泰州中學(xué)校本選修課題文本

戴軍　單蕾

1從宇宙學(xué)講起

1.1愛因斯坦的靜止宇宙模型

愛因斯坦1917年提出一個建立在廣義相對論基礎(chǔ)上的宇宙模型.在這個模型中，宇宙的三維空間是有限無邊的，而且不隨時間變化.以往人們認為有限就是有邊，無限就是無邊，這是局限在歐氏空間.球面就是一個二維的有限無邊空間.而我們居住的宇宙是三維超球面空間.

愛因斯坦寫出了在空間各向同性、且不隨時間變化假定下的廣義相對論場方程：

1.2脈動宇宙模型

1922年，蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼應(yīng)用不加宇宙項的場方程，得到了脈動宇宙模型，這個宇宙模型隨時間變化，分為三種情況：負曲率、零曲率、正曲率的三維空間.其中前兩種情況，宇宙不停膨脹.后一種情況，宇宙先膨脹，后收縮，再膨脹，循環(huán)往復(fù).

1.3宇宙：正曲率，零曲率，還是負曲率？

我們的宇宙到底屬于以上情況的哪一種呢？廣義相對論研究表明：宇宙中的物質(zhì)存在一個臨界密度ρ，如果宇宙中物質(zhì)密度ρ>ρC，則三維空間曲率為正.此外，還有另一個判據(jù)，那就是減速因子.河外星系的紅移，表示它們遠離我們.觀測表明它們的遠離速度是減慢的.如果減速因子g大于12，三維空間曲率將是正.

看起來我們能知道宇宙究竟是正曲率還是負曲率的了.很不幸的是：前一個證據(jù)表明宇宙的空間曲率為正，后者表明宇宙的空間曲率為負.有人認為減速因子的觀測更為可靠，為了消除兩種判據(jù)之間的矛盾，他們作了如下假設(shè)：宇宙中有我們看不見的暗物質(zhì)，這樣ρ值就不準了.

2暗物質(zhì)

2.1什么是暗物質(zhì)

近年來通過對Ia型超新星的觀測，人們發(fā)現(xiàn)從60億年前宇宙開始加速膨脹.這很匪夷所思.加速膨脹的動力來自哪？排斥效應(yīng)來自暗能量，它約占宇宙質(zhì)量的65%.發(fā)光恒星的質(zhì)量只占全宇宙質(zhì)量的0.5%左右，那些由普通重子形成的氣體、塵埃甚至黑洞，總質(zhì)量也不過占全宇宙的4%.如果中微子有質(zhì)量，會成為所謂“熱暗物質(zhì)”，也只占宇宙總質(zhì)量的約0.3%.而研究表明，宇宙中還應(yīng)該存在占宇宙總質(zhì)量29%左右的、透明的、產(chǎn)生引力效應(yīng)的未知物質(zhì).

“冷暗物質(zhì)”冷暗物質(zhì)不與光發(fā)生相互作用.即光通過暗物質(zhì)時，如入無人之境，直接穿過去，不會發(fā)生散射、折射等現(xiàn)象.

如第一部分所述，暗物質(zhì)概念的提出，首先是因為在天文觀測中發(fā)現(xiàn)一系列和引力相關(guān)的物理效應(yīng)，只能用引入存在著絕對透明的物質(zhì)的觀念才能加以解釋.也就是說：我們需要證明暗物質(zhì)存在的直接證據(jù).

2006年，美國天文學(xué)家通過美宇航局的“錢德拉”X射線太空望遠鏡等設(shè)備觀測遙遠星系的碰撞，發(fā)現(xiàn)了宇宙暗物質(zhì)存在的最直接證據(jù).美國天文學(xué)家小組在長達幾個月對距太陽系1億光年處“子彈星系團”的觀測后宣布“看”到了暗物質(zhì).“子彈星系團”實際上是兩個星系團的碰撞、融合形成的.兩個星系團以每小時近兩億千米的高速撞到一起，他們內(nèi)部包含的發(fā)光物質(zhì)由于相互之間存在除引力之外的其他作用力，在相互擠壓過程中速度減慢了.但是兩星系團中的暗物質(zhì)之間沒有這種作用力，它們并不減速，而是暢行無阻的直接穿過對方.結(jié)果暗物質(zhì)跑到了發(fā)光物質(zhì)的前面，于是每個星系團就分成了兩部分：暗物質(zhì)在前，發(fā)光物質(zhì)在后.

