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对暗物质粒子探测和研究的一点不同看法

(2011-01-02 08:43:23)
标签:

暗物质粒子探测

暗能量

方法论

科学哲学

大爆炸理论

宇宙起源

演化模型

分类: 探索宇宙

对暗物质粒子探测和研究的一点不同看法

马海飞

(http://blog.sina.com.cn/gfis 201112)

目前,根据从星系到宇宙学尺度的观测结果,都发现了可观测物体运动的异常现象。这表明宇宙中可能存在我们还没有直接“看到”的物质。这些物质被称为“暗物质”。它们通过“引力”效应影响了可见物体的运动。近年来的观测表明,宇宙中22%左右是不发光的暗物质。暗物质粒子探测和研究被认为很有可能会导致物理学产生新的革命[1]

中科院紫金山天文台研究员常进说:宇宙早期好比一个超高能对撞机,这个对撞机撞出新的粒子并留下一些踪迹,而暗物质有可能就是经历了宇宙大爆炸后遗留下的产物。[2]

目前探测暗物质粒子的方法有下列三种:

第一种方法是在加速器上将暗物质粒子创造出来,并研究其物理特性。由于暗物质粒子即使被创造出来,也不会被探测器发现,只能通过其他可以看见的粒子来推测出是否有这样的粒子产生。虽然暗物质粒子不能被直接观察到,但它一定会带走能量”(“创造暗物质粒子需要能量),因此从丢失的能量及其分布可以推测暗物质的某些性质。欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)被认为很有可能创造出暗物质粒子。

第二种方法是直接探测法。该方法是直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号。由于发生碰撞的概率很小,产生的信号也很微弱。为了降低本底,通常需要把探测器放置在很深的地下。暗物质直接探测实验是目前寻找暗物质粒子最重要的探测方式。目前的实验精度下,我们只可能探测到弱作用重粒子(WIMP)的信号,而更弱的信号,如轴子、超对称引力子是无法用这种方法探测的。

第三种办法称为暗物质的间接探测法。间接法是观测暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳定粒子如伽马射线、正电子、反质子、中微子等。根据目前的理论模型,暗物质粒子衰变或相互作用后可能会产生稳定的高能粒子,如果我们能够精确测量这些粒子的能谱,可能会发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹。由于地球大气的影响,在地面上无法精确测量粒子的能谱,实验必须要在空间进行。

以上这些方法都已经在世界上一些有条件的国家实际用来探测暗物质粒子。每一种方法都耗资巨大。

那么,关于暗物质问题,目前还存在着什么样的问题呢?首先的问题就是:什么是暗物质?也就是说,暗物质的本质是什么呢?这当然就是科学家们最想知道和正在努力研究的目标。其次是:如何探测暗物质的本质?关于这一点,科学家们已经有了上述三种方法。此外还有这样一些问题:暗物质粒子探测有哪些重大理论和技术问题?最可能的突破点在哪儿?其实,目前对暗物质的研究,除了知道暗物质具有质量以外,其他几乎一无所知。就是说,“暗物质的本质是什么?”这个最重要和最基本的问题都还没有解决。

以上是对暗物质研究现状的一个简单回顾。

本人对暗物质的研究具有与主流不同的看法。

首先,我认为,在考虑如何去探测暗物质粒子之前,应该首先从理论上研究清楚暗物质的本质可能是什么。这是具有决定研究方向的重要一步。目前,关于暗物质问题的主流观念和思路基本上都是建立在宇宙热大爆炸理论的基础上。认为,暗物质是大爆炸之后产生出来的一个产物或现象。因此认为,暗物质粒子肯定会带有从大爆炸过程中所吸取的能量。上述第三种探测方法就是为此而设计的。可是,热大爆炸理论本身是否成立实际上还是一个未知数。如果大爆炸理论不成立,那么,这个方法就不成立。所以,在还没有确凿证据证明大爆炸理论是否正确的情况下就上马进行这种探测,完全是一种赌博和撞大运的行为。

