Dark Materials-暗物质

DarkMaterials|暗物质“Forthelongesttime,wethoughtthatatomswerealltherewastotheuniverse—atomsofregularmatter,”astronomerAndrewFraknoi,ofFoothillCollege,toldCurrentScience.“Butinfact,it’snowappearingthatthat’snotthewholestory—thatthereisagreatdealof‘somethingelse.’Andthat‘somethingelse’isoneofthegreatunsolved5mysteriesoftheuniverse.”Just4percentoftheuniverseisordinarymatter,accordingtothemostrecentcalculations.Twenty-threepercentisamysterious,invisibleformofmattercalleddarkmatter.Andawhopping673percentissomethingelsesopoorlyunderstoodthatscientistssimplycallitdarkenergy.“Youcanimaginehowfrustrating7itisforastronomers,whosejobitistoknowwhat’sintheuniverse,tohavetogetupinthemorning,lookinthemirror,andsay,‘Idon’tknowwhatmostoftheuniverseismadeof,’”saysFraknoi.Spin8Rate?Ifdarkmattercan’tbeseen,howdoesanyoneknowit’sthere?Thetip-off9camedecadesagowhenastronomersnoticedsomethingveryoddaboutthemotionofthegalaxies10.Theyspinway11toofast—impossiblyfast.Galaxiesarecollectionsofmillionsorevenbillionsofstarsheldtogetherbygravityastheyrotate12.Gravityisanattractiveforcethatpullstogetherallthingsmadeofmatter.Themorematterthereis,thestrongertheforceofgravity.Whenastronomerstookcarefulstockof13allthematterinthegalaxies,theyfoundthattherewasn’tenoughofittoproducethegravitynecessarytokeepthespinninggalaxiesfromflyingapart.Thatfindingisalsotrueofourowngalaxy,theMilkyWay.“WhenweaddupallthestuffwecanseeintheMilkyWay14,therejustisn’tenoughgravityinallthevisiblematerialoftheMilkyWaytoholdthisfast-movingstufftogether,”explainsFraknoi.“Soweconcludefromthisthattheremustbemoregravitythanmeetstheeye.”Astronomersthinkthattheextragravityholdinggalaxiestogethercomesfrommatterthatcan’tbeseenordetected—darkmatter.Toprovetheexistenceofdarkmatter,however,scientistshavetofindit.Andfindingitistricky15becausenooneknowswhattolookfor.Somethinkdarkmattermightbeordinarymattertrappedinhard-to-seeplaces—perhapsinblackholesorbrowndwarfs.Othersthinkitmightbeanexotickindofmatterthatsurroundsuswithoutourevennoticingitandpassesthroughordinarymatterundetected.Althoughdarkmatterremainselusive,there’sstillgoodreasontobelieveitexists.Itsgravityisstrongenoughtobendlight,aphenomenoncalledgravitationallensing.Usingpowerfultelescopes16,astronomerscanseethetelltaledistortioncausedbydarkmatterbendinglightthatpassesthroughornearit.UniverseExpandingNotlongago,astronomersnoticedsomethingelsestrangeabouttheuniverse.Itisnotonlyexpanding—therateofitsexpansionisactuallyspeedingup.Theexpansionoftheuniversecanbeexplainedbythebigbang,theideathat13.7billionyearsago,theuniverseexplodedoutwardfromasinglepoint.