论文部分内容阅读
本文所阐述的,是一种比较复杂的膨胀模式。相信读者在看完之后,会对宇宙产生一种全新的、更加深刻的认识。笔者说明,由于中微子在本文中唱主角,所以这里首先介绍一下它的身世与特点,以便加深我们对它的整体印像。
中微子(不算它的反粒子)共有三种形态:电子中微子、缪子中微子、陶子中微子。它们虽然同属构成物质世界的基本粒子,但因极难探测,而且由它们所涉及的难解的宇宙之谜又实在太多,因此成为物理学界的“宇宙幽灵”。
但自中微子问世的半个多世纪以来,中微子到底有没有质量一直是物理学界的一桩悬案。标准模型认为,中微子的质量应该严格等于零(胡扯,没有东西我们研究它做什么)。但某些实验证据表明中微子的质量很可能又不是零。因此自中微子这一微粒面世以后,人们一直迫切地想了解中微子的质量真相。
20世纪的最后10年,以日本的小柴昌俊为首的一批科学家设计了“超级神冈”中微子实验室,他们在注满50000吨纯水的容器的内壁上安装了13000多个光电管,这个实验装置从1996年开始投入运作。到了1998年,也就是珀、施两个科研小组发现宇宙加速膨胀的同一年,小柴昌俊小组终于也给出了中微子有静止质量和振荡的确凿证据。这一成果在当时的国际物理界引起了很大轰动。
中微子的质量找到了,现在我们就可以展开对宇宙膨胀机制的研讨工作。中微子的质量非常微小,小到只及电子的百万分之一。但其总量又异常巨大,据说甚至要比全部显物质质量的总和还要大。与其他粒子相比,中微子的数量比它们要多出数十亿倍。这是因为宇宙能产生中微子的地方极多,比如超新星爆发、x射线双星、高速质子流、塞弗特星系和类星体等特殊天体,都是产生中微子的超级大本营(超新星爆发时,中微子会卷走其总能量的99%,而仅仅余下的l%,其发光量也要比太阳一生所发出的光的总和还要多)。除此之外,像遍布宇宙的太阳之类的普通恒星,也同样是中微子的发源地。虽然普通恒星的产量远不及特殊天体大,但由于此类恒星在宇宙中无可匹敌的数量优势,就必然要成为本文脱颖而出的一群“黑马”。我想如果通过大家对中微子的研究与探索,能从根本上改变人们对宇宙存在的总体认识,那么这种工作的意义无论怎样估价都不为过。现在就从太阳开始:
当太阳内部的核聚变不停地向外辐射光和热时,其核心两个氢核碰撞会释放出一个电子和一个中微子,四个质子聚变为一个氦核时,会释放出两个中微子。在整个太阳内部的聚变过程中,每秒所产生的中微子的数量竟然高达2×1024个之巨,然而这个数字所反映的只不过是太阳在短短的一秒内所产生的中微子量,如果改以日、月、年来计算,中微子的数量又该有多少?
中微子不带电,其静止质量几近于零,但核聚变所赋予它的势能又非常之强大,以上三大特征使中微子具有其他所有粒子都不具备的极强的穿透力。更令人惊奇的是它具有长期保持其强度的特殊能力:据说中微子不管跨越多大的历史时空,其超强势头一直不减。这当然是既难得又极其罕见的特点。但也并不一定如某些物理学家所预言和赞美的那样,说中微子甚至能一口气连续穿越8千亿个地球而毫发无损,这种说法肯定是错误的。而且正是由于这类错误的滥觞,阻碍了此后许多重大事件的发现。
中微子的长处亦源于它极微小的尺度和极怪辟的个性:若论其小,任何原子对它来说都无疑于一座空旷的山谷;若谈其怪,它除了对引力能产生微不足道的一点反应之外,和其他任何粒子都老死不相往来。所以多年来尽管人们对它青眼有加,但若认真想与其对话却是难上加难。不过世上毕竟没有绝对的事,中微子尽管桀骜不驯,却终不免有失手露怯之处,专家测算,平均每一百万个中微子穿越地球之时,仍然有一个会与地球大气产生反应。如果这一推论正确,那么这百万分之一的中微子,就有可能是我们打开宇宙之门的一把特殊的钥匙。不过这“唯一”的一把钥匙也只能给人一点启示而无任何实际用途。因为经过计算,我发现利用大气原子来阻挡中微子的冲击根本行不通:对于中微子那极微小的尺度,即便钨和铅那样致密的金属都形同无物,空气中疏松的分子、原子、质子、中子和电子如何能拦挡得住中微子的脚步?可是,中微子就真的能够在庞大的宇宙中横行无忌、顾盼自雄了么?
