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1、什么是黑暗能量(一種天文術語) 2、暗能量新解：黑暗的宇宙中擠滿了古老恒星的“死魂靈” 3、“黑暗世界”粒子獵手：有望成為科學家發現暗物質和暗能量的線索 4、宇宙的黑暗面：未知暗能量是否超過95%？ 5、世界十三大科學“無解懸案”是哪十三個懸案 什么是黑暗能量(一種天文術語)

分類: 教育/科學 學習幫助

問題描述:

什么是黑暗能量(一種天文術語)

解析:

NASA發現黑暗能量 宇宙不會塌毀

(2003-02-10)

美國NASA將在本星期宣布，已經證明“黑暗能量”（dark energy）的存在；該宇宙力量與重力抗衡，而且讓宇宙永遠擴張，不致坍縮。

英國「周日電訊報」九日報導，NASA的宣布，應能令叫學術界數十年來為宇宙當中正在作用的力量而衍生的爭論止歇；另外，也能叫宇宙會因「大坍縮」（Big Crunch）而崩潰毀滅的理論，為之嘎然而止。

在過去，愛因斯坦、霍金等著名學者都認定，宇宙終究會停止擴張，然后因重力而告坍縮，宇宙當中的生命屆時便會悉數毀滅。

然而，NASA的研究指出，前述的學術分析有誤。該署去年一整年動用“微波異向性探測衛星”，探索宇宙深層，發現到某形態的“熱點”（hot spot）；熱點可證明宇宙正在膨脹。

這種現象顯示，唯一可能導致宇宙膨升的黑暗能量的確存在，而宇宙膨脹的力量之快，絕不會因重力而坍毀，因此，大坍縮的機率便爾消失。

世界科學界把航太總署的此發現譽為宇宙史最最重大事件之一，而且提醒世人注意到航太總署的科學成就，不應該因為本月初“哥倫比亞號”解體爆炸的悲劇，而被輕忽抹殺。

航太總署觀測結果與先前理論物理學家的計算非常吻合，即宇宙中可見物體大自銀河、星辰，小至人類或細菌，其組成物質只占宇宙物質總量的5%不到，剩下的質量當中，約有30%由神秘未知的“黑暗物質”（dark matter）與65%的黑暗能量組成；黑暗能量即各大星系以不斷增加的速度彼此漸行漸遠的宇宙斥力。

黑暗能量挽救宇宙

宇宙將繼續存在260億年，而不會像先前科學家預計的那樣在110億年內在大爆炸中崩潰。根據黑暗能量理論（一種看不見的反作用于重力吸引的力量），科學家得出結論說宇宙在以更快的速度擴張。哈勃望遠鏡最新發現有數只超新星在以更快的速度遠離我們，這表明宇宙在更快地膨脹，斯坦福大學的教授據此估計，宇宙的壽命會是它目前年紀的三倍，再延續240億年是沒問題的。黑暗能量會隨著宇宙的擴張而增加。目前科學家對宇宙的命運眾說紛紜，有的說宇宙會無限膨脹下去，有的科學家則認為宇宙不會無限擴張，將在下一次大爆炸中消失。■

[img]暗能量新解：黑暗的宇宙中擠滿了古老恒星的“死魂靈”

宇宙的演化。從上到下分別為現代宇宙、宇宙年齡為當前24%時，以及宇宙年齡為當前7%時。 Volker Springel / 馬克斯·普朗克天體物理研究所

宇宙的膨脹在加速，科學家卻不知道它為何如此，只能假設空間本身擁有一種斥力，并冠以“暗能量”之名。暗能量的本質究竟為何眾說紛紜，其中不乏有許多千奇百怪的觀點。比如有人就認為，暗能量其實是恒星的“死魂靈”。

這個看法始于上世紀六十年代中期。當時一些物理學家認為，超新星爆發形成的黑洞不是真正的黑洞，而是一種“暗能量天體（Generic Objects of Dark Energy，GEODEs）”。暗能量天體和黑洞不一樣，它們的內部沒有奇點，而是一個暗能量核。核外是自旋層。但從外部看，它們和黑洞一般無二，甚至也和黑洞一樣，會在合并的時候產生引力波。

