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破解新世纪科技之谜——暗物质与暗能量(一)


诺贝尔奖得主李政道教授2005年10月25日在清华大学的演讲中指出:“21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。暗物质存在于人类已知的物质之外,人们目前知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗能量更是奇怪,以人类已知的核反应为例,反应前后的物质有少量的质量差,这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失,完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。”他还指出:“20世纪科学最大的谜题是“太阳能的来源”。几乎20世纪绝大部分的科技文明,如狭义相对论、核能、激光、半导体、超级计算机等理论和应用,都是从研究这个世纪谜题中产生的。正像19世纪的人想象不出上述这些新科技一样,21世纪对暗物质和暗能量的研究,也会产生令今天的人类无法想象的新发明。”

李政道还进一步指出,从天文观察中人类能感知到的常规物质的能量只占整个宇宙能量的5%或者更小些,其它95%的能量都不是由我们现在所知物质构成的。地球、太阳和所有我们看得见的星云都是由电子、质子、中子构成的,其中有极少数的反物质:正电子、反质子……可是像我们知道的这类物质,在宇宙中仅仅占不到5%。我们宇宙中的大多数能量是暗物质和暗能量,看不见也不知道为何物。暗物质对所有我们能测量的光、电场、磁场、强作用(核的能力场)都不起任何作用。可是暗物质有引力场,通过引力场我们知道有暗物质存在,而且,暗物质的总能量比我们这类物质的总能量要大5倍或5倍以上。可是,对暗物质的其他性质,我们完全不知道!


最近几年,人们通过哈勃太空望远镜发现,我们的宇宙不仅在膨胀而且在“加速”膨胀。从它膨胀的加速度可以推算出,它是由于一种负压力也就是暗能量的存在才膨胀的,而这暗能量的总量占据全宇宙能量的73%。我们知道暗能量的存在也是因为它对现有物质世界的影响,但暗能量在目前还没有任何理论可以给出合理的解释。对这一问题的研究最终必将导致一场重大的物理和天文学革命,并最终引发人类文明的新纪元。



处必定有大量暗物质,其引力足以捕捉這些气体使之不致逃脫。


亲爱的读者,请跟我来,让我们一起捷足先登再次进入宇宙智能的圣殿去一窥暗物质和暗能量的庐山真面目!先看看人类对暗物质、暗能量研究的历史。2004年9月9日在我国高能所召开的“暗能量研究和探测可行性”专题研讨会上,陆埮院士将目前对于暗能量的研究比做一百年前人们对“以太”的探索,认为很可能导致一场理论物理的革命。1905年爱因斯坦在发表狭义相对论之后一个多世纪以来,“以太”(aether or ether)变成了教科书中典型的伪科学例子而遭受批判,被打成伪科学家的有阴极射线管的发明人克鲁克斯(Crookes)、化学元素周期表的创立人门捷列耶夫(Mendeleev)、热力学第二定律的创立人开尔文爵士(Lord kelvin)、交流电和无线电的发明人特斯拉(N.Tesla)、美国科学家克里(J.Keely)等人。特斯拉在他的科研生涯中,发明了一系列令我们现代人依然叹为观止而难于企及的绝妙技术(其中大多数发明被美国联邦政府作为绝密内容封存),而特斯拉的宇宙物质观的核心就是“以太”!克里在十九世纪进行了许多“以太”工程研究,其中包括多种利用“以太”流动产生重力或反重力的实验、可控的物质向“以太”的溃变实验等,克里还提前60年提出了后来被费恩曼(Feynman)在1958年称之为夸克的质子三粒子结构。克里学术观点的当代继承人戴维森(D.Davidson)总结出的“以太”的基本特性如下:


1.“以太”是贯穿所有空间的粒子性超流介质;


2.“以太”介质具有多种形态,是构成物理宇宙的建筑砖块;


3.“以太”介质的形态之一对引力和惯性负责;


4.“以太”介质可被我们的大脑和思想操控;


