主题:【文摘】未来25年科学界面临的125个重要课题 -- 土无尘
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家园 【文摘】未来25年科学界面临的125个重要课题-01

这是我根据science的文章翻译的。我不是这方面专业的,中间我看不懂的地方,查了一些资料,补充了一些内容,尽量

把问题说清楚以供更多的人阅读。错误的地方在所难免,有懂行的请纠正。

未来25年科学界125个课题-01宇宙的组成?

宇宙比人们想象的都要复杂的多。几百年前哥白尼,开普勒,牛顿提出了地球只是围绕太阳旋转的行星之一,而太阳也只是众多恒星之一,推翻了之前的地心说。1920年代,哈勃证实宇宙在不断膨胀和演进。这个发现粉碎了一直以来的宇宙永恒不变的概念。最近几十年,宇宙学家进一步发现,常规的组成恒星,星系和人体的物质占所有物质的比例小于5%。那么,组成宇宙的究竟是什么物质?

“Dutch astronomer Jan Oort first discovered the "missing matter" problem in the 1930's。”此人观测到了多普勒红移,认为银河系没有分崩离析,进而推测银河系中心有足够多的物质存在而维持强大的引力吸引着恒星。计算结果发现,银河系的质量比可观测物质的综合至少大两倍。1960年代,天文学家测量了恒星绕银河系中心旋转的切向速度与距银河中心距离的关系。发现在银河中心以外,所有恒星旋转速度相同。这和经典牛顿力学的预测是相违背的。这里简单说明一下,如有不对,请予纠正。

如果m1是恒星的质量,V是其切向速度,R是轨道半径。加速度a=V^2/R,需要f=m1*a的力保持恒星不要脱离轨道。这个力来自引力。这时候设m2为其他一切物质的总质量,这时的引力g=G(m1*m2)/R^2,G是引力常数。我们知道f=g,因而得到m2=V^2*R/G。就已观测的结果,m2时可以计算的,是个定值。恒星距离银河中心越远,也就是R越大,那么V应该是越小。然而观测结果是,V基本不变。也就是说R增大的同时,m2也在增大。直接的推论是宇宙中有未知的物质存在。

两个可能的原因,第一,这些恒星不遵守牛顿定律。或者更可能的是,宇宙中存在我们所没有观测到的物质,暗物质。称其为暗物质,因为实验结果证实有此类物质的存在。但是没法观测到暗物质发出的光(也许根本不发光)。

科学家已经捕捉到一些空间中的暗物质。他们使用X射线望远镜观测到遥远的恒星在闪烁就好像厚厚的一层看不到的物质挡在中间,科学家还测量了星系中这种看不见的物质对时空的扭曲。由于宇宙中有大量的原始星云存在,物理学家可以据此得出大概只有10%的普通物质是可以通过望远镜观测的。但是即使把可见的普通物质乘以十,仍然无法解释宇宙的组成。另一种未知的物质(暗物质)也发挥了重力作用。科学家推测暗物质占宇宙组成的四分之一。

这还不算完,还有一个暗能量,占大概70%。1990年代后期,科学家监测了遥远的超新星,发现宇宙在以越来越快的速度膨胀而不是物理定律暗示的那样越来越慢。是不是有某种反重力作用力在把宇宙撑大?

科学家这一次使用的是类星体。类星体是宇宙中的“四不象”,体积相对较小而能量巨大。它在一般光学观测中类似恒星,但实际与恒星并不相同,因此被称为类星体。一些质量巨大的天体会导致经过它们附近的光线等发生弯曲,使遥远天体的成像产生扭曲和变形,这一原理与光学透镜类似,因而被称为“引力透镜”效 应。借助设在英国和美国的一些大型射电望远镜,科学家们共对数千个遥远类星体进行了观测,结果发现平均每700个类星体中就有一个受到“引力透镜”的影 响,其射电信号会发生弯曲,最终出现两个以上“虚像”。很多独立的研究观测到很多种宇宙中的奇异现象,科学家们认为,这也许只有暗能量才能解释。

那么要回答宇宙组成这个问题就要回答以下三个越来越难回答的问题:普通暗物质的组成及存在于何处?天文学家对诸如空间中超大质量质量物体所引起的光线的弯曲所作的测量已经在接近问题的答案。什么是奇异暗物质?科学家有些个设想,还需要一些运气来发现答案。最后一个问题,什么是暗能量?“暗能量”的概念最早是由爱因斯坦提出来的,但后来爱因斯坦把这个概念说成是他科学生涯中的大错误,因为它破坏了广义相对论的优美性。从那以后,暗能量成了科学家争论的话题。直到近十年天文学家的观测才是这个问题重新浮出水面。这个问题似乎超越了现有物理学所能解释的范围。科学家可能需要更加紧密系统的天文观测,也需要加上天才的想象才有可能解决这个问题。

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