宇宙物质探索现状

2005年4月第24卷 第2期绵阳师范学院学报Journa l o fM i any ang N or m al U niversity A pr .,2005V o.l 24 N o .2

收稿日期:2005 03 08

作者简介:陶才德(1941~ ),男,教授、硕士生导师。主要从事理论物理、天体物理及早期宇宙的教学和科研工作。主研和参研国家和省级科研项目五项:先后在国内外著名学术刊物上发表论文三十多篇,并在量子宇宙及宇宙波函数的二次量子化方面做了一系列有创见性的工作。1991年起被 中国物理快报 (英文版)聘为特约审稿人,1992年当选为中国引力与相对论天体物理学会理事。2003年起被聘为绵阳师院客座教授。

宇宙物质探索现状

陶才德

(西华师范大学物理与电子信息学院,四川南充 621000)

摘 要:介绍了当今物理宇宙学和天文学在探索宇宙物质成份过程中所遇到的解释正反物质不对称的起源

以及澄清占宇宙物质成份95%以上的暗物质与暗能量的本质的难题,并指出了这一严峻的挑战很可能会给物理学

带来一场革命。

关键词:反物质;暗物质;暗能量

中图分类号:O 572 3 文献标识码:B 文章编号:1672 612x (2005)02 0001 05

0 引言

对宇宙中物质成份的探索和研究,既是宇宙学和天文学的课题,也是当今物理学所面临的重大挑战和难题之一。新物质形态的出现不仅会改变我们对于宇宙的认识,而且也迫使我们不得不重新审视我们已建立起来的物理理论,从而很可能将开创一个新的物理学领域,物理学也许会面临一场新的革命。

上个世纪,可以说是物理学的世纪[1],物理学两个基本理论:量子力学和相对论的建立不仅为现代物理学乃至整个自然科学的发展奠定了理论基础,而且也大大促进了各个技术领域的进展。人类在探索宇宙奥秘和物质基本结构及其相互作用方面取得了辉煌成就,这些成就建立在描述微观世界的粒子物理的标准模型和描述宇观世界的大爆炸宇宙学的标准模型上。

按我们现在的认识,宇宙大约是在150亿年前的一次大爆炸形成的,自那以后一直在膨胀着。在我们目前所观测到的约120亿~130亿光年的宇宙区域有10亿个星系。每个星系大约又有千亿个像太阳这样的恒星。星系是在100亿年前形成的,而我们的太阳系则是在50亿年前由气云和尘埃通过自身引力作用凝聚而成。按照大爆炸理论,由于宇宙物质自身的引力作用,宇宙膨胀应是一种减速膨胀。宇宙将来会永远膨胀下去(无界无限的开放型宇宙),还是膨胀到一定时候会收缩回来(有限无界的封闭宇宙)呢?这应由现今宇宙的物质密度 与临界密度 c =5!10

-30克/厘米3

的相对大小来决定。决定宇宙物质密度 的物质有哪些呢?1 反物质

自上个世纪30年代狄拉克在理论上预言了反电子(正电子)的存在,后来安德孙在宇宙线中发现了反电子以来,粒子物理学家发现每种粒子都存在着一种反粒子。反粒子和粒子的质量相同,电荷相反。如果这种正反粒子对称性是宇宙间的根本规律的话,宇宙中应该存在有由反质子,反中子和反电子构成的反物质,而且由对称性考虑,反物质应与(正)物质一样多。然而至今在浩瀚的宇宙空间还没有找到反物质(即使发现了一些反粒子,也极少极少),那么反物质到哪里去了?

