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隐藏在科学乌云背后的美丽新世界

100年前,爱因斯坦导出了广义相对论。 从相对论出发,人们发现了“时间旅行”的可能性,体验了原子裂变的巨大能量,演绎出了宇宙的起源与终结、黑洞、暗能量等许多科学奇迹。 相对论因此被称为“20世纪最美丽的思想”,与量子力学一起构成了现代物理学的两大支柱。

 

  在相对论和量子力学诞生之前,光速和黑体辐射是笼罩经典物理学的两朵“乌云”。 如今,经典物理学上空的乌云已经散去,但科学界又出现了新的“乌云”,那就是相对论无法解释的谜团——暗物质和暗能量。 揭开暗物质和暗能量的奥秘已成为21世纪最热门的科学命题。

  近日,由“赛先生”与第一财经研究院主办、在上海海洋大学图文信息中心举办的“世纪相对论”系列活动就围绕这一前沿科研命题展开。 演讲嘉宾、国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究组首席科学家陈学雷以《聆听天籁:21厘米探测器》为题,介绍了暗物质、暗能量及相关领域的科研进展从黑暗时代到今天的宇宙”。 主旨演讲结束后,载人潜水器“蛟龙”号5000米海试副总指挥、上海海洋大学深渊科学技术研究中心主任崔维成与陈学雷就“科学探索极限运动——太空VS深渊”的主题对话鼓励在这里的青年学子传承科学家无畏的求知精神,积极参与科学探索。

  演讲嘉宾国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究组首席科学家陈学雷

  用陈学雷的话说,暗物质和暗能量之所以被称为现代科学顶上的“乌云”,是因为大多数科学现象都可以在粒子物理标准模型的框架内得到满意的解释。 这是现代物理学的一项巨大成就。 但这个框架不适用于暗物质和暗能量。

  爱因斯坦曾经试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型。 他发现,在只有重力作用的模型中,宇宙是动态的,要么膨胀,要么收缩。 为了使这个宇宙模型保持静态,爱因斯坦在他的方程中添加了“宇宙常数”的概念。 “宇宙常数”代表一种与万有引力相反的虚斥力。 它随着天体之间距离的增加而增加,抵消重力的影响。 然而后来,由于当时的一些科学发现,爱因斯坦赶紧把宇宙常数扔进了垃圾桶,声称这是“他一生中犯下的最大错误”。

  然而,“宇宙常数”却因为暗物质和暗能量而“复活”。

  暗物质是天文学家在观察宇宙时意外的“发现”。 20世纪30年代,瑞士天文学家Fritz Zwicky发表了令人惊讶的言论。 根据他的计算,在星系团中,可见星系占总质量的1/300,99%以上的质量是不可见的。 这意味着星系团中隐藏着某种未知的神秘物质。 越来越多的观察让这个想法看起来越来越可信。

  根据万有引力定律,物体绕重心旋转时,距离重心越远的物体,其速度应该越慢。 然而,当科学家观察一些星系的运动时,他们发现,围绕星系中心运行的恒星的速度并不都是向外圈逐渐减小的。 相反,外圈中的一些恒星的运动速度与内圈中的恒星大致相同。 由此,科学家推测,在外圈,只有可见物质变少了。 事实上,客观存在的物质的数量和质量并没有减少,引力也没有变小。 这些人类无法观测到的物质被称为暗物质。

  此外,天文学家还发现,宇宙不仅在膨胀,而且还在以前所未有的加速度向外膨胀。 星系离我们越远,远离我们的速度就越快。 也就是说,宇宙中应该存在某种与引力相反的排斥力,在加速膨胀运动中“暗中”“撕裂”不同的星系。 由于它像暗物质一样不可见,科学家将其称为暗能量。

