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        泰州中學(xué)校本選修課題文本

        2016-11-11 08:43:38戴軍單蕾
        中學(xué)物理·高中 2016年10期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        戴軍 單蕾

        1從宇宙學(xué)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(gè)建立在廣義相對論基礎(chǔ)上的宇宙模型.在這個(gè)模型中,宇宙的三維空間是有限無邊的,而且不隨時(shí)間變化.以往人們認(rèn)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(gè)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(shí)間變化假定下的廣義相對論場方程:

        1.2脈動(dòng)宇宙模型

        1922年,蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼應(yīng)用不加宇宙項(xiàng)的場方程,得到了脈動(dòng)宇宙模型,這個(gè)宇宙模型隨時(shí)間變化,分為三種情況:負(fù)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(huán)往復(fù).

        1.3宇宙:正曲率,零曲率,還是負(fù)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(zhì)存在一個(gè)臨界密度ρ,如果宇宙中物質(zhì)密度ρ>ρC,則三維空間曲率為正.此外,還有另一個(gè)判據(jù),那就是減速因子.河外星系的紅移,表示它們遠(yuǎn)離我們.觀測表明它們的遠(yuǎn)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(fù)曲率的了.很不幸的是:前一個(gè)證據(jù)表明宇宙的空間曲率為正,后者表明宇宙的空間曲率為負(fù).有人認(rèn)為減速因子的觀測更為可靠,為了消除兩種判據(jù)之間的矛盾,他們作了如下假設(shè):宇宙中有我們看不見的暗物質(zhì),這樣ρ值就不準(zhǔn)了.

        2暗物質(zhì)

        2.1什么是暗物質(zhì)

        近年來通過對Ia型超新星的觀測,人們發(fā)現(xiàn)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(dòng)力來自哪?排斥效應(yīng)來自暗能量,它約占宇宙質(zhì)量的65%.發(fā)光恒星的質(zhì)量只占全宇宙質(zhì)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(zhì)量也不過占全宇宙的4%.如果中微子有質(zhì)量,會(huì)成為所謂“熱暗物質(zhì)”,也只占宇宙總質(zhì)量的約0.3%.而研究表明,宇宙中還應(yīng)該存在占宇宙總質(zhì)量29%左右的、透明的、產(chǎn)生引力效應(yīng)的未知物質(zhì).

        “冷暗物質(zhì)”冷暗物質(zhì)不與光發(fā)生相互作用.即光通過暗物質(zhì)時(shí),如入無人之境,直接穿過去,不會(huì)發(fā)生散射、折射等現(xiàn)象.

        如第一部分所述,暗物質(zhì)概念的提出,首先是因?yàn)樵谔煳挠^測中發(fā)現(xiàn)一系列和引力相關(guān)的物理效應(yīng),只能用引入存在著絕對透明的物質(zhì)的觀念才能加以解釋.也就是說:我們需要證明暗物質(zhì)存在的直接證據(jù).

        2006年,美國天文學(xué)家通過美宇航局的“錢德拉”X射線太空望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備觀測遙遠(yuǎn)星系的碰撞,發(fā)現(xiàn)了宇宙暗物質(zhì)存在的最直接證據(jù).美國天文學(xué)家小組在長達(dá)幾個(gè)月對距太陽系1億光年處“子彈星系團(tuán)”的觀測后宣布“看”到了暗物質(zhì).“子彈星系團(tuán)”實(shí)際上是兩個(gè)星系團(tuán)的碰撞、融合形成的.兩個(gè)星系團(tuán)以每小時(shí)近兩億千米的高速撞到一起,他們內(nèi)部包含的發(fā)光物質(zhì)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(tuán)中的暗物質(zhì)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(jié)果暗物質(zhì)跑到了發(fā)光物質(zhì)的前面,于是每個(gè)星系團(tuán)就分成了兩部分:暗物質(zhì)在前,發(fā)光物質(zhì)在后.

        2.2暗物質(zhì)存在的證據(jù)

        最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)存在的科學(xué)家是美國加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基.

