暗物质与暗能量

暗物质与暗能量摘要 本文通过宇宙大爆炸理论引入暗物质与暗能量，并介绍了暗物质和暗能量，列举了目前研究暗物质暗能量的研究模型，简述了暗物质暗能量对宇宙未来发展的影响。关键词 宇宙大爆炸、暗物质、暗能量一、暗能量、暗物质起源宇宙的起源和演化问题一直是科学研究最活跃的领域之一，牛顿提出了无限宇宙模型，爱因斯坦根据相对论的基本原理建立起有限无边的宇宙模型；哈勃定律确证了整个宇宙处于的膨胀状态，伽莫夫和他的同事提出了大爆炸宇宙理论，经过百年的发展人们以普遍接受宇宙大爆炸理论，即认为原始的宇宙是一个奇点，现在的宇宙时空正是从这个奇点爆炸出来的。宇宙是大约150亿年前由温度极高且密度极大、体积极小的物质迅速膨胀形成，是一个由热到冷，由密到稀不断膨胀的过程，尤如一次规模极其巨大的大爆炸，大爆炸之后的宇宙一直在膨胀着。但是这个模型遗留了很多问题，如理论上宇宙应该是减速，但实际观察结果却发现实际的宇宙正在加速膨胀，因此提出了暗能量，宇宙在暗能量的推动下进行着膨胀。暗物质的概念也源于大爆炸理论。根据大爆炸理论可以推算发生大爆炸所对应的物理能量、以及宇宙间应有的物质总量。按着这个理论如果宇宙每10亿年膨胀5一10的话，那么哈勃望远镜所能够探测到的宇宙的总成份加起来比用以阻止膨胀的临界值的4还少。这就是说，宇宙的总成份应是迄今所能观测到的重物质的25倍还多，如果这一理论正确的话，宇宙中还应有90以上的物质尚未被发现。除去73的暗能量外，宇宙中还应存在着大量的暗物质。【1】通过对球状星系观察螺旋速度证明了其存在，但是迄今为止还未真正的探测到暗物质，目前认为中微子为暗物质的一种二、暗能量、暗物质暗物质是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度极小，但是数量非常多。暗物质无法直接观测到，但它有显著的引力效应，他能干扰星体发出的光波或引力。暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉到能量形式。能够推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆由暗能量与万有引力来进行推动。由WMAP最新数据宇宙的能量中暗能量占了68%，暗物质占了28%，而人类可见的能量只占到宇宙能量的4%。2.1 暗能量的基本特征暗能量的基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或者完全不接团，宇宙的运动都是旋涡型的，所以暗能量总是以一种旋涡运动的形式出现。所以，在暗能量的旋转范围内能形成一种旋涡场，称之为暗能量旋涡场。当太阳系的暗能量与物质绕太阳系中心的动能相等时太阳系漩涡场处于平衡态。暗能量它既不会膨胀也不会收缩。【2】2.2暗物质的成分长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内，而且这一视界相对宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系，定性上这是与观测相一致的。目前可能是暗物质的有低温无碰撞暗物质、中性子及轴子。【3】三、暗物质的探测方法与暗能量的几种模型3.1暗物质的探测主要包括直接探测和间接探测直接探测通过间接探测WIMP，间接探测WIMP。WIMP偶尔会撞上一个原子核。这一碰撞会散射原子核，进而使之和周围的原子核发生碰撞。由此科学家可以探测到这些相互作用所释放出的热量和闪光。对于暗物质的直接探测实验一般都设置于地底深处，以排除宇宙射线的背景噪声。暗物质的间接探测主要是观测其两两湮灭时所产生的讯号。【4】3.2暗能量的研究模型 暗能量模型中最简单的模型是宇宙学常数模型，是由爱因斯坦1917年提出；Quintessence模型，Quintessence 模型是通过引入一个标量场，构造出来的暗能量模型，并且这个标量场仅和引力场有耦合；Phantom 模型，由Caidwell提出，与Quintessence模型不同的是，Caidwell在 Phantom 模型中也引入了一个标量场，但与 Quintessence 不同的是，它的动能项为负；Quintom 模型，Quintom 模型是将Quintessence模型与Phantom 模型结合在一起；Chaplygin Gas 模型，这种气体被假设充满了宇宙的整个空间，并引起了宇宙晚期的加速膨胀。【5】 四、暗物质暗能量对未来发展的影响斯坦福大学的卡罗希(RKallosh)、林德(ALinde)认为：暗能量最终会由产生“反引力”转变为产生引力，据现有超新星数据，会在180亿年以后。宇宙不是“大分裂”，而是“大坍塌”，【6】尽管目前人们对暗物质暗能量的了解知之甚少，但弄清暗物质、暗能量的本质，弄清它如何左右宇宙的命运是必须要进行的。然而现在物理学的基本理论还无法解释观测到的这一暗能量。暗能量是二十一世纪物理面临的最大的挑战。物理学对暗能量这种新类型物质的探索才刚刚开始。众说纷纭，但仅仅是一些猜测和设想，远没有形成一个基本合理的解释。我们需要对于宇宙大尺度空间进行更多更精确更系统的观测，进一步研究宇宙加速膨胀的规律，确定暗能量的形式和物理特征，不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律。同时解决这一问题需要新的理论，这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。研究暗物质、暗能量这些新的问题需要将描述微观世界的粒子物理与描述宇观世界的宇宙学结合起来。参考文献【1】 暗物质暗能量 2015.5 /link?url=bLtBAdf28DM67nDKnX2o8NqagXonZsP2awKFuyrtc9M6YKXeyREbFc_KvlKiWKeiBW9dSqWUMCry42ttdohlmq#6【2】张晓兰 宇宙中的暗物质、暗能量 大连理工大学硕士学位论文 【3】许书娟 暗物质与暗能量的探