明物质与暗物质

瑶池碧珠

物理学中将物质分为明物质与暗物质，其中明物质是人们能够观察到的物质，暗物质是人们不能利用、不能观察的物质，人们一定会问，既然是物质，为什么会存在人们观察不到的物质，会有暗物质存在，对暗物质说到底它是什么物质，它是由什么物质组成的，为什么不能让人们看到，暗物质存在到什么空间里了，如何才能找到暗物质，暗物质与明物质间能不能相互转化，如果能转化，能不能将明物质突然转化为暗物质，让人们看不到这个物体，或者是将暗物质突然转化为明物质，让人们看一看等等。

     如果有哪一位科学家能够将明物质突然转化为暗物质，让这种物质进入人们所说的“另一个空间”，或者是将暗物质突然转化为明物质，让这种物质从人们所说的“另一个空间”中回来，在这个世界上可真是一件新闻，随着人们科学技术的完善，这一天总会到来。

    对明物质与暗物质的认识，可以这样认为，明物质与暗物质都是由分子原子组成的，这一句话相信的人非常少，因为人们会提出这样的疑问，既然明物质与暗物质都是由分子原子组成的，为什么它们的物质特性会有这么大的差别，明物质可以被人们利用和观察，而暗物质却不能被人们利用和观察，是的，物质到底是明物质，还是暗物质，并不是取决于这种物质本身是由什么内容组成的，而是取决于物质与环境相互作用的光子信息能量，如果物质与环境相互作用光子信息能量，这种物质就能够被人们利用和观察，它就是明物质；如果这种物质不能与环境相互作用光子信息的能量，这种物质就是暗物质，所以说无论是暗物质还是明物质，都可以说成是由分子原子组成的，它是由于光子信息团构成的。

    人们又会问一个常规问题，在什么时候是明物质，在什么时候是暗物质，这里可以说是有长期暗物质，有短期暗物质，也可以说成是有绝对暗物质与相对暗物质，事实上绝对暗物质，或者说真正的暗物质是不存在的，绝大多数是相对暗物质。

    我们前面已经说过，物质是不是暗物质，是不是存在，并不是决定于它本身的构成，而是决定于它与环境相互作用光子信息的能量强度，如果它作用的光子信息能量强度比较大，达到人们观察利用的灵敏度，它就是明物质，相反，如果它与环境作用的光子信息能量强度特别小，达不到人们观察利用的灵敏度，它就是暗物质，所以如果环境中一个光子都没有，或者说环境中没有一个光子通过个区域，物质就是存在，物质也不能与环境作用光子信息，物质就不能表现自我，可以说物质就不能存在，物质就是暗物质，我们说自然界的最低温度是0开尔文，它就是环境中没有一个光子通过，所有分子都会相对静止，没有热运动，任何物质在这个环境中都不能表现自己，任何物质在这个环境中是真正的暗物质，这个环境是自然界中非常少见的，它应该在宇宙以外的地方出现，目前人们的科学技术不能让环境的温度达到绝对0开尔文，也永远达不到，就是说人们不能通过自己的科学技术，将明物质真正转化为暗物质，但可以转化为“亚暗物质”，这里我们取一个新明词――“亚暗物质”，可以这样说，自然界真正的暗物质是不存在的，更多的情况是以“亚暗物质”的形式存在，就是物质在单位时间内与环境作用的光子信息能量非常少，远不能达到我们人类观察的灵敏度。

比如，我们对一千克水进行研究，通过爱因斯坦理论计算说明，一千克水在300K时的所有能量，是通过热学计算，一千克水从300K降低到0开尔文，所放出的热能是很少的，如果考滤到电子的转移，原子的结合、分子做功等因素，包括原子核间的总能量，物质放出能量不足总能量的5%，也就是人们所说的，明物质只占到5%，暗物质占到95%左右，这个比例不能确定，可能会多也可能会少，人们用的物理模型不同，结论会不同，但是它并不影响我们对物质的论述，特别是对明物质与暗物质的论述。从上面的结论可以看出来，在自然界中是明物质占的比例特别小，而暗物质的比例占的比例特别大。

