2003年科学热点特邀嘉宾述评(1)：宇宙暗物质分布真的找到了吗？！http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2003-12-31
2003年科学热点特邀嘉宾述评
（1）宇宙暗物质真的找到了吗？！宇宙模型的建立过程与人类对宇宙性质的认识有密切关系。关于宇宙性质的认识两千多年前就已经有了各种猜想。在中国就有“元气”一说。认为宇宙之中充满了“元气”，这种“元气”由阴和阳两种截然不同性质的“元气”构成。古代有些朴素哲学家还叫“元气”为“真气”。他们试图用“元气”解释整个世界，还逐渐发展出了具有朴素辩证思想的“阴阳五行学说”。 如像西方的康德等人对宇宙也是有诸多哲学诠释的，但他们不过也近似中国古人一样，停留在相当朦胧的时期。 宇宙暗物质，这个名词是近年不久才频繁出现的。我一个朋友对此有深刻的理解，曾写述过有相当深度的科学笔记。可惜，这本16开纸张且长达400页的笔记本被中国的匪霸于1998年3月中旬抢劫了。这件事也令他悲伤不已。中国搞科研其艰辛程度是先进国家科学同仁所无法设想的！ 据他讲，该笔记本也记载有关于宇宙暗物质和暗物质所携带能量的许多独到看法。他对宇宙的看法同现代大爆炸理论截然相反。认为宇宙大爆炸理论是一种不成功的理论，有太多不符合事实的东西。鉴于今年全世界再一次对暗物质和暗能量的关注，我想到了他的观点。也一并请他对该年度《科学》杂志推举的科学进展头条新闻——“宇宙暗物质和暗能量得到证实”作以述评。 他说到，美国所作的微波背景辐射实验还不能算作是真正证明了宇宙暗物质存在！因为该种背景辐射测定方法对于暗物质是否有效还是一个未知数。暗物质是否会产生微弱的光，怎么产生光，怎么作用光，我们并不清楚。同样，暗能量应当是与暗物质具有相互协同关系的东西。从我们现有所研究的物质之性质来看，物质的能量总是和物质形态共生的。有什么样的能量条件就具备什么样状态的物质。我们目前对于暗物质还仅仅是一种相当模糊的认识，也许暗物质就是一种充斥于宇宙中的粒度非常微小的中性粒子。比如中微子，它应当在宇宙中有很大的比重，但是在能量很低的情况下，我们要测定它可能是非常困难的。光与中微子的相互作用问题至今没有人解决。 他认为，在尚不知道宇宙中所含有的大量暗物质是些什么的情况下，要区分出暗物质在宇宙中的含量和分布是不可能的。在1998年，曾经有人认为宇宙中暗物质占到90%以上，但这些都仅仅是估计，没有实际依据。现在所得出的所谓“普通物质(包括：星星，树还有人等)仅占宇宙组成的4%，23%是奇异物质——暗物质，天体物理学家认为暗物质是由未知粒子组成的，剩下的73%则是暗能量。”这种说法不足以令人信服。可能有些估计是根据某种理论或者要强行符合某种理论制造出来的数据。不过，对于暗物质的关注，证明了它所具备的科学研究热点，将激起许多科学工作者的研究热情。 他说：“宇宙中分布有大量的暗物质，要说证实它，已经通过所谓超新星爆炸得到了证实。中微子类粒子就是在高能量态下得以验证的。但是，宇宙中类似中微子这样不易捕捉的粒子可能还有很多。包括一些高能宇宙射线和粒子流，甚至一些低能量态的原子，他们都不是采用微波辐射这种手段观察到的。宇宙中存在暗星云这已经不是什么新鲜事情了。人类通过观察恒星光线穿越暗星云而发生的激发与吸收等各种效应早已经证实了。微波辐射只能够观察到宇宙间各种星光传递过程中对于微波辐射器的某种几率性。光的量子性决定了光不是绝对漂浮于宇宙亘古不变的东西。” 谈到宇宙模型，他说：“宇宙模型对于宇宙研究还很重要的，但宇宙的模型应该不是‘大爆炸’”。他认为，宇宙是一种震荡性质的宇宙，随时都在做起伏涨落，主要集中表现在宇宙任意空间点的性质上。也就是说，宇宙中的任何一个点都具有量子特征，而且这些点的性质是由宇宙各种因素同时决定的。不过，宇宙中任何空间的点的性质是随机的且不断变化的，它与遥远的星体属性没有关系，但决定于震荡传播的物质相互干扰！我们可以想象任何一个宇宙空间点的性质都是不同性质波在传输中相互叠加的结果。光同物质的相互作用，意味着任何宇宙空间的点不可重合性。这样，当我们某个时间的位置测定的宇宙噪声数据，在另一个时段去测定又会是变化的。宇宙的噪声也恰恰证明宇宙的震荡和涨落性质，这就好比是海水的潮起潮落一样。 