2.2暗物質(zhì)存在的證據(jù)

最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)存在的科學(xué)家是美國加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基.

2006年，美國天文學(xué)家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得黑暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù).

最新發(fā)現(xiàn)：美國科學(xué)家在地下廢棄鐵礦中捕獲暗物質(zhì)粒子.

2009年12月21日據(jù)國外媒體報道，美國科學(xué)家最新實驗發(fā)現(xiàn)0.75公里深的鐵礦中存在著暗物質(zhì)，強有力地證實了暗物質(zhì)的存在.物理學(xué)家在美國明尼蘇達州北部一個廢棄鐵礦中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，這是迄今為止最有力的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)證據(jù).暗物質(zhì)被認為占據(jù)宇宙90%的質(zhì)量.

2.2引力透鏡效應(yīng)

我們很想知道，天文學(xué)家究竟是怎樣探測暗物質(zhì)是否存在的.大體上有：（1）星團、X射線方法；（2）大尺度結(jié)構(gòu)觀測；（3）直接觀測；（4）引力透鏡效應(yīng)方法.我想簡單介紹下引力透鏡效應(yīng).

廣義相對論預(yù)言，一束光通過均勻和不均勻介質(zhì)將會產(chǎn)生不同的效果.處于一個大質(zhì)量天體后方的光源，其亮度和形態(tài)都會受到放大和變形.這種“引力透鏡效應(yīng)”具有兩個基本的特征：一是它的放大作用，使得宇宙深處較暗天體得以增亮進入我們的觀測，起到“望遠鏡”的作用；二是它的變形作用，使得原來背景光源發(fā)生強烈的扭曲，若不進行“復(fù)原”，則會帶給我們錯誤的信息.

而引起引力透鏡效應(yīng)的是透鏡天體的引力質(zhì)量作用，它在概念上不同于動力學(xué)質(zhì)量，它既包括發(fā)光物質(zhì)的貢獻，也包括不可視物質(zhì)的貢獻.通過引力透鏡質(zhì)量與發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量的比較，可以直接給出暗物質(zhì)的分布特性及質(zhì)量.簡單來說，引力透鏡效應(yīng)就是宇宙中的“海市蜃樓”.

2.3解釋暗物質(zhì)的新理論

單位空間（即無限分子一體積）內(nèi)產(chǎn)生物質(zhì)的概率是二分子一，產(chǎn)生的物質(zhì)叫“虛子”.為什么叫“虛子”呢？因為它的壽命只有無限分之一.虛子的運動速度為c（光速）.“超弦子”定義：相對于“虛子”的“實子”叫“超弦子”，超弦子的壽命可以達到無限.怎樣才能產(chǎn)生超弦子呢？相鄰任意個單位體積同時產(chǎn)生“虛子”，才能產(chǎn)生形狀固定的超弦子.各個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，會有三種情況：（1）互相撞碎，同歸于盡，消失.（注：只有同時存在才能永遠存在，超弦子被撞掉一點，整個就會消失） （2）由于萬有引力和其他超弦子結(jié)合.同時改變速度和自旋！（3）不是有效撞擊，相碰后“各奔前程”，改變自旋與速度！請注意：產(chǎn)生的各種各樣的超弦子像被燒過的磚一樣，是一個整體，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)超弦子的對稱性大小，會增加額外的質(zhì)量.質(zhì)量越大，強度越大.不同的質(zhì)量對應(yīng)不同的極限速度.（注：2的N次方只是一個隨便的指數(shù)，具體指數(shù)大小得由數(shù)學(xué)家去計算）.黑洞就是由質(zhì)量巨大的超弦子形成的.物質(zhì)掉進黑洞的速度是可以超光速的.現(xiàn)在說明什么是暗物質(zhì)和亮物質(zhì)：超對稱的超弦子（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)的兩個特點：（1）不帶電荷.（2）透明（即光子可以通過）.因為暗物質(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.