暗物质与暗能量的本质又

#暗物质与暗能量的本质又是什么?#

神奇的宇宙组成

根据天文学家的研究,可见物质只占宇宙总质量的约5%,而暗物质和暗能量区别占约27%和68%。

这意味着,宇宙绝大部分是由人类无法直接感知的物质和能量组成。

20世纪初,暗物质的概念第一次被提出,天文学家在观测遥远的宇宙岛时,发现一个令人困惑的现象:根据已知的物理定律,宇宙岛边缘的太阳因为距离中心较远,旋转速度应该较慢。

但是,实际观测显示,这些太阳的旋转速度远超预期,好像有一种看不见的力量维持着它们的快速旋转。

这种力量,来自于一种人类无法直接观测到的物质,即暗物质。

暗物质不同于人类平常所看到的物质,它不发光、不反射光,甚至不与电磁力相互作用,因此无法直接通过电磁波,如可见光、红外线等来探测。

暗物质的存在和性质只能通过引力效应间接推断:比如,暗物质在宇宙岛中的分布影响了宇宙岛的旋转方式;大尺度上,暗物质通过引力作用影响着宇宙岛团的形成和演化。

宇宙的加速膨胀

20世纪之前,天文学家普遍认为,宇宙膨胀应当由于物质之间的引力作用而逐渐减速。

但20世纪90年代,天文学家通过观测遥远超新星的光度和红移发现,宇宙并不是以减速的方式膨胀,而是在加速膨胀。

这个发现挑战了之前的宇宙学理论,为了解释这种现象,科学家们提出了一个全新的概念:暗能量,一种充满宇宙空间的神奇力量,对物质作用的是一种排斥力,而非吸引力。

这种能量以一种完全违反直觉的方式作用于宇宙,推动着宇宙向外扩张,而且这种扩张的速度还在不断加快。

一个通俗的比喻:如果宇宙是一个正在膨胀的气球,暗物质就像是气球内部的胶水,将宇宙的各个部分粘合在一起;而暗能量则像是不断向气球内部吹气的力量,使气球膨胀得更快。

暗能量不同于人类熟悉的任何一种能量形式,它不发光也不反射光,不能通过直接的观测来发现,仅能通过观测宇宙的膨胀速度、大尺度结构的形成和演化来间接理解它的性质。

暗物质的候选者

暗物质至今仍充满秘密,科学家们提出了几种可能性,其中,最有前景的候选者是大质量弱相互作用粒子和轴子。

大质量弱相互作用粒子,简称WIMP,是一种停留在理论阶段的粒子,理论预言这种粒子应该有两个特点:第一,粒子只通过弱核力和引力产生相互作用,或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面;第二,与普通粒子相比质量较大。

由于它们不参与电磁力作用,因此无法被直接探测到;由于它们不参与强核力作用,基本上与普通物质不发生相互作用;由于它们质量较大,运动速度相对缓慢,能够成团聚集。

WIMP是暗物质研究中最受关注的候选者之一,许多地下实验室和空间探测器正在尝试捕捉到这些遁形的粒子。

轴子,英axion,是一种假想的亚原子粒子,理论预测轴子的质量极微小,只有电子的五千亿分之一到五千万分之一,电荷和自旋都为零,大量存在时,可能构成了宇宙中的暗物质。

与WIMP不同,轴子的探测侧重于它与电磁场的相互作用,科学家们设计了一系列精密的实验设备,试图通过这种相互作用来间接探测轴子。

暗能量的秘密

目前,关于暗能量重要有两种假设。

一种是将暗能量视为宇宙常数,也就是爱因斯坦在广义相对论方程中引入的一个常数项,代表空间自身具有的能量密度。

这种解释认为:暗能量是一种固有的、均匀分布在宇宙空间中的能量场。

另一种假设为,暗能量是一种动态变化的场,称为夸克场或暗能量场,强度随时间和空间的变化而变化。

这种模型,与宇宙常数不同,暗能量的密度能随宇宙的膨胀而发生变化,提供了一种更为动态的解释框架。

暗物质和暗能量的研究是对宇宙结构和演化的探索,还触及到物理学的基本原理,挑战着人类对空间、时间、物质和能量本质的理解。

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