关于震荡涨落宇宙模型，他作了一个很有意思的比较。他说，比如太阳对地球的影响，当太阳黑子爆发时，最为快捷的影响是光线，然后才是粒子流。但是光线运动到地球也是需要一定时间的，只有当光线到达时地球才会表现出受到它的作用程度。我们看到黑子爆发光线时，强大粒子流还没有到达。这两种作用对于地球近域的空间性质是各不相同的。这些地球近域的空间性质的变化与来自太阳的各种传输媒介最为直接相关。由于太阳黑子分布多寡是有周期性的，故而地球近域的空间性质也是有周期震荡性质的。宇宙的空间性质和此种情况是非常近似的，只是更为复杂罢了。 这就是说宇宙是不停变化的，没有起始的原点，不存在宇宙大爆炸。宇宙永远在有形和无形中演化着。他表示，对宇宙性质的研究还有许多事情要做。目前，他正在研究宇宙微观粒子与宇宙宏观相互统一问题，也取得了一些进步。（巴人
于2003-12-31）
附： 2003年科学最大突破：照亮黑暗的宇宙(组图)
今年美国国家航空航天局(NASA)首次发布了详细的全天空宇宙微波背景辐射地图。证实宇宙大部分是由神秘的暗能量和暗物质组成的，并且给出了宇宙的确定年龄和精确的膨胀速度。 宇宙大爆炸发生后，早期宇宙是极高温度和极高密度的均匀气体，随着宇宙的膨胀，宇宙的温度会降低，当温度降低到退耦温度(Td=0.26eV，相当于3000K)以下时，质子与电子会复合生成氢原子并放出光子。当大多数自由电子被质子俘获后，光子就可以自由地在宇宙中传播，即宇宙对光子变得透明了，这就是我们能够观察到的宇宙中最古老的光，它携带了宇宙大爆炸后遗留下来的信息。由于宇宙学红移，我们现在观察到大爆炸后遗留下来光子频率的极大值已经移动到了微波波段，这就是宇宙微波背景辐射(CMBR, Cosmic
Microwave Background Radiation)。 1992年，NASA曾发射过一颗宇宙背景探测者卫星(COBE)并观测到了宇宙微波背景辐射在不同方向上存在着微弱的温度涨落。为了进一步研究这种各向异性现象，今年NASA的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP,
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)第一次清晰地绘制了一张宇宙婴儿时期(大爆炸后不到38万年)的图像。这张清晰的早期宇宙图像标志着宇宙学进入了一个新的时代。
宇宙的年龄大约是130亿年，38万年寿命宇宙的图像相当于一个80岁的人在他出生当天拍下的照片。
有了这一进展，以及今年一系列与之相关的其他进展，延续几十年关于“暗物质是否存在”的争论画上了句号。五年前，科学杂志的封面曾刊登了一张爱因斯坦的漫画：他看起来被1998年的科学发现“加速中的宇宙”惊呆了——两组天文学家在死亡阶段恒星发出的咔咔声中发现了一种可怕力量的蛛丝马迹。 一些明亮的超新星使得宇宙学家可以用之确定宇宙在不同时期膨胀的速度。科学家们惊讶地发现宇宙正加速膨胀着，膨胀速度越来越快，而不是象先前认为的减速膨胀。减速膨胀理论是广义相对论的自然结果，曾得到天体物理学家的普遍相信。这就是神秘的“暗能量”的首次登场，一种未知的力量抵抗着引力并把星系相互分开。 尽管来自超新星的数据是十分明确的，但许多宇宙学家仍然犹豫不决是否要支持“暗能量”这一古怪的概念。全世界的天文学家都迫不及待地采用不同的方法去验证这种不可避免的力是否存在。 今年，关于“暗能量是否存在”的争论已告结束，今后不会再有科学家去怀疑暗能量的存在性。他们将试图去解决暗能量是由什么构成的，它能提供哪些关于宇宙诞生和演化的信息等新问题。 残存的关于暗能量存在性的怀疑以及宇宙组成的问题已经在WMAP卫星描绘出迄今最清晰的宇宙微波背景(CMB,
cosmic microwave background)辐射地图后而烟消云散。CMB是宇宙中最早的光,
是当新生宇宙还是一团炽热的等离子球体时所发出的光辐射。这种微弱的微波辐射弥漫在我们的周围，就像远处一堵火墙(wall
of fire)发出的热辐射一样。记录在这面火墙上的信息就是微小的温度涨落(和其他一些性质)，这提供了宇宙组成的信息。 在恒星和星系形成之前，宇宙是一团炽热发光的等离子体，引力与光的效应在那里激烈地竞争。大爆炸让整个宇宙振动并象钟一样发出巨响，压力波在等离子体内传播，挤压并拉扯着等离子体内的物质。
