芨芨草

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戏说宇宙(9)


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戏说宇宙(9)

 

最后说说暗物质和暗能量。

根据爱因斯坦的相对论,物质和能量可以互换。所以暗物质和暗能量说其一即可。

因为引力源自于物体的重量,科学家通过已知的引力观测结果进行理论计算,发现宇宙中的可见物质的重量只占宇宙应该有的重量的4.9%。根据宇宙大爆炸理论计算出宇宙的重量,除掉可见物质,科学家将剩余的部分称之为暗物质——因为看不到,但暗物质也只宇宙应该有的重量的26.8%,还有68.3%的重量没有着落。幸好有爱因斯坦的质能互换公式帮忙,质量和能量可以互相转换,科学家就把没有着落的重量转换成能量,称为暗能量了。

暗物质和暗能量是科学家定义出来的东西,到底是什么东西,有什么物理性质,谁都说不清道不明。

军旅女作家毕淑敏说:“人生本没有什么意义,人生的意义便在于我们要努力赋予它的意义。

科学家的任务就是弄出个大家都不知道的东西,然后再证明那个东西的正确。

科学家认为宇宙大爆炸之后已经历经137亿年,过了这么长的时间,宇宙还在呈加速状态向外扩张,一定是有什么东西在推动宇宙在加速扩张。

在这个问题上无法利用暗物质给予解释,不过暗能量可以拿来一用,加速运动当然需要能量了。科学家说暗能量是一种充溢空间的、具有负压强的能量,按照相对论,这种负压强在长距离类似于一种反引力,也就是斥力啦。

能量有压强?还是负的!把能量当气体用!?

两个物体之间的引力会把两个物体拉近,两个物体之间的斥力则会使两个物体相距越来越远。

瞧瞧,宇宙加速扩张的原因找到了,暗能量也有属性了,多完美的解释呀!

是真是假就谁都不知道了。

小老百姓不能说宇宙学大牛们吹牛不上税呀。

地球人以地球年为时间单位,计算出宇宙大爆炸发生在137亿年前的某一瞬间。

137亿地球年,这段时间确实是挺漫长的,但得分搁在什么人的眼睛里。如果是水星人,那这段时间是570亿年,远超过137亿年;如果是海王星人,这段时间只有0.83亿年。

对于整个宇宙而言,这段时间也就是一眨巴眼的功夫,宇宙大爆炸发生在一眨巴眼之前,因大爆炸产生的加速扩张推动力还远未消失,根本不需要什么暗能量在其中瞎掺乎。

在阐述暗物质之前,先说说波在介质中的传播。

同学们都知道声波可以在各种介质中传播,而在不同的介质中声波的传播速度则不同。空气中常温常压下声波速度是344m/s,淡水中为1430m/s,海水中1500m/s,钢铁中5800m/s,铝中6400m/s,石英玻璃中5370m/s,而在橡胶中仅为30-50m/s

声波的传播是声波所到之处的质点沿着传播方向在平衡位置附近振动。声波可以理解为介质偏离平衡态的小扰动的传播。这个传播过程只是能量的传递,而不发生质量的传递。

声音在空气中传播始于空气质点的振动,这些振动一起推动邻近的空气分子,而轻微增加空气压力。压力下的空气分子随后推动周围的空气分子,后者又推动下一组分子,依此类推。

一块石头扔进水里,水波漪涟,一圈圈水波向四外散开。

水波在水里的传播和声音在空气中的传播相似,水的质点在原地上下振动,将波动传递出去。

声波和水波的传播都需要所在介质中的质点发生振动。

电磁波也是波,光波则是在一定特殊频率范围内的电磁波。

电磁波在传播中也需要介质吗?

