暗物质与中微子-粒子物理的两朵乌云精品文档126页
暗物质和暗能量——笼罩在21世纪物理学上的两朵“乌云”
暗物质和暗能量——笼罩在21世纪物理学上的两朵“乌云”程帅;崔轶斌【期刊名称】《高中数理化》【年(卷),期】2017(000)017【总页数】2页(P43-44)【作者】程帅;崔轶斌【作者单位】清华大学附属中学;清华大学附属中学【正文语种】中文在许多科幻电影和最近很火的《三体》一书中都提到了神秘的暗物质和暗能量,这笼罩在21世纪物理学上的两朵“乌云”,至今无人能解．暗物质,看不见摸不着,被称为披着隐身衣的“宇宙幽灵”,它是怎么被发现的呢?分析宇宙的结构时,发现能被观测的“普通物质”并不足以令宇宙维持稳定存在．来自“普通物质”的重力不足以形成星系这样的复杂结构,恒星间会更为松散,并四处散布(如图1),这将导致星系无法形成．因此,我们确信一定有某种东西在维系星系的结构．它不发射光,也不反射光,所以称作“暗”．由万有引力定律可知恒星围绕中心的旋转速度跟星系的质量和离中心的距离有关，即v∝(如图2),在超出一个范围之后,这些物质离星系中心越远,旋转的速度应该就越慢．但实际观测发现，当超出一个范围后,无论他们离星系中心多远，他们的旋转速度都差不多．这种诡异的现象是如何产生的呢?科学家认为理论没有错,是某个参数出了问题,那就是星系的质量．也就是说星系的质量比目前所观测的质量要大得多,只有这样才能拉住高速旋转的恒星．这些多出来的物质使星系稳定存在,科学家把这种神秘的物质称为暗物质．暗物质是自身不发射电磁辐射,也不与电磁辐射发生相互作用的一种物质,它弥漫于整个宇宙空间,而高浓度暗物质的地方会使经过它的光线扭曲,如果一个大质量天体后面正好有个光源,会变成图3所示,光线绕过天体传播．据此科学家确信有东西在那儿,并且会与重力作用．但又与黑洞不同,黑洞是种紧密的物体,且会剧烈影响周围环境,但是暗物质似乎是零星散布在整个宇宙中．同时,根据暗物质粒子的可能的运动速度,人们将暗物质粒子分类为热暗物质(Hot Dark Matter,HDM,粒子运动速度接近光速)、冷暗物质(Cold Dark Matter,CDM,粒子运动速度远小于光速)和温暗物质(Warm Dark Matter,WDM,速度居中)．通过计算机模拟,天文学家现在认为,组成宇宙中暗物质的主要成分应该为冷暗物质．由于暗物质看不见摸不着,很难观测．目前国际上对暗物质的探测方式主要分为3类．第一类是在加速器上通过两束高能粒子对撞将暗物质粒子“创造”出来,如欧洲核子中心的大型强子对撞机;第二类是在地下进行的直接探测,各国有不少这样的实验项目,其中我国四川锦屏地下实验室是目前世界上最深的研究暗物质的实验室;第三类是在太空进行间接探测．华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中,就在国际空间站放了一个实验仪器(阿尔法磁谱仪),用来直接探测暗物质粒子;2015年12月17号中国成功发射了首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”号,如果它能监测到暗物质粒子碰撞后产生的高能粒子,如伽马射线、正电子、反质子、中微子等,并能精确测量这些粒子的能谱,就能间接证明暗物质的存在．而在整个宇宙中,常说的普通物质仅占4.9%,暗物质则占26.8%,还有68.3%是暗能量．相比于暗物质,科学家对于暗能量却知之甚少．暗能量与2011年诺贝尔物理学奖息息相关．它的发现主要起源于Adam Riess在1998年用超新星发现的宇宙在加速膨胀的事实．宇宙的膨胀进程处于两种相克的力量平衡之中,如同阴阳相克．其中的一种力量是引力(图4中下面的网格线),它们的作用使膨胀减速,而另一种强大的反制力量则是暗能量(图4中上面的网格线),它使宇宙加速膨胀．而现在看来,暗能量胜出了．暗能量是驱动宇宙运动的一种能量．它和暗物质一样并不会吸收、反射或者辐射光．但暗能量又更奇怪与神秘:我们无法检测它、无法测量它、无法触碰它,我们却能非常清晰地看到它造成的影响．暗能量,比任何东西都要强大而且日益增强,要知道真空区的能量比起宇宙其他所有东西的总和还要多．目前科学家对于暗能量可能是什么还只是猜测．一种猜测是暗能量并非某种事物,它只是空间的特性．空无空间并非“虚无”,它拥有自己的能量．空无空间可以产生更多空间,而且相当活跃．因此当宇宙在膨胀时,空无空间使更多空间出现并填补缺口,造成宇宙加速膨胀．