5.“以太”介质的流动可由物体的几何形状控制。


“以太”学说还认为,物质是由“以太”旋涡构成的,电子和其他的亚原子粒子均是粒子性“以太”流体旋涡构成的自维持结构。“以太”进出物质旋涡的过程形成物质与“以太”的相互交换并决定基本粒子的极性。特斯拉还进一步提出,时间、空间和能量是由统一不可分割的“以太”场组成的,物质的构成是“以太”中共振过程的产物。特斯拉是人类历史上第一个提出利用空间能量的人,他说:“我们将完全不再需要传输能量,多少代人过去之后,我们的机器将从宇宙空间的任何位置上获取能量而得以驱动,空间处处有能量。” 今天,人们怀着崇敬之心纪念人类历史上这位伟大的发明家、二十一世纪科学的奠基人尼古拉.特斯拉。


从以上有关“以太”学说的简单介绍中,读者们不难看出十九世纪的“以太”观念中已经包含了暗物质及暗能量的观念,若和本期刊前两期刊出的有关引力的物理实质的文章中的基本粒子结构以及三元基链图的观念对比,就可以看出“以太”的观念和二十一世纪的科学新观念息息相关,其缺陷在于把夸克子、磁单极子、引力子、能量子这些暗粒子流都笼而统之的作为“以太”而混为一谈。实际上,随着二十一世纪人类对暗物质、暗能量研究的开展,以太也获得了正名!但以太的伪科学的帽子现在仍停留在陈旧的教科书上以及“反伪斗士”的头脑中。

从以上有关“以太”学说的简单介绍中,读者们不难看出十九世纪的“以太”观念中已经包含了暗物质及暗能量的观念,若和本期刊前两期刊出的有关引力的物理实质的文章中的基本粒子结构以及三元基链图的观念对比,就可以看出“以太”的观念和二十一世纪的科学新观念息息相关,其缺陷在于把夸克子、磁单极子、引力子、能量子这些暗粒子流都笼而统之的作为“以太”而混为一谈。实际上,随着二十一世纪人类对暗物质、暗能量研究的开展,以太也获得了正名!但以太的伪科学的帽子现在仍停留在陈旧的教科书上以及“反伪斗士”的头脑中。


好了,让我们言归正传回到暗物质、暗能量的现代议题上来。细心的读者如果仔细地阅读本系列文章前面的内容,就可以整理出暗物质与暗能量的脉络了:宇宙大爆炸产生了大量的夸克—胶子等离子体,在爆炸引起的高温、高压、高密度、高剪切应力的条件下少部分胶子旋涡把夸克缠绕起来形成了质子和中子(质子和中子的结构形式请参阅本期刊2006年6期文章),也有部分负量守恒胶子旋涡团构成了自稳定的粒子—电子;宇宙中的质子、中子和电子的质量总合恰好等于宇宙总质量的4.4%,由此可以定出宇宙中暗物质与暗能量与显物质的质量之比为21.6这一宇宙常数。随着温度的进一步降低,处于混沌状态的由质子、中子和电子构成的显物质在电磁力、弱相互作用力和万有引力的作用下逐渐凝聚在一起,在基本粒子的小尺度上强相互作用力不仅维持夸克与胶子的稳定结合,也把不同数量的质子、中子纠合在一起形成各种化学元素,并最终形成宇宙星系。伴随着爆炸产物的扩散,温度、压力及密度逐步降低,占总质量95.6%的剩余夸克和胶子既不能相互结合也不能构成自稳定粒子团,而只能以游离态继续向外膨胀扩散。


夸克只有在和胶子缠绕在一起形成质子和中子的粒子尺度上才能呈现强相互作用力,游离态的夸克却只能呈现单纯弱相互吸力,其物理性质已经和具有强相互作用力的夸克大相径庭,既不吸收光也不反射光,从而形成了宇宙中的暗物质。在弱相互吸引力的作用下游离态的暗物质呈絮状聚拢在星球周围形成暗晕。夸克的尺度为10米,和电子的尺度差不多,可以自由的穿透显物质实体,暗物质的密度愈靠近星球中心则愈高。根本不需要制造α质谱仪到宇宙太空去捕捉暗物质,我们大家实际上都浸泡在暗物质粒子的海洋中却浑然不知!