暗能量天體和黑洞很像，實際上一直以來都難以用它來解釋宇宙的膨脹。但是基于暗能量天體會從宇宙中攫取物質這一點，夏威夷大學馬諾阿分校物理天文系學者Kevin Croker等科學家認為，它們的外層自旋速度會影響它們和外部世界的聯系方式。暗能量天體的外層如果自旋速度很慢，它們互相靠近聚集在一起的速度會比黑洞還要快；而如果它們的外層自旋速度很快，快得接近光速，它們就會產生斥力。

假設宇宙在其年齡僅為今天2%的時候產生的大量原初恒星今天全部變成了暗能量天體，那么當這些天體在攫取其他恒星和豐富的星際氣體過程中，產生了足夠高的自旋速度后，它們就會產生斥力，從而導致星系之間的空間越來越大。

暗能量天體的數量與遠古恒星的數量有關。它們遠離現代星系，不會干擾我們對星系內恒星的觀測，也不會影響我們對宇宙中星系分布情況的測量。早在現代星系形成之前，它們就已經和光明分道揚鑣。它們也不會影響宇宙微波背景輻射，因為恒星是宇宙背景輻射產生上億年后才出現的，而暗能量天體是這些古老恒星的“死魂靈”。

這一假設可能可以解釋近年為什么通過不同方式測得的宇宙膨脹速度不一致。研究人員認為，暗能量天體存在的證據，可能隱藏在黑洞合并產生的引力波信號中。這些天體合并產生的引力波信號會帶有奇點黑洞所沒有的特征。我們可以期待未來有更好的引力波探測技術，能夠對此加以識別。

“黑暗世界”粒子獵手：有望成為科學家發現暗物質和暗能量的線索

(圖片：?歐洲核子研究中心)

科學家們可能有了一種新的方法來窺探物理學的“黑暗世界”。

在一篇新論文中，理論物理學家們表示，他們有了一個尋找理論粒子(這些理論粒子目前為止還沒被觀察到)的新計劃。這些被稱為長壽粒子(LLPs，long-lived particles)的粒子，可能是我們了解暗物質和暗能量的一扇窗戶。暗物質和暗能量加起來占宇宙的95%，暗物質會對普通物質施加引力，而暗能量則被認為是導致宇宙膨脹加速的原因。馬里蘭大學博士后研究員Zhen Liu說，這兩種物質都無法被直接觀測到，因為它們與宇宙發光物質之間的任何相互作用都非常微弱。

Liu還是參與這項新計劃的研究人員之一，他說：“我們無法觀察到它們。”

但LLPs可能會為這個黑暗世界提供一種與光明世界溝通的方式。Liu和他的同事們認為，通過調整世界上最大的原子加速器——瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機(LHC)的一些探測器，物理學家或許能夠找到這些粒子。

平行世界

“黑暗世界”，也被稱為“隱藏區”，里面描述了一組超越物理標準模型的假想粒子。(標準模型解釋了質子、中子、電子以及所有伴隨它們而來的奇怪亞原子粒子，如夸克、介子、中微子和希格斯玻色子。)

Liu說，如果所有這些“正常”的物質都在一個山谷里，那么黑暗世界就在一個山脊旁邊的平行山谷里。要爬上那座山脊需要耗費大量的能量，所以黑暗世界粒子之間的相互作用非常強烈，但與另一邊山谷里的粒子卻只有輕微的相互作用。不過有些粒子可能能夠通過一個叫做量子隧穿的過程，從黑暗世界里穿過這些能量屏障，進入我們通常遇到的那個光明世界。Liu說，這些粒子可能不會是與質子或中子等穩定粒子等價的暗物質粒子，反而可能更類似于更不穩定的標準模型粒子。

研究人員感興趣的就是那些隧穿粒子。但是，芝加哥大學的理論物理學家Liantao Wang說，這些粒子是非常罕見的(如果它們存在的話)。大型強子對撞機以令人目眩的速度相互拋出質子，每秒能夠產生10億次碰撞，這些碰撞將質子粉碎成大量已知的標準模型粒子，但對于尋找“隱藏區”的科學家來說，所有這些粒子全部都是噪音，Wang說，他們感興趣的粒子可能十年才會出現幾次。

