漫聊合集 暗物質：為甚麼我們只看到宇宙的5%？

這期節目我們來聊聊宇宙是由哪些東西組成的 我們人類到底理解了其中的多少 自古以來人們就對這個世界充滿好奇 對於很多問題 一開始人們對它的關注並不來自於什麼實際的需求 而是純粹的好奇 你想象一下有兩個原始人教授 他們拿一塊大石頭去撞擊另外一塊小石頭 可能在他們的語言裏就把這個東西叫粒子對撞機 很多人類的問題都是關乎於這個世界的根本 比如說宇宙是由什麼組成的 當原始人看着石頭塊的時候 他很可能就直觀的認爲 大的石頭塊就是由小的石頭塊組成的 那小的石頭塊就是由更小的石頭塊組成的 那麼如果你是第一個去認真回答這個問題的人 你很可能會這樣回答 你會把整個宇宙列成一個表格 這個表格的第一項就是宇宙 然後它下面有很多的分項 這些分項包括我 你 這塊石頭 那塊石頭 大象 山羊 小山羊 山羊的腿 等等等等 但是用這個方法 有一個很大的問題 就是這個列表會特別特別的長 因爲它需要包括這個宇宙上每一個人 每一塊石頭 每一隻山羊 如果你還要通過這張列表表達這些東西的組成部分 那這張列表就會無限的長 當然它還要包括這張列表本身 那你說我就不列出物體內部的組成部分了 那這張列表又會變得特別的短 只有一項 就是宇宙 那這張表也就沒有什麼用了 更重要的是 這張列表並不能幫你真的找到問題的答案 一個讓人們滿意的答案 不僅是用來揭示這個宇宙的複雜性 還要揭示它內部最簡單的原理 它不僅要說明我們四周有無限多的東西 還需要爲我們進行簡化 比如你上中學學習的元素週期表 它就是幹這個事用的 人們希望他看得見的 摸得到的 聽得到的 每樣東西 都基於元素週期表的這些基本元素 宇宙的構成原理和樂高積木差不多 大的東西是由小的東西一塊一塊拼起來的 當我們把一個大的東西 細分下去的時候 最終會遇到一個特別簡單的小積木塊 那世界上所有的東西 都是由這個小積木塊組成的 這樣多簡單呀 實際上 像樂高積木一樣 元素能組成宇宙裏的很多東西 比如說 恆星 岩石 塵埃 動物 植物 等等 那一個古代的科學家 就可能會這樣猜測 很可能元素的種類是無窮的 石頭可能是由石頭元素組成的 空氣是由空氣元素組成的 火是由火元素組成的 如果這樣去思考 這個原始科學家 就會有一張非常非常長的列表 當然我們這麼說 可不是因爲 我們的宇宙本來就是這樣的 在這裏我們說的只是一種思考方式 一種認知宇宙的思考方式 如果沒有別的科學家來告訴你 元素週期表 你可能會去猜測 我們的宇宙就是這樣的 在我們的宇宙裏 離我們很遠很遠的東西 也可能是這樣的 實際的情況是科學發展到今天 人們已經突破了元素週期表的尺度 看到了原子內部的情況 據我們所知 物質是由元素週期表這些元素組成的 這些元素又是由更基本的單元 比如原子電子組成的 原子內部又包含質子和中子 它們是由上夸克和下夸克組成的 原子核外面圍繞着不同數量的電子 不同質量的原子核 加上不同數量的電子 就構成了不同的元素 因此我們有了上夸克 下夸克 還有電子這樣最基本的三個元素 通過這三個元素 我們就能製造元素週期表裏的任何一個元素了 這下可好了 恭喜恭喜 我們把無窮無盡的宇宙分成列表 簡化爲一個元素週期表 又進一步簡化爲三個粒子 通過這三個粒子 你看得到的 摸得到的 聞得到的 都可以用這三個最小的積木構建起來 人類走到這一步可是非常不容易的 但是彆着急 隨着人們對基本粒子的探索 大家就發現 粒子還有其他的類型 並不是只有電子還有兩種夸克 儘管構成你看得到的 摸得到的 聽得到的 所有的東西 這三個粒子就夠了 但是到了20世紀 粒子物理學家們 又發現了其他九種物質粒子 還有五種傳遞力的粒子 這些粒子就特別奇怪了 比如說中微子 它就像幽靈一樣 可以穿越幾萬億千米長的鉛塊 