物理学家通常用 =(n B -n B )/n r 作为物质与反物质不对称的度量,其中n B 和n B 分别是重子和反重子

绵阳师范学院学报2005 Vo.l24 N o 2

的数密度,n r是光子的数密度。对于 的精确确定主要来自宇宙早期核合成理论(T~109K)和近年的微波

-10, #0告诉背景辐射的研究(T~103K),前者给出 =(2 6-6 2)!10-10,后者为 =(6 1+0 3

-0 2)!10

我们宇宙中正反物质是不对称的。注意:这两个物理过程分别发生在温度相差106倍的时刻,但却给出了几乎相同的结果,这也说明了标准大爆炸宇宙模型的自洽和成功之处。

理论上讲,这种正反物质的不对称性有可能是原始宇宙所固有的,然而在宇宙早期(t~10-36秒)的暴涨阶段,会使原始的重子数密度趋近于零,后来的物质是在宇宙暴涨后的再加热(reheati n g)过程中产生的,这时产生的正反物质应是对称的,物质与反物质的不对称性必定是以后宇宙演化的结果。

1967年萨哈洛夫给出了产生正反物质不对称(Baryogenesis)的三个条件:存在重子数不守恒的过程;C 和CP对称性的破坏;脱离热平衡。在大爆炸宇宙论的大统一时期(t?10-36),这三个条件可以同时满足,但粒子物理的计算表明,标准模型给出的正反物质不对称 大大低于10-10,因而它不能完全解决宇宙中正反物质不对称的疑难。正反物质不对称疑难的研究促进了超出标准模型的新物理理论的探讨,其中比较有希望的是超对称的标准模型。在这个模型中,有新的CP破坏源,有丰富的希格斯粒子。超对称模型是否可以破解反物质丢失之迷还有待实验上的验证,需要发现超对称粒子和新的CP破坏现象。在粒子物理的标准模型中重子数和轻子数分别由sphaleron过程破坏,但二者之差却是守恒的,这就将重子数的改变和轻子数的改变联系到一起了。同样,轻子数不对称的产生机制需要轻子数破坏过程,轻子数部分的C和CP破坏以及非热平衡态的实现,而这些条件在一般的描述有质量的中微子模型中都可以实现,故对中微子振荡物理理论和实验的探索也倍受关注。

2 暗物质

就(正)物质而言,以前认为宇宙中的物质以两种形式存在:一种是普通物质(实物),它们由原子分子(归根结底是由重子)构成,它们可以发光,因而也叫发光物质;另一种是辐射,主要是存在于空间的各种电磁波。由重子构成的天体的发光强度与它们质量之间存在一定的关系,因此,宇宙中有多少发光的普通物质是可以测量的,用这种方法得到的质量叫光度质量。至于宇宙中的辐射物质的质量(能量)密度 r大约只有重子物质密度 G的0 1%,因而完全可以忽略,这也是今天的宇宙叫作物质为主的原因。但是用光度方法测得的宇宙重子密度不到临界密度的二十分之一,即 G?5% C。由此是否可以得出结论:我们的宇宙是一个开宇宙,将会永远膨胀下去呢?不一定,因为宇宙中还可能存在有其他形式的物质。天文学上还有一些测量天体质量的方法,其中一种是通过天体系统内成员运动的分析得到的质量叫动力学质量,它是建立在牛顿万有引力定律的基础上。1933年瑞士天文学家兹维基首先发现一些星系团的光度质量远小于它的动力学质量,这说明在这些星系团内还存在着许多(比发光物质还多)不发光物质,它们只在引力作用上表现出来,这种物质后来称为暗物质。

暗物质存在的证据是确凿的,它们在银河系自转中明显地反映出来。银河系中心是一个直径约两万光年的核球,周围是直径约十万光年的银盘,在银盘外是直径达几十万光年的银晕和银冕,根据银河系内发光物质分布的研究,离银心2 6万光年处的太阳的转动速度只有160公里/秒,而太阳以外区域的恒星应呈现开普勒转动(V~1/r),距离越远速度越小,因为反银心方向只有很少的发光物质。但事实上,太阳的转动速度达到220公里/秒,而且太阳以外的区域恒星转动速度随距离增加还有上升的趋势。能够解释这一现象的唯一可能是,在银盘以外的银晕里存在有大量的暗物质,它们对太阳及其外部天体的吸引加速了它们的转动。其他是星系转动曲线的研究也证实了暗物质的存在。根据现在的估计,星系暗物质占到星系总质量的90%以上。

