暗物质和暗能量是新世纪科学不解之谜

21世纪最大的科学之谜是暗物质和暗能量，李政道博士说：这将会导致新的物理学和天文学的革命高扬科学、理性、智信的弘法旗帜，传播哲学、科学思想，学习、包容人类一切文明的积极合理的智慧成果，为探索宇宙人生永恒的真理而努力前行.（宇宙的命运不是操纵在上帝手中，21世纪最大的科学之谜是暗物质和暗能量，李政道博士说：这将会导致新的物理学和天文学的革命高扬科学、理性、智信的弘法旗帜，传播哲学、科学思想，学习、包容人类一切文明的积极合理的智慧成果，为探索宇宙人生永恒的真理而努力前行.（宇宙的命运不是操纵在上帝手中，而是操纵在人类尚不了知的暗物质暗能量手中。对它的研究和理论的创立必将导致未来物理学、天文学的一场伟大的革命，也将导致人类认识宇宙观念的重大变革。李政道）                            21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，人类已知物质仅占暗物质的3— 5% 。暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，（E=Mc*c）这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙之外可能有很多宇宙围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。暗物质是谁最先发现的呢？爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子 物质的暗物质。星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃 拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像 里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。  1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可 以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距 星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中 可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗 物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。                            标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。 20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了.（我们今天所观察到的宇宙仅是整个宇宙极小的一部分，这一小部分仅仅是所有物理世界的有形的物质的冰山之一角。在更广大的世界，宇宙还有微细于有形物质的暗物质和暗能量。它们如果让 我们想象的话，那就是在亚夸克结构和超弦之间的极微细的物理层面的宇宙结构，它是跨越10的负35次方米----10的负17次方米 的未知领域，它们是宇宙命运的主宰，占整个宇宙结构的95%--97%，它的所遵守的物理法则我们人类还远未能了解，或者说我们人类现有的自然科学并不能 描述暗物质暗能量的运动发展规律，因为在这些宇宙的暗物质面前，我们人类的各种探测仪器变得十分无奈。我们需要和呼唤新世纪的科学、哲学巨匠引领人类的文 明的进化。）