宇宙中没有天体的区域里基本上没有可见物质,科学家说宇宙真空相当于每立方米仅有几个氢原子。

电磁波可以在宇宙中传播,而宇宙绝大部分区域是真空的,因此科学家说电磁波传播不需要介质。

物理学定义:波是介质参与的集体振动。

波的产生有两个必要条件,一是有振动(波)源,二是有传播介质。

水波必须在水面传播,声音在空气中的传播必须有空气作为介质,介质是与波一起振动的。

电磁波也是波,为什么电磁波的传播不需要介质呢?

先说一下宇宙微波背景。1964年5月13日,美国天文学家彭齐亚斯和威尔逊在7.35厘米的波长上测到宇宙空间的各向同性辐射这个现象后来被命名为宇宙背景辐射,也称3K背景辐射,也就是说,在宇宙空间里有3K的温度,而且基本上到处都一样。

学过物理的同学都知道,热是物质运动的一种表现,具体地说是构成物质系统的大量微观粒子无规则混乱运动的宏观表现。

在宇宙空间里,有温度就说明有热,虽然这个温度很低,但仅靠每立方米中的几个原子的碰撞未必能产生这点儿热量。

现在要回过头来说说以太。

在古希腊人看来,世间万物都是由水、火、气、土四种元素所组成的。后来,古希腊的大哲学家亚里士多德设想出一种元素,他称之为“以太”,指青天或上层大气,世界是由这五种元素组成的。

19世纪的物理学家认为以太是电磁波的传播介质。

不过19世纪80年代的迈克耳逊-莫雷实验证明了在真空中光速是不变的,从而否定了以太的存在。

光在不同介质中有不同的速度。

光波在真空中的传播是30万公里/s,在空气中略小一点,在水中是22.5万公里/s,在玻璃中是18.7万公里/s,在钻石中是12.4万公里/s

迈克耳逊-莫雷实验证明了在真空中光速是不变的,没毛病。但根据这个实验结果否定以太的存在是基于经典理论中的阻力,认为如果以太存在,则会导致光速衰减,而光速没有变化,则以太是不存在的。

这个结论好像有点儿问题,谁也没证明过以太会衰减光速,那怎么能证明因为光速不变所以以太是不存在的?也许以太和光的传播根本不发生相互作用呢。

其实应该这么讲:光波、或者电磁波在真空介质里的传播速度是每秒钟30万公里。

真空介质是什么东西呢?

亚里士多德已经给起了一个名字——以太。囿于当时的科技水平,他并不了解以太的性质,所以没有详细解释以太是什么。

到了20世纪30年代,荷兰科学家扬?奥尔特发现了宇宙中被丢失的质量。这个被丢失的质量现在被称为暗质量,这个暗质量被认为充斥在整个宇宙空间里。

对比一下现代科学家对暗质量的解释,就可以看出暗质量和以太是一码事。但是以太已经被科学界枪毙了,把被判了死刑的以太再捡回来,太丢科学家的面子,于是起了一个新名字——换汤不换药!

爱因斯坦生前提出了三个预言。第一个预言是时空扭曲论,意思是在重力的影响下,一个质量足够大的物体能改变周围的重力场,从而造成时空扭曲。

时空就是时间和空间。时间怎么被扭曲?没人说得明白。不过空间被扭曲容易理解。在被扭曲的空间中经过两点的运动需要更多的时间,从而时间也变相地被扭曲了。

同学们洗脸、洗澡后都会把毛巾的水拧干,然后擦脸、擦身。拧毛巾时手里一定要攥着毛巾,如果手里不拿毛巾,只用两手做出拧毛巾的动作,毛巾里的水不会自己跑出来。与未被拧的毛巾相比,被拧的毛巾可以视为被扭曲的毛巾。

如果宇宙空间里什么都没有,那么空间怎么被扭曲呢?

