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什么是暗物质?

来源:综合 VIEW: 发布时间:2020-10-25 10:23:41

在现代宇宙学中,一般认为暗物质是一种全新的不同于任何我们熟悉的基本粒子。暗物质之所以被冠以“暗”之名,就是因为天文学家迄今为止没有发现这种物质发射出的光子,也就是说暗物质粒子几乎不直接参与电磁相互作用。电磁力是处于电场、磁场或电磁场中的带电粒子所感受到的作用力。大自然的4种基本相互作用中,电磁力是其中一种,其他3种是强力、弱力、与引力。光子是传递电磁力的中间媒介,带电粒子倚赖光子为媒介传递电磁力,而电荷是基本粒子的内秉性质。只有带电粒子或带电物质才能够感受到电磁力,发射出光子被人眼或者探测装置看到,这也对探测暗物质粒子的方式提出了挑战。

在日常生活所遇到的物质的内部,分子与分子之间彼此相互作用的分子间作用力,就是电磁力的一种形式。暗物质不直接参与电磁相互作用,对我们熟悉的日常生活的物理化学过程,暗物质可以说完全不会产生任何影响。事实上,天文学家估计每秒钟都会有成千上万的暗物质粒子穿过人体,但是在暗物质粒子的“眼中”,人体几乎是是透明的。现在主流的暗物质粒子的理论假说认为,暗物质粒子与人体中所含氢、氧、碳、氮等元素的原子核发生碰撞的机率大约只有数十次每天,而且这种暗物质粒子与人体的直接相互作用不会被人体察觉,更不会有任何有害的后果。事实上,有一种寻找暗物质粒子的方法,就是用专门的探测装置去寻找暗物质粒子与核子可能发生的碰撞事件,从而了解暗物质粒子的相关属性,我们把这种手段称之为暗物质粒子的“直接探测”--暗物质粒子虽然看不见,但是这种碰撞就真真切切地发生在这个实验装置里。然而,当两颗暗物质粒子相互撞击时有可能会发生“湮灭反应”--两个粒子抱在一起粉身碎骨,释放出大得多的能量。如果暗物质粒子的质量像现在的主流理论所认为的,是质子的数百倍,那暗物质粒子碰撞时发出的能量将是可见光光子能量的一千亿倍。如果这种湮灭反应发生在人体内,它将可能导致对人体有害的突变。当然,发生这种事件的概率是非常低的。

迄今为止,人们只能通过宇宙中广泛分布的暗物质结构的引力产生的效应得知(而且已经发现)宇宙中有大量暗物质的存在。现代宇宙学是新兴的一门重要的基础交叉学科,是通过对宇宙自身以及宇宙中天体的观测结果,结合现代物理学的基本认知,研究宇宙大尺度的结构起源与演化等基本问题的学科。宇宙学的研究对象是天体运动和它的第一起因,在人类历史相当长一段时期曾是形而上学的一部分。作为现代科学的重要组成部分,宇宙学起源于哥白尼原则和牛顿力学,它们指出天体和地球上的物体遵守同样的物理原理并解释了天体的运动。一般认为,现代物理宇宙学起源于20世纪的爱因斯坦广义相对论和对极远天体的天文观测,对暗物质的研究更是现代宇宙学和粒子物理学的重要课题之一。

为了解释暗物质,早期的理论认为暗物质可能是宇宙中未被观测到的由普通物质形成的大质量天体,比如大质量的致密的天体,包括黑洞、中子星、老年的白矮星等,但根据观测实验的结果,这些天体的质量不足以解释暗物质在宇宙中的物质里所占的较大的比例。另一些理论主要通过修正引力理论来解释和暗物质有关的观测现象,比如修正的牛顿动力学理论等理论。而目前科学界对暗物质解释的主流观点认为,暗物质是非重子的亚原子粒子,其粒子属性的认证与研究贯穿宇宙学研究数十年,依然是未解之谜。

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