世界上最黑暗的能量（世界上最黑暗的物质）

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1、什么是黑暗能量(一种天文术语) 2、暗能量新解：黑暗的宇宙中挤满了古老恒星的“死魂灵” 3、“黑暗世界”粒子猎手：有望成为科学家发现暗物质和暗能量的线索 4、宇宙的黑暗面：未知暗能量是否超过95%？ 5、世界十三大科学“无解悬案”是哪十三个悬案 什么是黑暗能量(一种天文术语)

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问题描述:

什么是黑暗能量(一种天文术语)

解析:

NASA发现黑暗能量 宇宙不会塌毁

(2003-02-10)

美国NASA将在本星期宣布，已经证明“黑暗能量”（dark energy）的存在；该宇宙力量与重力抗衡，而且让宇宙永远扩张，不致坍缩。

英国「周日电讯报」九日报导，NASA的宣布，应能令叫学术界数十年来为宇宙当中正在作用的力量而衍生的争论止歇；另外，也能叫宇宙会因「大坍缩」（Big Crunch）而崩溃毁灭的理论，为之嘎然而止。

在过去，爱因斯坦、霍金等著名学者都认定，宇宙终究会停止扩张，然后因重力而告坍缩，宇宙当中的生命届时便会悉数毁灭。

然而，NASA的研究指出，前述的学术分析有误。该署去年一整年动用“微波异向性探测卫星”，探索宇宙深层，发现到某形态的“热点”（hot spot）；热点可证明宇宙正在膨胀。

这种现象显示，唯一可能导致宇宙膨升的黑暗能量的确存在，而宇宙膨胀的力量之快，绝不会因重力而坍毁，因此，大坍缩的机率便尔消失。

世界科学界把航太总署的此发现誉为宇宙史最最重大事件之一，而且提醒世人注意到航太总署的科学成就，不应该因为本月初“哥伦比亚号”解体爆炸的悲剧，而被轻忽抹杀。

航太总署观测结果与先前理论物理学家的计算非常吻合，即宇宙中可见物体大自银河、星辰，小至人类或细菌，其组成物质只占宇宙物质总量的5%不到，剩下的质量当中，约有30%由神秘未知的“黑暗物质”（dark matter）与65%的黑暗能量组成；黑暗能量即各大星系以不断增加的速度彼此渐行渐远的宇宙斥力。

黑暗能量挽救宇宙

宇宙将继续存在260亿年，而不会像先前科学家预计的那样在110亿年内在大爆炸中崩溃。根据黑暗能量理论（一种看不见的反作用于重力吸引的力量），科学家得出结论说宇宙在以更快的速度扩张。哈勃望远镜最新发现有数只超新星在以更快的速度远离我们，这表明宇宙在更快地膨胀，斯坦福大学的教授据此估计，宇宙的寿命会是它目前年纪的三倍，再延续240亿年是没问题的。黑暗能量会随着宇宙的扩张而增加。目前科学家对宇宙的命运众说纷纭，有的说宇宙会无限膨胀下去，有的科学家则认为宇宙不会无限扩张，将在下一次大爆炸中消失。■

[img]暗能量新解：黑暗的宇宙中挤满了古老恒星的“死魂灵”

宇宙的演化。从上到下分别为现代宇宙、宇宙年龄为当前24%时，以及宇宙年龄为当前7%时。 Volker Springel / 马克斯·普朗克天体物理研究所

宇宙的膨胀在加速，科学家却不知道它为何如此，只能假设空间本身拥有一种斥力，并冠以“暗能量”之名。暗能量的本质究竟为何众说纷纭，其中不乏有许多千奇百怪的观点。比如有人就认为，暗能量其实是恒星的“死魂灵”。

这个看法始于上世纪六十年代中期。当时一些物理学家认为，超新星爆发形成的黑洞不是真正的黑洞，而是一种“暗能量天体（Generic Objects of Dark Energy，GEODEs）”。暗能量天体和黑洞不一样，它们的内部没有奇点，而是一个暗能量核。核外是自旋层。但从外部看，它们和黑洞一般无二，甚至也和黑洞一样，会在合并的时候产生引力波。

