宇宙中的暗物质与暗能量

宇宙中的暗物质与暗能量
“氢氦锂铍硼、碳氮氧氟氖、钠镁铝硅磷⋯⋯，”朗朗上口，这些是我们中学时期所学的元素周期表，这些是组成天地间所有物质的基本元素，可是，我们所学的这些元素放到浩瀚的宇宙中，却跌份缩水，成了4%。

那么，宇宙中余下的96%是由什么组成的呢？经过科学家们对近几年来的天文观测和理论研究进行梳理，总结，并得出初步结论：这剩余的96%的物质是由暗物质和暗能量组成的，其中73%的成份是暗能量，23%是暗物质。

可见，这96%的暗能量和暗物质相互作用将主宰着宇宙的命运!决定着宇宙的未来。

那么暗能量是什么？暗物质又是什么？它们的组成成份是什么？又是如何决定着宇宙命运的？这已成为当前宇宙学研究的一大热点。

下面，我就给大家来介绍一下这主宰宇宙命运的暗物质和暗能量。

1.宇宙中的暗物质
由2类自由流阻尼标度导出的天体、粒子质量和半径的计算式为]1[：
N i pL
i i N i i r A r A A r m A m 111, ===- (1) 其中：N m 表核子质量，取Gev m N 1=；核子半径cm r N 1410-=。

Planek 大数1910≈A 。

天体取i-1，粒子取i+1.此处只给出要用到的结果，对于中微子0e v ，i 取2
1-，则: .10,32.024210210
cm r A r eV m A m N v N v e e ---≈=≈= (2)
在第2类自由流阻尼标度理论中，已把现时中微子归入暗物质．而中性微子0
eB U 是0
e v 的超对称伴子，因此0
eB U 是宇宙早期的暗物质．而低温相到高温相将使
粒子变重]7[，例如现时质子质量约为1GeV ，已有实验迹象
表明宇宙早期质子GeV m P 122110eV 10==早，因此宇宙早期的GeV m
eB U 3200≈.这
一结果与粒子的自然性法则一致，即:
. cm r A r GeV m A m N i
N i U eB U eB 171031,32000-⨯≈=≈= (3) 上述结果与实验给出的质量基本相符，因此，可以对暗物质的特性作出解释．
1.1 堆砌宇宙的“暗物质”巨砖
由于观测分析得出最小的暗物质块相当于3 000万倍太阳的质量，即：
)(1031030003644N N m A m m m m ≈⨯≈⨯≈ΘΘ太阳质量暗 (4)
而宇宙内可见的总质量为N N m m A m 76410=≈宇，暗物质约为可见物质的
70/100，易得宇宙中暗物质的块数为:
. 116476103.2103/7.010⨯≈⨯⨯N m (5)
因为N m A 4是由阻尼标度给出的宇宙质量最小值，故宇宙至少由如此众多的暗物质巨砖组成．
1.2 暗物质是分布不均匀的高密度、高压物态
暗物质弥漫于整个宇宙，它的分布是不均匀的．以最小的暗物质块为例，易得:
N m m m 647103103⨯≈⨯≈Θ暗最小
cm 10.052/10203⨯≈=光年暗最小r , . 2H 364/.7m 5)3
4/(103cm r m N ≈⨯=暗暗πρ (6) 与实验给出的数量级相符．说明暗物质质量是高密度、高压物态．
不久前，人们观测到银河系内有氢气被暗物质压成扁层的事实．若暗物质与一般物质混合发生碰撞，虽然看不到暗物质，但反冲核物质可以用高精度的光学透镜观测到，由实验迹象显示估计c v 001.0=暗(c 为真空中光速)．若取宇宙暗物
质质量为320GeV ，则可算得c v 003.0≈宇暗，两者相近．
1.3暗物质不是“冰冷的字宙”淤泥
关于热暗物质与冷暗物质之争，前面提到的迹象显然支持热暗物质的观点．实验给出的迹象暗物质的温高达万度．宇宙暗物质中性微子0eB U 形成于宇宙早期，质量为320GeV ，随着宇宙演化，宇宙背景温度不断下降，高温到低温的相变将使粒子的质量变小]2[．如当宇宙背景温度下降到K 1310时，则：
F F eB eB P P U U +→+00的过程可以发生，0
0eB eB F F U U P P +→+的过程不能发生.(7)
在此温标时，0
eB U 将比F P 粒子数少得很多很多．当温度下降到4000K 时，把暗物质视为中性微子0eB U 与中微子0e v 的混合是合理的，且0e v 比0eB U 多很多．若以
(2)式给出的质量式计算得出: K MeV K MeV T 31061084.3/102.1102.3⨯=⨯⨯⨯=-暗最小,
K T 41061032.4102.1106.3⨯=⨯⨯⨯=-暗最大, . K T 4106105.3210.21102
2.30.63⨯≈⨯⨯⨯+=-暗平均 (8) 与实验检测结果相符．暗物质不是“冰冷的宇宙”淤泥，它由0
eB U
与0e v 组成，
不是电子e 和质子+F P ；组成的．它不发光，不发射红外线． 据以上讨论可见，在冷、热暗物质之争中，热暗物质是合理的，它是高温、高密物态．与暗物质相应的暗能量则与宇宙命运密切相关，左右着宇宙演化的归宿]3[
2 宇宙中的暗能量
暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果．支持暗能量的主要证据有两个：一是对遥远的超新星所进行的观测表明，宇宙不仅在膨胀，而且与想象中的不一样，在加速膨胀． 在标准宇宙模型框架下，爱因斯坦引力场方程给出3/)3(4/'
'p G a a +-=ρπ（其中a 是宇宙标度因子，G 为引力常数，p 和ρ分别为宇宙中物质的压强和能量密度），加速膨胀0''>a 要求压强为负:3/ρ-<p 另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究，精确地测量微波背景涨落的角功率谱第一峰的位置揭示宇宙是平坦的，即宇宙中物质的总密度等于临界密度411)(1005.4eV c -⨯=ρ但是，我们知道所有的普通物质与暗物质加起来只占宇宙总物质的1/3左右，所以仍有约2/3的短缺．这一短缺的物质称为暗能量]4[，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团.最近WMAP 数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73%，其能量密度大约为43)103.2(eV -⨯.这一能标比粒子物理中的基本能标都要低，仅与中微子质量相当.意指中微子可能与暗
能量存在着某种内在的联系]5[.注意，对于通常的辐射、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙.
一种可能性是宇宙学常数，它是1917年爱因斯坦为建立一个静态的宇宙模型而引进的% 当他得知哈勃(Hubble )关于宇宙膨胀的结果后称宇宙学常数是他一生中最大的错误.值得指出，在当今宇宙学研究中宇宙学常数有深一层的意义，它包含真空能.在量子场论中“真空”是不“空”的.根据协变性要求，真空的能—动量张量正比于度规张量，等效于爱因斯坦引进的宇宙学常数.在实验测量中，二者是不可区分的.这种能量在日常的生活和科学实验中感觉不到，但却支配着宇宙的演化，驱动宇宙的加速膨胀.不过，很难从直观上想象真空的压强是负的.数学上，真空的能—动量张量正比于度规张量，它的状态方程应为1/-==ρωp 另外利用能量守恒方程，由于真空能密度是个常数，可以得到ρ-=p .但是目前量子场论的理论预言值远远大于观测值.如果认为爱因斯坦的广义相对论和粒子物理的标准模型在普朗克标度以下都是有效的话，理论计算的真空能将比观测值大12010倍.这一理论与实验的冲突即宇宙学常数问题是对当代物理学的一大挑战.
暗能量也可以是一种随时间变化的动力学场的能量.最简单的是一个具有正则动能的标量场Q ，在文献中它被称为“quintessence ”( 精质)]6[，直译为“第五元素”.在古希腊哲学中，宇宙由水、火、土、空气及第五种元素组成Quintessence 的势能形式一般写为)(Q V ，具体形式由模型而定.随着宇宙的演化，Q 场沿着由高能往低能区滚动.对于分布均匀的quintessence 场，它的能量密度和压强分别为)(2/),(2/2.2.Q V Q p Q V Q Q Q -=+=。

