基本引力微子和它的物理“暗世界” 

暗物质的发现

1.1 暗物质的发现和它的科学意义。

万有引力是我们非常了解的一种自然力,近代天体物理学发现,空间存在着一种称作为暗物质的引力物质,它的总质量是宇宙质量的95%. 科学家已经证明暗物质不是死星,不是宇宙尘埃,重子,光子或中微子等 。更多的物理学家已经意识到暗物质的发现是物理学的一项极其重大的成就。它将对近代物理学基础理论的发展起着举足轻重的影响。

基于这项发现。我们首先可以进一步证明,相对论的验证实验是虚假的。它们事实上都是相对论理论自身的反例。详细内容参阅第三章。

暗物质的发现同时证明,引力暗物质本身就是光传播的媒质载体。因此,在基本引力微子理论中有时称之为光物质。详细的研究编录于第二章。

暗物质的存在对于光传播本质机理的研究,对于物理基本相互作用,如强相互作用等的本质机理研究提供了必要的物质基础。我们因而具备了更多,更充分的条件去了解基本粒子组成问题的数理框架和它的稳态条件 。有关细节在第八章介绍。

瑞士天文学家Ziviky 的伟大发现终于提供我们足够的依据对爱因斯坦狭义相对论作出本质上的修正。

1.2 暗物质存在问题的验证和相关证据

在研究和观测旋涡星云中旋转星体的速度和位置间的关系时,物理学家在银河旋转曲线中发现异常(参阅图Graph 1-b ),与开普勒理论不附(Graph 1-a). 观测发现,在星系发光区域以外,物体的转动速度与距离无关。这是说,不同距离上的物体具有相同的转动速度。

根据开普勒定理,行星绕太阳运动速度v和轨道半经间的关系满足。即是说,距太阳较远的行星的速度比较小。这个关系适用于绕大团块中心星系旋转的星体。

对于这一观测异常,我们能够作出的解释是,所谓的星系空间并非是什么真空,是由一种微子量级的引力物质弥散于整个的空间。因为这一物质不能自身发光,它是不可见的。

 

另一个实验例证发现于1983年,据银河系中心2 x 105光年,命名为R15,它的视速度大于465 千米/秒。根据天体物理学理论,产生这样高的速度只有在银河系总质量十倍于可见物质时才有这个可能。

1.3  天文学家称发现迄今最佳证据证明黑物质存在(图)

 

                          

2007年05月16日 10:28 来源:中国新闻网

哈勃望远镜探测到宇宙黑物质环
 

中新网5月16日电 据英国广播公司报道,一组国际天文学家称,他们发现了迄今最有力的证据证明宇宙中黑物质的存在。

天文学家们说,整个宇宙的百分之九十都是由黑物质构成,黑物质还起到把不同星系粘合在一起的作用。问题是黑物质是隐形的,没有人能证明它的存在。

现在,一组天文学家声称,他们有了最佳的证据证明黑物质的确存在。

他们利用哈勃太空望远镜探测到一个距离地球五十亿光年的一组星系套着一个他们所称的怪异黑物质环。

美国耶鲁大学的纳塔拉占教授是研究宇宙黑物质专家。他说,这个黑物质环有可能是两个星系群发生大规模碰撞的结果。

这个巨大的环直径约为两百六十万光年。

虽然这个黑物质环是看不见的,但是科学家们依靠黑物质环对来自其背后遥远星球的光的扭曲,观测到了其形状。

新华网北京1月10日电(记者李雯)继去年8月科学家发现宇宙暗物质存在的直接证据后,欧洲和美国的科学家又利用相同的技术,在最新一期《自然》杂志上发表了他们为宇宙暗物质绘出的三维图。

 

所谓暗物质是指宇宙中存在的一种不明性质的物质粒子,它的电磁放射和折射非常微弱,所以不能被直接探测到。但是,我们肉眼能见的物质如星系、恒星甚至各种生物,所占质量只是宇宙中很小一部分,暗物质的质量是可见的普通物质质量的5倍以上。