此外星系团的观测也表明,一定有强大的引力将它们保持成稳定的形态,否则,星系就会像气体分子的布朗运动那样,很快使星系团瓦解,但是星系团内发光物质太少。显然不足以产生这么强的引力,故星系际也一定存在着大量的暗物质。其他比如星系引力透镜观测等也证明了暗物质的存在。

暗物质是什么呢?它们又冷又暗,不发光,而且主要不是星际或星系际的气体和尘埃,也不是看不见的行星或死亡的恒星(褐矮星,中子星和黑洞等),因为这些物质成分通过天文物理的观测总是能够察觉到的,观测表明它们所提供的物质密度太小。现在研究认为暗物质很可能是一些%大质量的弱相互作用的粒子& (W I M Ps)或%超弱相互作用粒子&,例如中微子和其他各种微子,轴子,引力子及磁单极子等。

暗物质究竟有多少?这是宇宙物理学家长期探索,并一直希望解决的问题。长期宇宙观测表明,宇宙空间的性质非常接近于是平直的,这就揭示出宇宙物质密度 应等于临界密度 C。如果认为宇宙物质仅由发光物质和暗物质构成,则有 G+ 暗物! C,那么宇宙物质中5%是发光物质,95%是暗物质。但是十年前情况发生了变化,宇宙学家根据新的观测资料终于测出了宇宙中包括暗物质的物质密度,它们约为临界密度的

1 3,即有 G+ 暗物!1

3

C。这个结果再次使宇宙物理学家陷于了观测和理论的困惑:欠缺的2/3宇宙物质

密度到哪里去了?于是有人猜测,剩下的物质密度可能以能量的形式而不是以物质形态呈现。由于这种能量无影无踪,故而称之为暗能量。

3 暗能量

暗能量的提出使我们再次想到了宇宙学理论中宇宙学常数的问题。长期以来宇宙学家一直认为宇宙膨胀应是减速的,这是宇宙物质自身引力作用的结果。不过从爱因斯坦场方程[2]

R v-12g v R+?g v=-8πGT v(1) 可知影响宇宙膨胀的还有宇宙学常数?。事实上若采用R-W度规,方程(1)可简化为

a =-

4

3

πG( +3p)+

?

3

(2)

和

a2=?

3

a2+

8πG

3

a2-k(3)

其中a是宇宙的标度因子, 和p是物质的密度和压强,k是宇宙空间的曲率参数。由(3)式可见,宇宙膨胀是由三项共同驱动的:物质项,宇宙常数项和曲率项。方程(1)中的?最早是爱因斯坦在1917年为了建立一个静态宇宙模型而引入的,可是很快爱因斯坦就认识到静态宇宙模型是不正确的,特别是在1929年哈勃发现星系谱线红移后,于1931年他宣布放弃宇宙学常数,正如伽莫夫所说%爱因斯坦强调引进宇宙学项是他一生干过的最大蠢事&。

然而从现代物理学的观点看来,宇宙学常数?也许还是有一定的物理意义的。事实上,在方程(3)中,令 =0我们就得到了de Sitter宇宙(没有任何物质的空宇宙的解:

当k=1时,a(t)=3?co sh ?3 t

当k=-1时,a(t)=

3

?sinh

?

