暗物质之谜,科学家为何迟迟无法揭晓?

2020-11-18 15:00 趣谈科学

暗物质一开始只是宇宙的一个补丁,只不过宇宙的漏洞又大又多,最后这个补丁转正了。

暗物质之谜,科学家为何迟迟无法揭晓?

图:印度悬空术

最早的BUG理解起来不难,我举一个例子,比如印度人一整就立根棍悬在半空中,一开始大家懵圈了,心想这是练了什么神功,似乎有一种无形的能量托着他,既然不知道就先叫“暗物质”,后来被揭秘了,原来暗物质是个特殊的铁架子。那宇宙中的暗物质是怎么回事呢?

宇宙学原理

人类通过几千年的上知天文,逐步建立了一个原理叫做“宇宙学原理”。这个原理,通俗的讲就是国外的月亮和国内一样圆,在宇宙中人类和地球并没有特殊待遇。

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图:地心说

千万别认为这条原理平平无奇,它可是一部血泪史。地心说、日心说、各路传说、教会、哥白尼、牛顿、爱因斯坦等等,无数人前仆后继,随便拎出来一个都能讲半天,就是到目前为止,还有人说地球是平的!而暗物质生来就是来挑战宇宙学原理的。

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图:万有引力

在宇宙学原理具体来说是宇宙中任何一处的恒星和物质都遵守着和我们一样的物理定律,比如非常遥远的宇宙空间中,有一颗和地球质量、体积相同的岩石恒星,果树上同样大小的苹果熟了,掉下来的速度和砸到你脑袋上的疼痛感,与在地球上相同的。因为万有引力定律在宇宙任意一处都适用。你在地球上发现的物理定律在宇宙中是通用的。

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图:恒星的演化

明白了这个原理,科学家就无敌了!其他恒星太遥远,没关系,太阳离得近,研究明白了太阳的模型,把公式和理论往远处的恒星上一套,远处的恒星就毫无隐私了。接着我们可以研究太阳系怎么形成的,于是我们就有的星系的模型,紧着是银河系,星系团。

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图:星系团,星系相互旋转超速了

就在我们屡试不爽,对宇宙各个星系比比划划时,突然发现星系团模型不好用了,我们算出来的理论值与观测结果不一致。

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图:星体旋转速度,实际观察与理论值

天文学发现有个许多星系组成的星系团,星系之间相互环绕运动的运动速度超过了引力公式计算出来的速度。正常来说,跑得这么快,引力是拉不出的,也就是说它们会散开,是什么让这个星系团还能紧紧相拥,不离不弃?是“暗物质”!

为什么叫“暗物质”,因为它满足两个因素(1)它具备一种无形的引力(2)我们看不到它。一开始科学家不认为这是什么大事。理由很简单,这样的物质宇宙中还是存在的,比如说黑洞、还有各种粒子,都是看不见或者不容易看见的,还具备引力。

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图:宇宙组成占比

有科学家就开始着手研究“暗物质”争取早日揭穿它,结果一研究科学界大地震了!暗物质的总量竟然是宇宙中已知物质总量的五倍。如果说暗物质是黑洞的话,那宇宙黑洞遍地都是,这与我们观察到的事实不符。而黑洞是宇宙中最致密的物体,如果它都不够格的话,那么其他候选物质就更不可能了!那么暗物质到底是什么?

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图:黑洞,宇宙最致密的天体

其实科学家到现在为止也毫无头绪,无从下手。那么宇宙学原理,要崩盘了吗?正好相反,宇宙学原理因此更加圆满。

暗物质与宇宙学原理

科学家认为既然我们还不清楚它是什么,可它又必然存在,我们干脆就暂时先把它封装成一个补丁。就像这个瓜很好吃,但你不要管中间发生了多么复杂的生长过程,你只需要了解它会反馈回来“又大又甜”就行了。以后只要发现某些物质看不见,还具有引力的效果,那就把这个补丁贴上。暗物质就这么光明正大的被宇宙学原理接收了。

