第五章：看不见的世界

2024-06-09 15:04阅读：

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第五章：看不见的世界
第一节：暗物质
现代科学界认为：根据目前我们对暗物质的了解，暗物质(Dark Matter)是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中26%的物质含量，其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到(约4.9%)。暗物质无法直接观测得到，但它能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。
暗物质它能施加引力作用，将宇宙中的物质束缚在一起，暗物质在宇宙中广泛地存在，包围着星系，我们虽然无法观测到它，但是可以通过它对引力的影响来推断。所以科学家分析这种宇宙中随处可见的物质极有可能是暗物质“托举”原因，成为宇宙中各个天体运行规律的基本因素之一。
暗物质是现代科学界最大的未知之谜之一，它是一个非常令人困扰的问题，目前科学界认为，暗物质是一种不会与电磁力产生作用，它不会吸收、反射或发射任何形式的辐射，因此我们不能用眼睛和仪器直接观测到它，我们可以通过它对可见物质施加的引力的影响，来推断它的存在，如星系的轨迹和旋转速度表明了暗物质的分布和引力作用，此外，宇宙的大尺度结构形成，也离不开暗物质的贡献。
第五章：看不见的世界

第五章：看不见的世界

滑铁卢大学的研究人员获得了第一张连接星系的暗物质桥的合成图像
暗物质其实叫做暗引力可能会更加贴切一些，那么暗物质是怎么来的呢？暗物质是由什么构成的？有一种普遍被接受的理论，暗物质是由弱相互作用有质量的粒子WIMP组成的，这些粒子的质量和相互作用强度，类似于电弱尺度上的粒子，因此在宇宙膨胀过程中，它们通过某种机制获得了观测到的剩余丰度。
关于暗物质产生的方式，目前还没有确定的答案。不同的理论模型有不同的假设和预测，一种可能性是暗物质在极早期宇宙中，通过引力的量子效应产生。另一种可能暗物质在宇宙暴胀结束之后从暴胀子衰变而来。然后与其他粒子达到热平衡状态，等到宇宙温度降低到暗物质的质量能标以下，暗物质再从热粒子中退耦出来。
尽管我们对物质的了解还十分有限，科学家已经意识到，要了解宇宙的演化和结构，就必须深入研究暗物质的性质和作用，随着技术不断进步和理论的不断创新，我们有望揭开暗物质的神秘面纱，进一步揭示宇宙奥秘。
目前普遍认为宇宙是由物质和能量构成，对于宇宙总物质质量是多少，宇宙总物质质量与普通物质比值关系，天文学家用两种测量方法。一是测量大型天体结构所释放光的总量，如星系，以此可以推断它的质量。二是根据维持大型天体结构稳定所需要的引力来推断其质量。
暗物质对星系的形成和演化有重要影响，我们不能直接看到暗物质，但是我们通过观测星系的形成和演化，我们可以推断暗物质的存在对星系的影响。暗物质可能是一种弱交互作用大质量粒子的粒子组成的。这些粒子非常微小，它们与普通物质作用非常微弱，因此很难被观测到，然而暗物质的质量非常大，这些粒子对星系的形成和演化，具有重要影响，它们聚集在星系周围，从而影响形成和演化，此外这些粒子的形成可以产生额外的引力，从而加速星系的形成和演化。暗物质对星系的影响超出我们的想象。
人类现在探测到暗物质了吗？当然还没有，因为我们猜测的这种神秘的暗物质，虽然占据了大约85%的宇宙质量，但是它不参与电磁相互作用，也就是说它不与可见物质发生除引力之外的相互作用，所以像日常的这些个探测手段都是行不通的，我们只是推测到它可以提供引力，因此，直到今天，我们无法直接观测到暗物质，科学家们对于暗物质的了解仍然几乎是零。
既然暗物质我们无法探测到，但又何以证明它是真实存在的呢？科学家们用尽了各种先进的仪器，也没有找到这些暗物质，也许我们只能通过一些现象来间接地探测到它的存在，根据爱因斯坦的广义相对论，可知任何天体都能扭曲它周围的时空，如果暗物质真实存在的话，那么也就意味着它同样也可以扭曲周围的时空，时空一旦被扭曲成功的话，那么光线在穿过这一部分时空时就会发生改变，因此我们可以通过观察推测这个时空是否有暗物质存在。
我们知道宇宙中所有的天体以及星际尘埃都是在引力的作用下最后凝聚成一团，形成恒星系统或者类银河系一样的星系。
银河系内的所有恒星都是在围绕着银河系中心在整体旋转当中的，离银河系中心越近，那么它的旋转的速度就越大，而当一颗恒星离银河系的中心越远，旋转的速度也就越慢，当超出一定范围之外，这颗恒星一定会慢慢地偏离银河系。因为只有非常大的质量才能束缚住这些恒星，才能使它们的旋转速度不会降低。
天文学家发现即使超出银河系中心一定距离之外的恒星也没有因为距离远的原因而降低旋转速度。
