|
宇宙的起源和進(jìn)化是物理學(xué)研究的最基本的問題之一,。建立在廣義相對論和宇
宙學(xué)原理（即在宇宙大尺度上,，物質(zhì)的分布是高度均勻各向同性的）之上的大
爆炸宇宙模型告訴我們大約137億年前，大爆炸發(fā)生的那一刻,，宇宙處于一個
極致密,、極高溫的狀態(tài),，形成了空間和時(shí)間,，宇宙隨之誕生，并經(jīng)過膨脹,、
冷卻演化至今,。在這個過程中,，宇宙經(jīng)歷了原初輕元素合成,、光子退耦和
中性原子形成、第一代恒星形成等幾個重要的時(shí)期,，星系,、地球、空氣,、
水和生命便在這個不斷膨脹的時(shí)空里逐漸形成,。
二十世紀(jì)二十年代，天文學(xué)家哈勃從星系光譜的紅移的觀測中發(fā)現(xiàn)宇宙中
所有的星系都在彼此遠(yuǎn)離退行,，距離越遠(yuǎn),，退行速度越大，二者成正比,，
這個比例系數(shù)被稱為哈勃常數(shù),，這個規(guī)律叫哈勃定律。在此基礎(chǔ)上,，產(chǎn)生"膨
脹宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型",。二十世紀(jì)大量的天文觀測和天體物理研
究結(jié)果都證實(shí)這個模型。
去年威爾金森微波背景各向異性探測器(WMAP)和斯隆數(shù)字巡天(SDSS)天文
觀測以其對宇宙學(xué)參數(shù)的精確測量,，進(jìn)一步強(qiáng)有力地支持了這一模型,。這在
人類探索宇宙奧秘和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的道路上無疑是一個光輝的成就。WMAP的
結(jié)果告訴我們,，宇宙中普通物質(zhì)只占4%，23%的物質(zhì)為暗物質(zhì),，73%是暗能量,
SDSS 也給出類似的結(jié)果,。從物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)出發(fā)，普通的物質(zhì),，如樹木,、
桌子以及我們?nèi)祟惐旧恚?/font>是由分子、原子構(gòu)成,。然而分子,、原子不是最基本的，
目前已知的最基本的粒子是由粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的夸克和輕子以及傳遞
相互作用的粒子（如光子,，膠子等）,。北京正負(fù)電子對撞機(jī)就是系統(tǒng)地研究其
中的粲(charm)夸克和陶(tau)輕子。
什么是暗物質(zhì)呢,？暗物質(zhì)是不發(fā)光的,，但是它有顯著的引力效應(yīng)。比如,，對于
一個星系考慮距其中心遠(yuǎn)處的天體的旋轉(zhuǎn)速度,，如果物質(zhì)存在的區(qū)域和光存在
的區(qū)域是一樣的話,，由牛頓引力定律可知，距離中心越遠(yuǎn),，速度應(yīng)該越小,。
可是天文觀測事實(shí)不是這樣的，這就說明當(dāng)中有看不見的暗物質(zhì),。目前各種天
文觀測和結(jié)構(gòu)形成理論強(qiáng)有力地表明宇宙中有大約三分之一是暗物質(zhì),。中微子
是一種暗物質(zhì)粒子，但WMAP和SDSS的結(jié)果說明,，它的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)非常小,，在暗物
質(zhì)中只能占微小的比例，絕大部分應(yīng)是所謂的中性的弱作用重粒子,。它們究竟
是什么目前還不清楚,。理論物理學(xué)家猜測，它們可能是超對稱理論中的最輕的
超對稱粒子,，是穩(wěn)定的,，在宇宙演化過程中像微波背景光子一樣被遺留下來。
目前世界各國科學(xué)家,，例如中意科學(xué)家合作組DAMA實(shí)驗(yàn),，丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的
AMS實(shí)驗(yàn)，正在進(jìn)行著各種加速器和非加速器實(shí)驗(yàn),，試圖找到這種暗物質(zhì)粒子,。
暗能量是近年宇宙學(xué)研究的一個里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據(jù)
有兩個,。一是對遙遠(yuǎn)的超新星所進(jìn)行的大量觀測表明,，宇宙在加速膨脹，星系
膨脹的速度不象哈勃定律描述的那樣,，是恒定的,，而是在不斷加速。按照愛因
斯坦引力場方程,，加速膨脹的現(xiàn)象推論出宇宙中存在著壓強(qiáng)為負(fù)的"暗能量",。
另一個證據(jù)來自于近年對微波背景輻射的研究精確地測量出宇宙中物質(zhì)的總密
度。但是,，我們知道所有的普通物質(zhì)與暗物質(zhì)加起來大約只占其1/3左右,，所以
仍有約2/3的短缺。這一短缺的物質(zhì)稱為暗能量,，其基本特征是具有負(fù)壓,，在宇
宙空間中幾乎均勻分布或完全不結(jié)團(tuán)。最近WMAP數(shù)據(jù)顯示,，暗能量在宇宙中占
總物質(zhì)的73％,。值得注意的是,，對于通常的能量（輻射）、重子和冷暗物質(zhì),，
壓強(qiáng)都是非負(fù)的，所以必定存在著一種未知的負(fù)壓物質(zhì)主導(dǎo)今天的宇宙,。然而
現(xiàn)在物理學(xué)的基本理論還無法解釋觀測到的這一暗能量,。暗能量是二十一世紀(jì)
物理面臨的最大的挑戰(zhàn)。物理學(xué)對暗能量這種新類型物質(zhì)的探索才剛剛開始,。
眾說紛紜,，但僅僅是一些猜測和設(shè)想，遠(yuǎn)沒有形成一個基本合理的解釋,?？?/font>學(xué)
家正在計(jì)劃發(fā)射新的探測衛(wèi)星，對于宇宙大尺度空間進(jìn)行更多更精確更系統(tǒng)的
觀測,，進(jìn)一步研究宇宙加速膨脹的規(guī)律,，確定暗能量的形式和物理特征，不同
的暗能量形式將導(dǎo)致非常不同的宇宙膨脹的規(guī)律,。解決這一問題需要新的理論,，
這樣的理論一旦被找到，很可能是人們長期追求的包括引力在內(nèi)的各種相互作
用統(tǒng)一的量子理論,。這將是一場重大的物理學(xué)革命,。
綜上所述，研究暗物質(zhì),、暗能量這些新的問題需要將描述微觀世界的粒子物理
與描述宇觀世界的宇宙學(xué)結(jié)合起來。這一極大與極小的聯(lián)系是21世紀(jì)物理學(xué)和
天文學(xué)研究的一個新特點(diǎn),。
|
