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暗物質(zhì)
閱讀：202010-10-05 23:25
標(biāo)簽：雜談
在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)(又稱暗質(zhì))，是指無(wú)法通過(guò)電磁波的觀測(cè)進(jìn)行研究，換言之，不與電磁力產(chǎn)生作用的物質(zhì)。人們目前只能通過(guò)重力產(chǎn)生的效應(yīng)得知，或說(shuō)發(fā)現(xiàn)，宇宙中有大量暗物質(zhì)的存在。
現(xiàn)代天文學(xué)通過(guò)重力透鏡、宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所認(rèn)知的部分，即重子(加上電子)，大只占宇宙的4％，而暗物質(zhì)則占了宇宙的23%，還有73%是一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量。暗物質(zhì)的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性，對(duì)結(jié)構(gòu)形成也非常地關(guān)鍵。暗物質(zhì)很有可能是一種（或幾種）粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新粒子所構(gòu)成。對(duì)暗物質(zhì)(和暗能量)的研究是現(xiàn)代宇宙學(xué)和粒子物理的重要課題。
暗物質(zhì)存在的證據(jù)
最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)存在的是1930年代荷蘭科學(xué)家Jan Oort與美國(guó)加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基等人。弗里茨·茲威基觀測(cè)螺旋星系旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度較牛頓重力預(yù)期的快，故推測(cè)必有數(shù)量龐大的質(zhì)能拉住星系外側(cè)組成，以使其不致因過(guò)大的離心力而脫離星系。
2006年，美國(guó)天文學(xué)家利用錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)星系團(tuán)1E 0657-56進(jìn)行觀測(cè)，無(wú)意間觀測(cè)到星系碰撞的過(guò)程，星系團(tuán)碰撞威力之猛，使得暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開(kāi)，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。
雖然暗物質(zhì)在宇宙中大量存在是一個(gè)普遍的看法，但是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)螺旋星系NGC 4736的旋轉(zhuǎn)能完全依靠可見(jiàn)物質(zhì)的引力來(lái)解釋，也就是說(shuō)這個(gè)星系沒(méi)有暗物質(zhì)或者暗物質(zhì)很少。
暗物質(zhì)的組成及理論模型
星系轉(zhuǎn)動(dòng)曲線、引力透鏡、結(jié)構(gòu)形成、星系團(tuán)中重子成分和結(jié)合星系團(tuán)豐度與重子密度證據(jù)表明了宇宙中85-90%的質(zhì)量不帶有電磁相互作用。這些暗物質(zhì)只通過(guò)引力作用而顯現(xiàn)它們的存在。以下是人們提出的一些不同類型的暗物質(zhì)：
熱暗物質(zhì)
溫暗物質(zhì)
冷暗物質(zhì)
重子暗物質(zhì)
在眾多可能是組成暗物質(zhì)的成分中，最熱門的要屬一種被稱為大質(zhì)量弱相互作用粒子（英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，簡(jiǎn)稱WIMP）的新粒子了。這種粒子與普通物質(zhì)的作用非常微弱，以致于他們雖然存在于我們周圍，卻從來(lái)沒(méi)有被探測(cè)到過(guò)。
還有一種被理論物理學(xué)家提出來(lái)解決強(qiáng)相互作用中CP問(wèn)題，被稱為軸子（Axion）的新粒子，也很有可能是暗物質(zhì)的成分之一。
惰性中微子（sterile neutrino）也有可能是組成暗物質(zhì)的一種成分。
暗物質(zhì)的探測(cè)