目前我们观测到的重子物质，所有的质量加起来所提供的引力是远远无法对抗这个银河系旋转所带来的离心力，也就是说如果要是银河系，只有观测到的这么点质量，然后它还能保持这个速度来旋转，那么边缘的恒星系统早都被甩出去了，银河系早都散架了。
天文学家从星系的质量参数上找到了原因，发现星系的质量也许要远远低于它的真实质量，银河系里一定存在大量的没有被发现的物质。于是把这种看不见的质量称为暗物质。
暗物质到底是由什么组成的，到现在为止仍然是一个最大的谜团，如果在未来的某一天，暗物质被直接探测出来了，那么也就意味着宇宙的终极谜团彻底被解开了。
我们已经介绍了科学家分析的可见物质是如何在早期宇宙中诞生的，可是，对于暗物质的形成以及如何演变的，科学家们仍然非常没有找到什么解释的方法。它到底是一开始随着可见物质一同形成的、还是后来才逐渐出现的？在可见物质形成的过程中，它是否参与了其中的某些进程，还是与可见物质井水不犯河水呢？
第二节 ：暗能量
宇宙学主流观点认为：暗能量是一种驱动宇宙膨胀加速的能量，它不仅不提供引力，相反它提供的是排斥力，起到排斥作用，所以暗能量其实叫做反引力，可能会更加贴切一些。暗能量是一种十分神秘的东西。
暗物质却通过引力作用将物质束缚在一起，暗能量的作用大于暗物质，是宇宙学的标准基石之一。目前对暗能量的理论解释是物理学挑战之一。
为什么我们要引入暗能量呢？同样是来源于对于这个宇宙的观测，因为我们观测到的宇宙是在膨胀当中的，而且是在加速膨胀当中的，科学家猜测这个膨胀的力就是由暗能量所提供的。物质、暗物质、暗能量就是构成宇宙的三种主要成分。
爱因斯坦认为这种能量会对宇宙产生推动作用，通过对宇宙的观察表明，宇宙膨胀不但没有减速，反而在加速膨胀，于是我们把这推动宇宙膨胀的奇怪能量称之为暗能量。暗能量数量巨大，占宇宙总物质能量的近3/4，但是我们现在还不知道它究竟是什么？
暗能量能够克服一切阻力，加速宇宙的膨胀，那么人类可以利用空间中的暗能量吗？如果人类可以利用暗能量的话，宇宙空间的暗能量几乎可以无限制地使用，那么我们就不会依赖正在枯竭的资源和不稳定的太阳能和风力发电厂了，虽然话是这么说，但这显然是一个遥远未来的问题，而且还会在相当长的时间内不确定这种方法是否真的能够行得通，况且宇宙中是否存在暗能量，这还不一定呢。
有天文学家认为宇宙将在数万亿年后死去，变成一片冰冷空间，空间本身蕴含着能量，在每一个微小的空间里，不管有没有东西。不管有没有粒子物质辐射，空间都有能量。
暗能量不像物质或辐射，它不会随着宇宙的膨胀而稀释，它对宇宙未来的发展起着至关重要的作用。宇宙的未来究竟会变得怎么样？只要暗能量还是占宇宙的主要成分，宇宙就会永远膨胀起来。如果暗能量一直存在，宇宙将变得更加寒冷，黑暗和空旷。
未来的宇宙，我们还不能确定，因为我们还不清楚暗能量的本质，不理解暗能量，就不知道未来会发生什么，能否把握暗能量的本质，将影响我们对未来的判断。如果暗能量慢慢减弱，宇宙有可能在引力的作用下收缩，发生大坍缩，如果坍缩得太快，宇宙甚至会被撕开，发生大撕裂。如果暗能量一直扮演着宇宙成分的主导地位，它就会让宇宙不断地膨胀，如果未来有一天宇宙膨胀到极限，那么就有可能发生失去引力的情况，到时候对于整个宇宙来说都将是灭顶之灾。
物理学家越来越相信存在多元宇宙，每一个宇宙都有不同的物理规律，有些适合孕育生命，有些会坍缩，会被撕裂，还有一些远远超出了我们的想象力。要解开这些谜题，我们还要继续探索。
宇宙的最终结局将会变得更加黑冷、空旷，但是这个结局会不会是一个新的宇宙正在开始孕育呢？有些猜想认为我们的宇宙的终结，可能是一个旧的宇宙即将死亡，另一个新宇宙的即将开始诞生。
宇宙的毁灭，我们的太阳系也要随之毁灭，我们生活的地球在劫难逃，这样意味着人类几千年以来沉淀下来的文明包括人类的本身，全都随着宇宙一起毁灭掉了。有人开始脑洞，设想我们可以在宇宙升级之前想方设法逃出去，进入一个全新的宇宙之中，便可以逃出此劫，延续人类的文明，但愿也许会这样吧。
第三节：暗空间与暗时间
目前科学界认为：暗空间即暗光子的空间，暗光子与暗空间相互的效应即为暗时间，也就是说暗空间里存在的时间，那么这个时间肯定我们这个地球上的时间不一样，这可能就是人们猜测的暗时间吧。
暗空间与暗时间和暗能量、暗物质一样，我们也是无法观测到它的。目前我们无法观测到暗能量和暗物质，但是各种现象表明它们又必须存在，因为观测不到，所以我们不了解它的属性，因此才取名为暗。如果暗空间可能是存在的，那么那个世界里的一切可能超出我们的想象，至于暗空间里面具体会有什么呢？很可能什么都没有，没有时间和空间。
如果暗物质要是真的存在的话，那么暗物质与暗空间是一种什么关系呢？是不是暗物质与暗空间是形影相随的存在。那么，暗空间在什么地方呢？我们可以猜想，在宇宙大爆炸还没有膨胀到那个地方，宇宙的“外面”就是为宇宙最终形态预留的空间，而这个空间我们可以理解为是“暗空间”，而这个“暗空间”里是什么都没有的。也许我们这个宇宙里所有物理规律在暗空间里都失去了意义，甚至暗时空也不遵循相对论。
第五章：看不见的世界

