- 相關推薦
暗物質
物理名詞
暗物質(物理名詞)
在宇宙學中，暗物質是指那些自身不發射電磁輻射，也不與電磁波相互作用的一種物質。人類無法通過現有的任何觀測工具來直接觀測到它們，只能通過引力產生的效應得知宇宙中有大量暗物質的存在。暗物質存在的最早證據來源于對球狀星系旋轉速度的觀測。現代天文學通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、天文觀測和膨脹宇宙論研究表明：宇宙的密度可能由約70%的暗能，5%的發光和不發光物體，5%的熱暗物質和20%的冷暗物質組成。2011年5月，意大利暗物質探測無果，該研究結果質疑其它發現暗物質結果。
目錄 簡介 發現證據 系列發現 可信證據 收縮展開 簡介暗物質（Dark Matter):暗物質與暗能量被認為是宇宙研究中最具挑戰性的課題，它們代表了宇宙中90%以上的物質含量，而我們可以看到的物質只占宇宙總物質量的10%不到(約5%)。暗物質無法直接觀測得到，但它卻能干擾星體發出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。科學家曾對暗物質的特性提出了多種假設，但還沒有得到充分的證明。 幾十年前，暗物質(dark matter)剛被提出來時僅僅是理論的產物，但是我們知道暗物質已經成為了宇宙的重要組成部分。暗物質的總質量是普通物質的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時更重要的是，暗物質主導了宇宙結構的形成。暗物質的本質還是個謎，但是如果假設它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那么由此形成的宇宙大尺度結構與觀測相一致。不過，對所有星系以及亞星系結構的分析顯示，這一假設和觀測結果之間存在著差異，這同時為多種可能的暗物質理論提供了用武之地。通過對小尺度結構密度、分布、演化以及其環境的研究可以區分這些潛在的暗物質模型，為暗物質本性的研究帶來新的曙光。 暗物質與反物質，這些就在我們身邊。可以刻畫，已有方法。
發現證據大約65年前，第一次發現了暗物質存在的證據。當時，弗里茲·扎維奇發現，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質量是根據其中恒星數量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測分析證實了這一點。盡管對暗物質的性質仍然一無所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質已被廣為接受了。 在引入宇宙膨脹理論之后，許多宇宙學家相信我們的宇宙是一個平行的空間，而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的（這一臨界值用于區分宇宙是封閉的還是開放的）。與此同時，宇宙學家們也傾向于一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質的形式出現，包括4%的普通物質和96%的暗物質與暗能量。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質的總量達到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。 不過，我們忽略了極為重要的一點，那就是暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星系、恒星和行星，更談不上今天的人類了。宇宙盡管在極大的尺度上表現出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恒星、星系、星系團以及星系長城。而在大尺度上能夠促使物質運動的力就只有引力了。但是均勻分布的物質不會產生引力，因此今天所有的宇宙結構必然源自于宇宙極早期物質分布的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景（CMB）中留下痕跡。然而普通物質不可能通過其自身的漲落形成實質上的結構而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因為那時普通物質還沒有從輻射中脫耦出來。 