暗物质与暗能量的统一

2017-10-13李科

求知导刊 2017年22期

关键词：暗物质

李科

摘要：暗物质与暗能量是21世纪粒子物理和宇宙学研究中的两个重大的科学问题。文章旨在概述暗物质与暗能量的基本定义及特点，其次提出统一二者的理论，最后利用该理论完善了宇宙大爆炸模型。

关键词：暗物质；暗能量；统一理论；宇宙学；天体引力

中图分类号：P131 文献标识码：A

1.暗物质与暗能量概述

暗物质（Dark Matter）是一种因存在现有理论无法解释的现象（星系转速过大）而假想出的物质，是一种比电子和光子还要小的物质，且不带电荷，也不与电子发生干扰，但能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。暗物质无法直接观测得到，但它能干擾星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。

暗能量是驱动宇宙运动的一种能量。它同暗物质一样，都不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。在宇宙学中，暗能量是为了迎合实际的猜想而提出的，是一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力（本文认为就是引力）。这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。

2.统一理论

为了统一上述的暗物质和暗能量，本文认为暗能量其实可能就是一种暗物质对“宇宙”内部的引力，这种物质环绕宇宙周边。如图1所示：

图1中，虚线内部是我们目前所熟知的“宇宙”，其主要构成物质中仅含有少量暗物质（这少量已经远大于物质，只是相对虚线外侧而言），其存在的主要现象是上述所说的星系转速大于其内部重子物质所产生的引力作用；图1虚线至实线圈为本理论提出的“暗物质圈”，其内部主要成分自然是暗物质，且其主要结构与虚线宇宙内部的暗物质几乎相同。圈中的暗物质自然会对虚线内的宇宙产生引力作用，如图1所示，对于站在宇宙中的观察者，这样的引力来自宇宙的边缘，就如同“反引力”一般，并将其命名为暗能量。其实它的实质可能只是宇宙外层暗物质圈对宇宙的引力而已。

3.大爆炸新模型

上述理论很好地说明了暗能量的产生及其与暗物质的可能关系，但它们是何时产生而又何时分道扬镳地存在于暗物质圈和宇宙内的呢？这不得不从宇宙的起始——宇宙大爆炸说起。

参见图2，宇宙起始于一个密度极大的奇点；该奇点在某个时刻（时间还没产生）失去了平衡，产生了第一次大爆炸，这次爆炸一直被忽视，因为它没有使奇点破碎，只是使奇点稳定存在的力的粒子向周围散失，这些粒子就是产生暗能量的源头。随后不久失去粘合力的奇点便发生了著名的第二次爆炸——史称宇宙大爆炸，整个奇点破碎，时间产生了，剩余的暗物质和重子物质四散而去，并逐渐冷却逐步形成了现在的宇宙（发展前期）。宇宙中的天体等在暗物质圈的引力下不断加速膨胀，与此同时，暗物质圈也在宇宙及暗物质引力下不断减速膨胀。当宇宙重子物质和暗物质圈几乎重叠时，宇宙停止膨胀并开始在自身引力下收缩，最终塌陷至奇点，时间再次回到原点。