ρ，其中。

Q 是quintessence 场对时间的导数.如果势能函数是非常平坦的话，quintessence 场将处于慢滚阶段，满足)(2Q V Q <<。

，这样压强将取负值，驱动宇宙的加速膨胀.
3 暗能量与暗物质的相互作用—决定着宇宙未来的命运
从实物观到场的物质观是人类物质观念的第一次飞跃.从暗能量到暗物质的认识应是人类对物质观念的又一次飞跃.人类的物质观是随着科学的飞速发展而
不断深化和丰富着的.实物和场在一定条件下.既相互作用又相互转化.暗能量和暗物质在一定条件下也可以相互作用!相互转化.暗能量的排斥引力与暗物质的
吸引引力相似于分子间所存在的引力和斥力.既相互作用又相互制约!暗物质的
吸引引力推动了宇宙结构的形成’暗能量的排斥引力则推动着宇宙的加速膨胀.暗能量和暗物质是辨正的统一体!两者之间的这种相互作用"相互制约"相互转化!仿佛变幻着从无到有又从有到无的魔术.它使我们再次感悟到爱因斯坦质能方程的深刻意义.即物质和能量是密不可分的统一体.没有脱离物质的能量’也没有
不存在能量的物质’只有将物质与能量作为辨证统一体看待.才能真正认识什么是物质.才能更深刻地了解物质"空间和时间的本质.从而对宇宙的未来命运更加清晰.
参考文献：
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（susy 04），Tsukuba，Japan，17–23 Jun 2004. e–Print Archive: hep-ph/0410292
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