另一方面，不與輻射耦合的暗物質，其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質脫耦之后，已經成團的暗物質就開始吸引普通物質，進而形成了我們觀測到的結構。這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這里需要的物質就是冷暗物質，由于它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。 在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中一件重要的事情。對于先前提到的小擾動（漲落），為了預言其在不同波長上的引力效應，小擾動譜必須具有特殊的形態。為此，最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都應該是相同的。“大爆炸”初期暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動力學出發機制來形成這樣一個標度無關的小擾動譜（其譜指數n=1）。WMAP的觀測結果證實了這一預言。 但是如果我們不了解暗物質的性質，就不能說我們已經了解了宇宙。已經知道了兩種暗物質--中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的，暗物質中的絕大部分還不清楚。這里我們將討論暗物質可能的候選者，由其導致的結構形成，以及我們如何綜合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質的性質。 最早提出證據并推斷暗物質存在的科學家是美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茲·扎維奇。 2006年，美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得黑暗物質與正常物質分開，因此發現了暗物質存在的.直接證據。
系列發現美國科學家在地下廢棄鐵礦中捕獲暗物質粒子 低溫暗物質搜尋項目（CDMS），旨在使用探測器探測粒子間的互動，找到暗物質粒子引起的運動。美國科學家在位于加利福尼亞大學校園的隧道里的實驗室2009年檢測到了兩種可能來自于暗物質粒子的信號。但他們同時表示，這些信號與暗物質粒子的相似度不高。他們在明尼蘇達州的Souden煤礦地下約714米處安裝更高級的實驗室設備，以進行二期低溫暗物質搜尋項目（CDMSⅡ）。暗物質現象會被進入地球的宇宙射線干擾，要減少宇宙射線μ介子粒子的背景信號影響，唯一的辦法是到地底深處，這樣才有把握確認暗物質的構成。 2009年12月21日，科學家在Souden煤礦中發現暗物質，這是迄今為止最有力的發現暗物質證據。 其他實驗也在探尋來自暗物質的信號，比如地下氙（Lux）實驗。美國費米太空望遠鏡則試圖定位暗物質，尋找其在空間湮沒（暗物質發生碰撞時，兩個粒子將生成可以被探測器接收到的γ射線）的證據，但目前沒有任何發現。 科學家稱首次探測到暗物質 在宇宙中支撐宇宙網的基本架構暗物質首次被清楚地探測到。 眾所周知，宇宙中的物質組成了一張網，宇宙網的絲狀物將眾多星系和星云串聯起來在空曠的宇宙中擴展。這種絲狀物由正常物質和暗物質構成。暗物質是人的肉眼無法直接看到的，約占宇宙質量的85%。 德國慕尼黑大學天文臺的約爾格·迪特里希及其研究團隊已探測到一個超星系團的絲狀物中的暗物質成分。這個超星系團名為“阿伯爾222/223”，距地球約27億光年。 巨大的絲狀物產生的引力使得從地球發射至遙遠星系的光束發生彎曲。迪特里希的研究團隊利用這種光束，計算出“阿伯爾222/223”超星系團絲狀物的質量并繪制出它的形狀。附近正常物質的熾熱氣體發出的X射線表明，正常物質是該超星系團絲狀物的組成部分，但僅占其質量的10%。其余部分一定是暗物質。迪特里希說，這表明這些絲狀物是“將宇宙中的星系團連接在一起的暗物質網絡的一部分”。 脈沖星或人們一直尋找的暗物質 人類對暗物質的理解和檢測實現新進展。日內瓦時間2013年4月3日下午5點（北京時間2013年4月4日零點），諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授在日內瓦歐洲核子中心，首次公布其領導的阿爾法磁譜儀（AMS）項目18年之后的第一個實驗結果——已發現的40萬個正電子可能來自一個共同之源，即脈沖星或人們一直尋找的暗物質。 