一種新方法

4月3日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的這篇新論文的作者是Wang，他和Liu以及他們的同事Jia Liu，該論文提出了一種觀察這些稀有粒子的方法。

一切都取決于時機。Wang說，與大型強子對撞機大量制造的標準模型粒子相比，LLPs粒子應該是巨大而笨重的。Liu說，它們之所以緩慢是因為它們必須克服巨大的能量障礙才能來到普通物質的世界，但是它們蝸牛般的速度對物理學家來說反而是一個有用的特征。大型強子對撞機中的大多數基本粒子以光速運動并迅速衰變。例如，希格斯玻色子會在10 ^(- 22)秒內消失，衰變成一組更穩定的粒子。

不過LLPs粒子應該可以活得久一些，最多可以到0.1秒，Wang說，它們的速度也比光速慢。因此，調整大型強子對撞機的探測器，以尋找遲一點到達探測器的粒子，應該是探測到它們的關鍵。

Wang說，“這是一個非常簡單的想法，但結果卻令人驚訝地有效。”

Liu說，其中一些調整將隨著大型強子對撞機的升級而自然完成，這次升級目前正在進行當中，升級完之后粒子對撞機將于2021年再次啟用，屆時對撞機的探測器將可以比目前更精確地測量粒子到達探測器的時間。他說，從那以后，只需要對軟件進行一些調整，并確保使用對撞機的實驗物理學家優先考慮搜索工作，大型強子對撞機的能力就能為研究所用。Wang和Liu說，他們現在正和他們的實驗同事進行一系列的會議，以確保每個人的想法都是一致的。

“這會實現的，”Liu說。

宇宙的黑暗面：未知暗能量是否超過95%？

據國外媒體報道，宇宙的標準模型Λ-冷暗物質（簡稱ΛCDM）模型只用上了6個參數。這個看上去很美的模型總讓人覺得有些奇怪，因為根據該模型，兩種我們從未探測到的暗物質與暗能量占去了宇宙構成的95%，而對于我們生存來說最關鍵的普通物質只占了5%。

不久前發表在Science上的一篇文章中，來自普林斯頓大學（Princeton University）的天文學家大衛·斯伯格（David Spergel）回顧了宇宙學家們是如何一步步確定我們是生活在看不見的物質和能量中的。研究者通過觀測星系、超新星以及宇宙溫度等得出一個結論，認為宇宙是一個不斷膨脹的均勻平面。但令人費解的是宇宙膨脹來自于一種暗能量，膨脹速度隨著時間推移不斷升高，抵消了重力的吸引力。斯伯格說，這個發現意味著如果你向上拋出一個球，你會發現球會不斷加速朝上飛去，最后消失在視線中。

目前一些探測暗物質和暗能量的實驗正在進行中，某些研究者甚至聲稱他們發現了暗物質粒子。當然這些研究的結果存在爭議。事實上用來解釋暗粒子的超對稱性理論已經有了，世界上最強大的粒子加速器——大型強子對撞機有望在未來幾年里找到能夠支撐這一理論的證據。

然而在斯伯格看來，更加棘手的是搞清楚暗物質以及宇宙為什么會加速。接下來的十年里，通過聯機，強大的天文望遠鏡能在電腦上繪制宇宙的結構并追蹤過去100億年里物質在宇宙中的分布，從而為宇宙加速的起源提供新的視角。

僅靠觀測是不夠的，斯伯格認為想要全面的理解暗物質和宇宙加速還需要新的物理學理念，甚至是包含額外維度的全新引力理論，他說“我們需要一個像廣義相對論那樣深刻的新理念來解開這些謎團。”

一旦這個新理念出現了，理解宇宙的黑暗將不會遙遠。

(作者：杜雪)

世界十三大科學“無解懸案”是哪十三個懸案

懸案一柯伊伯帶懸崖

如果人類能夠乘坐太空船飛到遠離冥王星外的太陽系邊緣，將可以看到一些奇怪的事情。當太空船飛過充滿小行星的柯伊伯帶后，將會陡然遇上一片茫茫的虛空，就好像開車駛上山頂后突然掉入懸崖一樣。