    在前面的描述中，我们已经说过，在自然界中并没有真正的暗物质，都是“亚暗物质”，所谓的“亚暗物质”，就是物质还是能够与自然界作用光子信息的，只是作用的光子信息能量的强度非常小，远没有达到人们观察的灵敏度，由于它与环境作用光子信息的能量强度非常小，自己的很多特性在自然界中表现不出来，但是它仍然是存在的，是物质，是“亚暗物质”，特别是它对其它物质的万有引力表现不出来，它自己内部的万有引力也表现不出来，对其它物质的任何作用力都表现不出来，特别是其它物质可以任意地穿过这个物体，这个物体在运动过程中，也可以穿过其它物质，这个物体存在就像没有存在一样，就好像是这个区域是真空一样，当然可以称为暗物质，或是“亚暗物质”。到底“亚暗物质”，与环境作用光子信息的强度有多大，也就是它在单位时间内能够与环境作用多少光子信息能量。

   我们可以做这样一个物理模型，一千克水的总能量是，当把物质从300K的温度，降低到绝对0开尔文的时候，这一千克水只放出总能量的一少部分，可以认为余下的能量都是在“亚暗物质”的存在过程中，与环境相互作用光子信息能量，将自己的光子信息能量施放出来，它的施放过程有多少年呢，我们只能做这样的假定，宇宙的生命过程中它都是存在的，我们知道，距我们最远的星球，为150亿年，这一千克水的总能量在150亿年的过程中，或者说在更长的时间里将这个的能量慢慢施放出来，我们知道，如果宇宙以外的光子信息不能进入我们的宇宙，宇宙的生命就是永存的，这一千克水的总能量可以伴随宇宙的生命而存在。这里只是分析说明，宇宙中真正的暗物质是不存在的，只有宇宙本身对其它宇宙来说可以称为真正的暗物质，其它暗物质的生命都不是永远的，而是有生命结束的这一天，只要有生命结束的这一天，物质的光子信息就不是恒定不变的，只要光子信息发生变化，物质光子信息就会与环境中的其它光子信息相互作用光子，自己就会有一定的质量，物质就不能称为暗物质。所以暗物质是相对的，是相对于我们周围的明物质来说的。真正的暗物质是自己光子信息没有与环境相互作用，自己的光子信息总量，频率分布都不发生变化，这个暗物质的生命就会永远存在，时间对真正的暗物质没有意义，世界上的时间只有对宇宙来讲是永恒的，对待其它暗物质来讲，只是时间的进度更慢一些。这是情形是绝对的，是“亚暗物质”，物质处于绝对0开尔文附近。

    还有另一种“亚暗物质”因素，就是物质本身处于平时的温度之中，比如说是是在300K，由于目前未知的原因，物质突然没有与环境作用光子信息，自己的质量没有得到表现，自己的光子信息没有发生变化，随着地球上明物质的时间推移，处于“亚暗物质”的生命进程没有前进，这就是人们所说的，物质进入到的另一个时空去了，其实物质就在我们身边，由于它没有与环境作用光子信息，我们无法认识它。

    通过以上的研究可知，物质的特性并不是完全由自己决定，而是自己与环境共同作用的结果，到底是明物质，还是暗物质，并不是决定物质本身，而是决定物质与环境结合的程度，如果与环境作用更多的光子信息能量，能够将自己的物质质量表现出来，这个物质就是明物质。相反，如果这种物质与环境相互作用的光子信息能量的强度非常小，物质自己的特性和物质质量表现不出来，这种物质是暗物质。

瑶池碧珠

普通物质是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看得着的东西，近如身边的一草一木，远如夜空的繁星点点，都是人们所熟知的。而在65年前，科学家通过天文观测和理论研究发现，其实在宇宙中，除了普通物质之外还存在着神秘的不可视的暗物质。普通物质总是能与光发生相互作用，抑或在一定的条件下自身就能发光。也就是说，即使普通物质藏身于最黑暗的角落，只要人们拿上手电筒照上一照，总能发现它们。但暗物质恰恰相反，它根本不与光发生作用，更不会发光。因为不发光、与光不发生作用，所以在天文上用光的手段绝对看不到暗物质，不管是电磁波、无线电，还是红外射线、伽马射线、X射线，统统这些光的方法都毫无用处。但是暗物质能感觉到，不是靠光，而是靠引力。