暗能量天体和黑洞很像，实际上一直以来都难以用它来解释宇宙的膨胀。但是基于暗能量天体会从宇宙中攫取物质这一点，夏威夷大学马诺阿分校物理天文系学者Kevin Croker等科学家认为，它们的外层自旋速度会影响它们和外部世界的联系方式。暗能量天体的外层如果自旋速度很慢，它们互相靠近聚集在一起的速度会比黑洞还要快；而如果它们的外层自旋速度很快，快得接近光速，它们就会产生斥力。

假设宇宙在其年龄仅为今天2%的时候产生的大量原初恒星今天全部变成了暗能量天体，那么当这些天体在攫取其他恒星和丰富的星际气体过程中，产生了足够高的自旋速度后，它们就会产生斥力，从而导致星系之间的空间越来越大。

暗能量天体的数量与远古恒星的数量有关。它们远离现代星系，不会干扰我们对星系内恒星的观测，也不会影响我们对宇宙中星系分布情况的测量。早在现代星系形成之前，它们就已经和光明分道扬镳。它们也不会影响宇宙微波背景辐射，因为恒星是宇宙背景辐射产生上亿年后才出现的，而暗能量天体是这些古老恒星的“死魂灵”。

这一假设可能可以解释近年为什么通过不同方式测得的宇宙膨胀速度不一致。研究人员认为，暗能量天体存在的证据，可能隐藏在黑洞合并产生的引力波信号中。这些天体合并产生的引力波信号会带有奇点黑洞所没有的特征。我们可以期待未来有更好的引力波探测技术，能够对此加以识别。

“黑暗世界”粒子猎手：有望成为科学家发现暗物质和暗能量的线索

(图片：©欧洲核子研究中心)

科学家们可能有了一种新的方法来窥探物理学的“黑暗世界”。

在一篇新论文中，理论物理学家们表示，他们有了一个寻找理论粒子(这些理论粒子目前为止还没被观察到)的新计划。这些被称为长寿粒子(LLPs，long-lived particles)的粒子，可能是我们了解暗物质和暗能量的一扇窗户。暗物质和暗能量加起来占宇宙的95%，暗物质会对普通物质施加引力，而暗能量则被认为是导致宇宙膨胀加速的原因。马里兰大学博士后研究员Zhen Liu说，这两种物质都无法被直接观测到，因为它们与宇宙发光物质之间的任何相互作用都非常微弱。

Liu还是参与这项新计划的研究人员之一，他说：“我们无法观察到它们。”

但LLPs可能会为这个黑暗世界提供一种与光明世界沟通的方式。Liu和他的同事们认为，通过调整世界上最大的原子加速器——瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)的一些探测器，物理学家或许能够找到这些粒子。

平行世界

“黑暗世界”，也被称为“隐藏区”，里面描述了一组超越物理标准模型的假想粒子。(标准模型解释了质子、中子、电子以及所有伴随它们而来的奇怪亚原子粒子，如夸克、介子、中微子和希格斯玻色子。)

Liu说，如果所有这些“正常”的物质都在一个山谷里，那么黑暗世界就在一个山脊旁边的平行山谷里。要爬上那座山脊需要耗费大量的能量，所以黑暗世界粒子之间的相互作用非常强烈，但与另一边山谷里的粒子却只有轻微的相互作用。不过有些粒子可能能够通过一个叫做量子隧穿的过程，从黑暗世界里穿过这些能量屏障，进入我们通常遇到的那个光明世界。Liu说，这些粒子可能不会是与质子或中子等稳定粒子等价的暗物质粒子，反而可能更类似于更不稳定的标准模型粒子。