  近年来,科学家通过各种观测和计算证实,暗能量和暗物质不仅存在,而且主宰着宇宙。 其中,暗能量总量约占宇宙总量的73%,暗物质约占22%,普通物质仅约占5%。 “我们一直以为宇宙的秘密就在天上的星星。但现在,我们发现天上的星星在宇宙中只是寥寥几颗,其余的大部分都隐藏在隐形之中。怎么可能呢?”这听起来不令人兴奋吗?什么?” 陈学雷认为,这就是求知路上的“悖论圈”。 当我们认为自己对宇宙的奥秘了解得越来越多时,我们面临的未知数也相应增加。

  这些深刻的未知为陈学雷这样的科学家提供了前进和探索的动力。 “探索暗物质和暗能量并揭开它们的奥秘,科学家们面临着一条漫长而艰巨的道路。” 和其他立志揭开暗物质和暗能量这层隐形斗篷的科学家一样,陈学雷此前表示,我们对暗物质和暗能量做了大量的理论研究,包括构建暗物质的理论模型和暗能量,以及观察和验证的方法。 现在,他负责的“天安娜计划”将通过中性氢的21cm谱线小规模观测和寻找第一代发光物体的电离氢区域。 按照陈学雷的想法,他的团队根据电离氢区域的特性将暗物质恒星与普通的第一代恒星区分开来。 “今天科学界面临的情况与19世纪末20世纪初相对论和量子力学诞生之前非常相似。如果拨开乌云,你会发现隐藏在乌云背后的美丽新世界。” ”

  载人潜水器“蛟龙”号5000米海试副总指挥、上海海洋大学深渊科学技术研究中心主任崔维成(左二)与陈学雷(三)交谈左起),鼓励青年学生积极参与科学探索。 。

  第一财经记者:在您的演讲中,我们了解到暗物质是“看不见”的大多数。 暗物质的科学定义是什么?

  陈学雷:目前我们还无法知道这些物质到底是什么。 这一重大问题堪称21世纪物理学之谜。 正如19世纪的人们无法想象20世纪的新技术一样,21世纪科学界对暗物质和暗能量的研究也可能产生当今人类无法想象的新发明。

  第一财经记者:相对论颠覆了人们对世界、宇宙的认识,改变了人类的发展进程。 那么,暗物质和暗能量的研究将对人类产生哪些影响呢? 或者说它未来的应用价值是什么?

  陈学雷:目前还看不到暗物质或暗能量的直接应用价值。 就像法拉第发现电磁场并推导出电磁感应定律时一样,他并不知道这会给人类世界带来什么影响。 我现在不能谈论这个问题。 然而,暗物质和暗能量的研究具有重要意义。 它隐藏着巨大的潜力,在实现之前是无法看到的。 我认为暗物质和暗能量具有巨大的潜力,首先因为它们加起来占宇宙总密度的95%。 同时,暗物质和暗能量的同时存在是对整个科学理论的挑战。

  第一财经记者:国际科技界认为,未来10到20年将是暗物质探测的黄金时代。 去年9月,实验对象科学家丁肇中透露,实验中暗物质的六大特征中有五项已得到证实。 国内外对暗物质和暗能量的研究进展到什么程度了?

  陈学雷:暗物质粒子存在的证据是通过引力相互作用发现的。 目前尚未检测到明确的暗物质信号。 到目前为止,科学界探测暗物质的方法主要分为三类。 第一种是使用加速器检测,例如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。 二是地下直接探测。 最典型的就是在我国四川锦屏山地下实验室进行的实验。 三是空间探测。 国外的“方形射电阵列SKA”和国内的Fast项目都是大型射电望远镜探测项目。 “蒂安娜计划”的侦破也属于此类。

  第一财经记者:中国在探索暗物质和暗能量方面有哪些机遇和优势?

  陈学雷:优势有很多,比如四川锦屏山的地理优势。 例如国内有电磁环境好的站点。

  近10年来,中国科学家在计算宇宙学和理论模型研究方面取得了重要成果,在注重国际合作的实验研究和天文观测方面也做出了重要工作。 另一方面,我国的科学工作者也制定了暗物质和暗能量的探测和研究路线图,国内科研界形成了物理学、天文理论和实验观测紧密结合的研究氛围。 这些都是优势和机遇。

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