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【宇宙暗物质和暗能量的发现】罗光平编撰

(2018-07-23 03:58:48)

【宇宙暗物质和暗能量的发现】罗光平编撰

【宇宙暗物质和暗能量的发现  人类物理学新纪元的开端】

暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的谜题,它代表了宇宙中90%以上的物质含量,而我们可见的世界只占宇宙物质的10%不到。暗物质无法直接观测,却能干扰星体发出的光波或引力等,其存在能被明显感受到


【宇宙暗物质和暗能量的发现】罗光平编撰


【宇宙暗物质和暗能量的发现  人类物理学新纪元的开端】

几十年前,宇宙暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物,但是现在我们知道宇宙暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。宇宙暗物质的总质量是普通物质的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,宇宙暗物质主导了宇宙结构的形成。宇宙暗物质的本质现在还是个谜,但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话,那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过,最近对星系以及亚星系结构的分析显示,这一假设和观测结果之间存在着差异,这同时为多种可能的宇宙暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的宇宙暗物质模型,为宇宙暗物质本性的研究带来新的曙光。大约65年前,第一次发现了宇宙暗物质存在的证据。当时,弗里兹·扎维奇(Fritz Zwicky)发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则星系团根本无法束缚住这些星系,之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对宇宙暗物质的性质仍然一无所知,但是到了80年代,占宇宙能量密度大约20%的宇宙暗物质以被广为接受了。
在引入宇宙暴涨理论之后,许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的,而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的)。与此同时,宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙,其中能量密度都以物质的形式出现,包括4%的普通物质和96%的宇宙暗物质。但事实上,观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时,暗能量出现了。暗能量和宇宙暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲,它们的组成是完全不同的。更重要的是,像普通的物质一样,宇宙暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以,在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此,暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后,两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现,宇宙正在加速膨胀。由此,暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotrope Probe,WMAP)的观测也独立的证实了暗能量的存在,并且使它成为了标准模型的一部分。暗能量同时也改变了我们对宇宙暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦广义相对论,在一个仅含有物质的宇宙中,物质密度决定了宇宙的几何,以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话,情况就完全不同了。首先,总能量密度(物质能量密度与暗能量密度之和)决定着宇宙的几何特性。其次,宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中宇宙暗物质占了总能量密度的主导地位,但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,它目前正使宇宙加速膨胀,而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态,否则这种加速膨胀态势将持续下去。
不过,我们忽略了极为重要的一点,那就是正是宇宙暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有宇宙暗物质就不会形成星系、恒星和行星,也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力,因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落,而这些涨落会在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。
另一方面,不与辐射耦合的宇宙暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后,已经成团的宇宙暗物质就开始吸引普通物质,进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷宇宙暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。
在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动(涨落),为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态。为此,最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言,其观测到的结果为n=0.99±0.04。
但是如果我们不了解宇宙暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种宇宙暗物质--中微子黑洞。但是它们对宇宙暗物质总量的贡献是非常微小的,宇宙暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论宇宙暗物质可能的候选者,由其导致的结构形成,以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示宇宙暗物质的性质。

