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暗物質困擾科學40年：宇宙96%組成一無所知
2011年05月18日09:36
據美國太空網報道，每當夜幕降臨，抬頭仰望漫天星辰，人們會不禁感嘆宇宙的廣袤。但是你是否知道，宇宙中所能觀測到的所有恆星、行星和星系，加在一起的總質量還不到整個宇宙質量的4%。宇宙中96%的部分是由一些神秘的物質組成的，科學家們看不到，探測不到它們，甚至無法想象出它們的摸樣。
這些神秘物質被稱作暗物質和暗能量。盡管看不見摸不著，但是它們會對“可見宇宙”施加引力影響，而這種影響是能夠被察覺到的。而暗物質和暗能量本身則仍然隱匿於黑暗之中，無影無蹤。
5月9日，在一場在美國紐約城市大學舉行的演講中，科學作家理查德·帕內克(Richard Panek)說：“宇宙主要的組成部分是什麼？誰知道呢！”他繼續解釋說：“現在我們對此一無所知，也或許我們永遠都搞不明白這個問題。”
在帕內克的新書《4%的宇宙》中，他為讀者們回顧了暗物質和暗能量的發現歷程。這是一個充滿驚奇的科學發現歷程，也是一條科學家們互相激烈競爭，希望首先揭開謎底的探索之路。
暗物質
科學家們最早察覺到宇宙中可能還存在我們所看不到的物質，是在上世紀60~70年代。維拉·魯賓(Vera Rubin)是美國華盛頓卡內基研究院地磁系的一位年輕的女性天文學家，當時她正在對星系中不同位置的恆星運動情況進行研究。
根據牛頓的經典物理學，位於星系外部邊緣的恆星，其運動速度應當相對較慢，而位於靠近中心部位的恆星運動速度較快。但魯賓卻觀察到了讓她震驚不已的情形：這些星系中不同位置的恆星根本沒有顯示出任何速度上的差異，它們似乎都以相同的速度圍繞星系中央運行。
帕內克解釋說：“這意味著星系應該會被撕裂，分崩離析。因為這不符合引力理論，是完全不穩定的。魯賓於是認定，自己一定是什麼地方出錯了。”
但是，其他天文學家進行的重復觀測証實了他的觀察結果是正確的。最后，在經過大量的觀測驗証和計算機模擬之后，天文學家們不得不接受這樣一個結果，那就是這些星系中必定存在大量我們看不到的物質。因為隻有當假設我們所看到的物質隻佔星系全部物質的一小部分時，才能解釋這樣詭異的運動模式。困惑不已的科學家們於是便將這些看不見的神秘物質稱為“暗物質”。
那麼，暗物質究竟在哪裡呢？
盡管40年來科學家們奮力工作，可是他們至今仍然無法搞清楚暗物質的本質究竟是什麼這一問題。
一個比較流行的觀點認為，暗物質是由一種奇異的物質粒子組成的，這種粒子不會和常規物質發生反應，甚至和光也不會產生相互作用，因此是看不到的。但它卻和常規物質一樣具有質量，因此會對周邊的其他物質產生引力影響，這就是為什麼它會造成星系中恆星運動的異常，以及宇宙中其他不同尋常的現象。
然而令人沮喪的是，物理學家們進行的長期搜尋工作仍然無法捕捉到這種奇異粒子的任何蛛絲馬跡，甚至連根據其理論性質設計的專門實驗也未能找到它的身影。
帕內克認為，這樣的狀況給整整一代科學家們造成嚴重的打擊。他說：“我認為對於暗物質的搜尋讓科學家們產生了嚴重的挫折感。當他們年輕時，他們信心滿滿的進入這一領域，告訴自己說，‘好吧，就讓我來解決這個棘手的問題吧。’但是在經過15年、20年之后，他們仍然沒能取得任何進展。這時候他們就會非常沮喪。他們會對自己說‘我已經將我的整個科學生涯投入進了這項工作之中，可是我現在都不知道自己這輩子到底還能不能再這一領域取得一些新的發現。’”
但是還是有很多滿懷激情的物理學家們對此懷著希望。他們認為我們數十年來的工作正讓我們逐漸接近真相，而位於瑞士日內瓦的大型強子對撞機(LHC)則將有望幫助我們最終找出暗物質的秘密。
暗能量
暗能量甚至比暗物質更加神秘莫測。它的發現更加晚，在可預見的將來，科學家們能解開它的奧秘的可能性更小。
故事要從1990年代開始說起。當時有兩個頂尖的物理學家小組正在從事宇宙膨脹方面的研究工作。他們的目的是想找出宇宙的膨脹究竟有多快，從而推測它的命運：宇宙究竟會永遠膨脹下去。還是會最終收縮成為一點，形成所謂的“大反沖”。
為了做到這一點，科學家們運用特殊的方法對宇宙中各個方向上的超新星進行測距。隨后他們對這些天體目標進行光譜測量，以便了解它們遠離我們的速率有多快。
我們知道，由於光速的有限性，遙遠天體發出的光需要花費數百萬甚至數十億年的時間才能到達地球。因此當我們觀測遙遠的天體時，我們其實是在回溯時間，目睹過去的時光。因此，對宇宙中不同距離上天體遠離我們而去速度的測量，我們事實上正在觀察宇宙不同時期膨脹速率上的差異。
科學家們預計他們將觀測到兩種可能的情形：第一種是宇宙一直以一種近似相同的速率膨脹，第二種就是，隨著宇宙年齡增加，膨脹動力逐漸減弱，膨脹速率隨之變慢。
但實際觀測的結果再次讓他們目瞪口呆。因為他們所看到的情況完全出乎他們的預料：宇宙正在加速膨脹！
這樣的事實無法用我們已知的任何物理學知識來解釋。根據傳統的物理學觀點，宇宙中全體物質的引力應當會使宇宙膨脹減速，甚至開始收縮，正如我們拋出一個皮球，當它上升到一定的高度就會因為地球的引力而逐漸減速最后下落一樣。
帕內克解釋說：“這就意味著，還有一種神秘的，宇宙尺度的巨大力量在對抗引力。科學界一開始完全無法接受這樣的觀點，因為這實在太詭異了。”
激烈競爭
科學家們這一次將這種神秘的力量命名為“暗能量”。盡管科學家們自己也搞不清楚這種神秘的力量究竟是什麼，它來自何方？但是它似乎確實存在，並且竟然能夠抗衡整個宇宙中全部物質引力的作用。
但是，對這種神秘力量的完全無知並不能阻擋科學家們奮力揭開其謎底的激情。
帕內克告訴美國太空網的記者說：“我不斷聽到的情況是，盡管在這個領域很難取得成就，並且前途不明。但是那些投身這一領域的科學家們仍然滿懷激情，他們都在拼命工作，希望自己能首先解開這個謎團。這個問題所蘊含的巨大意義和深刻影響，讓他們非常興奮。”
總體而言，暗能量大約佔據全宇宙中73%的物質和能量，其余23%是暗物質。而我們能看到的一切，所有星系，所有恆星和行星，所有我們所知道的一切熟悉的事物，僅僅佔據宇宙的4%。
這兩個相互競爭的科學家小組幾乎在同一時間發現了這種令人震驚的事實。這種競爭隨后開始一直持續，兩個小組相互都討厭對方。
但是不管怎樣，最終在科學的歷史長河中，這兩個小組的科學家們都已經用他們的工作留下了不可磨滅的功績。
帕內克說：“我想，對於暗物質的發現將讓他們獲得諾貝爾獎，這應該只是時間問題。”(來源：新浪科技 晨風)
http://scitech.people.com.cn/BIG5/14668392.html
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