游离态的胶子就是具有单纯斥力作用的N极磁单极子,既不吸收也不反射光,它是基础核能物质,构成了宇宙中的暗能量。胶子的尺度为10米,由于斥力作用,游离态的胶子逸散到远离星球的宇宙深空中去,并在宇宙逐渐膨胀过程中最终战胜了万有引力而成为推斥宇宙加速膨胀的主宰力量。宇宙中暗能量与暗物质的质量比应严格等于质子及中子之中胶子与夸克的质量比。


在高能物理实验中,由于夸克的禁闭效应是极难观察到单独的夸克和胶子的。2005年4月美国布鲁克海文实验室将金原子加速到接近光速时进行碰撞,在人类历史上第一次获得了夸克—胶子等离子体。而在地球周边的自然环境中我们也难于观察到原滋原味的夸克和磁单极子:游离态的夸克已经变性而丧失了强相互作用特性,N极磁单极子则因其斥力特性而早已散逸到远离地球的宇宙深空去了。有些人担心即便获得了夸克—胶子等离子体,由于胶子的“胶粘”特性也会立刻和夸克结合而重新生成质子。实际上这是绝不可能的,看看前面叙述的宇宙大爆炸之后质子形成的苛刻条件就会明白其中的缘由了。


提取和利用暗物质和暗能量可以构成地球人类前所未有的超级材料,最主要的有冷沸材料和强磁激发能材料两大类。冷沸材料就是现在人们议论纷纷了几十年而不知其为何物的暗物质!聚集态的冷沸材料在常温及高温为固态,在零下121℃后变为液态,在绝对温度3K变为气态(游离态)。聚集态的冷沸材料在常温和高温时则热而弥坚,愈热强度愈高。冷沸金属材料最高耐受温度可达10200℃,在常温及高温时均可保持电超导和磁超导特性;冷沸非金属材料可耐7400℃的高温,是优秀的耐磨和阻磁材料。2006年初英国剑桥大学的学者在对太阳周围的暗物质晕进行观察时发现,暗晕的温度可以高达一万多度,但更高的温度区域就不再存在暗物质晕了。该项观察结果印证了冷沸金属材料的高温极限。自然界中极少存在凝聚态的天然冷沸材料,只有类月冷星核中存在少量的四极凝聚态夸克。我们的月球上除了氦Ⅲ之外也有这种宝贵的冷沸材料矿藏,但愿地球人类能在这些矿藏被采掘殆尽之前也能有所斩获。


强磁激发能就是自1998年以来人们议论纷纷而不知其为何物的宇宙暗能量!在地球周围和星系周围不存在暗能量而只有游离态的暗物质,但使用特殊的制造技术可以同时人工提取暗物质(三极凝聚态夸克)和暗能量形成的强磁激发能材料。强磁激发能材料可产生超强磁场,有着极为重要的用途。如果决策者当机立断付诸行动,以人类2006年的技术水平为出发点,五年左右的时间就可以提取出这两种超级材料,并进而引发世界范围内广泛领域的工业技术革命。人类二十一世纪的科学技术,就是研究、提取和利用暗物质、暗能量为核心内容的科学技术!


以上有关暗物质及暗能量的现代观点决不是人云亦云跟踪外国人填补国内科技空白之作,笔者深切地感谢“航空知识”提供的这一宝贵讲坛,能让我们中国学者首开历史先河,在有关整个二十一世纪最大科技谜团的问题上发出我们的声音。亲爱的读者,当您读完了以上这些内容,不知您将作何感想?是欢欣雀跃还是疑窦丛生?此时此刻笔者凝思未来科技,不禁想起了屈原的诗句“路漫漫兮其修远,吾将上下以求索”。到此为止,蓝星科技畅想系列文章已经发表了七篇,探索二十一世纪暗物质和暗能量有关的科学技术的序幕已经打开,主场的景象将更加蔚为壮观,让我们一起前行,去继续探索五彩缤纷的未来世界吧

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