根据本作者的宇宙形成演化模型[34],宇宙是从分散在宇宙空间中的原始基本粒子(原基子)通过自由落体运动的方式开始形成的。原基子是除了质量和质量场以外不带有任何其他物理特性的宇宙最小原始粒子。如果这个理论成立,那么,暗物质的本质可能就是这样的原基子。在宇宙形态形成的过程中,一部分原基子形成了有结构和有物理特性的“可见”物质和宇宙天体,而大部分没有发生过任何变化的原基子至今仍然散布在宇宙空间中。由于它们没有任何物理特性,所以,人类难以发现它们的单独存在。只有在星系到宇宙学尺度的条件下才有可能通过重力现象间接感觉到它们的存在。因为它们是宇宙中最小的粒子,任何能量的波长都比它的直径大,所以,人们也无法用上述第一种方法探测到它的存在。又因为原基子的质量非常小,而且在空间中存在的密度并不大,所以,用上述第二种方法中原子核碰撞的直接方式也不可能探测到。用原子核撞击原基子就好像用一个篮球撞击一只蚊子一样,根本不可能探测出结果来。

根据本人的演化模型可以预测,将来无论对暗物质粒子探测和研究的结果是什么都可能会让主流失望。如果根据大爆炸理论去探测,结果可能什么暗物质粒子都找不到。使用上述三种方法都不可能探测到真正的暗物质粒子。如果用今后再发明出来的什么更先进的方法找到了暗物质粒子,却可能会发现,找到的暗物质粒子就是我所说的“原基子”。从目前观察到的“暗物质只有质量没有任何其他物理性状”的结果等各方面来看,暗物质的本质就是原基子的可能性非常大。在宇宙形态形成的过程中把大部分的原料残留在空间里是非常自然的。如果暗物质是宇宙形成过程中遗留下来的原材料-原基子的话,那么,这些粒子就不带任何能量,因此它们也就没有任何可利用的价值。所以,对它的探测好像就没有任何实用价值。不过它们的存在可以证明大爆炸理论是一个错误的理论。因此,主流科学家们有必要做好失望的心理准备。

我的思路和演化模型与主流的正好相反。主流认为,宇宙是从能量极高的一个点发生剧烈爆炸开始形成的。因此,越是原始的物质所带有的能量越高。所以,主流科学家基本上都是按照这样的思路设计实验来探测暗物质粒子。而我认为,宇宙是从最简单的物质(原基子)和最低的能量状态,以极其缓慢的速度开始逐渐加速形成的。所以,越是原始的物质所带有的能量越低。原基子是宇宙中最简单的物质,它除了质量和质量场之外没有任何其他物理性状。在宇宙形态形成的初期,因为原基子分散在宇宙空间中,所以,宇宙中除了原基子之间极其微弱的重力势能以外几乎没有任何其他能量。也就是说,在宇宙形成初期,整个宇宙就是由暗物质的原基子构成的。与暗物质相对应的暗能量就是分散在宇宙空间中原基子之间的重力势能。所以,可以说,暗物质和暗能量就是宇宙形态形成的背景条件。我们今天看见的这个宇宙其实就是从这个“暗”背景下诞生并逐渐演化形成的。虽然这个背景现在仍然存在,但是因为这个背景一直以来被人们作为一个真空背景对待,所以没有正确地认识到它的本质是什么。从演化模型中我们可以知道,暗物质的原基子也是物质,只不过它是没有任何(“可视”)物理特性的物质。但是,它具有物质的基本自然属性 - 质量与质量场。作为暗能量的重力势能也是能量,只不过它是只有在通过自由落体运动的过程中才能显示出来的能量。所以,暗能量隐藏在质量和距离当中。从任何一个方面来看,演化模型都比热大爆炸模型能够更好地解释宇宙中的有关自然现象。所以,在探测暗物质粒子和暗能量的研究中,演化模型是一个不可忽视的理论。

参考文献:

[1] 常进 暗物质粒子探测:意义、方法、进展及展望  工程研究——跨学科视野中的工程 (2010 2 (2): 95-99

[2] http://www.edu.cn/zhuan_jia_ping_shu_1113/20091222/t20091222_432730.shtml

[3] http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100h4hc.html

[4] http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100nle8.html

本文参考地址:http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100o5p1.html

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