第五章：看不见的世界

宇宙中如果真的存在暗物质、暗能量，那么是否存在暗时间，暗空间呢？这还有待于科学的发展来解开这一谜团，也有可能人类永远都解不开这个谜团，因为我们不能排除这个观点本身就有错误，再比如说，宇宙大爆炸大膨胀若是不成立了，那么这一切也将无法解释，由此形成的一大堆理论也就不攻自破。
须知，暗空间和暗时间是建立在暗物质和暗能量存在的基础之上的猜测，而暗物质和暗能量在现阶段还只是停留在假想的理论上，人们至今还没有发现它的存在。如果说暗物质和暗能量是不存在的，那么暗空间和暗时间可能也就不存在了。
第四节 ：暗物质星球
科学家称发现了暗物质组成的星球，2007年，得克萨斯大学奥斯汀分校的理论天体物理学家凯瑟琳弗里斯第一次提出暗物质恒星的概念，凯瑟林认为宇宙中存在着由暗物质组成的恒星，而且一颗暗物质恒星足以吞噬整个星系。
暗物质恒星并不是灰暗无光的，其发出的光度要比我们的太阳高出11倍，质量至少要比太阳大100万倍。
第五章：看不见的世界

第五章：看不见的世界

暗星形成于宇宙大爆炸之后，在宇宙大爆炸后不久就开始存在，出现在富含暗物质的星系中心，在早期的宇宙中，暗物质的粒子不断碰撞湮灭，最终形成光子、电子、正电子和中微子，这些粒子在碰撞过程中产生的能量转移到由氢和氦形成的星云中，不断加热星云，并推动暗星的形成和增长，暗物质恒星和普通恒星存在巨大差别。
想象中的太空中的暗物质星球
暗物质恒星不像普通恒星那样是由核聚变提供燃料，暗物质恒星的动力来源于自身暗物质恒星内部的暗物质粒子通过自我湮灭，为暗物质恒星提供燃料暗物质，令人遗憾的是，暗物质只不过现在还只是一种假想的概念，没有任何证据证明其存在。
詹姆斯韦伯太空望远镜使人类对宇宙的深空观测能力有了大幅度提升， 2022年，詹姆斯韦伯太空望远镜观测到了距离我们几百亿光年外的三个天体，起初天文学家认为它们是三个星系，但最近人们意识到它们可能并不是星系，而是一颗单一的大到无法想的暗物质恒星，其中一个是我们太阳的五百万倍！然而在遥远的距离上，即使是詹姆斯韦伯太空望远镜也不具备足够的分辨率来区分对象到底是整个星系还是一颗暗物质恒星。
暗物质恒星没有核心，区别是暗物质恒星正反面凉爽，温度较低，也不会像太阳那样产生太阳风丢失质量，在暗物质恒星的寿命周期中，它们会吞噬周围物质，它的质量不断增加。由于暗物质恒星不依赖于核聚变，所以它们也不会耗尽自己的燃料，所以暗物质恒星的寿命比普通恒星长很多。
天文学家称他们观测到暗物质恒星红移数据都很高，这就意味着它们非常古老和遥远，有学者提出，实际上我们今天熟悉的由核聚变驱动的恒星是宇宙中的第三代恒星，而宇宙中的第一代恒星都是由暗物质驱动的暗星，也就是说暗物质恒星是最古老的。
一些天文学家提出如果暗物质恒星真的存在，那么其意义不仅仅在于推动人类对暗物质的了解，它还可以帮助我们破解宇宙中最大的谜团之一，即银河系超大质量黑洞的神秘起源。在我们的银河系中有几千亿颗恒星，包括我们的太阳都被人马座巨型黑洞通过引力聚集在一起，并围绕银河系中心旋转，人马座黑洞的质量相当于400万个太阳，这个黑洞很有可能起源于一颗暗物质恒星，当暗星的寿命到期后，它们会坍缩成无法想象的巨大黑洞，这可能就是我们宇宙中观测到的一些古老超大黑洞的形成原因。