      暗物质的构成


科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设,但还没有得到足够的验证。 美国约翰斯·霍普金斯大学下属的太空望远镜研究所,借助3年前安装在“哈勃”太空望远镜上的“先进测绘照相机”,观察到更远处星系发出的光在两个星系簇中的暗物质干扰下产生的引力透镜现象,进而通过计算机模拟,得到了暗物质的分布图。这两个正在诞生中的星系簇位于南部天穹中,距地球约70亿光年,各拥有约400个星系。 所谓引力透镜现象,是指当光在经过具有引力的天体附近时,会像通过凸透镜一样发生弯曲。从理论上说,暗物质也会造成引力透镜现象,但其效果非常微弱,只有“先进测绘照相机”这样的高灵敏度观测设备才能拍摄到,而地面的天文望远镜会因为大气干扰难以看清。 研究人员将这一成果发表在10日将出版的《天体物理杂志》上。论文第一作者、韩裔助理研究员池溟国博士说,他们得到的图像清楚地显示出,我们可见的物质(即观测到的两个星系簇)是在暗物质的网络包围中,处于暗物质最密集的地方,就好比海浪顶端的泡沫。他们认为,这支持了暗物质和可见物质会在引力作用下聚集到一起的猜想,即暗物质集中的地方会吸引可见物质,从而帮助恒星、星系和星系簇的形成。 分布图还显示暗物质是聚成一簇簇地密集存在。研究人员据此认为,这验证了暗物质粒子是“非碰撞粒子”的假设,即暗物质粒子如果碰到一起,不会像分子、原子等经典粒子那样发生反弹,而会“若无其事”地继续原先的运动。他们解释说,如果暗物质粒子彼此发生碰撞,那么它们在频繁碰撞后就会分布比较均衡,而不是密集成簇。 科学家早就得到共识:广袤的宇宙是由暗物质、暗能量以及我们人类能感知到的正常物质组成,其中正常物质最少,只占4%,暗物质其次,占有23%的比例,其余都是暗能量。顾名思义,暗物质是人类无法看到的物质,科学家虽然早就断定暗物质以及由暗物质组成的星系的存在,却一直没有发现它们,更不知道他们究竟是由哪些粒子组成的。因此,这次发现实际上是揭开了宇宙一个大秘密,是一次重大的发现。 一个由暗物质组成的星系,与正常的星系(如我们的银河系)一样具有极其大的质量,并在宇宙空间中旋转。但是,它与正常的星系不同,里面没有发光的恒星,人们也看不到它。那么,科学家又是怎样发现了这个被他们命名为“室女座HI21”的星系呢? 原来,科学家通过射电望远镜观察的数据可以推算一个星系的旋转速度。他们发现“室女座HI21”星系的旋转速度很大,推断它的质量比完全由正常物质组成的要大。进而,科学家推算这个“室女座HI21”星系的质量是太阳的1亿倍,这个质量对于一个星系来说,虽然不是很大,但如果它是由正常物质组成,就应该包含明亮的恒星,本身应该很亮,但它却是一片黑暗,表明不含有恒星。这样科学家就作出了该星系是由暗物质组成的结论。

【宇宙暗物质和暗能量的发现】罗光平编撰

             【宇宙暗物质和暗能量的发现  人类物理学新纪元的开端】

根据得到的最新消息,21世纪最大的科学谜团“宇宙暗物质和暗能量”已经被中国人唐楚錾先生“攻破”。

在宇宙学界、天文学界和物理学界,暗物质和暗能量被认为是笼罩在21世纪物理学上的两朵“乌云”,被科学家们号称为“世纪之谜”。

美国科学家在一份报告中列出21世纪要解答的11个科学问题,“什么是暗物质”被列在第一位。

科学界公认,揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃,将带来物理学的又一次革命。

中国人唐楚錾先生经过大量的观察、大量的计算和大量的实验,发现了宇宙“暗物质”,用传统的数学方法和发明了最新的数学方法等两种算法计算出了宇宙“暗物质”的数学公式,平行宇宙公式和多元宇宙公式。

得出的暗物质公式完全能把万有引力定律、相对论及量子力学等统一起来。

目前,唐楚錾先生从暗物质的结构和暗能量的强力测试得出的结果断言:开发暗物质的团队以及首领或者元首必将统一全人类,必将统一地球世界,必将开启全人类的新纪元,必将开创一个全新的人类新时代,必将带领人类走向宇宙新纪元。

唐楚錾先生还说,暗物质和暗能量的发现,意味着旧物理时代的终结和新物理时代的开端,意味着文明时代即将走向终结,一个全新的时代即将到来。这个时代不单属于中国,不单属于美国……不单属于任何一个国家,不单属于任何集体,不单属于任何个人,而属于全人类。