而不會被停下來 這個鉛塊對它來說就像透明的一樣 還有一些其他的粒子 和上夸克 下夸克 電子性質差不多 但是它們卻非常非常的重 那科學家們就覺得奇怪了 爲什麼會有這些額外的粒子呢 它們是幹什麼用的呢 是誰把它們放到我們這個宇宙裏來的呢 它們存在於這個宇宙裏 又到底有什麼意義呢 這些東西我們現在還不知道 除了這個問題 還有一個更大的問題 雖然我們已知的三種粒子 可以構成恆星 行星 彗星 還有兔子 但是人們發現 這些東西僅僅佔宇宙質量很小的一部分 目前我們大概知道的一切東西 包括物質還有能量 那我們日常接觸的這些 在整個我們所知的宇宙裏 這些普通的物質和能量只佔5% 其實它們不應該叫普通物質了 它們才應該叫特殊物質 那我們說的這5% 就是恆星 行星 還有這些星球上的所有的東西 除了這5% 還有27%的東西 我們稱爲暗物質 另外還有68% 是我們更完全搞不懂的東西 科學家們管它叫暗能量 對於暗物質 我們只知道它擁有引力 那它的一切性質我們都不瞭解 對於暗能量 我們就連引力都不知道 只是知道它們讓我們這個宇宙繼續在膨脹 除此之外我們對它也是一無所知 那你說5% 27% 68%這個比例 是不是科學家胡蒙出來的 還真不是 我們後邊會跟你說 這些比例是怎麼算出來的 你看人類目前就是這麼的無知 打個比方 就好像好幾千年以來 人們一直在研究一頭大象 研究了幾千年 終於摸明白了 才發現我們只是摸到大象的一根尾巴而已 聽到這個消息 你可能會有點失望 原來我們人類探索了這麼多年 就知道這麼一丁點東西 但是其實你也沒有必要感到失望 你想小的時候 我們會經常聽到那種英雄探索世界的故事 比如說哥倫布發現美洲大陸 但是到今天 世界上所有大陸都已經被發現了 那所有的小島也都已經被命名了 這個時候你還會對探索地球上的新大陸感到興奮嗎 不會了 但是人類對宇宙的瞭解 還遠遠沒有走出自己所出生的這座小島 你想象一下 如果人類只開發了這個星球上5%的土地 這時候如果你是一個探險者 你是不是會覺得非常的激動 實際上人類就是剛剛開啓一個全新的探索時代 一方面我們知道自己所知甚少 另一方面我們也正在建造一些了不起的新工具 比如大型的粒子對撞機 去揭示這個宇宙最深刻的祕密 很可能200年以後的人看我們現在的認知 就像我們現在看原始人一樣 想到這裏你會不會爲我們的無知而感到高興呢 下面我們就先聊一聊暗物質 現在的物理學家們相信 在已知的宇宙的物質和能量裏 有27%是所謂的暗物質 這個比例還是挺嚇人的 這意味着宇宙中大部分物質 不是我們已經研究了幾個世紀的物質 那暗物質到底是什麼東西呢 它離我們很遠嗎 它還是就在我們身邊 它會對我們造成威脅嗎 事實上暗物質無處不在 此時此刻你就在暗物質裏待著 暗物質的發現是來自於天文學家 他們發現星系的自轉和質量讓人覺得有點困惑 你可以想象一下有一個轉盤 轉盤上面放着很多的乒乓球 如果你轉動這個轉盤 那邊緣的乒乓球就會被甩出去 自轉的星系差不多就是這樣的 因爲星系在旋轉 所以裏面的恆星就有被甩出去的趨勢 是什麼東西讓這些恆星不被甩出去呢 當然就是引力了 一個星系轉得越快 就需要越多的引力來拉住這些行星 反過來 如果你知道了一個星系的質量 就能反過來推測出這個星系可以轉得有多快 第一開始天文學家是通過觀測一個星系裏面恆星的數量 來猜測整個星系的質量 但是當他們用這個數字計算星系的自轉速度的時候 這些東西就對不上了 人們發現星系的自轉速度遠遠高於 人們通過質量推測出來的自轉速度 黃牛號說 這些恆星本來應該從星系的邊緣飛出去 就像剛纔咱們說的那個轉盤上面的乒乓球 而實際上這些乒乓球沒有飛出去 爲了讓這個自轉的速度合理 科學家就必須在計算中讓這個星系的質量增大 這樣才能把這些恆星拉攏在一起 