时至今日,现代天文物理学确实是这么认为的。他们当然不无道理,因为无论其尺度和势能,中微子的确具有横行宇宙独步天下之能力。
但是他们忘记了其中最重要的一点:即“不管中微子有多么微小,它毕竟不为零,只要其质量不为零,就不可能逃脱物理法则即引力对它的约束”。与恒星中心那势力超凡的引力场相比,中微子再强的势能也显得微不足道,最后只能“下马”乖乖受缚了事。所以尽管现在尚未曾做过任何一项哪怕最基本的物理实验,我仍然有绝对的把握断言:一切恒星物理中心的引力场,都是中微子所无法逾越的天然障碍。因此,在引力尚占主导地位的星球星系,一束中微子不远万里地从宇宙深处飞来,突然在大质量恒星中心的引力场中碰壁,而在本恒星与彼出发点之间产生了一个力矩,于是,宇宙的膨胀之门便从这里开启。
物理学家计算,星际空间平均每立方厘米每秒通过330个中微子,其密度仅次于光子。但其单位势能却是普通光子的千百倍。所以当每秒千百万亿的中微子与恒星的质量中心不断产生斥力矩,其排斥力即推力之大是可以预见的。
那么导致宇宙膨胀的中微子量又该如何统计和计算呢?这里有一个简单的方法,不妨仍以太阳为例,设:太阳每秒约产生2×1024个中微子;以上的乘积先乘以银河系恒星的2000亿;以上所得的和再乘以总星系的500亿;以上的总和再加上特殊天体所贡献的20%。这些数字的总和,就应是整个宇宙已知天体每秒所贡献的全部中微子量。
中微子的总量得到了,下面再来看看中微子究竟是如何导致宇宙的加速膨胀的:在三维立体四维时空的宏观宇宙中,在300亿光年那硕大无比的空间之内,到处都分布着星云星系,到处都充斥着势力超群的中微子源。现在我们不妨设想一下:如果银河系以其2000亿颗恒星共同组成一个统一的斥力维,宇宙其他方位的500亿座庞大的星系形成另外500亿个斥力维,当这些斥力维在宇宙的各方位、各角度同时在其核反应的过程中向外喷射超强势的中微子流时,这500多亿条每条直径都宽达数万甚至数十万光年的中微子长河,就会在整个宇宙空间中交织出一张硕大无比的密密麻麻的天网,在这座立体的几近300亿光年的经天大网中,众星系都利用自己手中的中微子的力量排斥对方,于是星系开始分离,宇宙开始膨胀。
那么宇宙究竟是何时开始加速膨胀的呢?其实在星系刚刚分离的那一刻就已经开始了,不过初始加速的速率相对较低而已。其具体机制是:由于中微子的斥力线极长,而星系的引力线相对较短,因此随着星系距离的逐步加大,星系间的引力线衰减较快,中微子的斥力线则衰减较慢,所以所谓的宇宙加速膨胀,不过是引力与斥力二者间比例失衡的结果——引力逐渐微弱,斥力仍然强劲,星系的移动速度自然呈递增态势,于是宇宙加速膨胀的效应逐渐开始显现。可是星系间的斥力能够导致宇宙膨胀,恒星之间的斥力为什么就不能让星系膨胀,最后分崩离析呢?这的确是个问题,不过此问题倒不难解答:第一,星系间的空间大,相互间的引力弱,而中微子的斥力又较少受距离的影响,因此星系之间就比较容易分离;第二,星系内的空间小,恒星问的引力大,而中微子的斥力又不足以抗衡星系质量中心的强大引力,所以星系才得以维持原状,不至于被斥力所拆散。
话到此处,我觉得不说也会明白,其实以上所谓的中微子和它的所有行为,证明它就是人们到处寻找却一直找寻不到的暗能量。因为在现今世界上,似乎也只有中微子这种极特殊极乖戾的粒子,才具有暗能量所需要的全部特征:①极大的总量;②极小的单位;③极高的速度;④极强的势能;⑤极长的寿命;⑥极孤僻的个性。
通过上面论述可以看出。我们现在所讨论的是理论上的纯粹的暗能。除此之外,还有一种实际存在也正在起作用(尽管作用极微)的广义的暗能:这个暗能的概念就是除中微子外,整个大宇宙从伽马线到射电波的全波段的电磁辐射。因为所有这些发射性粒子都带有天然的斥力矩,所以它们甚至包括元所不在的明亮的光子在内,都应该收在我们的暗能之列。
最后根据上述事例,我觉得似应设立一个属于我们自己的“宇宙学常数”。这个数据不一定准确,却能够比较准确地体现我们对质能世界的总体认识,不至于过于偏颇:显物质:20%,暗物质:30%,暗能量:50%。