暗物質(zhì)的探測(cè)在當(dāng)代粒子物理及天體物理領(lǐng)域是一個(gè)很熱門的研究領(lǐng)域。對(duì)于大質(zhì)量弱相互作用粒子來(lái)說(shuō)，物理學(xué)家可能通過(guò)放置在地下實(shí)驗(yàn)室，背景信號(hào)減少到極低的探測(cè)器直接探測(cè)WIMP，也可以通過(guò)地面或太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)這種粒子在星系中心，太陽(yáng)中心或者地球中心湮滅產(chǎn)生的其他粒子來(lái)間接探測(cè)。人們也希望歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞器(LHC)或者未來(lái)的國(guó)際直線加速器中人工創(chuàng)造出這些新粒子來(lái)。
暗物質(zhì)假說(shuō)
長(zhǎng)久以來(lái)，最被看好的暗物質(zhì)僅僅是假說(shuō)中的基本暗性粒子，它具有壽命長(zhǎng)、溫度低、無(wú)碰撞的特殊特性。溫度低意味著在脫耦時(shí)它們是非相對(duì)論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團(tuán)。壽命長(zhǎng)意味著它的壽命必須與現(xiàn)今宇宙年齡相當(dāng)，甚至更長(zhǎng)。由于成團(tuán)過(guò)程發(fā)生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的范圍內(nèi)，而且這一視界相對(duì)現(xiàn)在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質(zhì)團(tuán)塊或者暗物質(zhì)暈比銀河系的尺度要小得多，質(zhì)量也要小得多。隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大，這些最先形成的小暗物質(zhì)暈會(huì)合并形成較大尺度的結(jié)構(gòu)，而這些較大尺度的結(jié)構(gòu)之后又會(huì)合并形成更大尺度的結(jié)構(gòu)。其結(jié)果就是形成不同體積和質(zhì)量的結(jié)構(gòu)體系，定性上這是與觀測(cè)相一致的。相反的，對(duì)于相對(duì)論性粒子，例如中微子，在物質(zhì)引力成團(tuán)的時(shí)期由于其運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快而無(wú)法形成我們觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。因此中微子對(duì)暗物質(zhì)質(zhì)量密度的貢獻(xiàn)是可以忽略的。在太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)中對(duì)中微子質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果也支持了這一點(diǎn)。無(wú)碰撞指的是暗物質(zhì)粒子（與暗物質(zhì)和普通物質(zhì)）的相互作用截面在暗物質(zhì)暈中小的可以忽略不計(jì)。這些粒子僅僅依靠引力來(lái)束縛住對(duì)方，并且在暗物質(zhì)暈中以一個(gè)較寬的軌道偏心律譜無(wú)阻礙的作軌道運(yùn)動(dòng)。
低溫?zé)o碰撞暗物質(zhì)
低溫?zé)o碰撞暗物質(zhì)（CCDM）
被看好有幾方面的原因。第一，CCDM的結(jié)構(gòu)形成數(shù)值模擬結(jié)果與觀測(cè)相一致。第二，作為一個(gè)特殊的亞類，弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的豐度。如果粒子間相互作用很弱，那么在宇宙最初的萬(wàn)億分之一秒它們是處于熱平衡的。之后，由于湮滅它們開(kāi)始脫離平衡。根據(jù)其相互作用截面估計(jì)，這些物質(zhì)的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測(cè)相符。CCDM被看好的第三個(gè)原因是，在一些理論模型中預(yù)言了一些非常有吸引力的候選粒子。
中性子