目前天文学家正在评估詹姆斯韦伯太空望远镜最近几年拍摄到的照片，人们曾惊讶于太空望远镜发现的大量极其明亮的古老星系，但现在天文学家开始相信其中很多并不是星系，而是巨大的暗物质恒星，还有一些学者认为暗物质恒星的存在，还揭示了另一个更大宇宙谜题的答案。
第五节：中国古代民间传说中“暗物质星球”
在古代，人们就发现大海每月有两次大潮，而且潮涨潮落与月亮有关，古人认为大潮是亮月吸的，每月十五到十八是满月，涨潮最大，所以人们说大潮是亮月吸的。每月初一、初二、初三也涨大潮，但是初一、初二、初三是黑月头，天上没有月亮，人们说这是黑月吸的大潮，其实也是月亮吸的。
在中国古代，人们认为天上有三颗大的星，这三颗星主宰世上万物，有一个是太阳，有两个是月亮，一个是明亮的叫“月亮”，一个是黑暗的看不到的天体叫“黑月”，它们在天空交替出现，主宰星空，给人间光明，给人间黑暗，给人间温暖。
古人还认为龙卷风与太阳有关，它是太阳吸的。亮月、黑月吸大潮，太阳吸龙卷风。由此可知古人认为黑月好像月亮一样，是一颗星球，就如同现在一些科学家预想的暗物质星球一样，而且对人类的生活产生重大影响。
每月十五十六前后几天，月亮比较明亮，叫着“亮月头”。每月初一以后几天里，天上没有月亮、每月二十以后下弦月，一日比一日缺损的时间段叫“黑月头”，这段时间黑月起主导作用，这段时间黑月一点一点把亮月吃掉，还有月食发生时都叫“黑月”吃“白月”。
上弦月就是白月起主导地位，月亮一日比一日圆满的时间段，古人称“上弦月”，这是黑月把白月吐一点一点吐出来。古人认为黑月和白月这两个月亮在天空轮流出现，此落彼出，就这样周而复始，永不停止。
明亮的月亮在天上时，天下就是亮的，黑月在天上时，普天之下就是黑的。以前人们在晚上常说：“今晚上是亮月头？还是黑月头？”或者说：“黑月头上加阴天。”那是天下最黑暗的时候。中国古代黑月的说法如同现在人们认为宇宙中，既有我们能够看到的物质，也有我们看不到的暗物质。
第六节 ：关于暗物质和暗能量的假说
近年来，天文学家对银河系研究，大量的观测数据表明星系的旋转速度与万有引力定律计算的结果不符，按照经典万有引力定律推算，距离星系的中心越远，星系的旋转速度应该越慢，而观测结果显示星系旋转速度基本是恒定的，银河系的中心质量包括黑洞的引力，不足以能够让银河系的外围所有恒星围绕其运行，科学界猜想可能这是暗物质起到了关键性的作用，否则这些恒星分崩离析，银河系早已散了架了。我们通过它对可见物质施加的引力的影响，来推断它的存在，星系的轨迹和旋转速度表明了暗物质的分布和引力作用，此外，宇宙的大尺度结构形成，也离不开暗物质的贡献。现在对形成这个现象的主流解释是宇宙空间存在大量的暗物质。但是由修正引力公式导出的星系旋转速度与暗物质无关。
本书观点：物质与空间的关系，决定空间对物质所施加的影响，例如庞大的星系能够聚合在一起，另一方面科学家所猜想的宇宙大膨胀，应当都是空间对物质所施加的影响造成的，所以空间应当就是人们猜想的暗物质和暗能量。
暗物质占据宇宙中物质总量的约85%，可是物理学家至今还没有直接观测到暗物质，但它是宇宙标准模型重要的一部分，

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