天文學家將太陽系邊緣的一分界點稱做“柯伊伯帶懸崖”，因為在那兒，太突巖石的數量突然間降低。是什么引發了這一奇異的現象？唯一的解釋就是第10顆行星的存在。然而，這一行星并不是只能算做小行星的夸奧爾或塞德娜，而應該是一顆和地球或火星同樣大小的星體，它的引力橫掃了該地區的所有太空巖石殘骸。

據美國科羅拉多州西南研究協會天文學家阿蘭·斯頓稱，盡管證據顯示有“第10行星”的存在，然而至今卻沒有一個能夠發現這顆“寓言”中的第10行星。

懸案二“行驅者”號的出軌怪事

“先驅者”10號探測器于1972年發射，“先驅者”11號也于一年后升空，如今兩艘探測器都已永遠消失在浩淼外的太空中。然而，在它們與人類最后失去聯系前，科學家發現，兩個探測器的運行軌道顯然都背離了科學家按“萬有引力”算出的軌道。科學家發現，有某種“神秘的力量”在推動或拉扯著兩個探測器，從而導致它們加速飛行。盡管這一加速度非常小，然而它卻足以使“先驅者”10號偏離了原先軌道40萬公里，“先驅者”11號同樣如此。沒有人知道這是什么原因，一些可能的解釋：譬如軟件錯誤、太陽影響、燃料泄漏等都已被排除。

要解開這一謎團，唯一的方法就是再向太陽系派出一艘太空船，探測那兒是否存在不同尋常的重力影響。而這樣的探測器造價將在3億～5億美元之間。

懸案三奇異的宇宙熱平衡

我們的宇宙令人難以置信地相似，從可見宇宙的一端到另一端，科學家發現宇宙微波背景輻射在所有地方都保持相同的溫度。盡管宇宙兩端的距離相隔280億光年，而我們的宇宙年齡卻只有140億年。

沒有任何東西可以比光速更快，因此熱輻射不可能在宇宙大爆炸后，可以以兩倍光速穿越280億光年的距離，中和宇宙中的冷點和熱點，達到現在的熱平衡。

對于宇宙學家來說，宇宙視界問題是一個巨大的頭痛問題。科學家懷疑，也許宇宙在某一時間曾經超速膨脹過，劍橋大學天文學家馬丁·里斯說：“宇宙超速膨脹也許可以解釋這一現象，但沒有人知道宇宙為什么會超速膨脹。”結果只能是一個問題沒解決，反而又引發另一個懸案。

懸案四不應該存在的宇宙射線

10幾年來，日本物理學家觀測到了一些根本不應該存在的宇宙射線。宇宙射線是同粒子——主要是質子以及一些重原子核組成的，它們以接近光速的速度穿過宇宙。地球上能夠探測到的宇宙射線，大多來自一些特別事件，譬如超新星爆炸等。宇宙射線粒子穿越太空后，將會與遍布宇宙的低能量光子互相碰撞，從而漸漸喪失能量。根據愛因斯坦的狹義相對論，銀河系外的宇宙射線抵達地球時，由于路上遭遇太多的碰撞，它們的最大能量將只有5乘以10的19次方電子伏特，這一現象被稱做“GXK限制”。

然而在過去的10年中，日本東京大學的科學家通過遍布100平方公里內的111個粒子探測器（AGASA探測網），探測到了好幾次突破“GZK限制”的宇宙射線。從理論上來說，這些宇宙射線只能來自銀河系內，但科學家卻無法找到它們的銀河系來源。

一種可能是，AGASA的探測結果是錯誤的；另一種可能是，愛因斯坦是錯誤的。為了解決這一疑問，科學家在阿根廷門多薩展開了另一項實驗，準備用遍布3000平方公里的1600個粒子探測器對宇宙射線進行探測，以圖解開這一宇宙之謎。