             起源:好奇心和兴趣,与“宇宙暗物质”结缘的意外之行


公元2011年12月22日,星期四。地球北半球冬至日、南半球夏至日。这一天正在秦皇岛市中国环境管理干部学院就读大学的唐楚錾先生,一个人出校门去海边玩耍散心,途中顺路买了一袋苹果。到了海边之后,唐楚錾先生一边吃着苹果,一边面对着浩瀚起伏的大海发呆,忽然想起了平时好奇的牛顿万有引力定律和宇宙暗物质,经过一番沉思后,发现了极其类似宇宙“暗物质”的东西。当时,唐楚錾先生还不敢确定新发现的“东西”是宇宙“暗物质”,于是就从海边回到学校图书馆查阅相关的资料,确定了新发现的东西与宇宙“暗物质”几乎吻合。从此,唐楚錾先生决定研究宇宙“暗物质”,开始研究宇宙万事万物。

  破晓: 时光之剑破开黑暗迷雾,从绝望中找到希望黎明

公元2014年09月28日,至此,经过了不断地孤独探索以及多年来的学习、积累、沉淀、总结、创新,终于苍天不负有心人,唐楚錾先生取得了重要进展,终于获得了重大突破性成果。唐楚錾先生发明了新的数学计算方法,使用不同的算法计算出了暗物质数学公式、平行宇宙和多重宇宙等数学公式。

唐楚錾先生使用大量的实验找到宇宙“暗物质”,使用各种实验验证了宇宙“暗物质”的真实性,并且计算和证明出宇宙新物质“暗物质”的具体公式。

公元2014年10月至公元2016年12月,唐楚錾先生在北京各个地方公开声明自己发现宇宙“暗物质”,但几乎没人关注“暗物质”这个东西,人们大多只关注互联网。2016年6月12日下午,唐楚錾先生在北京中关村创业大街《创视记》公开录视频,声明自己发现了宇宙暗物质。



【宇宙暗物质和暗能量的发现,人类物理学新纪元的开端】

公元2016年12月28日,唐楚錾先生从新华社网得到消息,暗物质研究先驱、美国女天文学家维拉·鲁宾于公元2016年12月25日去世,享年88岁。唐先生对此深表哀悼。

公元2016年12月29-31日,唐楚錾先生再次进行大量实验,每次实验发现的物质的属性与宇宙“暗物质”的属性完全一致,最终完全确定所发现的物质确确实实是宇宙“暗物质”。

于是,唐楚錾先生决定找相关的媒体公布其已经发现了宇宙“暗物质”,以后将会相继公布发现宇宙“暗物质”的计算证明过程、计算公式和大量的暗物质实验过程。

附:暗物质和暗能量

21世纪初科学最大的谜团:暗物质和暗能量。

暗物质存在于人类已知的物质之外,人们知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质还是个谜。科学家认为,整个宇宙有84.5%是由暗物质构成,但一直未能证明其存在。已有不少天文学家认为,宇宙中90%以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。天文学家们称,根据当前一些统计资料显示,我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%,而人类可以看到的物质只占宇宙总物质量的不到10%。

暗物质(Dark Matter)是一种比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波和引力场,是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小,但是数量庞大,因此它的总质量很大,它们代表了宇宙中26%的物质含量,其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到(约4.9%)。暗物质无法直接观测得到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。

暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、天文观测和膨胀宇宙论研究表明:宇宙的密度可能由约68.3%的暗能量,4.9%的重子物质,26.8%暗物质组成。



暗能量在物理宇宙学中是一种充溢空间的增加宇宙膨胀速度难以察觉的能量形式。

暗能量现有两种模型:宇宙学常数(即一种均匀充满空间的常能量密度)和标量场(即一个能量密度随时空变化的动力学场,如第五元素和模空间)。对宇宙有恒定影响的标量场常被包含在宇宙常数中。宇宙常数在物理上等价于真空能量。在空间上变化的标量场很难从宇宙常数中分离出来,因为变化太缓慢了。