研究人员感兴趣的就是那些隧穿粒子。但是，芝加哥大学的理论物理学家Liantao Wang说，这些粒子是非常罕见的(如果它们存在的话)。大型强子对撞机以令人目眩的速度相互抛出质子，每秒能够产生10亿次碰撞，这些碰撞将质子粉碎成大量已知的标准模型粒子，但对于寻找“隐藏区”的科学家来说，所有这些粒子全部都是噪音，Wang说，他们感兴趣的粒子可能十年才会出现几次。

一种新方法

4月3日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的这篇新论文的作者是Wang，他和Liu以及他们的同事Jia Liu，该论文提出了一种观察这些稀有粒子的方法。

一切都取决于时机。Wang说，与大型强子对撞机大量制造的标准模型粒子相比，LLPs粒子应该是巨大而笨重的。Liu说，它们之所以缓慢是因为它们必须克服巨大的能量障碍才能来到普通物质的世界，但是它们蜗牛般的速度对物理学家来说反而是一个有用的特征。大型强子对撞机中的大多数基本粒子以光速运动并迅速衰变。例如，希格斯玻色子会在10 ^(- 22)秒内消失，衰变成一组更稳定的粒子。

不过LLPs粒子应该可以活得久一些，最多可以到0.1秒，Wang说，它们的速度也比光速慢。因此，调整大型强子对撞机的探测器，以寻找迟一点到达探测器的粒子，应该是探测到它们的关键。

Wang说，“这是一个非常简单的想法，但结果却令人惊讶地有效。”

Liu说，其中一些调整将随着大型强子对撞机的升级而自然完成，这次升级目前正在进行当中，升级完之后粒子对撞机将于2021年再次启用，届时对撞机的探测器将可以比目前更精确地测量粒子到达探测器的时间。他说，从那以后，只需要对软件进行一些调整，并确保使用对撞机的实验物理学家优先考虑搜索工作，大型强子对撞机的能力就能为研究所用。Wang和Liu说，他们现在正和他们的实验同事进行一系列的会议，以确保每个人的想法都是一致的。

“这会实现的，”Liu说。

宇宙的黑暗面：未知暗能量是否超过95%？

据国外媒体报道，宇宙的标准模型Λ-冷暗物质（简称ΛCDM）模型只用上了6个参数。这个看上去很美的模型总让人觉得有些奇怪，因为根据该模型，两种我们从未探测到的暗物质与暗能量占去了宇宙构成的95%，而对于我们生存来说最关键的普通物质只占了5%。

不久前发表在Science上的一篇文章中，来自普林斯顿大学（Princeton University）的天文学家大卫·斯伯格（David Spergel）回顾了宇宙学家们是如何一步步确定我们是生活在看不见的物质和能量中的。研究者通过观测星系、超新星以及宇宙温度等得出一个结论，认为宇宙是一个不断膨胀的均匀平面。但令人费解的是宇宙膨胀来自于一种暗能量，膨胀速度随着时间推移不断升高，抵消了重力的吸引力。斯伯格说，这个发现意味着如果你向上抛出一个球，你会发现球会不断加速朝上飞去，最后消失在视线中。

目前一些探测暗物质和暗能量的实验正在进行中，某些研究者甚至声称他们发现了暗物质粒子。当然这些研究的结果存在争议。事实上用来解释暗粒子的超对称性理论已经有了，世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机有望在未来几年里找到能够支撑这一理论的证据。

然而在斯伯格看来，更加棘手的是搞清楚暗物质以及宇宙为什么会加速。接下来的十年里，通过联机，强大的天文望远镜能在电脑上绘制宇宙的结构并追踪过去100亿年里物质在宇宙中的分布，从而为宇宙加速的起源提供新的视角。

仅靠观测是不够的，斯伯格认为想要全面的理解暗物质和宇宙加速还需要新的物理学理念，甚至是包含额外维度的全新引力理论，他说“我们需要一个像广义相对论那样深刻的新理念来解开这些谜团。”

一旦这个新理念出现了，理解宇宙的黑暗将不会遥远。

(作者：杜雪)

