泰州中學校本選修課題文本

戴軍　單蕾

1從宇宙學講起

1.1愛因斯坦的靜止宇宙模型

愛因斯坦1917年提出一個建立在廣義相對論基礎上的宇宙模型.在這個模型中，宇宙的三維空間是有限無邊的，而且不隨時間變化.以往人們認為有限就是有邊，無限就是無邊，這是局限在歐氏空間.球面就是一個二維的有限無邊空間.而我們居住的宇宙是三維超球面空間.

愛因斯坦寫出了在空間各向同性、且不隨時間變化假定下的廣義相對論場方程：

1.2脈動宇宙模型

1922年，蘇聯數學家弗里德曼應用不加宇宙項的場方程，得到了脈動宇宙模型，這個宇宙模型隨時間變化，分為三種情況：負曲率、零曲率、正曲率的三維空間.其中前兩種情況，宇宙不停膨脹.后一種情況，宇宙先膨脹，后收縮，再膨脹，循環往復.

1.3宇宙：正曲率，零曲率，還是負曲率？

我們的宇宙到底屬于以上情況的哪一種呢？廣義相對論研究表明：宇宙中的物質存在一個臨界密度ρ，如果宇宙中物質密度ρ>ρC，則三維空間曲率為正.此外，還有另一個判據，那就是減速因子.河外星系的紅移，表示它們遠離我們.觀測表明它們的遠離速度是減慢的.如果減速因子g大于12，三維空間曲率將是正.

看起來我們能知道宇宙究竟是正曲率還是負曲率的了.很不幸的是：前一個證據表明宇宙的空間曲率為正，后者表明宇宙的空間曲率為負.有人認為減速因子的觀測更為可靠，為了消除兩種判據之間的矛盾，他們作了如下假設：宇宙中有我們看不見的暗物質，這樣ρ值就不準了.

2暗物質

2.1什么是暗物質

近年來通過對Ia型超新星的觀測，人們發現從60億年前宇宙開始加速膨脹.這很匪夷所思.加速膨脹的動力來自哪？排斥效應來自暗能量，它約占宇宙質量的65%.發光恒星的質量只占全宇宙質量的0.5%左右，那些由普通重子形成的氣體、塵埃甚至黑洞，總質量也不過占全宇宙的4%.如果中微子有質量，會成為所謂“熱暗物質”，也只占宇宙總質量的約0.3%.而研究表明，宇宙中還應該存在占宇宙總質量29%左右的、透明的、產生引力效應的未知物質.

“冷暗物質”冷暗物質不與光發生相互作用.即光通過暗物質時，如入無人之境，直接穿過去，不會發生散射、折射等現象.

如第一部分所述，暗物質概念的提出，首先是因為在天文觀測中發現一系列和引力相關的物理效應，只能用引入存在著絕對透明的物質的觀念才能加以解釋.也就是說：我們需要證明暗物質存在的直接證據.

2006年，美國天文學家通過美宇航局的“錢德拉”X射線太空望遠鏡等設備觀測遙遠星系的碰撞，發現了宇宙暗物質存在的最直接證據.美國天文學家小組在長達幾個月對距太陽系1億光年處“子彈星系團”的觀測后宣布“看”到了暗物質.“子彈星系團”實際上是兩個星系團的碰撞、融合形成的.兩個星系團以每小時近兩億千米的高速撞到一起，他們內部包含的發光物質由于相互之間存在除引力之外的其他作用力，在相互擠壓過程中速度減慢了.但是兩星系團中的暗物質之間沒有這種作用力，它們并不減速，而是暢行無阻的直接穿過對方.結果暗物質跑到了發光物質的前面，于是每個星系團就分成了兩部分：暗物質在前，發光物質在后.

2.2暗物質存在的證據

最早提出證據并推斷暗物質存在的科學家是美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基.

2006年，美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得黑暗物質與正常物質分開，因此發現了暗物質存在的直接證據.

最新發現：美國科學家在地下廢棄鐵礦中捕獲暗物質粒子.

2009年12月21日據國外媒體報道，美國科學家最新實驗發現0.75公里深的鐵礦中存在著暗物質，強有力地證實了暗物質的存在.物理學家在美國明尼蘇達州北部一個廢棄鐵礦中發現暗物質，這是迄今為止最有力的發現暗物質證據.暗物質被認為占據宇宙90%的質量.

2.2引力透鏡效應

我們很想知道，天文學家究竟是怎樣探測暗物質是否存在的.大體上有：（1）星團、X射線方法；（2）大尺度結構觀測；（3）直接觀測；（4）引力透鏡效應方法.我想簡單介紹下引力透鏡效應.

廣義相對論預言，一束光通過均勻和不均勻介質將會產生不同的效果.處于一個大質量天體后方的光源，其亮度和形態都會受到放大和變形.這種“引力透鏡效應”具有兩個基本的特征：一是它的放大作用，使得宇宙深處較暗天體得以增亮進入我們的觀測，起到“望遠鏡”的作用；二是它的變形作用，使得原來背景光源發生強烈的扭曲，若不進行“復原”，則會帶給我們錯誤的信息.

而引起引力透鏡效應的是透鏡天體的引力質量作用，它在概念上不同于動力學質量，它既包括發光物質的貢獻，也包括不可視物質的貢獻.通過引力透鏡質量與發光物質的質量的比較，可以直接給出暗物質的分布特性及質量.簡單來說，引力透鏡效應就是宇宙中的“海市蜃樓”.

2.3解釋暗物質的新理論

單位空間（即無限分子一體積）內產生物質的概率是二分子一，產生的物質叫“虛子”.為什么叫“虛子”呢？因為它的壽命只有無限分之一.虛子的運動速度為c（光速）.“超弦子”定義：相對于“虛子”的“實子”叫“超弦子”，超弦子的壽命可以達到無限.怎樣才能產生超弦子呢？相鄰任意個單位體積同時產生“虛子”，才能產生形狀固定的超弦子.各個虛子的速度方向是不同的，所以超弦子一產生就有自旋！產生的超弦子如果遇到其他超弦子，會有三種情況：（1）互相撞碎，同歸于盡，消失.（注：只有同時存在才能永遠存在，超弦子被撞掉一點，整個就會消失） （2）由于萬有引力和其他超弦子結合.同時改變速度和自旋！（3）不是有效撞擊，相碰后“各奔前程”，改變自旋與速度！請注意：產生的各種各樣的超弦子像被燒過的磚一樣，是一個整體，本身形狀已經不能改變.一維的超弦子不能存在，二維同理，所以超弦子是三維的.關于超弦子的質量：N個單位體積產生的超弦子的基礎質量為2的N次方.根據超弦子的對稱性大小，會增加額外的質量.質量越大，強度越大.不同的質量對應不同的極限速度.（注：2的N次方只是一個隨便的指數，具體指數大小得由數學家去計算）.黑洞就是由質量巨大的超弦子形成的.物質掉進黑洞的速度是可以超光速的.現在說明什么是暗物質和亮物質：超對稱的超弦子（即球狀的超弦子）叫亮物質，其他形狀的超弦子叫暗物質.暗物質的兩個特點：（1）不帶電荷.（2）透明（即光子可以通過）.因為暗物質形狀不規則，所以形成暗物質的概率比形成亮物質的概率大得多，所以暗物質比亮物質多得多.