懸案五黑暗物質

上世紀70年代末，美國天文學家維拉·魯賓發現銀河系的一個不規則現象： 根據重力法則，銀河系應該早就土崩瓦解。銀河群星之所以圍繞一個中心點旋轉，是因為相互的重力吸引產生出了一個向心力。然而，銀河系的可見物質質量根本不足以產生這樣巨大的向心力。這就意味著銀河系還存在著一些肉眼看不見的“黑暗物質”。

科學家進而斷定，宇宙中的90％都是由黑暗物質組成的，然而黑暗物質到底是什么，目前沒有一個科學家回答得出來。據美國天文學家維拉·魯賓稱，如果讓他選，他更愿意相信牛頓力學存在問題，也不愿意相信宇宙中存在一些看不見的黑暗粒子。

懸案六黑暗能量

黑暗能量是物理學上最著名、最令人困惑的問題之一。根據萬有引力，宇宙膨脹將會減速，然而1998年兩組美國天文學家在測量一批超新星的飛離速度和距離時，不約而同地得出同一個驚人結果：宇宙膨脹不僅沒有減速，相反正在加速！也就是說，宇宙除了萬有引力外，必定還存在一種更強的斥力，科學家將其稱之為“真空斥力”，對應的能量就被稱為“黑暗能量”，這一發現被《科學》雜志列為1998年最重要的科學發現之一。

然而，黑暗能量究竟是如何產生的？與黑暗物質有何關系？它們遵從什么樣的物理定律？科學家至今一無所知。

懸案七“海盜”號發現的火星甲烷

1976年7月20日，“海盜”號火星探測器登陸火星，它上面裝有美國科學家吉爾伯特·列文的生命探測設備，科學家們一致同意，如果列文的科學儀器在火星泥土中探測到含有碳14的甲烷輻射，那么火星上就一定存在著生命。“海盜”號的探測結果讓人振奮，它從火星表面鏟出了一些混有碳14養分的土壤，探測結果顯示，有某種火星生物攝下了這種土壤養分，消化后排出了含有碳14的甲烷氣體。

然而，“海盜”號火星探測器上也裝著另一個探測有機分子的設備，該設備卻顯示火星上沒有任何生命信號。許多NASA科學家開始對列文的探測儀器表示懷疑，認為它產生的也許是一個錯誤數據。爭吵持續了近30年，直到“機遇”號、“勇氣”號也飛上了火星，這一爭議仍在持續。

懸案八：不可能存在的粒子

6年前，一臺法國粒子加速器探測到了6個絕不應該存在的粒子，他們被稱作“四中子”，因為它們是由4個中子以不符合任何已知的物理學法則束縛在一起的。法國科學家弗朗西斯科·馬庫斯和同事們，如今又在法國卡昂的加尼爾粒子加速器上準備再次進行這一實驗，如果他們成功，這些粒子的存在將徹底改寫物理學定律。

據悉，馬庫斯的研究小組曾將鈹原子核射向碳目標，科學家本來期望看到4個單獨的中子撞擊他們的粒子探測器，然后他們只發現了一道閃光，那道閃光的能量顯示，4個中子同時抵達了探測器的同一個地點。這種巧合幾乎是不可能的，唯一的解釋是，4個中子合成了一個物質“四中子”，直接進入了粒子探測器。然而，“四中子”的存在又違反了現存的所有物理學法則，因此，馬庫斯只能將研究數據埋進故紙堆中，等待將來再次在實驗中發現“四中子”存在的可能性。

懸案九：來自人馬座的外星信號

這是一個從外太空傳來的長達37秒鐘的無線信號。當它在1977年8月15日被美國俄亥俄州立射電望遠鏡“大耳朵”接收到時，俄亥俄州立大學天文學家杰里·埃曼發出了“喔”的驚叫聲。

這一信號來自人馬座方向，采用的是大約1420兆赫的輻射脈沖，它顯然不是星球的熱輻射產生的，在人馬座方向最近的恒星也有220光年遠，如果這一無線信號真是從那兒發出，那么那兒一定發生了某種強有力的天文學事件，或者是某個外星文明采用了一架超強力發射機發射而來的信號。