3

t

当k=0时,a(t)=a(0)e?/3t(4)可见,即使没有任何物质,宇宙空间也可以在宇宙学常数?的推动下膨胀。因此宇宙物理学家认为空的宇宙空间本身应当具备能量,这就是现代量子理论中真空零点能。

宇宙膨胀到底是减速还是加速的呢?上个世纪末,宇宙学的观测有了重大的发现。众所周知,超新星是大质量恒星在其演化晚期所发生的一次剧烈的爆发,短短几天它突然变亮千万倍乃至百亿倍,甚至超过所在星系的亮度。但超新星十分罕见,一个星系通常一二百年才出现一颗,每十年全世界也只能发现20颗左右,超新星除了本身具有研究价值外,它对宇宙学研究也非常重要,特别是其中一类I a型超新星。(一般认为是密近双星演化到晚期的终极结果),它们最亮时的本征光度I非常一致,可以用作标准烛光,测定它们的最大陶才德宇宙物质探索现状

视亮度E,就可以根据关系E=I/r2确定超新星所在星系的距离r。另一方面,遥远星系的距离通常是用谱线红移来确定的。拍摄一个星系的光谱,观测出谱线的红移Z=!?/?,然后利用哈勃常数H。根据哈勃定律

CZ=H0r(5)就可以计算出星系的距离r。不过这种方法有一个前提:宇宙膨胀是匀速的。要是宇宙膨胀是非匀速的,那么用谱线红移确定的星系距离就有偏差了。

1988年以来美国的一些宇宙学家就开始了一项叫%超新星宇宙学探测计划&,在遥远的星系中寻找超新星,特别是I a型超新星。不过I a型超新星很少,平均说来一个星系一千年才出现两个,所以最初他们的工作进展很慢。直到90年代中期,他们的工作才获得了重要进展。首先,他们发现了如何快速地找到超新星,只要相隔三周的两个晚上对同一个星系区拍摄两张照片即可找到那里有没有超新星。这样他们每拍摄50-100个星系区就可以找到20个左右的超新星。大量I a型超新星的发现,使他们发现了超新星光谱中某些谱线的特征与超新星最大视亮度之间有稳定的对应关系。这样,只要拍摄一张超新星的光谱,就能根据这些谱线的特征确定其最大的视亮度,进而确定出它的距离,而不需要长期跟踪拍摄。

超新星样本的迅速扩大,带来了完全意外的结果:超新星视亮度比红移指示的要暗25%。这就是说超新星的距离比红移指示的更远。由此得到的结论是宇宙膨胀并不是原来宇宙学家所想的在减速,恰恰相反,宇宙在膨胀在加速!

是什么力量推动宇宙膨胀加速呢?此前的理论和观测告诉我们,宇宙是平直的,物质密度 应等于临界

密度 C,而物质形态的密度 G+ 暗物!1

3

C比临界密度低。而现在的观测又告诉我们,宇宙膨胀在加速,宇

宙中一定存在有一种推动宇宙膨胀的神秘力量。显然,要同时解释两方面观测事实的唯一可能就是宇宙中存在一种能量形式的物质,这就是暗能量。这种暗能量一方面推动宇宙加速膨胀,另一方面它又以能量的形式填补了物质密度的缺口,使 = G+ 暗物+ 暗能! C。起初其他宇宙学家对这个结果尚有怀疑。1998年的超新星观测再度证实了宇宙暗能量的存在。暗能量的发现被美国 科学杂志评选为1998年最大的爆炸性科学新闻,甚至被誉为20世纪第二个伟大的宇宙学发现。2001年6月30日发射的%WMAP&(((%W il k i n son微波背景各向异性探测卫星&,在2003年发布了它第一年的观测结果,结果表明:宇宙中有4%的重子物质,23%的暗物质,剩下73%则是暗能量;我们宇宙的准确年龄为137亿年。暗能量居然占了宇宙物质密度2/3以上,比产生引力的物质密度高了一倍多,成为宇宙中最举足轻重的成分。暗物质和暗能量合计构成了宇宙质量(能量)的96%,这就是我们的宇宙,一个与原来宇宙学家所想象的完全不同的%黑暗&宇宙。

暗能量与普通的辐射能、热能(它们的压力是正的,它们与引力一样都起着阻止宇宙膨胀的作用)不同,它起到了对抗引力的作用,所以呈现负压特性,而且宇宙尺度越大,暗能量压力也越大。这由宇宙膨胀方程(2)(设?=0)

a =-

4

3

πG( +3p)