但是人們又看不到這些額外的質量從哪兒來 於是人們就想 如果每個星系都有一種很重的東西 但是這種東西又看不見 這個事就說得通了對吧 但是這個推斷其實是非常特別的 天文學家卡爾薩根說過這樣一句話 特別的推斷需要特別的證據 那麼除了計算 人們又找到了哪些證據來證明暗物質的存在呢 其中一個非常重要的證據叫引力透鏡 也就是暗物質使光線彎曲的一個觀測現象 天文學家有時候在觀測的時候 會發現一些奇怪的東西 他們會在某一個方向上看到一個星系的圖像 稍微移動一下望遠鏡 他們又會在另外一個地方看到一個一模一樣的星系 這兩個星系無論是形狀 顏色 還是光線 都一模一樣 那這是怎麼回事呢 爲什麼會在一片星空上看見兩個同樣的星系呢 後來人們就發現 如果有某種非常重的東西 而且這個東西你可是看不見的 這個東西正好處在你和這個星系之間 那這個現象就有了合理的解釋 這個不可見的重塊充當了一個引力透鏡 光線從那個星系發出來 向左發射了一道光 向右也發射了一道光 這兩道光貼着這個不可見的重物質飛行的時候 又會被彎折回來 聚集到一點 當這兩束光線聚集的點正好是你觀測的這個點的時候 你就會看到光線從左右兩個不同的方向飛過來 也就是在兩個不同的方向看到了同樣的一個星系 這種效應其實在整個夜空中非常非常的常見 這也就意味着非常重的物質似乎無處不在 那這個就是人們找到的第一個非同凡響的證據 第二個非同凡響的證據是碰撞的星系 幾百萬年前 兩個星系團衝向對方 發生了一個史詩級的碰撞 當然我們不可能現場直播的看到這個碰撞 因爲這個碰撞的過程發出的光 要花幾百萬年才能達到地球 當兩個星系團發生碰撞的時候 它們的氣體和塵埃會呈現非常壯觀的景象 巨大的塵埃魚被撕裂 這可以說是一場非常豪華的煙火表演 但是天文學家在觀察這兩個星系團碰撞的時候 注意到了另外一個現象 在碰撞點附近 它們發現了兩團暗物質 當然這個暗物質是不可見的 只不過是天文學家發現 附近星系發出的這個光線 被暗物質團給扭曲了 這就證明了兩團巨大暗物質的存在 奇怪的事情是 這兩團暗物質沿着碰撞的方向運動 好像什麼事也沒發生 就互相穿過去了 那天文學家把這些星系放到一起 梳理了一下 推理出這樣一個事實 曾經有兩個星系團 每一個都包含一些常規的物質 就是恆星 行星 氣體塵埃等等 除了這些常規物質 還有就是暗物質 當兩個星系團發生碰撞的時候 大部分的氣體和塵埃撞到一起 互相撕裂 但是暗物質撞到另外一團暗物質 會發生什麼樣的情況呢 人們什麼都探測不到 暗物質團會繼續運動 穿過彼此 就好像它們都是透明的 當然星系裏的恆星也會相互穿過 但那是因爲它們在太空中太稀疏了 它們並沒有碰撞到彼此 也就是說 這兩團巨大的物質團 互相碰撞的時候 它裏面的暗物質團互相穿過去了 普通物質團互相發生爆炸 所以從本質上講 碰撞將這些星系中的氣體和塵埃 給它剝離了 那上面說的這兩點 就是天文學家找到了 暗物質存在的兩個證據 暗物質是非常奇怪的 它和我們熟悉的東西不太一樣 關於暗物質我們就知道以下幾件事 第一 它有質量 第二 它不可見 第三 它和普通物質不發生什麼反應 第四 它和其他的暗物質 居然也不發生什麼反應 最後一點就是 它並非躲在遠處 暗物質傾向於聚在一起 形成一個大的物質團 並且它很喜歡和星系待在一起 人們沒有在沒有星系的地方 單獨發現暗物質 這就意味着此時此刻的你 很可能就待在暗物質裏面 你仔細想想就會覺得非常奇怪 一個東西明明就在那裏 我們卻看不到 這也就是爲什麼研究暗物質 會非常難的原因 因爲我們和它沒有什麼相互作用 說到這我們就得先說說 普通的物質 它的相互作用是什麼樣的 物質的相互作用一共有四種方式 第一種是引力 如果兩個東西有質量 它們彼此就會相互吸引 第二種相互作用是電磁力 