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怎么理解暗物质和暗能量?


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怎么理解暗物质和暗能量?:直观来说我们认为宇宙中的物质就是肉眼可见的星系等,但由观测发现的星系旋转曲线,如果依据牛顿万有引力定律其旋转速度/frac{GMm}{r^{2}}=/frac{mv^{2}}{r},v/propto r^{-1/2},越靠外的部分,旋转速度应该越慢。但观测却得到了相反的结果,在靠外的部分速度逐渐趋于常数。因此一种合理的猜测就是宇宙中存在很多肉眼不可见不发光的物质,同时根据平均质光比的估计,暗物质不是很少,而是很多,占据了绝大部份。

有一部分的暗物质的存在是可以想象的,因为宇宙中存在黑洞,白矮星,中子星这些不可见的物质,它们具有很大的质量,会贡献其中一部分物质即重子暗物质。但是又根据原初核合成理论,又会对重子暗物质的多少进行限制,根据相关计算,可以发现暗物质中又有绝大部分的非重子暗物质(WIMP), 非重子暗物质不容易想象,首先因为它不可见,应该不会发生电磁相互作用,中微子是一个有可能的非重子暗物质的候选者。悟空号探测器也是为了寻找非重子暗物质存在的痕迹进行的,目前而言寻找工作还没有很可观的进展。

同时,除了引入暗物质之外,也有另外一些人认为需要修正引力理论。其中比较有名的是MOND(修正牛顿引力理论)理论,和星系旋转曲线符合的很好。当然最近Verlinde从纠缠和引力的演生这个角度解释了暗物质的问题。

关于暗能量,这个问题要更加复杂一些,暗能量的研究起源于我们发现的宇宙加速膨胀现象,根据直观的想象,因为物质间的万有引力作用,膨胀应该是减速的,但是最近天文学的观测结果发现了宇宙是加速膨胀的,因此必然存在着一些斥力的贡献,这就是暗能量问题,暗能量的候选者是宇宙学常数,或者叫做真空能。我们都知道,对于量子谐振子而言,真空基态能并不是0,而是/frac{1}{2}/hbar /omega.

因此考虑了量子效应,真空能应该是无穷大的(这是一个量子场论中典型的紫外发散),如果采取动量截断正规化可以大致可以得到它的数值,但是它却和观测值相差10^{120}倍。即使考虑了超对称,也相差10^{60}倍,这大致是最差的预言了。另外,如果考虑原来就存在一个宇宙学常数,宇宙学常数效应也很大,并且和真空能抵消成接近于0的数值,那么是什么机制使得它可以如此干净的抵消也不清楚,这就是所谓的宇宙学常数的问题。

进一步了解可以参考:

1 梁灿彬《微分几何与广义相对论》第一卷第十章

2 arXiv:1609.09781

3 http://www.livingreviews.org/lrr-2001-1 sean carroll ,cosmological constant

4 arXiv: 1611.02269v2 Eric Verlinde.
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