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[交流]
【交流】暗物质概念演化
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暗物质概念演化 有关暗物质概念，学者们一般认为是1933年瑞典天文学家茨维基(F.Zwicky 1898～1974) 提出的。Zwicky在研究了有近1万个成员星系的后发星系团中星系的运动时发现：欲使该星系团中的星系维持稳定，不致由于成员星系的高速运动而瓦解分散，需要有10～100倍于当时已观测到的该星系团发光物质的质量的来提供引力才能达到。Zwicky是如何计算星系团需要提供引力的物质总含量？Zwicky用的是‘维里平衡’法。根据牛顿第二定律，在维里平衡条件下，星系团中成员星系的速度平方的加权平均，应当和星系团的总质量成正比。Zwicky发现用‘维里平衡’法计算得到的后发星系团的总质量比当时已观测到的该星系团发光物质的质量大10～100倍。 当时在天文学中有这样一个假设：天体的光度和天体的质量是密切相关，天体的质量和天体的光度之比M /L被称为质光比。太阳的质量和光度之比被作为质光比的单位，定为1。当时天文学家认为，发光天体的质光比都应当在1左右。后发星系团的质光比却高达10～100，这表明在后发星系团中应当存在有大量不发光的物质。 Zwicky由于找不到这些不发光物质的出处，于是就把这些物质被称为‘missing mass’（中文有翻译成‘丢失质量’或‘隐匿质量’）。后来也有人因为这些物质不发光，就称它们为‘dark matter’（暗物质）。但当时的天文学家一般认为，它们可能只是一些我们还没有找到的、不发光的普通物质。并不认为暗物质应当是什么特殊的非普通物质。 上个世纪80年代初，情况有了变化。一位前苏联的物理学家Liubimov宣称他发现，中微子具有静质量，而且高达30GeV。这个发现的宣布在粒子物理学界引起的是怀疑，而在宇宙学界引起的却是兴奋。因为宇宙学家早已知道，根据大爆炸宇宙学模型，在宇宙中应当存在有大量中微子。如果中微子具有静质量，就可以把中微子用来解释Zwicky所发现的暗物质。可是很快，Liubimov中微子具有静质量的发现遭到了粒子物理学界从理论和实验两个方面的否定。因此，暗物质是由中微子构成的说法被否定了，但是宇宙中的暗物质的构成可能是和普通物质不同，是由非重子物质构成的概念却被保留下来。而且现在理论物理学家和宇宙学家似乎坚信，暗物质就应当是由不同于普通物质的非重子物质构成，不包含不发光的普通物质。因此，在现在的科普文章中我们经常可以看到，普通物质（重子物质）占4%，暗物质（非重子物质）占23%，暗能量占73%（不同学者估计的数字略有不同）的说法。其中暗物质就是只包括不同于普通物质的非重子物质。 理论物理学家一直找不到暗物质就是由非重子构成的证据，对暗物质的性质除了引力效应之外，暗物质的其它性质理论物理学家也毫无所知。因此暗物质和暗能量一起，被称为20世纪理论物理学家头上的两片乌云。于是理论物理学家充分发挥了他们的想象力，提出了各种各样的不同类型的暗物质模型。现在比较有市场的暗物质模型有：1）热暗物质，2）温暗物质，3）冷暗物质。当然还有其它许多暗物质模型。理论物理学家希望，他们这些远远走在天文观测前面的、纯理论的暗物质模型，也许说不定那天碰巧能为天文观测或物理实验所证实。 虽然现在宇宙学家对非重子暗物质的具体性质一无所知，只能凭想象力提出了各种各样的理论上暗物质模型，但宇宙学家们似乎坚信，暗物质一定是由非重子物质构成。对暗物质可能是不发光的普通物质想法不屑一顾。对近来天文观测中不断发现的各种以前没有观测到的不发光的普通物质视而不见。我不知道他们是否认为，‘暗物质可能是不发光的普通物质’这种想法理论上水平不够高？或者理论上想象力不够丰富？ 据美国“每日科学”网5月13日报道，加州大学天文学家利用欧航局（ESA）的XMM-牛顿太空望远镜与美国宇航局（NASA）的钱德拉X射线太空望远镜，在距离地球4亿光年处发现巨大的星际气体库，这项发现是宇宙中“丢失物质”位于巨大的炽热漫射气体网之中的最强有力证据。 对这些新发现的大量几乎不发光的重子物质，其观测难度有甚于暗物质，它们完全符合Zwicky‘丢失质量’（missing mass）的性质。但理论物理学家虽然也把它们称为“丢失物质”（ missing matter），却不承认它们是暗物质，并把它们归类到他们认为只占宇宙中总物质的4%的普通重子物质。只因为这些‘丢失物质’是由普通重子物质构成，不是由他们所钟爱的非重子物质构成。 参考文献 58 暗物质 地址：http://baike.baidu.com/view/763.htm?fr=ala0_1 59 Fabio Gastaldello 天文学家或已找到宇宙丢失物质 地址：http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/20105281018335329728.shtm （新牛顿宇宙 第五章 暗物质 5.1暗物质概念演化） |
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