暗能量特点:暗能量与光会发生中和作用,作用域为同级暗能量的分布范围。当暗能量与光反应时,会对作用域的时间产生影响,绝对速度v0>c,此时作用域的能量E产生跃迁,根据E=mc2,作用域内的物质质量会有减少。由于宇宙空间不断发生的中和反应,作用域内的物质质量不断减小致使物质的引力减小,出现宇宙膨胀。

对宇宙膨胀的高精度测量可以使我们对膨胀速度随时间变化有更深入的理解。在广义相对论中,膨胀速度的变化受宇宙状态方程式的影响。确定暗物质的状态方程式是当今观测宇宙学的最主要问题之一。

加入宇宙学常数后,宇宙学标准罗伯逊-沃尔克度规可以导出 -冷暗物质模型,后者因与观测结果的精确吻合而被称为宇宙“标准模型”。暗物质被认为是当今形式化宇宙循环模型的至关重要的一个因素。

         另外,唐楚錾先生还攻破世界七大数学难题之一:NP完全问题


         附1:世界七大数学难题(Millennium Prize Problems)

这七个“世界难题”是:NP完全问题、霍奇猜想、庞加莱猜想、黎曼假设、杨·米尔斯理论、纳卫尔-斯托可方程、BSD猜想。这七个问题都被悬赏一百万美元。

2000年5月24日,千年数学会议在著名的法兰西学院举行。会上,97年费尔兹奖获得者伽沃斯以“数学的重要性”为题作了演讲,其后,塔特和阿啼亚公布和介绍了这七个“千年大奖问题”。克雷数学研究所还邀请有关研究领域的专家对每一个问题进行了较详细的详述。克雷数学研究所对“千年大奖问题”的解决与获奖作了严格规定。每一个“千年大奖问题”获得解决并不能立即得奖。任何解决答案必须在具有世界声誉的数学杂志上发表两年后且得到数学界的认可,才有可能由克雷数学研究所的科学顾问委员会审查决定是否值得获得百万美元大奖。其中有一个已被解决(庞加莱猜想),还剩六个.(庞加莱猜想,已由俄罗斯数学家格里戈里·佩雷尔曼破解。)

   NP完全问题已经被唐楚錾先生破解。

    1.霍奇(Hodge)猜想

二十世纪的数学家们发现了研究复杂对象的形状的强有力的办法.基本想法是问在怎样的程度上,我们可以把给定对象的形状通过把维数不断增加的简单几何营造块粘合在一起来形成.这种技巧是变得如此有用,使得它可以用许多不同的方式来推广;最终导至一些强有力的工具,使数学家在对他们研究中所遇到的形形色色的对象进行分类时取得巨大的进展. 不幸的是,在这一推广中,程序的几何出发点变得模糊起来.在某种意义下,必须加上某些没有任何几何解释的部件.霍奇猜想断言,对于所谓射影代数簇这种特别完美的空间类型来说,称作霍奇闭链的部件实际上是称作代数闭链的几何部件的(有理线性)组合.

   2.P(多项式算法)问题对NP(非多项式算法)问题

在一个周六的晚上,你参加了一个盛大的晚会.由于感到局促不安,你想知道这一大厅中是否有你已经认识的人.你的主人向你提议说,你一定认识那位正在甜点盘附近角落的女士罗丝.不费一秒钟,你就能向那里扫视,并且发现你的主人是正确的.然而,如果没有这样的暗示,你就必须环顾整个大厅,一个个地审视每一个人,看是否有你认识的人.生成问题的一个解通常比验证一个给定的解时间花费要多得多.这是这种一般现象的一个例子.与此类似的是,如果某人告诉你,数13,717,421可以写成两个较小的数的乘积,你可能不知道是否应该相信他,但是如果他告诉你它可以因子分解为3607乘上3803, 那么你就可以用一个袖珍计算器容易验证这是对的.不管我们编写程序是否灵巧,判定一个答案是可以很快利用内部知识来验证,还是没有这样的提示而需要花费大量时间来求解,被看作逻辑和计算机科学中最突出的问题之一.它是斯蒂文·考克(StephenCook )于1971年陈述的.