宇宙空间不是真空,不是什么都没有。宇宙空间充满了现在的科学技术检测不出来的暗物质。

检测不出来不能说明不存在!这是科学研究的一个基本态度。

科学家们说宇宙间存在四种基本力:万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力、弱相互作用力。

强相互作用力和弱相互作用力是短程力,只在一定范围内有效,强相互作用力的有效范围是10-15米,弱相互作用力的有效范围是10-18米;科学家说电磁相互作用力的范围是无限大的,这只是理论上成立,实际上相距很远的两个异电荷不会互相吸引到一起;只有相对强度极弱的万有引力能在整个宇宙间起作用。

以强相互作用力为1做标准,则弱相互作用力为10-13,电磁相互作用力为1/137(据说137是一个很奇妙的数字,和宇宙起源有关),而万有引力只有10-39

爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的。在这一图像中,弥漫在空间中的物质因受引力影响而引起空间弯曲,弯曲的空间影响了粒子的运动行径。

科学家已经证明光具有两重性——波动性和粒子性。粒子是有质量的。光的最小单位是光子,所以光子是有质量的。光子的静止质量为零。不过一旦有了光,而光子是运动的,则光子有运动质量。因为光子有运动质量,则光子会受到引力影响。

科学家对黑洞做出了很多假设,其中最有名的一个假设就是连光线都逃不出黑洞的手心,如同孙悟空逃不出如来佛的手心。

稳定存在的黑洞——如果真有黑洞这个东西——必须有足够大的质量。万有引力和质量成正比,大质量黑洞拥有强大万有引力,其引力之强能够引起空间弯曲,也就是导致暗物质的排列发生变化,暗物质形成了U型排列,光线离开黑洞,不是因为黑洞的强大引力被吸回去了,而是拐了一个一百八十度的弯又回到黑洞了,所以从黑洞的外部看不到光线逃逸出来。

现在可以对暗物质赋予一些属性了。

暗物质是3K温度的来源,随着宇宙的扩张,暗物质的密度会随之降低,而宇宙的这个背景温度也会随之降低。

暗物质是物质,但其质量低到以现有的测量手段观测不到,可以认为其静止质量为零,所以可见物质不和暗质量发生作用,但是暗质量是电磁波、中微子这类静止质量为零的物质在高速运动时的载体,也就是说,暗物质只是运动速度为每秒三十万公里的运动物质的载体,低于这个速度运动的物质暗物质则不理不睬。

暗物质不是处于静止状态,其自身以每秒三十万公里的速度在运动,因而电磁波、中微子这类物质的运动和声波、水波的运动模式不同,不是从光源开始引发暗物质的振动,而是暗物质负载着电磁波、中微子进行运动,所以电磁波、中微子在宇宙之中的运动过程中能量没有衰减。因为静止质量不为零的物质的运动速度必然会低于静止质量为零的光子、中微子,而光子、中微子是“骑”在暗物质上运动的,所以爱因斯坦的相对论中的光速不变理论其实质是暗物质的运动速度不变。

大爆炸之前,奇点之外没有任何东西。大爆炸之后,宇宙形成,宇宙之内有可见物质、暗物质,还有暗能量。宇宙的边界是由暗物质构成的,暗物质以每秒三十万公里的速度从宇宙中心向外扩散,暗物质到达的地方就是宇宙的边缘。暗物质是光的承载体,但没有光的地方暗物质仍然存在,所以宇宙内外不是以有亮没亮来区分,而是以有物质没物质来区分,这个物质不是可见物质,是暗物质。

假设宇宙是一个圆球,一光年相当于9.46x1012公里,则137亿光年约为1.3x1023公里,也就是说,我们所在的这个宇宙的半径不大于1.3x1023公里。

大牛们能够没有根据地张嘴就来,咱小老百姓偶尔一次满嘴跑舌头也不为过。

台湾大学天文物理所阙志鸿研究团队在20147的《自然物理》(《自然》的物理学分册,影响因子为20.147)期刊上发文主张,暗物质可能是一种称为Ψ暗物质的极轻型粒子,其质量为电子的10-28倍,波长约为一千光年,密度则为液态水的一百万倍。教授啦,不能说其无知无畏了,不过也不能这么信口开河呀,“密度为液态水的一百万倍”,那这个宇宙就等同于一个实心秤砣了!不管向哪个方向都会遇到铜墙铁壁。

人类社会总以为能对世间所有事物都给出一个合理的解释。

根据地球年计算,宇宙已经存在了137亿年,人类社会自有文字记录到现在也就是几千年,科学技术、理论快速发展也就这一百多年,用这一百多年积累下来的知识来解释一百多亿年的事情似乎太玄虚了。

 

(完)

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  • 芨芨草 回复 嘎拉哈

    问嘎拉哈好!