暖色区域表示宇宙冷却过程中,
在背景辐射中被压缩的、稠密的等离子体，冷色区域则表示稀薄气体。
正如钟的音调是由它的形状和材料决定，早期宇宙的“声音”(对应微波背景中冷暖区域的尺寸和分布)依赖于宇宙的组成和它的形状。WMAP是最终让科学家得以聆听天籁之音的手段，同时它也描绘出我们生活的这个宇宙是什么类型的。 WMAP给出的答案既让我们觉得烦恼又让我们觉得高兴。WMAP的数据证实了其它已绘制出的关于早期宇宙似是而非的奇怪图像。普通物质(包括：星星，树还有人等)仅占宇宙组成的4%；23%是奇异物质：暗物质，天体物理学家认为暗物质是由未知粒子组成的；剩下的73%则是暗能量。 宇宙之钟的音调也揭示了宇宙的年龄和它膨胀的速度，WMAP对此有精确测定。一年前，一个宇宙学家可能还会说宇宙的年龄大约是在120亿到150亿年范围内。现在WMAP给出了最精确的结果：137亿年(正负几十万年)。 同样，基于WMAP数据我们计算出宇宙膨胀的速度是71公里每秒每百万秒差距(正负百分之一)；宇宙的“形状”扁平(slate
flat)。几十年来所有关于宇宙基本参数的争论：宇宙的年龄、膨胀速度、组成、密度——全都搞清楚了。 尽管WMAP的发现有划时代的意义，但这并不是今年科学家在宇宙学方面的唯一重大进展。斯隆数字巡天(SDSS,
Sloan Digital Sky Survey)正在测绘数以百万计的星系。通过分析这些星系的分布及它们聚集和扩散的方式，科学家能推测出引起聚集和扩散的力——正是暗物质的引力或暗能量的反引力。今年十月，SDSS小组公布了他们对收集到的二十五万多个星系的分析结果。这一结果与WMAP卫星得到的结果是一致的：宇宙中暗能量占了多数。
今年科学家得到了对暗能量的最直接证据。七月，物理学家比较了SDSS数据和WMAP数据，并证明暗能量一定存在。这一证明依赖于所谓的ISW效应(integrated
Sachs-Wolfe effect)。微波背景扮演了背景灯光的作用，照耀着SDSS标记出的由星系簇引起的引力涟漪。科学家观察到了微弱的坍塌——明显地有向更短波长的微小移
动。在未被扭曲的宇宙中(如我们现在的这个),
这仅当存在反引力时才能发生——暗能量——拉抻着时空结构并改变着星系簇所在的引力涟漪。 宇宙学的部分工作是解释宇宙诞生的一瞬间，即解释在什么力的作用下使宇宙在不到百万分之一秒的时间里形成。宇宙从奇点诞生后，新生宇宙的结构以比光速更快的速度膨胀着。这是宇宙的暴涨(inflation)时期。这是一次爆发式的诞生——在不到10-30秒后嘎然而止——于是形成今天我们所见的宇宙。 几十年来,
暴涨提供了极少可供检验的猜想。现在有了WMAP的精确数据，科学家最终可以直接验证暴涨。目前每个版本的暴涨理论都有对膨胀力本性微小的不同描述，每一种都可作出关于宇宙背景辐射(CMB)的具体预测，包括星系的分布，乃至后期气团的聚集。科学家们正在筛选出少数理论并设计相关的判决性(非对即错)实验。随着SDSS数据的增长——从中可获得的关于遥远类星体、气团以及星系分布的信息，使得科学家们能够更大胆地去挑战暴涨理论。 暗能量的性质仍有待详细研究。WMAP,
SDSS以及今年新发布的一些超新星观察报告正帮助科学家了解暗能量如何应付被被拉抻和压缩。物理学家已经不得不抛弃他们关于暗能量的一些猜想。现在他们得考虑一种暗能量的新形式，但这种形式可能会让宇宙在一定条件下突然死亡。即当暗能量超过一定临界值时，将发生“大撕裂”(Big
rip)，大撕裂会撕裂星系、太阳系、行星甚至原子。(不过不用担心，这仅仅是宇宙学家的一个模型，他们并不会因此而睡不着觉。) 在过去5年里，“宇宙是由暗物质组成并因暗能量而彼此分开”这一难以理解而且违反常理的宇宙模型，已经逐渐得到了宇宙学家的验证。认识到暗能量可能正确后他们都松了口气。今年，由于WMAP, SDSS以及新的超新星数据，科学家们终于得到了肯定的答案。现在，他们已经开始研究一系列新问题了。或许这是一个标志，标志着人类最终是能够理解宇宙起源的。(新浪网)
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