“Spaceisstretching,”Fraknoisays,“liketheskinofaballoonstretcheswhenyoublowitup.”Theuniverse’sexpansionshouldbeslowingdownbecauseofgravity.Instead,it’sspeedingup—anoccurrencesobizarre17it’sasifyoutossedaballintheairandinsteadofcomingbackdown,itflewfasterandfasterupward.“Iftheuniverseisspeedingup,”saysFraknoi,“therehastobeanotherformofenergy,somethingverypowerfulthatisspeedinguptheuniverse.”Astronomershavenamedthatotherformofenergydarkenergy.Exceptforthefactthatitseemstobeakindofantigravityforcethatpushesmatterapart,noonehasanyideawhatitmightbe.Figuringoutwhatdarkenergyis,howmuchthereis,andhowitaffectstheuniverseisnosmallmatter.Theanswercouldalsosettleanongoing18debateabouttheultimate19fateoftheuniverse.Willitkeepexpandingforever—atrendknownasthebigrip20?Orwilliteventuallyslowdown,reversecourse,andcollapse—thebigcrunch21?Fraknoifindsthepuzzlesofdarkmatteranddarkenergytremendouslyexciting.“Inastronomy,it’sprettyclearthattherearefarmorethingsthatwedon’tknowthanwedoknow,”hesays.“Butifeverythingwasanswered,who’dbecomeascientist?”在自然科学课上，你们对原子已经有了全面的了解。于是你们自认为对宇宙的构成有一个清晰的概念。但你们需要重新考虑这个问题，因为宇宙似乎远比它呈现在我们眼前的更玄妙莫测。科学家们相信，我们称之为物质的东西仅占宇宙的一小部分。其余的部分是隐形的，这些东西如此奇特，以至于无人知道它为何物，连智商最高的人也无从知道。“长期以来，我们一直认为原子——常规物质的原子，是构成宇宙的全部，”山麓学院的天文学家安德鲁·弗拉克诺伊对《今日科学》说，“但事实上，现在看起来这种认识并不全面——宇宙中还存在大量的其它成分。这些‘其它成分’是有关宇宙的一大未解之谜。”据最新测算，常规物质仅占宇宙构成的4%，另有23%是一种被称为“暗物质”的神秘的隐形物质。而我们对其余高达73%的成分知之甚少，科学家们只好简称其为“暗能”。弗拉克诺伊说：“可以想象，对那些以认识宇宙为己任的天文学家来说，每天早上起来面对镜子，却不得不说：‘我不知道大部分宇宙是由什么构成的’，他们有多么沮丧。”旋转速率如果暗物质不可见的话，人们何以知道它的存在呢？这一秘密的揭示源于数十年前，天文学家们注意到星系的运动十分诡异，它们旋转的速度极快——快得不可思议。星系是由数百万甚至数十亿颗天体在旋转时因万有引力而汇聚起来的集合体。万有引力是一切物体间的相互吸引力。质量越大，引力越强。当天文学家们对星系中的物质总量进行仔细估测之后，他们发现这些物质不足以产生使旋转的星系保持聚合而不离散所必需的引力。这一发现同样适用于我们所在的星系——银河系。“我们计算银河系中所有可见物质的质量总和，发现其总量并不足以产生维系高速运行的天体所需要的引力，”弗拉克诺伊解释道，“由此我们得出结论，银河系必定存在更多未知的引力。”天文学家们认为，维系星系所需的额外引力来自于不可见或不可探测的物质——暗物质。然而，为了证明暗物质的存在，科学家们必须发现它们。但要发现它们谈何容易，因为无人清楚到底要找寻什么。一些人认为，暗物质也许就是普通物质，只是它们被困在一些难以发现的地方——也许是“黑洞”或者“褐矮星”。还有一些人认为暗物质可能是一种奇异物质，它就在我们周围，但我们毫无察觉，它能穿越普通物质而无从探测。尽管暗物质让人难以捉摸，我们仍有理由相信它的存在。它的引力大到足以使光发生弯曲，这被称为“引力透镜”现象。借助高倍望远镜，天文学家们可以看到暗物质对穿越或靠近它的光所造成的明显的扭曲变形。宇宙膨胀不久前，天文学家们发现了宇宙的又一奇怪现象。宇宙不仅在膨胀，而且事实上其膨胀的速度还在加快。宇宙的膨胀可以用“大爆炸”理论来解释。该理论认为，137亿年前，宇宙由一个点向外发生爆炸。“太空在扩展，”弗拉克诺伊说，“就像你吹气球时，球体向外膨胀一样。”由于引力的作用，宇宙的膨胀速度本应减缓，但事实上，这一过程却在加速。这种现象很反常，让你感觉如同把一只球抛向空中，它非但不落下来，反而越飞越快、越飞越高。“如果宇宙在加速膨胀，”弗拉克诺伊说，“则肯定存在另一种形式的能量，这种能量非常强大，能够加速宇宙的膨胀。”天文学家们已经将这种形式的能量命名为暗能。但除了知道它是一种使物质分离的对抗引力的力量之外，没人有更多的了解。弄清暗能是什么，其能量有多大，以及它对宇宙有何影响绝非小事。对这些问题的解答也许还能解决眼下一场有关宇宙最终命