    多谢嘎博主的答复。

    【真空中的光速是两个介质常数的乘积的平方根的倒数。一个叫真空电介常数,也叫真空电容率,另一个叫真空磁导率。】

    这个表达式是谁想出来的,也够绝的了,念着都那么绕嘴。

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  • 嘎拉哈 回复 芨芨草

    【科学家不知道以太为何物,用经典理论去考虑以太,以为以太是充斥于宇宙而静止不动的,所以认为地球的转动会引起以太风,有如地球的转动会引起空气的流动。】

    ---- 除了声波这一固有观念之外,以太假定与麦克斯韦尔方程本身也大有关系。按照麦克斯韦尔方程的一个最简解答,真空中的光速是两个介质常数的乘积的平方根的倒数。一个叫真空电介常数,也叫真空电容率,另一个叫真空磁导率。

    这是两个毋庸置疑的,实实在在的物理常数。正因为如此,所以就连爱因斯坦也不敢在光速上面随意做文章。因此,光速不变假定是有充分信心和依据的。

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  • 嘎拉哈 回复 芨芨草

    【电磁波是电场产生磁场,磁场又产生电场,循环产生,生生不息,好像没有电磁子这个东西。光是电磁波大家族里的一员,光有二重性,有光子。嘎博主是否知道为什么有光子而没有电磁子?或者是我不知道】

    ---- 您的这个问题跟为什么有万有引力是一样的。不仅我回答不了,就连麦克斯韦也回答不上来。具体说,“为什么没有电磁子”是一个哲学问题而非科学问题。当然科学是有自己的解释的。

    但是科学的解释必须使用某种“人造工具”才行。例如,如果用场论这一数学工具来解释,那是因为磁场的散度等于零。但是这样的解释哲学上肯定是不满意的。因为哲学家接下来会问,为什么磁场的散度等于零?

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  • 嘎拉哈 回复 芨芨草

    【科学家不知道以太为何物,用经典理论去考虑以太,以为以太是充斥于宇宙而静止不动的,所以认为地球的转动会引起以太风,有如地球的转动会引起空气的流动。应该说宇宙中没有静止的东西,所有物质都在运动中。】

    --- 简单介绍一下西方科学的来龙去脉吧。

    西方科学的第一块基石,应当是由亚里士多德建立起来的。亚里士多德的两个固定观念在西方人的脑海里延续了很久。最终都被伽利略给一一推翻了。

    第一个观念是越重的物体下落的速度越快。第二个观念是所谓第一推动。按照亚里士多德的理解。物体的运动并非遵守惯性定律,而是像死狗一样,不拖不走,一拖就走。按照这一思想,物质的静止状态属于一种特殊的完美状态。所以,亚里士多德给基督教搞特殊化提供了很多方便。例如按照圣经的说法,地球是一个很特殊的星球。它不仅是静止的,而且应当是宇宙的中心。不信有经文为证。“He set the earth on its foundations; it can never be moved.”—PSALMS 104:5

    虽然伽利略和哥白尼推翻了地球中心论,但是伽利略所建立起来的经典力学体系,却又成为了另外一个固有观念。它是如此的顽固,以至于即便是爱因斯坦对麦克斯韦尔方程中光速的矛盾解释的如此清楚,如此简单明了。但是很多物理学学家仍然理解不了。

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  • pia@ 回复 芨芨草

    “所以还是我说得对,就没有真理这么个东西,哈哈。”