世界十三大科学“无解悬案”是哪十三个悬案

悬案一柯伊伯带悬崖

如果人类能够乘坐太空船飞到远离冥王星外的太阳系边缘，将可以看到一些奇怪的事情。当太空船飞过充满小行星的柯伊伯带后，将会陡然遇上一片茫茫的虚空，就好像开车驶上山顶后突然掉入悬崖一样。

天文学家将太阳系边缘的一分界点称做“柯伊伯带悬崖”，因为在那儿，太突岩石的数量突然间降低。是什么引发了这一奇异的现象？唯一的解释就是第10颗行星的存在。然而，这一行星并不是只能算做小行星的夸奥尔或塞德娜，而应该是一颗和地球或火星同样大小的星体，它的引力横扫了该地区的所有太空岩石残骸。

据美国科罗拉多州西南研究协会天文学家阿兰·斯顿称，尽管证据显示有“第10行星”的存在，然而至今却没有一个能够发现这颗“寓言”中的第10行星。

悬案二“行驱者”号的出轨怪事

“先驱者”10号探测器于1972年发射，“先驱者”11号也于一年后升空，如今两艘探测器都已永远消失在浩淼外的太空中。然而，在它们与人类最后失去联系前，科学家发现，两个探测器的运行轨道显然都背离了科学家按“万有引力”算出的轨道。科学家发现，有某种“神秘的力量”在推动或拉扯着两个探测器，从而导致它们加速飞行。尽管这一加速度非常小，然而它却足以使“先驱者”10号偏离了原先轨道40万公里，“先驱者”11号同样如此。没有人知道这是什么原因，一些可能的解释：譬如软件错误、太阳影响、燃料泄漏等都已被排除。

要解开这一谜团，唯一的方法就是再向太阳系派出一艘太空船，探测那儿是否存在不同寻常的重力影响。而这样的探测器造价将在3亿～5亿美元之间。

悬案三奇异的宇宙热平衡

我们的宇宙令人难以置信地相似，从可见宇宙的一端到另一端，科学家发现宇宙微波背景辐射在所有地方都保持相同的温度。尽管宇宙两端的距离相隔280亿光年，而我们的宇宙年龄却只有140亿年。

没有任何东西可以比光速更快，因此热辐射不可能在宇宙大爆炸后，可以以两倍光速穿越280亿光年的距离，中和宇宙中的冷点和热点，达到现在的热平衡。

对于宇宙学家来说，宇宙视界问题是一个巨大的头痛问题。科学家怀疑，也许宇宙在某一时间曾经超速膨胀过，剑桥大学天文学家马丁·里斯说：“宇宙超速膨胀也许可以解释这一现象，但没有人知道宇宙为什么会超速膨胀。”结果只能是一个问题没解决，反而又引发另一个悬案。

悬案四不应该存在的宇宙射线

10几年来，日本物理学家观测到了一些根本不应该存在的宇宙射线。宇宙射线是同粒子——主要是质子以及一些重原子核组成的，它们以接近光速的速度穿过宇宙。地球上能够探测到的宇宙射线，大多来自一些特别事件，譬如超新星爆炸等。宇宙射线粒子穿越太空后，将会与遍布宇宙的低能量光子互相碰撞，从而渐渐丧失能量。根据爱因斯坦的狭义相对论，银河系外的宇宙射线抵达地球时，由于路上遭遇太多的碰撞，它们的最大能量将只有5乘以10的19次方电子伏特，这一现象被称做“GXK限制”。

然而在过去的10年中，日本东京大学的科学家通过遍布100平方公里内的111个粒子探测器（AGASA探测网），探测到了好几次突破“GZK限制”的宇宙射线。从理论上来说，这些宇宙射线只能来自银河系内，但科学家却无法找到它们的银河系来源。

一种可能是，AGASA的探测结果是错误的；另一种可能是，爱因斯坦是错误的。为了解决这一疑问，科学家在阿根廷门多萨展开了另一项实验，准备用遍布3000平方公里的1600个粒子探测器对宇宙射线进行探测，以图解开这一宇宙之谜。

