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两朵“乌云”笼罩在现代宇宙学上,或将再次引发物理学变革
来源:宇宙解码 | 2020/9/4 21:01:07 | 浏览:526 | 评论:0

    在19世纪与20世纪之交,坚不可摧的经典物理学大厦已经构建起来。然而,还有两朵“乌云”笼罩在这上空,这令当时的一些物理学家惴惴不安,谁也没有想到最终会引发物理学史上最大的一场变革。

    一朵“乌云”是紫外灾变,黑体辐射能量呈现出不连续性,最终从中诞生了量子力学。第二朵“乌云”是迈克耳逊-莫雷实验结果,表明光速的大小与参照系选择无关,以太和绝对空间并不存在,最终从中诞生了相对论。

两朵“乌云”笼罩在现代宇宙学上,或将再次引发物理学变革

    两朵“乌云”让经典物理学大厦轰然倒塌,新的物理学体系构建起来。此后,量子力学和相对论快速发展,它们成为了现代物理学的基石,并且引领着现代科技的发展。

    而在现代宇宙学之上,也笼罩着两朵令人不安的“乌云”——暗物质和暗能量,它们又会掀起一场新的物理学变革吗?

两朵“乌云”笼罩在现代宇宙学上,或将再次引发物理学变革

 

    宇宙中所能直接观测到的物质都是由原子构成的,但它们只占宇宙质能总量的5%。另外94%都是神秘的暗物质和暗能量,其中暗物质占25%,暗能量占69%。既然暗物质和暗能量都无法直接探测到,为什么天文学家会认为它们在宇宙中大量存在呢?

暗物质

    宇宙中的天体运动都是遵循引力定律,以太阳系为例子,地球以及其他行星与太阳的引力作用反比于距离平方,距离太阳越远的行星,所受引力越弱,环绕太阳运动的速度也就越慢。

    虽然银河系没有一个能够主宰所有恒星运动的中心天体(银心超大质量黑洞并不是),但银河系中所有物质产生的引力,会在银心形成一个共同的引力中心,使得所有恒星都绕着该中心运动。

    就像太阳系那样,距离银心越远,恒星的绕行速度应该越慢。然而,天文学家却观测到理论预言外的现象。恒星的轨道速度并没有随着距离的增加而显著下降,银盘边缘和靠里的恒星绕行速度相差不大。

两朵“乌云”笼罩在现代宇宙学上,或将再次引发物理学变革

    如果银河系中只有普通物质,那么,银盘边缘的恒星不能以这么快的速度运动,否则它们早就脱离银河系。于是,天文学家推测,银河系中还有远多于普通物质的暗物质,它们能够产生巨大的引力作用,从而来维持银河系结构的完整。

暗能量

    20世纪初,哈勃观测到,宇宙中的所有遥远星系都在远离银河系,这表明宇宙空间正在膨胀。数十年后,天文学家进一步发现,过去的空间膨胀速率要慢于现在,这意味着空间正在加速膨胀。

两朵“乌云”笼罩在现代宇宙学上,或将再次引发物理学变革

    空间膨胀速度在加快,天文学家认为这背后有一种神秘的暗能量在驱使。这种能量存在于宇宙空间的各个角落,它们能够产生排斥引力的负压效应,导致空间结构在加速扩张。

    虽然有很多间接证据表明暗物质和暗能量存在,但天文学家至今没有直接探测到。也许暗物质和暗能量压根就是不存在的,只是人类的引力理论有缺陷,无法准确描述观测到的现象,只能归咎于暗物质和暗能量。如果未来能够出现超越广义相对论的引力理论,暗物质和暗能量之谜都有望迎刃而解。

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