1.4 学术界排除暗物质是已知一切物质可能性的科学方法

A. 学术界排除暗物质是死星,是宇宙尘埃或重子可能性的科学方法。

开始,科学家认为,暗物质应该是一些气体物质,如氢气或其它分子。然而在对氢气分子的研究中,他们没有发现21厘米吸收线。这些观测结果表明,氢分子的密度不可能大于10-6 / cm3 。继而使用精度更高的光学仪器,他们可以断定,氢分子的密度小于10-12/ cm3

通过采用类似的光学方法我们可以确定,在银河星系内部的空间,暗物质不是氧,锂 ,碳,镁,铝,铁,硫或硅。。。它不可能是任何化学元素。

通过对宇宙X射线的测定,同样可以排除暗物质是离子化气体的可能性。因为大量的宇宙尘埃会引起星空的昏暗,物理学家排除不可视物质是宇宙尘埃或死星的可能性。跟据定量计算,物理学家发现,在任何银河星团中的宇宙尘埃仅是可见星体质量的百分之一。

如果,短缺的宇宙引力质量是死星的质量,它必需是可见星体质量的十倍,这必然会使星体轨道计算发生困难,最终导致计算结果与观测值不相符。再则,根据宇宙微波背景幅射的强度,天体物理学家同样可以证明暗物质不是死星或暗淡下来的星系。

B. 暗物质不是光子,也不是中微子。

目前,物理学家已经发现,宇宙中光子和中微子的数量密度几乎是相同的,大约是每个立方厘米为400,其光子能量对应的质量是1.1 x 10-36克。它对宇宙平均质量密度的贡献是很小的。

4.4 x 10-34 g /cm3 < < r o

r o是宇宙质量密度的临界值,这说明,光量子不可能是暗物质。根据WG理论对光物质的描述,由hn 表征的光物质并不是暗物质的主要部分。

然而在1980年,一些基本粒子物理学家宣称,中微子的静质量不一定为零。尤其是之后的原苏联的一位物理学实验小组宣布,电子中微子的静质量为6 x 10-32克。而且,由于中微子数并不随着宇宙的暴胀而减少。所以,中微子对宇宙密度的贡献应该是:

2.4 x 10-29 g / cm3 > r o

众所周知,当宇宙密度大于临界值r o,宇宙将是有限而且是封闭的(现行宇宙星系总质量仅是临界值的0.05%.

粒子物理学家希望在宇宙中发现一些“微子”以解 决暗物质的认证问题。

暗物质的发现首先会让物理学家们思考以下几个问题:

 

1.5 排除暗物质是WIMP理论提出的“弱相互作用大质量粒子”的理由 

20世纪30年代,瑞士天文学家弗里兹·茨威基(Fritz Zwicky)在研究旋转星体的速度和位置间的关系时发现,开普勒理论旋转曲线发生异常:“不同距离上的物体具有相同的转动速度。” 他研究了距离我们约两亿光年的COMA星系团,先测量了星系团中各个星系的亮度,通过已知的亮度和质量的关系,得出了可以看见的星系团质量。他同时又测量了各个星系的公转速度以及它们到星系团中心的距离,由万有引力定律计算出了星系团的总质量。得出了一个惊人的结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的,只能通过引力来“感觉”到它们的存在。

另外的实验例证发现于1983年,之后,出现了更多的实验,证实了瑞士天文学家弗里兹·茨威基的发现,这包括哈勃望远镜探测到宇宙黑物质环。。。科学家终于宣称发现了宇宙暗物质存在的直接证据;继后,欧洲和美国的科学家在《自然》杂志上发表了他们为宇宙暗物质绘出的三维图。。。

对于严肃和具有基本学识的物理学家,首先会认识到,天文学家弗里兹·茨威基的伟大发现包含二个关键的结论:

1.整个星系团总质量的99%是“看不见”的,只能通过引力“感觉”到它们的存在。即:宇宙质量的99%是引力暗物质。

2. 所谓“不同距离上的物体具有相同的转动速度。”意味着,这个“看不见”的引力物质是弥散在整个星系团的空间之中。即:暗物质存在的“空间弥散性”。

研究者曾对暗物质可能的形态做过很多理论上的猜测。就目前而言,被研究得最多,也是最被看好的暗物质模型正是这个所谓弱相互作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle,即WIMP)。这种粒子的特点是,虽然没有电磁相互作用和强相互作用,但是参与弱相互作用,同时质量比质子和中子大。

“WIMP之所以成为暗物质的热门候选者,主要有3个原因:

1.WIMP具有‘冷暗物质’的各种性质,而基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。

2.在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP 特点的粒子。例如,流行的超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子,这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。

3.WIMP具有弱相互作用截面,而按照统计物理的粒子退耦理论计算,WIMP的数量也刚好和暗物质密度的观测值在同一个数量级。即WIMP可以很好地放入我们今天的宇宙理论模型,作为暗物质的候选者。据说,研究者试图观察宇宙射线流中的正电子来发现暗物质的踪迹。

根据暗物质基本实验观测得到的结论2(暗物质存在的“空间弥散性”),我们提议,排除暗物质由大质量粒子组成的可能性。理由有二:

1)目前的科技水平,中微子这样的弱相互作用粒子都能有多种方法探测到它的存在。对于比中微子质量大(不在同一数量级,甚至比质子,中子大10-1000倍)的大质量粒子却长时间不能探测到它的踪影。

2)对这种大质量暗物质候选者的探测,必须把探测的方向对准天体其他空间方向,背景不含恒星等大质量星体以及脉冲星,超新星等,没有宇宙星体产生剧烈碰撞,塌缩,扰动等情况。

物理学已经了解,产生正电子有以下多种可能:

1.中微子和质子会产生中子和正电子;

2..在T=5*10^9K的温度下光子可以较高程度的反应生成正负电子对,体系热平衡时正电子数量和光子数量大致相等。

3.核聚变:恒星们主要的核反应就会释放出正电子,比如我们的太阳,其中每时每刻都在发生如下反应:四个质子聚合成1个氦核,同时释放出两个电子中微子和两个正电子。

4.衰变:比如放射性同位素磷30就会通过正β衰变释放正电子。

5.其他方法:利用能量高于1兆电子伏的γ射线辐射铅板、薄金属箔、气态媒质等都有可能观察到正电子。。。

而且,就现今的科技水平,还远不能说是掌握了正电子产生的所有情况。可以确定地说,如果在某些方向发现正电子,就称是发现了“暗物质可能存在的迹象”,逻辑上是大大欠妥的。基本引力微子理论中也很容易证明,异常天体扰动中的质子,中子会产生正电子。

由美国奋进号航天飞机送入太空的阿尔法磁谱仪(AMS)对观测正电子提供了极大的便利,对科学研究无疑会作出重大贡献。

一旦AMS观测到正电子,站在科技严肃慎密的角度,科学家还必须排除这些正电子是来自脉冲星或其他的扰动星体等上述提到的五种情况. 航天飞机上的阿尔法磁谱仪,用于导引高能粒子聚焦的设备长度是有限的,根本无法保证进入AMS的粒子不是源于背景中的恒星或大质量星系,或更大区域中产生的正电子因衍射所至。正如观测结果表明的,在阿尔法磁谱仪运行的最初18个月中,已经探测了250亿次粒子事件。是说,AMS的探测镜头是摄入包含大量恒星,脉冲星等各种星体的广博背景。称是发现了“暗物质可能存在的迹象”,逻辑上更是大为不妥。事实上,现有的关于暗物质的理论,包括WIMP理论,对暗物质仅是理论上的猜测,科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大,有多重,以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。

据说,美国马里兰大学科学家萨拉-恩诺曾表示,“我们或许不知道这样一个事实,那就是暗物质粒子是我们无法制造或探测到的粒子。”

如果能够确定,AMS在其他天体空间方向(背景不含恒星等大质量星体)不能观测到正电子,那么,这种大质量的粒子作为“暗物质”的候选者就只能被排除。我们就必须重点展开有关暗物质引力微子理论的探索和研究。