悬案五黑暗物质

上世纪70年代末，美国天文学家维拉·鲁宾发现银河系的一个不规则现象： 根据重力法则，银河系应该早就土崩瓦解。银河群星之所以围绕一个中心点旋转，是因为相互的重力吸引产生出了一个向心力。然而，银河系的可见物质质量根本不足以产生这样巨大的向心力。这就意味着银河系还存在着一些肉眼看不见的“黑暗物质”。

科学家进而断定，宇宙中的90％都是由黑暗物质组成的，然而黑暗物质到底是什么，目前没有一个科学家回答得出来。据美国天文学家维拉·鲁宾称，如果让他选，他更愿意相信牛顿力学存在问题，也不愿意相信宇宙中存在一些看不见的黑暗粒子。

悬案六黑暗能量

黑暗能量是物理学上最著名、最令人困惑的问题之一。根据万有引力，宇宙膨胀将会减速，然而1998年两组美国天文学家在测量一批超新星的飞离速度和距离时，不约而同地得出同一个惊人结果：宇宙膨胀不仅没有减速，相反正在加速！也就是说，宇宙除了万有引力外，必定还存在一种更强的斥力，科学家将其称之为“真空斥力”，对应的能量就被称为“黑暗能量”，这一发现被《科学》杂志列为1998年最重要的科学发现之一。

然而，黑暗能量究竟是如何产生的？与黑暗物质有何关系？它们遵从什么样的物理定律？科学家至今一无所知。

悬案七“海盗”号发现的火星甲烷

1976年7月20日，“海盗”号火星探测器登陆火星，它上面装有美国科学家吉尔伯特·列文的生命探测设备，科学家们一致同意，如果列文的科学仪器在火星泥土中探测到含有碳14的甲烷辐射，那么火星上就一定存在着生命。“海盗”号的探测结果让人振奋，它从火星表面铲出了一些混有碳14养分的土壤，探测结果显示，有某种火星生物摄下了这种土壤养分，消化后排出了含有碳14的甲烷气体。

然而，“海盗”号火星探测器上也装着另一个探测有机分子的设备，该设备却显示火星上没有任何生命信号。许多NASA科学家开始对列文的探测仪器表示怀疑，认为它产生的也许是一个错误数据。争吵持续了近30年，直到“机遇”号、“勇气”号也飞上了火星，这一争议仍在持续。

悬案八：不可能存在的粒子

6年前，一台法国粒子加速器探测到了6个绝不应该存在的粒子，他们被称作“四中子”，因为它们是由4个中子以不符合任何已知的物理学法则束缚在一起的。法国科学家弗朗西斯科·马库斯和同事们，如今又在法国卡昂的加尼尔粒子加速器上准备再次进行这一实验，如果他们成功，这些粒子的存在将彻底改写物理学定律。

据悉，马库斯的研究小组曾将铍原子核射向碳目标，科学家本来期望看到4个单独的中子撞击他们的粒子探测器，然后他们只发现了一道闪光，那道闪光的能量显示，4个中子同时抵达了探测器的同一个地点。这种巧合几乎是不可能的，唯一的解释是，4个中子合成了一个物质“四中子”，直接进入了粒子探测器。然而，“四中子”的存在又违反了现存的所有物理学法则，因此，马库斯只能将研究数据埋进故纸堆中，等待将来再次在实验中发现“四中子”存在的可能性。

悬案九：来自人马座的外星信号

这是一个从外太空传来的长达37秒钟的无线信号。当它在1977年8月15日被美国俄亥俄州立射电望远镜“大耳朵”接收到时，俄亥俄州立大学天文学家杰里·埃曼发出了“喔”的惊叫声。

这一信号来自人马座方向，采用的是大约1420兆赫的辐射脉冲，它显然不是星球的热辐射产生的，在人马座方向最近的恒星也有220光年远，如果这一无线信号真是从那儿发出，那么那儿一定发生了某种强有力的天文学事件，或者是某个外星文明采用了一架超强力发射机发射而来的信号。

