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物理学陷入困境:接下来我们该怎么办?

  来源:互联网  发布时间:01-13

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  目前,暗物质的身份对我们来说仍是一个未解之谜,暗物质似乎并不在粒子物理标准模型之内。尽管我们尽了最大努力,却仍然没有在地球上制造出甚至观察到暗物质。但是,它对宇宙学标准模型的影响微乎其微:在广义相对论中,其引力作用与普通物质的引力作用一模一样,而且,即使有这么多能产生丰富引力的物质,也很难让宇宙停下膨胀的脚步。

  第二种“暗势力”则引发了一场更加深刻的变革。在上世纪90年代,使用名为1a型的超新星爆发时测量的数据,天文学家们对宇宙膨胀进行了更加精确地追踪。种种观测数据表明,宇宙正在加速膨胀,似乎有某种斥力弥漫于广袤的宇宙间,彻底打败了物质间的万有引力。科学家将这种尚不知道的反引力作用称为“暗能量”。

  精准的配方

  这可能是爱因斯坦的“宇宙学常数”的再生,当然,这和当初爱因斯坦引入以给出平滑的宇宙模型不同,现在的“宇宙学常数”代表了暗物质和暗能量。科学家们认为,暗能量在宇宙中起斥力作用,但又不能严格说其是一种斥力,只能称其为能量。尽管如此,粒子物理学家们仍在纠结,为什么空间本身暗藏有这么小的能量密度呢?于是,富有想象力的理论学家们纷纷给出各种解释,比如由迄今为止还没有被看到的粒子产生的能量场;来自于可见的宇宙之外或者由其他维度发射过来的作用力等等。

  不过,上述富有想象力的观点目前都没有得到证实。无论暗能量是什么,它似乎足够真实。目前为科学界普遍接受的宇宙起源理论认为,宇宙诞生于距今约137亿年前的一次“大爆炸”。宇宙微波背景辐射被认为是“大爆炸”的“余烬”,均匀地分布于整个宇宙空间。“大爆炸”之后的宇宙温度极高,之后30多万年,随着宇宙膨胀,温度逐渐降低,宇宙微波背景辐射正是在此期间产生的。

  宇宙微波背景辐射上有一些温度不一的斑点,分别代表着年轻宇宙密度稍高和密度稍低的地方。这些斑点的典型尺度可以被科学家们用来衡量空间作为一个整体被其内的物质和运动弯曲到何种程度。结果表明,宇宙看上去几乎平滑无比,这意味着所有这些弯曲效应都必须被抵消。这就使得科学家们再次需要某些额外的排斥能量来平衡由于膨胀和物质的引力所导致的弯曲。星系在空间中的分布模式也给出了同样的结论。

  所有这些观测线索,让我们获得了一份宇宙的精确配方。空间中普通物质的平均密度是0.426攸克(yoctogram)(1攸克为10-24克)/立方米,这些物质占宇宙总能量密度的4.5%,而暗物质占22.5%,暗能量占73%。我们建立在广义相对论基础上的宇宙大爆炸模型与我们的科学观察非常吻合,只要我们坦然接受我们虚构出来的“暗势力”占据了宇宙95.5%的份额。

  不过,这并不意味着我们已经大功告成,我们必须“发明”更多东西才行。为了解释宇宙为什么在各个方向看起来如此一致,目前的主流宇宙学理论还引入了第三种“诡异”元素,那就是暴胀场。宇宙学理论认为,当宇宙形成仅10-36秒时,一种具有颠覆性的力量接管了整个宇宙,这种力量就是暴胀场,其像暗能量一样是排斥力,但比暗能量强大很多,它导致宇宙爆炸性地膨胀为原来的1025倍,让宇宙变平滑,同时抹去了所有的整体不规则性。

  当这段暴胀期终结时,该暴胀场就转化为物质和辐射。该暴胀场中的量子涨落,变成了宇宙密度的细微变化,最终演变为宇宙微波背景中的斑点和我们目前看到的漫天星系。

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