可以看出,要 >0必有p<- /3,也就是说使宇宙膨胀加速的物质必有负压特性。正因为这种特性,当宇宙早期,宇宙尺度很小,暗能量很微弱,甚至可以忽略,星系靠重子物质和暗物质的自身引力才得以形成,才会有今天灿烂的星空。而随着宇宙的膨胀,暗能量才得以逐渐%称霸&宇宙。暗能量的出现,又使人们联想到爱因斯坦的宇宙学常数?,为了解释宇宙的加速膨胀,被爱因斯坦抛弃的?似乎又得以%借尸还魂&。与宇宙学常数?相联系的能量是真空能量(零点能),由于协变性要求,真空的能量张量应正比于度规张量g # [见方程(1)],所以真空的状态方程为

w=p/ =-1(6) 可见,其压强p满足条件p<- /3,足以使宇宙加速膨胀。不过经计算发现,量子场论的真空零点能太大了,比观测值大几十甚至上百个数量级。要是暗能量就是真空能的话,宇宙早就被吹散了。

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另一种可能是,暗能量可以是一种随时间变化的动力学场的能量。最简单的是引入一个具有正则动能的标量场Q。在文献中它被称为%精髓&场(Qu i n tessence),其势能写为V(Q),具体形式由模型而定。随着宇宙的演化,Q场沿着V(Q)由高能区往低能区滚动。对于分布均匀的精髓场,它的能量密度与压强分别为

Q=1

2Q?2+V(Q); p Q=1

2

Q?2-V(Q)(7)

Q?是场Q对时间的导数。如果势能函数非常平坦的话,精髓场将处于慢滚阶段,满足

Q?2?V(Q)

这样压强P Q将取负值,驱动宇宙膨胀。

以上两种模型相比较:在精髓模型中,暗能量随时间而变,不仅能量密度 Q,而且状态方程w=p Q/ Q不同时刻也可取不同的值;而真空能的能量密度是一个常数,且状态方程也永远是-1。

目前的各种观测,例如去年初%W il k i n son微波背景各向异性探测器&工作组的分析表明,暗能量的状态方程w<-0 78,与真空状态方程吻合,它虽不支持,但也不排除精髓场作为暗能量的可能性。但用真空能来解释暗能量存在着两大问题:一个是前面已提到过的老的宇宙学常数问题,即观测的真空能为什么比理论计算值小这么多?第二个问题是,现今宇宙中物质占27%,暗能量占73%,二者能量密度处于同一个数量级,然而真空能与物质有完全不同的演化行为。对于物质,其密度 m随宇宙膨胀而减小, m~a-3;而对于真空能 #是一个常数,不随宇宙演化而改变。对于有137亿年演化历史的宇宙来说,只有在宇宙早期非常精细的调整 #/ m,才能给出今天的 #/ m~1。理论上讲,这个精细调整是非常令人不满意的,这叫作一致性问题。在精髓模型中,由于暗能量也随时间演化,这一问题可以得到解决。另外精髓场不同于真空场,它是一种动力学场,会带来一系列有趣的物理现象,例如,精髓场与电磁场相互作用QF#F#(其中F#是电磁场张量)将会导致精细结构常数的改变,而精髓场与中微子的耦合将导致中微子质量在宇宙演化过程中发生变化。观测表明,暗能量的能量密度为(2 3!10-3)4,相对应的能标10-3e#可与中微子质量相比拟。暗能量是否与中微子有一定的联系也值得探讨。

当然,还有一些量子场论中的其它标量场理论如,K-essence和Phanto m等暗能量模型。此外希格斯场和暴涨场也都是标量场,这些场在粒子物理和宇宙学中都有广泛的应用,但其物理性质还需要从理论上进一步探索,更重要的是从实验上需要证实希格斯粒子,暴涨子和精髓子的存在。迄今为止,暗能量究竟是什么,仍很不清楚。

