戲說宇宙(9) 最後說說暗物質和暗能量。 根據愛因斯坦的相對論，物質和能量可以互換。所以暗物質和暗能量說其一即可。 因為引力源自於物體的重量，科學家通過已知的引力觀測結果進行理論計算，發現宇宙中的可見物質的重量只占宇宙應該有的重量的4.9%。根據宇宙大爆炸理論計算出宇宙的重量，除掉可見物質，科學家將剩餘的部分稱之為暗物質——因為看不到，但暗物質也只占宇宙應該有的重量的26.8%，還有68.3%的重量沒有着落。幸好有愛因斯坦的質能互換公式幫忙，質量和能量可以互相轉換，科學家就把沒有着落的重量轉換成能量，稱為暗能量了。 暗物質和暗能量是科學家定義出來的東西，到底是什麼東西，有什麼物理性質，誰都說不清道不明。 軍旅女作家畢淑敏說：“人生本沒有什麼意義，人生的意義便在於我們要努力賦予它的意義。” 科學家的任務就是弄出個大家都不知道的東西，然後再證明那個東西的正確。 科學家認為宇宙大爆炸之後已經歷經137億年，過了這麼長的時間，宇宙還在呈加速狀態向外擴張，一定是有什麼東西在推動宇宙在加速擴張。 在這個問題上無法利用暗物質給予解釋，不過暗能量可以拿來一用，加速運動當然需要能量了。科學家說暗能量是一種充溢空間的、具有負壓強的能量，按照相對論，這種負壓強在長距離類似於一種反引力，也就是斥力啦。 能量有壓強？還是負的！把能量當氣體用！？ 兩個物體之間的引力會把兩個物體拉近，兩個物體之間的斥力則會使兩個物體相距越來越遠。 瞧瞧，宇宙加速擴張的原因找到了，暗能量也有屬性了，多完美的解釋呀！ 是真是假就誰都不知道了。 小老百姓不能說宇宙學大牛們吹牛不上稅呀。 地球人以地球年為時間單位，計算出宇宙大爆炸發生在137億年前的某一瞬間。 137億地球年，這段時間確實是挺漫長的，但得分擱在什麼人的眼睛裡。如果是水星人，那這段時間是570億年，遠超過137億年；如果是海王星人，這段時間只有0.83億年。 對於整個宇宙而言，這段時間也就是一眨巴眼的功夫，宇宙大爆炸發生在一眨巴眼之前，因大爆炸產生的加速擴張推動力還遠未消失，根本不需要什麼暗能量在其中瞎摻乎。 在闡述暗物質之前，先說說波在介質中的傳播。 同學們都知道聲波可以在各種介質中傳播，而在不同的介質中聲波的傳播速度則不同。空氣中常溫常壓下聲波速度是344m/s，淡水中為1430m/s，海水中1500m/s，鋼鐵中5800m/s，鋁中6400m/s，石英玻璃中5370m/s，而在橡膠中僅為30-50m/s。 聲波的傳播是聲波所到之處的質點沿着傳播方向在平衡位置附近振動。聲波可以理解為介質偏離平衡態的小擾動的傳播。這個傳播過程只是能量的傳遞，而不發生質量的傳遞。 聲音在空氣中傳播始於空氣質點的振動，這些振動一起推動鄰近的空氣分子，而輕微增加空氣壓力。壓力下的空氣分子隨後推動周圍的空氣分子，後者又推動下一組分子，依此類推。 一塊石頭扔進水裡，水波漪漣，一圈圈水波向四外散開。 水波在水裡的傳播和聲音在空氣中的傳播相似，水的質點在原地上下振動，將波動傳遞出去。 聲波和水波的傳播都需要所在介質中的質點發生振動。 電磁波也是波，光波則是在一定特殊頻率範圍內的電磁波。 電磁波在傳播中也需要介質嗎？ 宇宙中沒有天體的區域裡基本上沒有可見物質，科學家說宇宙真空相當於每立方米僅有幾個氫原子。 電磁波可以在宇宙中傳播，而宇宙絕大部分區域是真空的，因此科學家說電磁波傳播不需要介質。 物理學定義：波是介質參與的集體振動。 波的產生有兩個必要條件，一是有振動（波）源，二是有傳播介質。 水波必須在水面傳播，聲音在空氣中的傳播必須有空氣作為介質，介質是與波一起振動的。 