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百年相对论未解之谜:暗物质和暗能量

[2015/11/17]
今年是广义相对论诞生100周年,100年前的12月2日,爱因斯坦阐述广义相对论的论文发表于《普鲁士科学院会议报告》,提出了颠覆牛顿定律的引力理论。根据广义相对论,物质之间的引力来自时空弯曲,任何由加速运动产生的现象都可以用等价的引力场解释。

爱因斯坦对引力的描述,能解释多个牛顿定律无法解释的现象,如水星等行星轨道的反常;提供了关于黑洞的基础理论,也是宇宙大爆炸模型的组成部分。相对论还有重要的应用价值,在GPS、北斗等导航卫星定位系统中,如果没有基于狭义和广义相对论的数据修正,误差会越来越大。

然而,相对论在揭开自然奥秘的同时,也引发了至今仍未解开的谜团。其中,暗物质和暗能量这两个宇宙“幽灵”,被视为21世纪物理学研究的重大问题。

普通物质

只占宇宙总质能5%

暗物质和暗能量是如何“现形”的?上海交通大学鸿文讲席教授、粒子与核物理研究所所长季向东介绍,天文学家发现,他们观测到的一些宇宙大尺度现象,与广义相对论、牛顿力学的理论预测并不相符。例如,银河系的恒星都在绕着银河系中心高速运动,根据广义相对论,恒星离星系中心越远,其运动速度应该越慢。但实验学家在研究一个螺旋星系的旋转速度时,发现星系外侧恒星的旋转速度,比预测速度快得多。
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这意味着两种可能:一是广义相对论在宇宙大尺度上失效,无法正确描述星系范围的引力; 二是该理论仍然成立,只是在银河系等螺旋星系中,存在人类还无法观测到的物质。其质量非常大,使星系外侧的恒星高速运转,并用足够大的引力“拉”住这些高速运转的星球,使其不至于因离心力过大而脱离星系。

许多物理学家选择了后一种解释,提出宇宙中存在“暗物质”。它们与人类已知的物质一样具有质量,却不与其发生电磁作用和强相互作用,因此人类几乎无法观测到。它们的密度很小,但数量庞大,因此总质量大得惊人。如今,据物理学家推测,银河系中暗物质的质量比普通物质多20倍以上;在整个宇宙,普通物质只占5%左右,暗物质则占27%左右,另外68%左右的质能来自“暗能量”。
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