給宇宙稱重，整個兒稱與拆開分著稱，為什么結(jié)果大相徑庭？

2023.04.08 云南

設(shè)想你要確定一幢房子的質(zhì)量及其內(nèi)容。你拿起房子，把它放在一個巨大的天平上。為了便于論證，假設(shè)你測量出的質(zhì)量為100000磅(45359千克)。現(xiàn)在，設(shè)想你要看到房中每件物品對總質(zhì)量的貢獻。于是你一次移動一件物品并把它放在秤上。你甚至可以把所有的空氣都排除掉來測量它的質(zhì)量。

結(jié)果，所有單個物體的質(zhì)量（包括地板、墻壁和屋頂）加起來僅為5000磅(2268公斤)。你會怎么想呢？你會如何解釋質(zhì)量上的差異? 你會斷定房子里一定有某種看不見的物質(zhì)使得這個結(jié)構(gòu)更重嗎？

在過去的50年里，這正是天文學(xué)家們在試圖確定宇宙的組成部分時所面臨的困境。在那之前，他們認為宇宙中只包含正常物質(zhì)——你可以看到的東西。掃描整個宇宙，這種東西似乎是顯而易見的。

宇宙中有數(shù)十億個星系，而每個星系都充滿數(shù)十億顆恒星。在一些恒星周圍，行星與他們的衛(wèi)星沿著橢圓軌道運行。而在那些巨大的球形天體之間，有一些形狀不規(guī)則的物體，大小不一，從巨大的小行星到巖石大小的流星體，再到不超過一粒塵埃的微小粒子。

天文學(xué)家把所有這些東西都歸為重子物質(zhì)，眾所周知它最基礎(chǔ)的單元是原子，原子本身由更小的亞原子粒子組成，比如質(zhì)子、中子和電子。(為了簡單起見，我們不考慮輕子和夸克)

20世紀70年代起，天文學(xué)家們開始收集證據(jù)，使他們懷疑宇宙存在不僅限于所能看見的東西。當(dāng)科學(xué)家們試圖確定星系的質(zhì)量時，發(fā)現(xiàn)了最大的線索之一。他們通過測量圍繞在一個星系外邊緣的云的加速度，算出了產(chǎn)生這種加速度所需的質(zhì)量。

他們的發(fā)現(xiàn)令人驚訝: 星系云軌道加速度背后的質(zhì)量是你能看到的物質(zhì)——恒星和氣體——在星系中傳播的質(zhì)量的五倍。他們的結(jié)論是，一定有某種無形的物質(zhì)圍繞著一個星系，并把它維系在一起。他們借用了瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky)在20世紀30年代首次使用的一個術(shù)語，把這種物質(zhì)稱為“暗物質(zhì)”。

20年后，科學(xué)家們注意到la型超新星——所有具有相同本征亮度的瀕死恒星——距我們星系的距離比它們本該有的距離還遠。為了解釋這一觀察結(jié)果，他們認為宇宙膨脹實際上正在加速。這就令人費解了，因為暗物質(zhì)固有的引力應(yīng)該足夠強大，足以阻止這樣的膨脹。是其它什么具反引力作用的物質(zhì)，導(dǎo)致了宇宙快速膨脹嗎？天文學(xué)家認為是這樣的，他們將這種物質(zhì)稱為“暗能量”。

宇宙學(xué)家與理論物理學(xué)家，就暗物質(zhì)與暗能量是否存在一問爭論了10年。然后，在2011年7月，NASA（美國國家宇航局）發(fā)射了威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）。這艘飛船上的儀器拍下了宇宙微波背景最詳細的照片——宇宙大爆炸遺留下來的殘留輻射。這使得天文學(xué)家們能精確測量宇宙的密度和組成。這些是WMAP確認的：重子物質(zhì)只占宇宙的4.6%；暗物質(zhì)僅占23%；而暗能量占了其余的部分——高達72%。

當(dāng)然，測量宇宙各組成部分的相對比例只是個開始?，F(xiàn)在，科學(xué)家們希望找到暗物質(zhì)的可能候選者。他們認為褐矮星是一個可信的候選者。這些類恒星的物體并不發(fā)光，但它們強烈的引力會影響附近的物體，這為它們的存在和位置提供了線索。超大質(zhì)量的黑洞也可能解釋宇宙中的暗物質(zhì)。天文學(xué)家們推測，這些宇宙天坑可能為遙遠的類星體供能，而且可能比想象中要豐富得多。最后，暗物質(zhì)可能由一種尚未被描述的粒子組成。這些微小的物質(zhì)可能存在于原子深處的某個地方，并且可能在世界上的超級對撞機中被發(fā)現(xiàn)，比如大型強子對撞機。

解出這個謎團仍然是科學(xué)研究首要的任務(wù)之一。在得以解答之前，我們必須接受一個令人羞愧的想法:我們多年來一直試圖衡量的房子比我們預(yù)想的要重，而且更麻煩的是，超出了我們的理解。