電磁波也是波，為什麼電磁波的傳播不需要介質呢？ 先說一下宇宙微波背景。1964年5月13日，美國天文學家彭齊亞斯和威爾遜在7.35厘米的波長上測到宇宙空間的各向同性輻射。這個現象後來被命名為宇宙背景輻射，也稱3K背景輻射，也就是說，在宇宙空間裡有3K的溫度，而且基本上到處都一樣。 學過物理的同學都知道，熱是物質運動的一種表現，具體地說是構成物質系統的大量微觀粒子無規則混亂運動的宏觀表現。 在宇宙空間裡，有溫度就說明有熱，雖然這個溫度很低，但僅靠每立方米中的幾個原子的碰撞未必能產生這點兒熱量。 現在要回過頭來說說以太。 在古希臘人看來，世間萬物都是由水、火、氣、土四種元素所組成的。後來，古希臘的大哲學家亞里士多德設想出一種元素，他稱之為“以太”，指青天或上層大氣，世界是由這五種元素組成的。 19世紀的物理學家認為以太是電磁波的傳播介質。 不過19世紀80年代的邁克耳遜－莫雷實驗證明了在真空中光速是不變的，從而否定了以太的存在。 光在不同介質中有不同的速度。 光波在真空中的傳播是30萬公里/s，在空氣中略小一點，在水中是22.5萬公里/s，在玻璃中是18.7萬公里/s，在鑽石中是12.4萬公里/s。 邁克耳遜－莫雷實驗證明了在真空中光速是不變的，沒毛病。但根據這個實驗結果否定以太的存在是基於經典理論中的阻力，認為如果以太存在，則會導致光速衰減，而光速沒有變化，則以太是不存在的。 這個結論好像有點兒問題，誰也沒證明過以太會衰減光速，那怎麼能證明因為光速不變所以以太是不存在的？也許以太和光的傳播根本不發生相互作用呢。 其實應該這麼講：光波、或者電磁波在真空介質里的傳播速度是每秒鐘30萬公里。 真空介質是什麼東西呢？ 亞里士多德已經給起了一個名字——以太。囿於當時的科技水平，他並不了解以太的性質，所以沒有詳細解釋以太是什麼。 到了20世紀30年代，荷蘭科學家揚•奧爾特發現了宇宙中被丟失的質量。這個被丟失的質量現在被稱為暗質量，這個暗質量被認為充斥在整個宇宙空間裡。 對比一下現代科學家對暗質量的解釋，就可以看出暗質量和以太是一碼事。但是以太已經被科學界槍斃了，把被判了死刑的以太再撿回來，太丟科學家的面子，於是起了一個新名字——換湯不換藥！ 愛因斯坦生前提出了三個預言。第一個預言是時空扭曲論，意思是在重力的影響下，一個質量足夠大的物體能改變周圍的重力場，從而造成時空扭曲。 時空就是時間和空間。時間怎麼被扭曲？沒人說得明白。不過空間被扭曲容易理解。在被扭曲的空間中經過兩點的運動需要更多的時間，從而時間也變相地被扭曲了。 同學們洗臉、洗澡後都會把毛巾的水擰乾，然後擦臉、擦身。擰毛巾時手裡一定要攥着毛巾，如果手裡不拿毛巾，只用兩手做出擰毛巾的動作，毛巾里的水不會自己跑出來。與未被擰的毛巾相比，被擰的毛巾可以視為被扭曲的毛巾。 如果宇宙空間裡什麼都沒有，那麼空間怎麼被扭曲呢？ 宇宙空間不是真空，不是什麼都沒有。宇宙空間充滿了現在的科學技術檢測不出來的暗物質。 檢測不出來不能說明不存在！這是科學研究的一個基本態度。 科學家們說宇宙間存在四種基本力：萬有引力、電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力。 強相互作用力和弱相互作用力是短程力，只在一定範圍內有效，強相互作用力的有效範圍是10-15米，弱相互作用力的有效範圍是10-18米；科學家說電磁相互作用力的範圍是無限大的，這只是理論上成立，實際上相距很遠的兩個異電荷不會互相吸引到一起；只有相對強度極弱的萬有引力能在整個宇宙間起作用。 