暗物质和暗能量是新世纪科学不解之谜

　　21世纪最大的科学之谜是暗物质和暗能量，李政道博士说：这将会导致新的物理学和天文学的革命高扬科学、理性、智信的弘法旗帜，传播哲学、科学思想，学习、包容人类一切文明的积极合理的智慧成果，为探索宇宙人生永恒的真理而努力前行。（宇宙的命运不是操纵在上帝手中，
　　21世纪最大的科学之谜是暗物质和暗能量，李政道博士说：这将会导致新的物理学和天文学的革命高扬科学、理性、智信的弘法旗帜，传播哲学、科学思想，学习、包容人类一切文明的积极合理的智慧成果，为探索宇宙人生永恒的真理而努力前行。（宇宙的命运不是操纵在上帝手中，而是操纵在人类尚不了知的暗物质暗能量手中。对它的研究和理论的创立必将导致未来物理学、天文学的一场伟大的革命，也将导致人类认识宇宙观念的重大变革。李政道）21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，人类已知物质仅占暗物质的35。暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，（EMcc）这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙之外可能有很多宇宙围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出天外有天，指出因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙，我们的宇宙在加速地膨胀且核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连。暗物质是谁最先发现的呢？爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米510的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质失踪了，科学家将这种失踪的物质叫暗物质。一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。星系团（上半图）和MS2137。32353星系团（下半图），距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有必要质量的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的暗物质。1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1300以下，而99以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的2030才合适。天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2，98的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70，热暗物质约占30。标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星（巨大的红星）周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的冷粒子才能束缚住。物理学家认为那是轴子，它是一种非常稳定的冷微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做宇宙弦的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。（我们今天所观察到的宇宙仅是整个宇宙极小的一部分，这一小部分仅仅是所有物理世界的有形的物质的冰山之一角。在更广大的世界，宇宙还有微细于有形物质的暗物质和暗能量。它们如果让我们想象的话，那就是在亚夸克结构和超弦之间的极微细的物理层面的宇宙结构，它是跨越10的负35次方米10的负17次方米的未知领域，它们是宇宙命运的主宰，占整个宇宙结构的9597，它的所遵守的物理法则我们人类还远未能了解，或者说我们人类现有的自然科学并不能描述暗物质暗能量的运动发展规律，因为在这些宇宙的暗物质面前，我们人类的各种探测仪器变得十分无奈。我们需要和呼唤新世纪的科学、哲学巨匠引领人类的文明的进化。）