4 小结

正反物质的不对称性决定着我们的存在,如果没有这种不对称,宇宙中物质就会与反物质发生湮灭而消失掉,但是这种不对称性是如何产生的,目前尚无令人信服的理论解释。

暗物质的存在亦意义重大。今天宇宙中之所以存在超星系团,星系团及星系等发光的天体系统,是直接与暗物质存在相关的。发光天体虽有很多重子,但重子的质量太少。它们之间的引力不够大,不足以使重子很快地聚集在一起形成星体,若有大量(比重子质量密度大十倍)的暗物质存在,它们的引力就百倍地大于重子,就足以使重子物质聚集在一起形成星体。人类的存在是以星体存在为前提的,没有星体的形成,也就不能繁衍出人类。在这个意义上,我们可以说,虽然人体不是由微子等暗物质构成的,但是人类之所以有今天的存在,却是由暗物质决定的。然而,暗物质是什么?仍需要我们从理论上作出进一步的探讨,弄清%W I M Ps&的性质,并从实验上证实它们的存在。

暗能量的发现,使我们进一步认识到它在宇宙演化过程中的主导作用。当暗能量为零时,宇宙的物质(包括暗物质)密度 m(通过空间曲率k)决定着宇宙不同的演化行为: m> c,闭合的(k>0)宇宙最终将会坍缩; m= c,平坦的(k=0)和 m< c开放的(k<0)宇宙将会永远膨胀下去。然而,当暗能量存在时,宇宙的演化行为将是不同的,比如一个闭合的宇宙也可以永远膨胀下去。遗憾的是,我们对(下转第9页)陶才德宇宙物质探索现状

u(x,t)=k)-dn2(vx-?t+%1)

k)+dn2(vx-?t+%1)

e i(ax-bt+%0)

根据我们掌握的资料,本文得到的该方程的幂函数解和椭圆函数解还未见得相关报道,因此我们通过构造变换得到方程(1)的一些新的精确解。

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M ulti ple Travelli ng W ave Sol uti ons of a New H a m ilton Amplitude equati on

DU X ian yun*

(Depart m ent o fM at h e m atic and I nfor m ation Science,M ianyang Nor m alUn i v ersity,M i a nyang,S ichuan 621000)

Abst ract:use of the m app i n g defo m a ti o n m et h od,m any exp licit and exactw ave so lutions of A ne w H a m ilton a m plitude equation are obtained wh ich contain so so l u ti o ns,trigono m etric function so l u tions,rati o na l solutions and Jacob ian f u nction so.

K ey w ords:H a m ilton a m plitude equation;exact so l u ti o n

(上接第5页)

如此主导宇宙命运的暗能量的认识才刚刚开始。

从根本上讲,解释宇宙中正反物质的不对称性和认识暗物质及暗能量的本质需要一个完善的,包括引力在内的各种相互作用的统一量子理论(例如,超对称标准模型),即包罗万象的理论(Theory o f Everyth i n g)。暗能量的发现极大地震撼了宇宙学,天文学及物理学界,这个发现和正反物质不对称性问题及暗物质问题一起向它们发出了巨大的挑战,这不仅改变了人类对宇宙的认识,而且迫使人们不得不重新审视我们已建立起来的物理理论,从而很可能将开创一个新的物理学领域。

(注:本文系作者为绵阳师院学生作学术报告所收集的资料整理而成)

Current Situati on of Cos m icalM atter E xploration

TAO C ai De

(Ch i n aW estN or m a lU niversity,S iChuan,N an Chong 637002)

Abst ract:In th is paper t h e au t h or presents the d ifficu lt questi o ns Physical cos m ology and astrono m y are en counteri n g at probe i n to the asy mm etry o fm atter and anti m atter and the essence of dark m atter and dark energy oc cup ied i n95%o f co m ica lm atter。And he po ints out that t h ese severe cha llenges can bri n g a ne w revolution to physics。

K ey w ords:anti m a tter,dar k m atter,dark energy

杜先云哈密尔顿方程的多种行波解