以強相互作用力為１做標準，則弱相互作用力為10-13，電磁相互作用力為1/137（據說137是一個很奇妙的數字，和宇宙起源有關），而萬有引力只有10-39。 愛因斯坦的廣義相對論是用物質影響空間的幾何性質來解釋引力的。在這一圖像中，瀰漫在空間中的物質因受引力影響而引起空間彎曲，彎曲的空間影響了粒子的運動行徑。 科學家已經證明光具有兩重性——波動性和粒子性。粒子是有質量的。光的最小單位是光子，所以光子是有質量的。光子的靜止質量為零。不過一旦有了光，而光子是運動的，則光子有運動質量。因為光子有運動質量，則光子會受到引力影響。 科學家對黑洞做出了很多假設，其中最有名的一個假設就是連光線都逃不出黑洞的手心，如同孫悟空逃不出如來佛的手心。 穩定存在的黑洞——如果真有黑洞這個東西——必須有足夠大的質量。萬有引力和質量成正比，大質量黑洞擁有強大萬有引力，其引力之強能夠引起空間彎曲，也就是導致暗物質的排列發生變化，暗物質形成了Ｕ型排列，光線離開黑洞，不是因為黑洞的強大引力被吸回去了，而是拐了一個一百八十度的彎又回到黑洞了，所以從黑洞的外部看不到光線逃逸出來。 現在可以對暗物質賦予一些屬性了。 暗物質是3K溫度的來源，隨着宇宙的擴張，暗物質的密度會隨之降低，而宇宙的這個背景溫度也會隨之降低。 暗物質是物質，但其質量低到以現有的測量手段觀測不到，可以認為其靜止質量為零，所以可見物質不和暗質量發生作用，但是暗質量是電磁波、中微子這類靜止質量為零的物質在高速運動時的載體，也就是說，暗物質只是運動速度為每秒三十萬公里的運動物質的載體，低於這個速度運動的物質暗物質則不理不睬。 暗物質不是處於靜止狀態，其自身以每秒三十萬公里的速度在運動，因而電磁波、中微子這類物質的運動和聲波、水波的運動模式不同，不是從光源開始引發暗物質的振動，而是暗物質負載着電磁波、中微子進行運動，所以電磁波、中微子在宇宙之中的運動過程中能量沒有衰減。因為靜止質量不為零的物質的運動速度必然會低於靜止質量為零的光子、中微子，而光子、中微子是“騎”在暗物質上運動的，所以愛因斯坦的相對論中的光速不變理論其實質是暗物質的運動速度不變。 大爆炸之前，奇點之外沒有任何東西。大爆炸之後，宇宙形成，宇宙之內有可見物質、暗物質，還有暗能量。宇宙的邊界是由暗物質構成的，暗物質以每秒三十萬公里的速度從宇宙中心向外擴散，暗物質到達的地方就是宇宙的邊緣。暗物質是光的承載體，但沒有光的地方暗物質仍然存在，所以宇宙內外不是以有亮沒亮來區分，而是以有物質沒物質來區分，這個物質不是可見物質，是暗物質。 假設宇宙是一個圓球，一光年相當於9.46x1012公里，則137億光年約為1.3x1023公里，也就是說，我們所在的這個宇宙的半徑不大於1.3x1023公里。 大牛們能夠沒有根據地張嘴就來，咱小老百姓偶爾一次滿嘴跑舌頭也不為過。 台灣大學天文物理所闕志鴻研究團隊在2014年7月的《自然物理》（《自然》的物理學分冊，影響因子為20.147）期刊上發文主張，暗物質可能是一種稱為Ψ暗物質的極輕型粒子，其質量為電子的10-28倍，波長約為一千光年，密度則為液態水的一百萬倍。教授啦，不能說其無知無畏了，不過也不能這麼信口開河呀，“密度為液態水的一百萬倍”，那這個宇宙就等同於一個實心秤砣了！不管向哪個方向都會遇到銅牆鐵壁。 人類社會總以為能對世間所有事物都給出一個合理的解釋。 根據地球年計算，宇宙已經存在了137億年，人類社會自有文字記錄到現在也就是幾千年，科學技術、理論快速發展也就這一百多年，用這一百多年積累下來的知識來解釋一百多億年的事情似乎太玄虛了。 （完） |