上述比例表明:显物质与暗物质相加,恰好等于暗能量的总量;反过来暗能量与暗物质相加,则等于显物质的四倍。我相信在缓慢膨胀的无限空间之内,相对平衡的质能关系也许会更加适合于宇宙存在的真谛。
中微子(不算它的反粒子)共有三种形态:电子中微子、缪子中微子、陶子中微子。它们虽然同属构成物质世界的基本粒子,但因极难探测,而且由它们所涉及的难解的宇宙之谜又实在太多,因此成为物理学界的“宇宙幽灵”。
但自中微子问世的半个多世纪以来,中微子到底有没有质量一直是物理学界的一桩悬案。标准模型认为,中微子的质量应该严格等于零(胡扯,没有东西我们研究它做什么)。但某些实验证据表明中微子的质量很可能又不是零。因此自中微子这一微粒面世以后,人们一直迫切地想了解中微子的质量真相。
20世纪的最后10年,以日本的小柴昌俊为首的一批科学家设计了“超级神冈”中微子实验室,他们在注满50000吨纯水的容器的内壁上安装了13000多个光电管,这个实验装置从1996年开始投入运作。到了1998年,也就是珀、施两个科研小组发现宇宙加速膨胀的同一年,小柴昌俊小组终于也给出了中微子有静止质量和振荡的确凿证据。这一成果在当时的国际物理界引起了很大轰动。
中微子的质量找到了,现在我们就可以展开对宇宙膨胀机制的研讨工作。中微子的质量非常微小,小到只及电子的百万分之一。但其总量又异常巨大,据说甚至要比全部显物质质量的总和还要大。与其他粒子相比,中微子的数量比它们要多出数十亿倍。这是因为宇宙能产生中微子的地方极多,比如超新星爆发、x射线双星、高速质子流、塞弗特星系和类星体等特殊天体,都是产生中微子的超级大本营(超新星爆发时,中微子会卷走其总能量的99%,而仅仅余下的l%,其发光量也要比太阳一生所发出的光的总和还要多)。除此之外,像遍布宇宙的太阳之类的普通恒星,也同样是中微子的发源地。虽然普通恒星的产量远不及特殊天体大,但由于此类恒星在宇宙中无可匹敌的数量优势,就必然要成为本文脱颖而出的一群“黑马”。我想如果通过大家对中微子的研究与探索,能从根本上改变人们对宇宙存在的总体认识,那么这种工作的意义无论怎样估价都不为过。现在就从太阳开始:
当太阳内部的核聚变不停地向外辐射光和热时,其核心两个氢核碰撞会释放出一个电子和一个中微子,四个质子聚变为一个氦核时,会释放出两个中微子。在整个太阳内部的聚变过程中,每秒所产生的中微子的数量竟然高达2×1024个之巨,然而这个数字所反映的只不过是太阳在短短的一秒内所产生的中微子量,如果改以日、月、年来计算,中微子的数量又该有多少?
中微子不带电,其静止质量几近于零,但核聚变所赋予它的势能又非常之强大,以上三大特征使中微子具有其他所有粒子都不具备的极强的穿透力。更令人惊奇的是它具有长期保持其强度的特殊能力:据说中微子不管跨越多大的历史时空,其超强势头一直不减。这当然是既难得又极其罕见的特点。但也并不一定如某些物理学家所预言和赞美的那样,说中微子甚至能一口气连续穿越8千亿个地球而毫发无损,这种说法肯定是错误的。而且正是由于这类错误的滥觞,阻碍了此后许多重大事件的发现。
中微子的长处亦源于它极微小的尺度和极怪辟的个性:若论其小,任何原子对它来说都无疑于一座空旷的山谷;若谈其怪,它除了对引力能产生微不足道的一点反应之外,和其他任何粒子都老死不相往来。所以多年来尽管人们对它青眼有加,但若认真想与其对话却是难上加难。不过世上毕竟没有绝对的事,中微子尽管桀骜不驯,却终不免有失手露怯之处,专家测算,平均每一百万个中微子穿越地球之时,仍然有一个会与地球大气产生反应。如果这一推论正确,那么这百万分之一的中微子,就有可能是我们打开宇宙之门的一把特殊的钥匙。不过这“唯一”的一把钥匙也只能给人一点启示而无任何实际用途。因为经过计算,我发现利用大气原子来阻挡中微子的冲击根本行不通:对于中微子那极微小的尺度,即便钨和铅那样致密的金属都形同无物,空气中疏松的分子、原子、质子、中子和电子如何能拦挡得住中微子的脚步?可是,中微子就真的能够在庞大的宇宙中横行无忌、顾盼自雄了么?