        2006年,美國天文學(xué)家利用錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡對星系團(tuán)1E 0657-56進(jìn)行觀測,無意間觀測到星系碰撞的過程,星系團(tuán)碰撞威力之猛,使得黑暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開,因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù).

        最新發(fā)現(xiàn):美國科學(xué)家在地下廢棄鐵礦中捕獲暗物質(zhì)粒子.

        2009年12月21日據(jù)國外媒體報(bào)道,美國科學(xué)家最新實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)0.75公里深的鐵礦中存在著暗物質(zhì),強(qiáng)有力地證實(shí)了暗物質(zhì)的存在.物理學(xué)家在美國明尼蘇達(dá)州北部一個(gè)廢棄鐵礦中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì),這是迄今為止最有力的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)證據(jù).暗物質(zhì)被認(rèn)為占據(jù)宇宙90%的質(zhì)量.

        2.2引力透鏡效應(yīng)

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

        廣義相對論預(yù)言,一束光通過均勻和不均勻介質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生不同的效果.處于一個(gè)大質(zhì)量天體后方的光源,其亮度和形態(tài)都會(huì)受到放大和變形.這種“引力透鏡效應(yīng)”具有兩個(gè)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(jìn)入我們的觀測,起到“望遠(yuǎn)鏡”的作用;二是它的變形作用,使得原來背景光源發(fā)生強(qiáng)烈的扭曲,若不進(jìn)行“復(fù)原”,則會(huì)帶給我們錯(cuò)誤的信息.

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

        2.3解釋暗物質(zhì)的新理論

        單位空間(即無限分子一體積)內(nèi)產(chǎn)生物質(zhì)的概率是二分子一,產(chǎn)生的物質(zhì)叫“虛子”.為什么叫“虛子”呢?因?yàn)樗膲勖挥袩o限分之一.虛子的運(yùn)動(dòng)速度為c(光速).“超弦子”定義:相對于“虛子”的“實(shí)子”叫“超弦子”,超弦子的壽命可以達(dá)到無限.怎樣才能產(chǎn)生超弦子呢?相鄰任意個(gè)單位體積同時(shí)產(chǎn)生“虛子”,才能產(chǎn)生形狀固定的超弦子.各個(gè)虛子的速度方向是不同的,所以超弦子一產(chǎn)生就有自旋!產(chǎn)生的超弦子如果遇到其他超弦子,會(huì)有三種情況:(1)互相撞碎,同歸于盡,消失.(注:只有同時(shí)存在才能永遠(yuǎn)存在,超弦子被撞掉一點(diǎn),整個(gè)就會(huì)消失) (2)由于萬有引力和其他超弦子結(jié)合.同時(shí)改變速度和自旋?。?)不是有效撞擊,相碰后“各奔前程”,改變自旋與速度!請注意:產(chǎn)生的各種各樣的超弦子像被燒過的磚一樣,是一個(gè)整體,本身形狀已經(jīng)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(guān)于超弦子的質(zhì)量:N個(gè)單位體積產(chǎn)生的超弦子的基礎(chǔ)質(zhì)量為2的N次方.根據(jù)超弦子的對稱性大小,會(huì)增加額外的質(zhì)量.質(zhì)量越大,強(qiáng)度越大.不同的質(zhì)量對應(yīng)不同的極限速度.(注:2的N次方只是一個(gè)隨便的指數(shù),具體指數(shù)大小得由數(shù)學(xué)家去計(jì)算).黑洞就是由質(zhì)量巨大的超弦子形成的.物質(zhì)掉進(jìn)黑洞的速度是可以超光速的.現(xiàn)在說明什么是暗物質(zhì)和亮物質(zhì):超對稱的超弦子(即球狀的超弦子)叫亮物質(zhì),其他形狀的超弦子叫暗物質(zhì).暗物質(zhì)的兩個(gè)特點(diǎn):(1)不帶電荷.(2)透明(即光子可以通過).因?yàn)榘滴镔|(zhì)形狀不規(guī)則,所以形成暗物質(zhì)的概率比形成亮物質(zhì)的概率大得多,所以暗物質(zhì)比亮物質(zhì)多得多.

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