盡管理論很多，但28年來并沒有人能令人信服地解釋這一天外信號的來源，埃曼說：“直到現在，我仍在等人對這一信號作出合理的解釋。”

懸案十：室溫下的“冷聚變”反應

與高溫核聚變不同，冷聚變指的是在室溫下可以實現的聚變反應。“冷聚變”的概念最早是1989年由美國猶他州大學研究人員馬丁·弗萊斯奇曼和斯坦利·彭斯提出來的，當時他倆據稱在室溫下成功進行了冷聚變實驗，在科學界引發了軒然大波。然而，由于后來的實驗小組大多無法重復其實驗，導致這一問題成了一個大有爭議的話題。

在過去的10多年中，美國海軍實驗室進行過超過200次實驗，試圖證明通常只在恒星內部才能進行的核聚變反應可以在室溫下發生，因為一旦冷聚變被證實可行，那么世界上的大多數能源問題將迎刃而解。由于美國能源部的第一份報告認為，彭斯等人的“冷聚變”實驗是不可能重復實現的，因此冷聚變并不可信。不過在科學界，仍有眾多研究者——“冷聚變”的信徒，因此有關冷聚變的爭議至今仍未有定案。

懸案十一：變化的光速和“宇宙常數”

1997年，澳大利亞悉尼新南威爾士大學天文學家約翰·威伯和他的研究小組在分析從遙遠的類星體抵達地球的光線時，發現類星體光線在抵達地球的120億年過程中，吸收的星際云團光子類型不符合現有物理理論的推測。導致這一差異的產生只有兩種解釋：一是電子發生了變化，二是光的速度發生了變化。但是現代物理學的兩條珍貴的宇宙法則是：一、電子電荷不會改變，二、光速也不會改變。因此科學家陷入了困境，任何選擇都將顛覆現有的物理學基礎。考慮到電子電荷改變將違反神圣的熱力學第二定律，科學家決定挑戰光速為常量的理論。

澳大利亞理論物理學家保羅·戴維斯認為，在數十億年的過程中，光的速度可能減慢了少許。如果這一觀點被證實，那么宇宙的許多基本理論都將隨之改寫。戴維斯說：“這意味著我們將放棄相對論和E＝MC2等相關的一切東西。”

澳洲天文學家威伯認為，決定宇宙基本構造的精細結構常數（阿爾法常數）可能也非“常數”；而阿爾法常數一旦變動，整個物理學的支柱都將徹底動搖。

懸案十二：神奇的“安慰劑效應”

醫學家在實驗中發現，當對一名病痛患者注射嗎啡后，病人的疼痛會立即減輕。幾天后，當醫生再次給病人注射嗎啡止痛時，他悄悄將嗎啡換成鹽水為病人注射，這時奇跡出現了，盡管注射的是鹽水，但毫不知情的病人仍然感到痛苦大為減輕。這就是所謂的“安慰劑效應”。

然而這還不是最驚人的事，意大利都林大學醫學專家法布里茲奧·比尼迪蒂隨后又做了另一個實驗，他將一種“嗎啡失效藥”納洛酮加入到鹽水溶液中，繼續給病人注射，令人驚訝的是，鹽水的“減痛效果”竟奇跡般地消失了，盡管納洛酮跟鹽水不會產生任何“抵抗反應”。雖然科學界了解“安慰劑效應”已有數十年，但意大利科學家的納洛酮實驗顯示，“安慰劑效應”并不僅僅是心理因素，其中還有某種不為人知的生物化學因素在內。

懸案十三：真理還是謊言：水會有記憶？

在醫學術語中有一種療法叫“同種療法”，據稱將一種化學藥物用水進行稀釋，稀釋到一杯水中最后沒有任何該藥物的化學分子，但這杯水仍有治療效果，因為這杯水已經對該化學藥物具有了某種“記憶”。這種療法最初是由土醫們提出的，他們將木炭、致命藥草或蜘蛛毒液加入酒精中，隨后用水對混合液一遍遍稀釋，直到稀釋物只剩下純水。同種療法醫師稱，最初的藥物已將信息留在了水分子中，因此，不管溶液被稀釋得多淡，它都含有藥物分子的信息。

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