至2013年，尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘、結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。諾貝爾物理學獎獲得者李政道教授曾多次指出：“暗物質是籠罩20世紀末和21世紀初現代物理學的最大烏云，它將預示著物理學的又一次革命。” 暗物質不發光，也就是不發出電磁波，所以看不見，但與通常物質一樣，暗物質有引力作用。這個引力效應讓天文學家在宇宙空間發現暗物質占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個世界的常規物質只占4%。雖然人們早已經猜測到暗物質可能存在，但一直以來從未明確探測到暗物質粒子，因此，還不能確定暗物質的性質。 丁肇中團隊使用的阿爾法磁譜儀(AMS)，是安置于太空中的精密粒子探測裝置，是至2013年以來靈敏度最高，也是最復雜、最昂貴的一臺暗物質探測設備，代表了當今科學實驗的最高技術手段，由16個國家和地區的600余名科學家歷時近18年完成，耗資21億美元，實驗過程可能持續15至20年。
可信證據據國外媒體報道，宇宙學家表示，他們已經在銀河核心深處發現與暗物質粒子有關的最令人信服的證據。該地的這種神秘物質相撞在一起產生伽馬射線的次數，比天空中的其他臨近區域更頻繁。 最近幾年，科學雜志上不斷出現類似研究，不過要證實信息來源一直非常困難。然而費米實驗室和芝加哥大學的宇宙學家、最新研究的第一論文作者丹·霍普表示，10月13日出現在網站上的這項最新研究與此不同。他說：“除了暗物質以外，我們考慮每一個天文學來源，然而我們了解的知識無法解釋這些觀測資料。也沒有與之密切相關的解釋。”這一斷言還沒得到其他科學家的嚴格審查，不過看過這篇論文的人表示，他們還需要對該成果進行更多討論。 費米實驗室的天體物理學家克雷格·霍甘并沒參與這項研究，他說：“這是我所知道的第一項通過一個簡單粒子模型，把少量與暗物質的證據有關的線索拼接在一起的研究。雖然它還沒有充足證據，但它令人興奮，值得我們去追根究底。”暗物質從137億年前開始在龐大的能量膨脹——宇宙大爆炸過程中形成。能量冷卻后形成普通物質、暗物質和暗能量，它們在宇宙中的比例分別是4%、23%和73%。 跟普通物質一樣，暗物質具有引力作用，幾十億顆恒星正是在它們的幫助下聚集到星系里。但是這種物質很難與普通物質發生互動，人們看不到它。中微子是唯一一種曾在實驗室里發現的暗物質粒子，但是它們幾乎是零質量，而且在暗物質的宇宙能量部分里僅占很小比例。天體物理學家認為，剩下的很大一部分是由弱相互作用大質量粒子(WIMP)構成，這種粒子的能量大約比質子多10到1000倍。如果兩個暗物質粒子撞在一起，它們就會彼此摧毀對方，產生伽馬射線。 霍普和他的科研組通過對費米伽馬射線太空望遠鏡在兩年多時間里傳回地球的數據進行分析，發現這種高能死亡信號。費米太空望遠鏡是美國宇航局的伽馬射線望遠鏡，主要用來掃描銀河的高能活躍區。他們發現，發出信號的相撞在一起的暗物質粒子，比質子大約重8到9倍。霍普說：“它比我們大部分人猜測的結果可能更輕一些。迄今為止我們很擅長這方面。不過人們猜測的暗物質粒子的重量范圍不會一成不變。” 該科研組在銀河核心處一個直徑100光年的區域收集到的數據里發現這些信號。霍普解釋說，他們之所以會關注這個區域，是因為它是暗物質最喜歡的聚集地，銀河這個區域的暗物質密度，是銀河邊緣的10萬倍。簡而言之，銀河核心就是一個暗物質大量聚集在一起，經常相撞的地方。 然而，其他科學家希望看到卡爾·薩根的名言“不同凡響的發現需要不同凡響的證據”能變成現實。也就是說，他們希望看到從自然界和實驗室兩方面獲得的證據。芝加哥大學的宇宙學家邁克爾·特納沒參與這項研究，他說：“沒人提供像薩根提到的那種證據。接受這一觀點最困難的部分是，你必須拒絕接受天體物理學解釋。大自然非常非常聰明，這可能是我們至今從沒思考過的事情。” 特納表示，好消息是幾項有希望的暗物質探測試驗正在進行。相干鍺中微子技術(CoGeNT)等深埋地下的探測器可助霍普一臂之力。該探測器近幾年可能已經發現弱相互作用大質量粒子的跡象。特納說：“這十年是暗物質的十年。這個問題即將解決。現在所有這些探測器都在觀測正確方位。”霍普同意兩人的觀點，不過他表示，與他交談過的天體物理學家，沒人能解釋清楚這一現象。他認為，在他的發現得到支持或痛批前，也許只要數周時間就能在實驗室里驗證暗物質是否存在。他說：“我從沒像現在一樣為自己是一名宇宙學家而感到激動不已。” 特納說，科學家已經逐漸接近了目標。他預測未來數年將會被銘記為“大質量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”，而且通過一系列的研究，包括利用大型強子對撞機制造WIMP等，暗物質的性質將逐漸呈現在我們面前。