时至今日,现代天文物理学确实是这么认为的。他们当然不无道理,因为无论其尺度和势能,中微子的确具有横行宇宙独步天下之能力。
但是他们忘记了其中最重要的一点:即“不管中微子有多么微小,它毕竟不为零,只要其质量不为零,就不可能逃脱物理法则即引力对它的约束”。与恒星中心那势力超凡的引力场相比,中微子再强的势能也显得微不足道,最后只能“下马”乖乖受缚了事。所以尽管现在尚未曾做过任何一项哪怕最基本的物理实验,我仍然有绝对的把握断言:一切恒星物理中心的引力场,都是中微子所无法逾越的天然障碍。因此,在引力尚占主导地位的星球星系,一束中微子不远万里地从宇宙深处飞来,突然在大质量恒星中心的引力场中碰壁,而在本恒星与彼出发点之间产生了一个力矩,于是,宇宙的膨胀之门便从这里开启。
物理学家计算,星际空间平均每立方厘米每秒通过330个中微子,其密度仅次于光子。但其单位势能却是普通光子的千百倍。所以当每秒千百万亿的中微子与恒星的质量中心不断产生斥力矩,其排斥力即推力之大是可以预见的。
那么导致宇宙膨胀的中微子量又该如何统计和计算呢?这里有一个简单的方法,不妨仍以太阳为例,设:太阳每秒约产生2×1024个中微子;以上的乘积先乘以银河系恒星的2000亿;以上所得的和再乘以总星系的500亿;以上的总和再加上特殊天体所贡献的20%。这些数字的总和,就应是整个宇宙已知天体每秒所贡献的全部中微子量。
中微子的总量得到了,下面再来看看中微子究竟是如何导致宇宙的加速膨胀的:在三维立体四维时空的宏观宇宙中,在300亿光年那硕大无比的空间之内,到处都分布着星云星系,到处都充斥着势力超群的中微子源。现在我们不妨设想一下:如果银河系以其2000亿颗恒星共同组成一个统一的斥力维,宇宙其他方位的500亿座庞大的星系形成另外500亿个斥力维,当这些斥力维在宇宙的各方位、各角度同时在其核反应的过程中向外喷射超强势的中微子流时,这500多亿条每条直径都宽达数万甚至数十万光年的中微子长河,就会在整个宇宙空间中交织出一张硕大无比的密密麻麻的天网,在这座立体的几近300亿光年的经天大网中,众星系都利用自己手中的中微子的力量排斥对方,于是星系开始分离,宇宙开始膨胀。
那么宇宙究竟是何时开始加速膨胀的呢?其实在星系刚刚分离的那一刻就已经开始了,不过初始加速的速率相对较低而已。其具体机制是:由于中微子的斥力线极长,而星系的引力线相对较短,因此随着星系距离的逐步加大,星系间的引力线衰减较快,中微子的斥力线则衰减较慢,所以所谓的宇宙加速膨胀,不过是引力与斥力二者间比例失衡的结果——引力逐渐微弱,斥力仍然强劲,星系的移动速度自然呈递增态势,于是宇宙加速膨胀的效应逐渐开始显现。可是星系间的斥力能够导致宇宙膨胀,恒星之间的斥力为什么就不能让星系膨胀,最后分崩离析呢?这的确是个问题,不过此问题倒不难解答:第一,星系间的空间大,相互间的引力弱,而中微子的斥力又较少受距离的影响,因此星系之间就比较容易分离;第二,星系内的空间小,恒星问的引力大,而中微子的斥力又不足以抗衡星系质量中心的强大引力,所以星系才得以维持原状,不至于被斥力所拆散。
话到此处,我觉得不说也会明白,其实以上所谓的中微子和它的所有行为,证明它就是人们到处寻找却一直找寻不到的暗能量。因为在现今世界上,似乎也只有中微子这种极特殊极乖戾的粒子,才具有暗能量所需要的全部特征:①极大的总量;②极小的单位;③极高的速度;④极强的势能;⑤极长的寿命;⑥极孤僻的个性。
通过上面论述可以看出。我们现在所讨论的是理论上的纯粹的暗能。除此之外,还有一种实际存在也正在起作用(尽管作用极微)的广义的暗能:这个暗能的概念就是除中微子外,整个大宇宙从伽马线到射电波的全波段的电磁辐射。因为所有这些发射性粒子都带有天然的斥力矩,所以它们甚至包括元所不在的明亮的光子在内,都应该收在我们的暗能之列。
最后根据上述事例,我觉得似应设立一个属于我们自己的“宇宙学常数”。这个数据不一定准确,却能够比较准确地体现我们对质能世界的总体认识,不至于过于偏颇:显物质:20%,暗物质:30%,暗能量:50%。
上述比例表明:显物质与暗物质相加,恰好等于暗能量的总量;反过来暗能量与暗物质相加,则等于显物质的四倍。我相信在缓慢膨胀的无限空间之内,相对平衡的质能关系也许会更加适合于宇宙存在的真谛。