如果兩個粒子帶有電荷 這兩個粒子之間就會產生電磁力 電磁力可以讓兩個東西相互吸引 也可以讓兩個東西相互排斥 這取決於它們帶有的電荷 是相反的還是相同的 你可別覺得電磁力離我們生活很遠 實際上你每天都會感受到這種力 當你站在地上 並不會被地球的引力拽着 陷到地球裏面去 你會覺得有地板支撐着你 那這個地板支撐你的力是什麼力呢 實際上它就是電磁力 因爲地板裏的分子通過電磁力的作用 緊密結合在一起 同時會排斥你的腳 第三種相互作用叫弱荷力 這種力在很多方面和電磁力有點相似 但是它非常的弱 比如說中微子就是通過這種力 和其他粒子發生作用的 前面我們說了 中微子和其他粒子的相互作用非常非常的弱 它可以穿越很厚很厚的嵌塊而不減速 弱荷力雖然非常的弱 但是當能量非常高的時候 這種很弱的力會變得像電磁力一樣強 事實上現在最新的研究已經證實 就是這種弱作用形成了電磁作用 那麼最後一種作用叫強荷力 這個在我們日常生活中接觸的就不太多了 它是在原子核內部 把質子和中子粘在一起的這個力 沒有了它 原子核內部帶有正電荷的粒子 就會互相排斥 四散而逃 也就是說這個強荷作用力 實際上要比電磁力要大很多 它才能把質子束縛在一起 但是這種力的特點是它的有效範圍非常的短 一旦兩個質子的距離稍微大一點 這種力就不存在了 這裏你需要對這四種作用方式 換一個角度來看待 你可能想象大自然中一共有這四種作用力 那我們人類就是把這四種作用力 一個一個的發現出來 事實上可不是這樣的 在某種程度上物理學和植物學有點像 我們目前不知道這些力爲什麼會存在 我們只是記載下了我們觀察到的情況 然後把這些情況給它用四種相互作用方式歸類 我們現在根本就不知道這四種力 到底它是不是統一的一種作用方式 我們甚至不知道這四個力構成的列表 是不是一個完整的列表 只能說是到目前爲止 我們能用這四種力解釋 粒子物理中每一個實驗的結果 那麼說完這四種相互作用 我們就可以來說說暗物質了 首先暗物質有質量 所以它有引力 但是關於它的作用 我們能夠確定的信息也就只有這些了 截止到目前 科學家們認爲它不參與電磁作用 也不會反射或者發出光線 暗物質似乎也沒有弱合力和強合力 也就是說所謂暗物質 就是我們只能看到它和其他物質 通過引力發生相互的作用 其他三種力它一概不具備 有質量的東西我們就管它叫物質 然而我們又看不到它 所以我們才把這種東西叫做暗物質 說到這兒就存在一個問題了 那暗物質是由什麼構成的呢 對於整個宇宙的構成 我們只研究了最簡單的5% 我們不能假裝知道 暗物質是由某種暗物質粒子構成的 我們也無法忽視 這個比例高達27%的暗物質 對吧 直到現在世界上最聰明的大腦們 都還不知道暗物質到底是什麼東西 我們知道它存在 知道它的大小 也知道它大概的位置 但我們就是不知道它由什麼粒子構成的 我們甚至不知道它是不是由粒子構成的 正因爲我們瞭解的物質 佔這個宇宙的比例還不到5% 所以其實我們是在用一種特殊的物質 來推廣整個宇宙的構成 這就好比你走進一個幼兒園的小班 裏面有20個小朋友 你隨便拽出了一個小朋友 觀察他的個頭 胖瘦 性別 然後你就猜測 整個這一個班20名小朋友 全是這樣的性別樣貌和個頭 如果你這麼推測 那你肯定會出大錯 那我們該怎麼去推測暗物質呢 爲了取得進展 我們還是要有一些猜測 先有一些猜測 然後我們用既有的知識進行一些推論 最後還要設計一些實驗進行測試 那你可能說 暗物質說不定就是由一種 我們未知的生物組成的 當然你可以這樣想 但是它太難驗證了 所以它在科學上不是首選項 一種比較簡單和具體的想法就是 暗物質是由一種新型粒子構成 這種粒子我們還沒有發現 它們以一種我們還不瞭解的作用力 非常微弱的和普通物質相互作用 人們爲什麼猜測暗物質 