2007年美國故事影片
暗物質(2007年美國故事影片)
《暗物質》根據1991發生在美國校園里的盧剛事件改編，講述了年僅22歲的中國留學生，來到美國之后，所經歷的痛苦蛻變；從一個善良勤奮的學術天才，到一個槍殺四人之后隨即自殺的殘忍兇手。影片用近似絕望的電影語言，向美國脆弱的自由平等發出質疑。
目錄 電影劇情 職員表 影片花絮 影片評價 收縮展開 電影劇情物理專業研究生劉星（劉燁 飾）遠赴美國某州立大學深造，在校期間，他師從著名教授雅各布·瑞瑟（Aidan Quinn 飾）。他的勤奮和出眾才華很快在同儕中脫穎而出，并深得瑞瑟教授的信任和賞識。在眾多課題中，劉星獨對暗物質傾心著迷，他將自己投入到這項研究中，卻未料到他所得出的理論與導師經典的瑞瑟模式相沖突。 劉星關于暗物質的論文博得一片好評，然而醉心研究的他忽略了校園政治的存在，他的答辯未獲通過。極度抑郁和憤慨之下，他走上了一條不歸路…… 本片根據盧剛事件改編，并榮獲2007年圣丹斯電影節阿爾弗萊德·斯隆獎和2007年亞美電影節最佳故事影片獎。
職員表影片花絮電影《暗物質》反映了人們如何正確面對理想和現實的差距的問題，也觸及到中美文化之間差異和缺乏相互理解的現實。影片在2007年日舞電影節上大受好評，獲得斯隆獎及兩萬美元獎金。影片原計劃2007年八月在北美公映，由于三月弗州槍殺案的影響而推遲到2008年春季。 劉燁自曝拍攝花絮 以為劉燁是功夫巨星 《暗物質》中只有兩個中國人，一個是導演陳士爭，另一個就是男一號劉燁。劇組里的美國工作人員看到兩位好萊塢“大腕”梅麗爾·斯特里普和方·基默來給劉燁配戲時都驚訝不已，“初進劇組的那幾天，氣氛非常詭異，他們私下里都在議論我是不是從中國來的功夫巨星，因為在美國，只有中國武俠片還算有點江湖地位，至于讓美國的一線明星在一個中國演員領銜的美國電影中配戲，在好萊塢絕對是一件稀罕事。” 斯特里普說“Nice！” 劇組開機后的.第二周，梅麗爾就和劉燁上演了一場在全片中極為重要的對手戲。受到導師陷害的留學生劉星到社區做義工……上人家里推銷商品，看到聰明絕頂的劉星淪落到這個境地，一直對他懷有復雜情感的梅麗爾淚如雨下。劉燁興奮地回憶說，“梅麗爾的表現非常生活化，但是極具爆發力，那場哭戲只拍了一條就過了，當時她自己還想再拍一條，但導演表示不用了。” 劉燁本人在那場戲中也有不俗的表現，“拍了兩周的戲，梅麗爾那天第一次對我說，Liu，You’re very nice！” 每周只上五天班 《暗物質》在美國開機已經有兩周的時間，除了拗口的臺詞讓劉燁有些撓頭，“一切都很愜意”。最讓劉燁感慨的是，劇組嚴格執行“五天工作制”，讓他每周都有兩天的時間享受周末。劉燁說，“美國的工會非常厲害，如果制片方要讓演員多干幾個小時，就會被告上法庭，所以即使是像這樣一部投資并不高的藝術影片也會不折不扣地執行各項工會規章。” 否認《暗物質》有損國人形象 《暗物質》講述了中國留學生槍殺導師，很多人懷疑本片是否對中國人形象有損。劉燁經紀人對此表示：“首先這部電影并不是大家想象中的負面、侮辱什么的，跟盧剛事件也沒有關聯，更多的是講一個人的發展，說了很多人性的東西，人在當時的環境下，各種原因促成了他走上了極端，寫得很客觀。之前我也怕有問題，所以特意要來劇本看了，特別激動，劉燁看了也很喜歡。我覺得沒看過劇本或者電影就沒有發言權，妄加猜測不好，其實同類型的電視劇國內也有。最早是美方通過獵頭公司要了幾個亞洲演員的資料，然后給我打電話要了劉燁的一些資料。一兩個月后導演就過來見面，他是一個美籍華人，原來是做舞臺劇的，這是他第一部電影，下了很大功夫。而且整部戲全寫劉燁一個人，斯特里普和方·基默為他搭戲做綠葉，是很難得的鍛煉機會。不過劉燁這次扮演的仍舊是一個不幸福、很壓抑的人，跟以前他的作品相似。”
影片評價圣丹斯電影節，上百部影片中，《暗物質》是第一部值得看的。 ——《洛杉磯時報》 想象不到的動人，感動到流淚的一部影片。 ——《綜藝》 特別深刻，特別有震撼力。 ——《好萊塢生活》 這個電影節上最好的電影。 ——《電影家》
【暗物質】相關文章：
尋找暗物質04-26
冷暗物質究竟有多冷?04-30
DAMA暗物質實驗本底問題的研究04-28
量子曲波與暗物質和暗能量05-02