自从暗物质这个补丁出现之后,我们不但解决了宇宙中观测到的大量星系的“违规”行为,还解决了宇宙诞生的一个关键环节,由此暗物质证明了自己是不可或缺的。

  • 看不见,“能力不允许”的那种

暗物质是宇宙物质总量的5倍,那么就说明一个问题,暗物质是无处不在的,比我们可见的星系还要多得多。它就在我们身边,然而我们却感受不到它,也就是说它不受力。

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图:电子跃迁过程中只能吸收特定波长的电磁波,光子具有波粒二象性,不同波长的电磁波也是特定不同能量的光子

当你看到桌子上有一个红色杯子,这个过程本质是阳光中的大量光子与杯子表面的原子电子发生了作用,吸收了特定能量(波长)的光子(可见光),反射出其他光子进入到你眼球中,视觉细胞吸收了光子的能量,转换成电信号传输给大脑,于是你知道杯子是红色。

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图:“看到”是电磁相互作用

在这个过程中,阳光、眼睛、大脑、杯子与光子发生了相互作用,我们管这个现象叫做电磁力。当科学家发现一个物体,无论对于可见或者不可见,只要发现了,其实就是把能量转换成数据的一个过程,比如红外线是电磁波,我们虽然看不到,但是它能使温度计上升。

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图:物理四大力

在我们的物理模型中有四大力:引力,强力和弱力都存在于原子核中,而电磁力存在于我们日常生活中,无论是我推你一下,还是车撞了一下,桌子托住杯子这些都是电磁力。如果我们看不到暗物质,任何电磁波相关的仪器都找不到它,就说明它不参与电磁相互作用。

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图:暗物质与我们,就如同对牛弹琴

这就像一个从小就双目失明的人,你给他描绘天空有多么蓝,但他完全get不到那个点,因为没有识别颜色的能力,无法在大脑中呈现。暗物质或许就在我们身边,像我们招手,嘲笑着我们,我们却无能为力,完全不知道对应它的接口是什么,它不在目前人类的认知当中,所以我们无法把它转换成可见的信号,从而让它显现,但是我们却可以得到它反馈的结果。

  • 宇宙形成功不可没

如果它刚发现的时候只是一个补丁,似乎是贴在宇宙模型上的,然而随着我们对暗物质的了解,发现如果没有暗物质,宇宙可能不是今天这样的,暗物质在宇宙模型中占据了极其重要的位置。

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图:恒星的诞生

我们想象一下,宇宙中有一片气体云,随着某个位置气体云密度较高形成了较强的引力,开始收集周边的其他气体,慢慢越聚越大,最后内核引力坍缩形成了高温高压的环境,发生了核聚变,于是恒星诞生了。在核聚变发生的同时,恒星会释放出大量电磁辐射向四周扩散开来,周围的气体和尘埃受到电磁辐射的能量加剧运动向四处扩散,此刻这个地方就剩恒星老哥一个了。

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图:宇宙大爆炸物质星系的演化

而宇宙从诞生之初大量物质较为密集,随着膨胀空间越变越大,因为电磁辐射的扩散,恒星之间距离会越来越远,那么恒星聚集而成的星系是怎么来的?

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图:暗物质效果图

原本的理论解释起来很勉强,有了暗物质星系模型得到了完善。因为暗物质不受电磁力的影响,所以暗物质并没有被推开,一直围绕着恒星,帮助恒星拉拢住原本会四处扩散的物质,于是在老哥附近一颗颗恒星接连诞生,它们又在暗物质和相互之间引力的作用下组成了星系。因此人类可以用太空望远镜观察到宇宙诞生不久星系团发出的光线,所以暗物质并非打酱油的!

总结

由星系的超速运动,天文学家发现了未知的引力,取名“暗物质”,人类无法探究暗物质是因为它不受电磁力,但是它反馈的结果可以帮助我们更好的解释星系的运动及形成。

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