只包含一種新型的粒子 而不是五種 八種 十二種呢 這是因爲這樣最簡單 這樣的想法會優先得到檢驗 那如果你猜暗物質有十二種粒子構成 那你怎麼去檢驗呢 我們只能先從最簡單的假設開始 當然暗物質也完全有可能 由好幾種粒子組成 就像普通的物質一樣 你想象一下也很有意思 這些暗粒子可能有各種 有趣的互相作用力 可能產生暗化學反應 沒準還有暗生命的存在 目前這個猜想中的候選粒子 被科學家稱爲WIMP 它是一長串英文單詞的縮寫 意思是弱相互作用的大質量粒子 這裏的弱相互作用就是 人們猜測它通過一種新的粒 和我們這種普通的物質發生作用 這種作用非常非常小 差不多就類似中微子和普通物質 發生作用的這個級別 那我們怎麼知道暗物質粒子 是通過一種新型的粒 而不是已有的粒 和普通物質發生作用呢 這其實我們也不知道 只是我們希望是這樣的 因爲已有的粒我們解釋不了 而一種新的粒呢 我們有希望能探測到它 物理學家們設計了一些 探測這個假想暗物質的一些實驗 一個經典的策略就是 將一個容器裝滿被壓縮的 低溫惰性氣體 容器四周全是探測器 一旦氣體中一個原子被暗物質撞上 這個探測器就會響起警報 遺憾的是 迄今爲止 這類實驗還沒有找到任何暗物質 一個粒子都沒有找到 相關的設備要變得足夠大 足夠靈敏才能探測到暗物質粒子 另外一個方法呢 就是用高能粒子對照機 來製造暗物質 讓普通的物質粒子 使勁地加速 拼命加速 然後讓它們撞到一起 這種對撞能把一種物質 轉換成其他的物質 你要知道 在這種對撞裏面 粒子並不是通過內部的重新排列 然後變成一個新的粒子 而是說消滅了舊的物質 產生了新的物質 換句話說 你在對撞之前 很可能不知道你在尋找什麼 撞了之後呢 你又可以造出幾乎任何新的粒子了 現在最前沿的科學家們 每天做的工作 就是在高能粒子對撞機裏面 撞撞撞 希望撞出一種新的粒子 幫助我們來發現暗物質 還有一種方法 就是把望遠鏡對準我們認爲 暗物質高度集中的地方 其中離我們最近的 就是銀河系的中心 那裏似乎有一個很大塊的暗物質 這裏有一個思路 就是兩個暗物質粒子 很可能會隨機碰撞 並且因此毀滅 生成新的粒子 那這個新的粒子 很可能就是我們普通的物質 如果這樣的反應 發生的足夠頻繁 那麼通過這種對撞 產生的普通物質粒子 就會滿足特別的能量和位置分佈 人們希望通過望遠鏡 來發現這個過程 當然目前也還沒有成功 最後我們來總結一下 目前人類所有的發現和進步 都沒法解釋宇宙的本質 而暗物質 是一條非常重要的線索 現在人類的水平 當然那比原始人 是不知道高到哪裏去了 但是暗物質 甚至還沒有出現在 我們的宇宙數學和物理模型中 就更別提我們的教材裏面了 這事想想還真的挺難受的 宇宙中有這麼大量的東西 每天都在悄無聲息的拉扯着我們 但我們連它們是什麼都不知道 我們人類還真不敢聲稱 已經瞭解了宇宙了 你可以想象一下 如果暗物質由某種新的粒子構成 我們又能通過高能對撞機制造 並且控制它 那會怎麼樣呢 如果在發現這個暗物質的過程中 我們發現了以前從來不知道的物理定律 甚至發現新的基本作用力 或者是這些基本作用力 相互作用的新的方式 那會怎麼樣呢 如果我們在探索的過程中 發現的這些新的作用力 新的粒子 能夠讓我們以新的方式 來控制目前這些常規的物質 又會怎麼樣呢 這個其實就是基礎研究 給人類帶來最大的好處 當我們在追問一個物質 它到底是什麼的時候 這個問題看起來沒有什麼意義 但是在我們刨根問底的過程中 會發現一些意料之外的東西 比如說通過研究相對論 我們搞出了GPS衛星導航 通過對量子世界的探究 我們又搞出來了互聯網和手機 那天知道搞清楚暗物質是什麼 這個過程中 我們能獲得多少神奇的技術和知識 那關於暗物質這一小節我們就聊到這 下一期我們來聊一聊暗能量