    同意

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  • 芨芨草 回复 嘎拉哈

    电磁波是电场产生磁场,磁场又产生电场,循环产生,生生不息,好像没有电磁子这个东西。光是电磁波大家族里的一员,光有二重性,有光子。嘎博主是否知道为什么有光子而没有电磁子?或者是我不知道。

    我一直没想明白磁场电场是怎么循环激发而且以光速传播。假设一个简单的图像:零点一秒被激发出一个三万公里范围的电场,再激发出一个三万公里范围的磁场,如此往复,这个电磁波的传播速度就是三十万公里了。嘎博主,能这么想吗?

    从光子考虑,光子是物质,高速飞行物,与暗物质发生作用,产生出波,就如高速飞行的炮弹与空气摩擦发出尖利的声响。如此就可以解释暗物质只与光速运动的物体发生作用。不过为什么会有磁场电场交互出现?另外,中微子也是以光速运动的物质,却和周围不发生任何关系。

    我乱了,请嘎博主解惑。

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  • 芨芨草 回复 嘎拉哈

    用中微子也许能理解暗物质。中微子以近光速充斥于宇宙,能穿透各种物体而不被吸收,人类现在只能相对观测到中微子的通过。电磁波在真空介质中通过能量不衰减,中微子则绝对不衰减,为什么会这样?所以我假设光子、中微子是“骑”在以光速运动的暗物质上而运动的,瞎想啊,怎么个“骑”法不知道。

    用暗物质以光速运动的说法可以解释宇宙的范围。宇宙自大爆炸始向外扩张,暗物质不受限制地向外飞行,光子则在某些地方被吸收,所以光没有暗物质飞得远,而中微子是在天体的变化中产生的,所以中微子没有暗物质的寿命长,宇宙的边缘可以用是否存在暗物质来判断。不过人类即使以后能证明暗物质,也永远到达不了宇宙边缘,所以科学家给自己解扣,说宇宙是无限大的。

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  • 芨芨草 回复 嘎拉哈

    科学家不知道以太为何物,用经典理论去考虑以太,以为以太是充斥于宇宙而静止不动的,所以认为地球的转动会引起以太风,有如地球的转动会引起空气的流动。应该说宇宙中没有静止的东西,所有物质都在运动中。不过以太已经被坏了名声,所以就不能说以太了,用暗物质来描述也许更方便。

    运动中的物质能否被探测出来是另一个问题了。一般而言,用来做探测的物质要比被探测的物质小,才能探测到被探测的物质,就如高空照相机的分辨率是1米,拍下的照片里就不会显示1米以下物体的痕迹。人类的探测精度是随着探测手段的进步而发现更小的物质。现在探测不到暗物质应该是不具备能探测到暗物质的手段。

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  • 芨芨草 回复 嘎拉哈

    嘎博主是物理专业出身?太好了,可以向嘎博主请教物理问题了。我不是物理出身,大学时学过物理,也听过量子力学、统计力学等等的课,基本没听懂,但还是很认真地记笔记,以致讲课的老师对我印象很好。哈哈。

    不是专业出身,就经常犯糊涂。有一次我在想电子束打在厚样品上,穿不过去,为什么对面的接受器也能接到信号?左思右想不得解,问坐在旁边的学物理的同事,他说因为有衍射波。一语惊醒剧中人。这个道理其实我以前给学生讲过,事到临头自己倒忘了,可见学业不扎实。我挺喜欢爱因斯坦说过的这句话:我不背物理公式,只要知道用的时候到哪里去找就行了(大意)。对我这样脑瓜不聪明又有点儿懒惰的人特合适。哈哈。

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  • 芨芨草 回复 嘎拉哈

    再问嘎拉哈好!

    《一切终极真理,要么是不可证明的,要么是“不证自明”的。从科学的立场看,“不证自明”等价于自欺欺人。》

    所以还是我说得对,就没有真理这么个东西,哈哈。

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