大学的理论物理学家罗伯特·谢勒提出一个新模型，把这两个谜缩减为一个，即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面。6月30日一期《物理学评论通信》杂志上刊载了描述他的这一模型的一篇文章。
　　他说：“思考这个问题的一个方式是：宇宙充塞着一种看不见的流体，这种流体会对常规物质施加压力，并改变宇宙扩张的方式。” 谢勒认为，他的这一模型极其简单，并可避免先前试图把暗物质和暗能量统一起来的一些理论模型中的困难。
　　■两个不同的演化阶段
　　谢勒在其理论模型中，把暗物质和暗能量统归为一种称为“标量场”的奇特能量形式。这种能量场有着严格的定义，而且性质复杂。在此，“场”是指一种具有能量和压力、遍及整个空间物理量。宇宙学家最先是用标量场来解释宇宙大爆炸之后的暴涨过程。根据暴涨理论，宇宙在大爆炸后即经历了一个持续时间不到一秒但暴涨了几万万亿倍的急剧膨胀过程。
　　谢勒在其模型中引入了一个第二代标量场，称为“K-本质”。“K-本质”这一概念是由普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯泰恩哈德等人为解释暗能量而提出来的，但谢勒是第一个指出一种简单的“K-本质”标量场也可以用来解释暗物质的人。
　　科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念，原因是它们的表现不同。暗物质好像有质量并会形成巨大的团块，宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用。而暗能量相反地似乎是没有质量的，并均匀分布在整个宇宙空间，其作用与引力相反，是一种斥力，把宇宙推散开来。
　　“K-本质”标量场能随时间而改变其行为。谢勒在研究一种非常简单的“K-本质”标量场——其中潜在的能量是固定的——时，发现这种标量场在其演化的某一个阶段时会发生团聚，导致看不见的暗物质粒子的效果，而随后在另一个阶段则会均匀分布在整个空间，具有暗能量一样的性质。
　　谢勒说：“这个模型在一段时间很自然地演化成一种像是暗物质的状态，然后又进到像是暗能量的状态。当我认识到这一点时，我想，‘这看来很有启发意义，值得好好研究一下。’”于是，谢勒更详尽地检查了这个模型，发现它不会产生先前那些试图把暗物质和暗能量统一起来考虑的理论模型的困难。
　　■我们处在一个特殊时期吗？
　　最早描述暗能量的理论模型是修改广义相对论，引入“宇宙常数”这个量。“宇宙常数”是爱因斯坦建立静态宇宙模型时提出的一个概念，为的是和引力作用平衡，防止这样的宇宙模型在引力作用下收缩成一个点。但是，在天文学家观察到宇宙在膨胀后，爱因斯坦放弃了这个概念，因为他觉得这个概念已经不必要了。现在一些解释暗能量的理论模型重新引入“宇宙常数”概念，可以在很大程度上说明暗能量所导致的效应，但是这并不能解释暗物质。
　　一种试图把暗物质和暗能量统一起来的努力是恰普雷金气体模型，这种理论模型以一位俄罗斯科学家上世纪30年代的工作为基础，能够先形成类似暗物质的状态随后形成类似暗能量的状态，但它不能说明星系的形成过程。
　　今年初，哈佛大学的尼玛·哈卡尼-海默等人也提出了一种把暗物质和暗能量统一起来的模型，他们认为暗物质和暗能量是由一种看不见的、无所不在的流体的不同行为导致的，他们把这种流体称为“幽灵冷凝物”。这个模型和谢勒的模型有类似之处。
　　谢勒本人承认，尽管他的模型有许多积极特征，它还是有一些缺陷。例如，它需要特别细微的“微调”才能使模型工作。谢勒本人还警告说：还需要进行更多的研究来判断该模型的表现。

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