尽管理论很多，但28年来并没有人能令人信服地解释这一天外信号的来源，埃曼说：“直到现在，我仍在等人对这一信号作出合理的解释。”

悬案十：室温下的“冷聚变”反应

与高温核聚变不同，冷聚变指的是在室温下可以实现的聚变反应。“冷聚变”的概念最早是1989年由美国犹他州大学研究人员马丁·弗莱斯奇曼和斯坦利·彭斯提出来的，当时他俩据称在室温下成功进行了冷聚变实验，在科学界引发了轩然大波。然而，由于后来的实验小组大多无法重复其实验，导致这一问题成了一个大有争议的话题。

在过去的10多年中，美国海军实验室进行过超过200次实验，试图证明通常只在恒星内部才能进行的核聚变反应可以在室温下发生，因为一旦冷聚变被证实可行，那么世界上的大多数能源问题将迎刃而解。由于美国能源部的第一份报告认为，彭斯等人的“冷聚变”实验是不可能重复实现的，因此冷聚变并不可信。不过在科学界，仍有众多研究者——“冷聚变”的信徒，因此有关冷聚变的争议至今仍未有定案。

悬案十一：变化的光速和“宇宙常数”

1997年，澳大利亚悉尼新南威尔士大学天文学家约翰·威伯和他的研究小组在分析从遥远的类星体抵达地球的光线时，发现类星体光线在抵达地球的120亿年过程中，吸收的星际云团光子类型不符合现有物理理论的推测。导致这一差异的产生只有两种解释：一是电子发生了变化，二是光的速度发生了变化。但是现代物理学的两条珍贵的宇宙法则是：一、电子电荷不会改变，二、光速也不会改变。因此科学家陷入了困境，任何选择都将颠覆现有的物理学基础。考虑到电子电荷改变将违反神圣的热力学第二定律，科学家决定挑战光速为常量的理论。

澳大利亚理论物理学家保罗·戴维斯认为，在数十亿年的过程中，光的速度可能减慢了少许。如果这一观点被证实，那么宇宙的许多基本理论都将随之改写。戴维斯说：“这意味着我们将放弃相对论和E＝MC2等相关的一切东西。”

澳洲天文学家威伯认为，决定宇宙基本构造的精细结构常数（阿尔法常数）可能也非“常数”；而阿尔法常数一旦变动，整个物理学的支柱都将彻底动摇。

悬案十二：神奇的“安慰剂效应”

医学家在实验中发现，当对一名病痛患者注射吗啡后，病人的疼痛会立即减轻。几天后，当医生再次给病人注射吗啡止痛时，他悄悄将吗啡换成盐水为病人注射，这时奇迹出现了，尽管注射的是盐水，但毫不知情的病人仍然感到痛苦大为减轻。这就是所谓的“安慰剂效应”。

然而这还不是最惊人的事，意大利都林大学医学专家法布里兹奥·比尼迪蒂随后又做了另一个实验，他将一种“吗啡失效药”纳洛酮加入到盐水溶液中，继续给病人注射，令人惊讶的是，盐水的“减痛效果”竟奇迹般地消失了，尽管纳洛酮跟盐水不会产生任何“抵抗反应”。虽然科学界了解“安慰剂效应”已有数十年，但意大利科学家的纳洛酮实验显示，“安慰剂效应”并不仅仅是心理因素，其中还有某种不为人知的生物化学因素在内。

悬案十三：真理还是谎言：水会有记忆？

在医学术语中有一种疗法叫“同种疗法”，据称将一种化学药物用水进行稀释，稀释到一杯水中最后没有任何该药物的化学分子，但这杯水仍有治疗效果，因为这杯水已经对该化学药物具有了某种“记忆”。这种疗法最初是由土医们提出的，他们将木炭、致命药草或蜘蛛毒液加入酒精中，随后用水对混合液一遍遍稀释，直到稀释物只剩下纯水。同种疗法医师称，最初的药物已将信息留在了水分子中，因此，不管溶液被稀释得多淡，它都含有药物分子的信息。

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