寻找缺失的宇宙:什么是暗物质?

2017-07-21作者:李金, 著编辑:谢爽

我们知道宇宙中有两类天体:一类是像太阳那样的发光的天体,在没有光的环境中能被我们看到;另一类像月亮那样,虽然不发光却可以反射或吸收光,在有光照的环境中也能被我们看到。但是人们发现,还有一类很诡异的物质暗藏在宇宙中。它既不发光,也不和光发生吸收、反射或折射等作用,不仅在没有光的黑暗中看不到它,在有光线的环境中也完全透明,同样看不到它。这种不发光又绝对透明,在任何环境下都无法看到却又有质量的物质,被称为暗物质,即暗藏在宇宙中的物质。

 

当然,这里说的“光”不仅仅是指可见光,而是包括几乎所有波段的“光”;这里说的“看”也不仅仅是用人的眼睛看,它包括了所有形式的现代望远镜或探测器的观察。因此,在暗物质的研究中,“暗”具有更为广泛的含义。

 

“暗”的广泛含义

 

“暗”的广泛含义是什么?更广泛意义的“暗”是基于更广泛意义的“光”。光是什么?光实质上是电磁波。科学家通常依据波长把光(或称电磁波)划分为7个区段:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。图1.1.1给出各种电磁波的波段及其相应波长。天文和宇宙科学借助于各种电磁波天文望远镜实现了对宇宙中天体的观测。今天的天文观测几乎涵盖了所有波段的电磁波。但是,不同探测设备对各波段“光”的响应不同,看到的图像也不同。图1.1.2所示为借助可见光与X光看到的世界和人,可见光只能看到表面,而X射线可以看到内部。同样,我们借助红外光、紫外光和X射线分别看到了不同的宇宙。图1.1.3所示为同一星系在不同波段(射电、红外、可见光、紫外及X射线)下的图像。

 

图1.1.1 电磁波各波段的波长


 图1.1.2 用可见光与X光观测到的世界和人

(a)可见光;(b)X光


图1.1.3 同一星系在不同波段(射电、红外、可见光、紫外及X射线)下的图像


由物理规律可知:①任何物体的温度都不可能低于热力学温标的零度(相当于摄氏-273℃,用K表示);②任何高于热力学温标零度的物体都一定会有电磁波(或称光波)辐射发出,只是辐射波长有所不同而已。这两点告诉我们,宇宙中的任何物质都会有电磁波辐射。此外,物体还会与电磁波发生吸收、反射或折射等作用。因此,只要我们能灵敏地测量到所有波段的辐射光,宇宙中的任何物质都逃不出我们的观察。图1.1.4(a)给出不同温度的天体所发出的光波波长及其对应的亮度。图1.1.4(b)给出不同天体所辐射电磁波的波长与其相应亮度。不难看出,尘埃、恒星及黑洞,无一不在我们所能观察到的波长范围内。可以说,不论是从表面发出的还是从星球内部发出的任何波段的“光”均逃不过人类的“火眼金睛”,人类已经可以全波段全方位地观察整个宇宙。

 

然而不幸的是,诡异的暗物质既不发出任何波段的电磁波,也不和任何波段的光发生作用,它深深地隐藏在宇宙之中。暗物质是用任何波段的探测器或望远镜都无法观察到的物质。构成暗物质的基础粒子应该是暗物质粒子,大量暗物质聚集也可能形成暗物质天体。

 

图1.1.4 天体的辐射波长和亮度

(a)不同温度的天体辐射电磁波的波长及其亮度;

(b)不同天体辐射的电磁波波长及其相应的亮度


这里要注意,首先,暗物质不是我们通常讲的黑物质,普通黑物质因为能够吸收可见光而呈黑色,并非与可见光不发生作用。有人将寻找暗物质比喻成“在各种彩色豆中寻找黑豆”是不够恰当的。其次,暗物质也不是黑暗中的物质。我们看不到黑暗中的物质是因为没有光线,只能说明暗物质是不发光的物质,而不证明是否与光发生作用。因此,把寻找暗物质比喻为“在暗室中寻找黑猫”也欠妥。应当说,暗物质是既不发射任何波段的光又对任何波段的光都是绝对透明的物质。某种意义上,暗物质类似于干净无瑕的普通玻璃,就像有时我们误认为玻璃门还没有安装玻璃而碰了头。(当然这仅仅是对可见光而言,普通玻璃强烈吸收紫外光,对紫外线就不透明了),我们寻找暗物质可以想象成在光线充足的明亮屋里寻找不发光的绝对透明物体。

 

历史上的“暗”物质事件

 

看不见的“暗”物质事件在20世纪就曾经发生过。19世纪末20世纪初,科学家在放射线的研究中发现微观世界中能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的,从原子核中放出的射线也是不连续的。图1.1.5(a)所示为金Au198原子核不连续的能级及其能级间的衰变。其放射出的射线的能量正好等于原子核不同能及间的能量差,即射线的能量是单一的,符合量子世界中能量守恒规律的。奇怪的是,在释放出电子的β衰变过程中发现电子的能量并不单一,其能谱是连续的。电子所带的能量只是能级差的一部分,还有一部分能量失踪了(见图1.1.5(b))。1930年,奥地利物理学家泡利依据能量守恒定律提出了一个假设,认为在β衰变过程中,除了电子之外,同时还有一种质量为零、不带电、与光子不同的未知粒子发射出来,带走了一部分能量,因此出现了能量“丢失”,即能量守恒定律依然是成立的。通过能量守恒我们感受到一种未知粒子的存在,但当时还没有能力探测到它,便将它称为看不到的“暗物质粒子”。后来通过实验证实的确有这种粒子,并称之为中微子。中微子与其他粒子不是不发生作用,只是相互作用极其微弱,一时难以探测到。中微子的实验不仅看到了“未知的暗物质粒子”,同时还发现了当时还不了解的另一种相互作用,并称之为“弱相互作用”。

 

图1.1.5 金原子核放出的射线

(a)Au198原子核的不连续能级及其衰变;

(b) Au198β衰变过程中电子的连续能谱


另一个有趣的事件发生在从天王星之谜到海王星发现的整个过程中。图1.1.6所示为围绕太阳各行星的轨道示意。1820年,法国天文学家布瓦德依据当时的观测资料和天体运动学原理在计算天王星的运动轨道时,出现了不可理解的问题,他算出的轨道与观测值很不相符。后来的很多年里,人们积累了更多的观察数据,计算时又考虑了离天王星最近的土星和木星的影响,但理论值和观测值仍然相差很远。天王星的观测位置与计算位置相差之大,已远远超出了观测的误差范围。面对天王星运动之谜,人们一方面对依据牛顿力学的天体力学原理提出质疑,另一方面提出存在有看不到的“暗卫星”或“暗行星”的假设,并开始对各种假设和质疑进行求证。直到1845年前后,两位年轻的天文学家——英国的亚当斯和法国的勒威耶基于逐渐逼近的方法,提出有可能在比天王星更远的天区有我们还没有看到的行星,并建议柏林天文台的加勒立即在该天区进行搜索。不几天加勒就观察到这颗发光很弱的行星,并将其命名为海王星。

 

图1.1.6 围绕太阳各行星及冥王星的轨道


今天,如果我们相信主宰天体运动的引力理论是正确的话,那假设存在有看不见的暗物质,就和当年没有发现海王星的情景一样了。


内容来源:书问

作者李金
出版清华大学出版社
定价69元
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