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探索暗物质的前世今生

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发表于 2020-8-13 15:10:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
  宇宙、世界的万世万物,在物理学大类里分成很多小类,有宇宙学、有天文学、有生物力学、有凝聚态物理、有核物理,再有基本粒子物理。暗物质研究是非常特殊,它是介于粒子物理学和宇宙学之间的一门学问,是跨学科的研究。恒星的尺度大概是10的11次方米,有上千亿颗恒星会组成一个星系,这个星系尺度大概是在10的21次方米。上千个星系可以组成星系团,星系团尺度10的23次方米。星系团是人类所观测到最大的由自我引力形成的结构。所有的星系团和时空加起来,就是我们所观测到的宇宙。

暗物质存在最早的证据来自于瑞士和美国物理学家弗里茨·兹威基,他在上个世纪30年代做出了非常重要的工作,他做了什么样的事情?他选择了一个星系团进行了观测,他发现星系团里面星系的速度,运动的非常快,从高中的物理学知道,如果一个系统比较稳定,那么它的动能应该跟势能比较接近,势能是由所有的质量决定,如果它只考虑所有可见物质,它会发现动能比势能远远要大。这些星系速度太快,可以飞离星系团。但事实上观测到,所有星系都在星系团运动,他做了一个非常大胆的假设:有可能在星系团中,我们有看不见的物质提供了额外的引力把星系拉在了一起,他就把它叫做暗物质。
  这是一个非常有意思的假设,但是在很长的一段时间里面没有得到重视。我想有非常多的原因:因为他是天才级人物,他做这样的预言,同时代的人不一定跟得上他的思路;还有一个有意思的原因,我想他是一个非常刻薄的人,他经常给他同事们起外号,比如说很多同事他叫做混蛋,叫做球状的混蛋。混蛋已经很刻薄了,为什么要叫球状的混蛋?因为不管从哪个角度看,他的同事都是一个混蛋,因为球是由最大的对称性,不管从哪个角度看,这个球都是一个球形的。这个问题在70年代得到了非常大的重视,这里重要的工作是由美国的女天文物理学家薇拉·鲁宾完成的。她选择了一些旋转星系来进行仔细的观察,就像银河系是一个旋转的星系,大概有2000亿颗恒星。它们都会绕着星系的中心旋转,所以天文观测中可以每一点,可以观测它旋转的速度,观测的结果就是由黄线所示。
  这个很奇怪,因为根据牛顿万有引力,星系的旋转速度是由质量和距离一起决定的。因为旋转星系基本上所有的质量都集中在星系的中间,所以越到很外面,恒星旋转的速度就会越来越低,就像绿色这条线所显示。事实上不是这样的,事实上观测到的是接近于一个常数,那就意味着其实在星系里,有很多物质我们是看不到的,它们给这些外围的恒星提供了足够多的引力把它拉在一起。
  我们可以从上图左下角里看例子。这个妈妈跟小孩在玩甩人的游戏,如果小朋友甩的快,旋转速度快,妈妈就需要用更大的力把他拉在一起,否则小孩就会甩到外面去,这是一个非常形象的例子来理解天文学的观测现象。


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发表于 2020-8-13 15:23:53 | 显示全部楼层
关注台湾连续剧,曾经给我们美好的记忆。
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