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爱因斯坦放出的精灵  

2006-11-13 16:34:00|  分类: 新知茶座 |  标签: |举报 |字号 订阅

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爱因斯坦放出的精灵
爱因斯坦放出的精灵 - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》
www.thebeijingnews.com · 2006-11-13 9:29:40 · 来源: 新京报
爱因斯坦放出的精灵 - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》
 
 

  通常,我们将通过天文学的常规手段观测到的物质称为发光物质,或者重子物质。这些物质当然不一定要发光,例如低温气体,发出的也许只是微波;也不一定是重子(质子和中子),例如电子,但我们通常这么称呼参与电和磁过程的物质。

  暗物质与暗能量

  宇宙中的发光物质居然只占5%不到,这在10年前是不可想象的。其余的是什么?如果我们不求甚解,一句话可以概括,就是暗组分,不参与电磁作用,至少不直接参与电磁作用,所以用地球上目前已有的技术,我们根本“看不到”它们。如果我们想了解得稍稍多些,这些暗组分分成两个截然不同的部分,一种叫暗物质,一种叫暗能量。

  爱因斯坦相对论告诉我们,物质就是能量,能量就是物质,为什么这里我们要将暗物质和暗能量分开?原因是虽然暗物质也是能量,暗能量也是能量,但它们的物理特征完全不一样。暗物质在天文学中的表现行为很像普通的物质,例如它们通过万有引力互相吸引,也与普通物质之间有万有引力,更加“人性化”。可以这么说,有物质的地方就有暗物质。

  暗能量则不同,它们不特别亲和物质和暗物质,在宇宙间均匀地分布着,哪里有空间,哪里就有暗能量。并且,暗能量之间不存在引力,却存在斥力,这种斥力爱因斯坦早在上世纪30年代就提出来了,后来与当时的天文观测不符,爱因斯坦放弃了这个建议。暗能量之间的斥力可能导致宇宙膨胀的速度不断地加快。上世纪的最后三年,宇宙学家正是通过发现宇宙在做加速膨胀推断宇宙间充满了暗能量,而且暗能量多于暗物质和物质的总和。这样,爱因斯坦不小心放出的精灵再不能被收进神灯了。

  和谐宇宙的模型

  我博客上曾经将宇宙的各阶级比喻成和谐社会的各阶级。暗物质比暗能量要少,比物质要多,只能是中产了,物质最少,可以比喻成占少数的富人阶层。比较有意思的是,宇宙学家们也将有暗能量和暗物质的宇宙模型称为和谐宇宙模型,或者一致性宇宙模型。这里的和谐的意思不是说宇宙中的各种成分和谐地相处,而是这个宇宙模型和所有的天文观测一致,不再有明显的矛盾。

  天文学家们的数据在这个暗宇宙模型中看起来是和谐了,研究宇宙的理论家们却前所未有地不一致、不和谐起来。我喜欢说有多少宇宙学家就有多少暗能量理论,事实上,暗能量理论的数目也许大于宇宙学家的数目。所以,在各种宇宙学研讨会上,我们经常看到五花八门的理论,经常看到宇宙学家争论不休。最简单的理论就是爱因斯坦当年的理论,暗能量是一个常数,是单位体积中的真空的能量,永远不变。然而,这种最简单的可能是理论家们最难解释的,为什么真空能存在?为什么真空能这么小———相对地球上常见的能量密度?但是,为什么真空能又很大———相对宇宙中的平均物质密度?

  暗宇宙给我黑色的眼睛

  暗能量的理论五花八门到宇宙学家可以不顾一切地抛弃物理学中的一些重要假设。例如,有一种暗能量理论认为暗能量的密度会越变越大,最终导致宇宙大撕裂,先是星系团被撕裂,然后是星系被撕裂,然后太阳系被撕裂,最后是原子和基本粒子被撕裂。这种理论虽然违背了一些物理学“常识”,但有些理论家们认为实验方面有一定的证据。我在两年前也提出了自己的暗能量理论,认为暗能量的大小由宇宙的某种尺度决定的,这个理论的基础是所谓全息原理:宇宙可以用包含宇宙的一个球面来描写,换句话说,宇宙中进行的一切可以被忠实地投射到它的一个“人为”的边界上。我的理论有一定的市场,但也有很多反对意见。最近,在苏州的暗宇宙会议上有些同行讨论了这个理论,也有人提出了质疑。讨论和质疑都对研究有好处,也许,这次会议的讨论会促使我在将来提出其他理论。

  决定所有假设的命运的是未来的实验。目前,理论家们的处境可以通过修改一句诗来概括:“暗宇宙给了我一双黑色的眼睛,我却用它寻找光明。”自然,这光明就是暗宇宙背后的那个深刻的物理规律。

  李淼(中国科技大学物理学教授)

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