现在人们对暗物质的认识是，它起到的惟一的作用就是引力作用。万物之间存在万有引力，暗物质就是通过物质的这一特性才被发现的。赵永恒说，太阳系有九大行星围绕太阳旋转，越往外其转动的速度越低，比如地球绕日速度是每秒30公里，高于火星，而火星的速度又高于位于它之外的木星，这是典型的中间有一颗大恒星的行星系表现。但科学家在观测宇宙其他一些星系(包括银河系)中的恒星运行速度时，发现越往外，围绕中心的速度并不都是衰减下去，而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外，物质越少，引力也越小，速度也应该越低的常规不符。由此可以反推，此时虽然外圈的那些能被直接观测到、数出来的星星数目变少了，但其实内部的物质数量并没有减少，引力也没有变小，只不过观测不到而已，因此这些物质被称为“暗物质”。

那暗物质的物理组成到底是什么？这一问题是目前研究的热点之一。科学家们早先推测它可能由一种不带电的、质量很轻的、数目繁多的中微子构成，中微子的运动速度很快，可称之热暗物质；相对的，候选者还有可能是种质量大的、运动慢、引力大的冷暗物质粒子。天文学家后来在实际的观测和计算当中发现，答案更倾向于后者。冷暗物质粒子很可能是宇宙早期遗留下来的稳定、弱作用的重粒子(WIMP)。

宇宙的起源和进化是物理学研究的最基本的问题之一。建立在广义相对论和宇宙学原理（即在宇宙大尺度上，物质的分布是高度均匀各向同性的）之上的大爆炸宇宙模型告诉我们大约137亿年前，大爆炸发生的那一刻，宇宙处于一个极致密、极高温的状态，形成了空间和时间，宇宙随之诞生，并经过膨胀、冷却演化至今。在这个过程中，宇宙经历了原初轻元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恒星形成等几个重要的时期，星系、地球、空气、水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。

二十世纪二十年代，天文学家哈勃从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中所有的星系都在彼此远离退行，距离越远，退行速度越大，二者成正比，这个比例系数被称为哈勃常数，这个规律叫哈勃定律。在此基础上，产生"膨胀宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。二十世纪大量的天文观测和天体物理研究结果都证实这个模型。

去年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。WMAP的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量, SDSS 也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子（如光子，胶子等）。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。

什么是暗物质呢？暗物质是不发光的，但是它有显著的引力效应。比如，对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度，如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话，由牛顿引力定律可知，距离中心越远，速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的，这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。中微子是一种暗物质粒子，但WMAP和SDSS的结果说明，它的质量应当非常小，在暗物质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的中性的弱作用重粒子。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测，它们可能是超对称理论中的最轻的超对称粒子，是稳定的，在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家，例如中意科学家合作组DAMA实验，丁肇中先生领导的AMS实验，正在进行着各种加速器和非加速器实验，试图找到这种暗物质粒子。

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀，星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样，是恒定的，而是在不断加速。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。但是，我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73％。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。

然而现在物理学的基本理论还无法解释观测到的这一暗能量。暗能量是二十一世纪物理面临的最大的挑战。物理学对暗能量这种新类型物质的探索才刚刚开始。众说纷纭，但仅仅是一些猜测和设想，远没有形成一个基本合理的解释。科学家正在计划发射新的探测卫星，对于宇宙大尺度空间进行更多更精确更系统的观测，进一步研究宇宙加速膨胀的规律，确定暗能量的形式和物理特征，不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律。解决这一问题需要新的理论，这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。

综上所述，研究暗物质、暗能量这些新的问题需要将描述微观世界的粒子物理与描述宇观世界的宇宙学结合起来。这一极大与极小的联系是21世纪物理学和天文学研究的一个新特点。