其中一個(gè)候選者就是中性子（neutralino），一種超對(duì)稱模型中提出的粒子。超對(duì)稱理論是超引力和超弦理論的基礎(chǔ)，它要求每一個(gè)已知的費(fèi)米子都要有一個(gè)伴隨的玻色子（尚未觀測(cè)到），同時(shí)每一個(gè)玻色子也要有一個(gè)伴隨的費(fèi)米子。如果超對(duì)稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同質(zhì)量。但是由于在宇宙的早期超對(duì)稱出現(xiàn)了自發(fā)的破缺，于是今天伴隨粒子的質(zhì)量也出現(xiàn)了變化。而且，大部分超對(duì)稱伴隨粒子是不穩(wěn)定的，在超對(duì)稱出現(xiàn)破缺之后不久就發(fā)生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質(zhì)量在100GeV的數(shù)量級(jí)）由于其自身的對(duì)稱性避免了衰變的發(fā)生。在最簡(jiǎn)單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質(zhì)是由中性子組成的，那么當(dāng)?shù)厍虼┻^(guò)太陽(yáng)附近的暗物質(zhì)時(shí)，地下的探測(cè)器就能探測(cè)到這些粒子。另外有一點(diǎn)必須注意，這一探測(cè)并不能說(shuō)明暗物質(zhì)主要就是由WIMP構(gòu)成的。現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)還無(wú)法確定WIMP究竟是占了暗物質(zhì)的大部分還是僅僅只占一小部分。
軸子
另一個(gè)候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質(zhì)量在1μeV的數(shù)量級(jí)上），它在大統(tǒng)一理論中起了重要的作用。軸子間通過(guò)極微小的力相互作用，由此它無(wú)法處于熱平衡狀態(tài)，因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度。在宇宙中，軸子處于低溫玻色子凝聚狀態(tài)，現(xiàn)在已經(jīng)建造了軸子探測(cè)器，探測(cè)工作也正在進(jìn)行。
超弦子
單位空間（即無(wú)限分之一體積）內(nèi)產(chǎn)生物質(zhì)的概率是二分之一，產(chǎn)生的物質(zhì)叫“虛子”。為什么叫“虛子”呢？因?yàn)樗膲勖挥袩o(wú)限分之一。虛子的運(yùn)動(dòng)速度為C（光速）。
“超弦子”定義：相對(duì)于“虛子”的“實(shí)子”叫“超弦子”，超弦子的壽命可以達(dá)到無(wú)限。怎樣才能產(chǎn)生超弦子呢？相鄰任意個(gè)單位體積同時(shí)產(chǎn)生“虛子”，才能產(chǎn)生形狀固定的超弦子。各個(gè)虛子的速度方向是不同的，所以超弦子一產(chǎn)生就有自旋！
產(chǎn)生的超弦子如果遇到其他超弦子，會(huì)有三種情況：
1，互相撞碎，同歸于盡，消失。（注：只有同時(shí)存在才能永遠(yuǎn)存在，超弦子被撞掉一點(diǎn)，整個(gè)就會(huì)消失）
2，由于萬(wàn)有引力和其他超弦子結(jié)合。同時(shí)改變速度和自旋！
3，不是有效撞擊，相碰后“各奔前程”，改變自旋與速度！
請(qǐng)注意：產(chǎn)生的各種各樣的超弦子像被燒過(guò)的磚一樣，是一個(gè)整體，本身形狀已經(jīng)不能改變。一維的超弦子不能存在，二維同理，所以超弦子是三維的。
關(guān)于超弦子的質(zhì)量：N個(gè)單位體積產(chǎn)生的超弦子的基礎(chǔ)質(zhì)量為2的N次方。根據(jù)超弦子的對(duì)稱性大小，會(huì)增加額外的質(zhì)量。質(zhì)量越大，強(qiáng)度越大。不同的質(zhì)量對(duì)應(yīng)不同的極限速度。（注：2的N次方只是一個(gè)隨便的指數(shù)，具體指數(shù)大小得由數(shù)學(xué)家去計(jì)算）。黑洞就是由質(zhì)量巨大的超弦子形成的。物質(zhì)掉進(jìn)黑洞的速度是可以超光速的。
什么是暗物質(zhì)和亮物質(zhì)
現(xiàn)在說(shuō)明什么是暗物質(zhì)和亮物質(zhì)：超對(duì)稱的超弦子（即球狀的超弦子）叫亮物質(zhì)，其他形狀的超弦子叫暗物質(zhì)。
暗物質(zhì)的兩個(gè)特點(diǎn)：
1，不帶電荷。
2，透明（即光子可以通過(guò)）。
因?yàn)榘滴镔|(zhì)形狀不規(guī)則，所以形成暗物質(zhì)的概率比形成亮物質(zhì)的概率大得多，所以暗物質(zhì)比亮物質(zhì)多得多。
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