  3.庞加莱(Poincare)猜想

如果我们伸缩围绕一个苹果表面的橡皮带,那么我们可以既不扯断它,也不让它离开表面,使它慢慢移动收缩为一个点.另一方面,如果我们想象同样的橡皮带以适当的方向被伸缩在一个轮胎面上,那么不扯断橡皮带或者轮胎面,是没有办法把它收缩到一点的.我们说,苹果表面是“单连通的”,而轮胎面不是.大约在一百年以前,庞加莱已经知道,二维球面本质上可由单连通性来刻画,他提出三维球面(四维空间中与原点有单位距离的点的全体)的对应问题.这个问题立即变得无比困难,从那时起,数学家们就在为此奋斗.

  4.黎曼(Riemann)假设

有些数具有不能表示为两个更小的数的乘积的特殊性质,例如,2,3,5,7,等等.这样的数称为素数;它们在纯数学及其应用中都起着重要作用.在所有自然数中,这种素数的分布并不遵循任何有规则的模式;然而,德国数学家黎曼(1826~1866)观察到,素数的频率紧密相关于一个精心构造的所谓黎曼蔡塔函数z(s$的性态.著名的黎曼假设断言,方程z(s)=0的所有有意义的解都在一条直线上.这点已经对于开始的1,500,000,000个解验证过.证明它对于每一个有意义的解都成立将为围绕素数分布的许多奥秘带来光明.

   5.杨-米尔斯(Yang-Mills)存在性和质量缺口

量子物理的定律是以经典力学的牛顿定律对宏观世界的方式对基本粒子世界成立的.大约半个世纪以前,杨振宁和米尔斯发现,量子物理揭示了在基本粒子物理与几何对象的数学之间的令人注目的关系.基于杨-米尔斯方程的预言已经在如下的全世界范围内的实验室中所履行的高能实验中得到证实:布罗克哈文、斯坦福、欧洲粒子物理研究所和筑波.尽管如此,他们的既描述重粒子、又在数学上严格的方程没有已知的解.特别是,被大多数物理学家所确认、并且在他们的对于“夸克”的不可见性的解释中应用的“质量缺口”假设,从来没有得到一个数学上令人满意的证实.在这一问题上的进展需要在物理上和数学上两方面引进根本上的新观念.

   6.纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程的存在性与光滑性

起伏的波浪跟随着我们的正在湖中蜿蜒穿梭的小船,湍急的气流跟随着我们的现代喷气式飞机的飞行.数学家和物理学家深信,无论是微风还是湍流,都可以通过理解纳维叶-斯托克斯方程的解,来对它们进行解释和预言.虽然这些方程是19世纪写下的,我们对它们的理解仍然极少.挑战在于对数学理论作出实质性的进展,使我们能解开隐藏在纳维叶-斯托克斯方程中的奥秘.

  7.贝赫(Birch)和斯维讷通-戴尔(Swinnerton-Dyer)猜想

数学家总是被诸如x^2+y^2=z^2那样的代数方程的所有整数解的刻画问题着迷.欧几里德曾经对这一方程给出完全的解答,但是对于更为复杂的方程,这就变得极为困难.事实上,正如马蒂雅谢维奇(Yu.V.Matiyasevich)指出,希尔伯特第十问题是不可解的,即,不存在一般的方法来确定这样的方法是否有一个整数解.当解是一个阿贝尔簇的点时,贝赫和斯维讷通-戴尔猜想认为,有理点的群的大小与一个有关的蔡塔函数z(s)在点s=1附近的性态.特别是,这个有趣的猜想认为,如果z(1)等于0,那么存在无限多个有理点(解),相反,如果z(1)不等于0,那么只存在有限多个这样的点.


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