那么随着宇宙的膨胀和物质密度的降低,引力的效应会越来越小,暗能量(具有反引力效应)对宇宙的影响就会越来越大,产生越来越大的膨胀加速度,宇宙就会沦落为大寒冷．这个猜测接近爱因斯坦在1917年对宇宙常数概念的想法．另一种猜测是空无空间充斥着一种暂时且虚无飘渺的粒子,它会不断从一无所有形成,然后再消失回一无所有．这些粒子的能量可能就是暗能量．或是另一种猜测:暗能量是种未知的动态能量流体或是力场,它渗入了整个宇宙．但不知何故,它有与普通物质、普通能量相反的效果．如果真是如此,我们并不知道怎么、在哪探测到它．那么它会随着时空的变化对宇宙产生什么影响又是一个新的课题．暗物质就像胶水一样把所有物质连接在一起．新的一项研究发现,一部分暗物质正在消失,而导致它们消失的原因则是暗能量．暗能量很有可能在消耗着暗物质,如果这一推论正确,那这种现象将对宇宙的未来产生重大的影响．这个“暗”,不是黑暗,不是遥不可见的那种“暗”——因为极有可能它们现在正穿过我们的身体;这个“暗”,也不是黑洞或深空的那种“暗”．这个“暗”代表着神秘、未知,我们可能得到它们存在的若干证据,间接的证据,但到目前为止,人类还未“抓”住它们,我们对它们知之甚少．一切都在继续,随着人们知道的越多,人们感觉到的未知就越多．因此,去仰望这片星空,追寻宇宙运转的真理吧!。
暗物质和暗能量——笼罩在21世纪物理学上的两朵“乌云”
暗物质和暗能量——笼罩在21世纪物理学上的两朵“乌云”程帅;崔轶斌
【期刊名称】《高中数理化》
【年(卷),期】2017(000)017
【总页数】2页(P43-44)
【作者】程帅;崔轶斌
【作者单位】清华大学附属中学;清华大学附属中学
【正文语种】中文
【相关文献】
1.21世纪的两朵乌云 [J], 苏宜
2.20世纪漂浮在物理学研究领域上空的"两朵乌云" [J], 张艳;孟卫东
3.再论暗物质、暗能量、引力波-中微子及力的统一问题--从宇宙微波背景辐射B 模偏振之发现的物理学意义谈起 [J], 张海鹏;张力;孟庆义;罗延安;张丹参;李玉清;华凌
4.阴阳说:从宇宙暗物质的发现到生命暗物质和暗能量的研究 [J], 冯前进
5.再论暗物质、可能的暗能量与引力子/波--从宇宙微波背景辐射B模偏振之发现的物理学意义谈起 [J], 张海鹏;华凌
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20世纪科学中的两朵乌云
20世纪科学中的两朵乌云第一朵乌云，主要是指A．迈克尔孙实验结果和以太漂移说相矛盾；第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。
第一朵乌云导致了相对论的诞生，第二多乌云导致了量子力学的诞生迈克尔逊-莫雷实验一种用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光在同一方向上光速差值的实验。
但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此确定了光速不变原理。
根据伽利略变换，光速应该与其所在的参照系有关，这一结果表明伽利略变换并不适用于高速运动的光子，洛伦兹由此提出洛伦兹变换来解决这一问题。
虽然爱因斯坦只是将洛伦兹变换引入狭义相对论，但是他系统性地提出了一个全新的物理理论，并划时代地提出时间相对性的概念，因此人们最终将这一功绩归功于爱因斯坦。
但是狭义相对论也有问题，爱因斯坦本人也始终未能解释孪生子佯谬。
既然存在以太，则当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。
1887年，阿尔贝特·麦克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。
目的是测量地球在以太中的速度(即以太风的速度)。
如果以太存在，且光速在以太中的传播服从伽利略速度叠加原理：假设以太相对于太阳静止，实验坐标系相对于以太以公转轨道速度u沿光线2的方向传播，由于光在不同的方向相对地球的速度不同，达到眼睛的光程差不同，产生干涉条纹。
从镜子M反射，光线1的传播方向在MA方向上，光的绝对传播速度为c，地球相对以太的速度为υ，光线1完成来回路程的时间为2d/C，光线2在到达M2和从M2返回的传播速度为不同的，分别为C+υ和C－υ，完成往返路程所需时间为：d/(C+u)+d/(C-u).光线2和光线1到达眼睛的光程差为：c[d/(C+u)+d/(C-u)-2d/C]=2du^2/(C^2-u^2)干涉仪整体可以旋转，旋转的过程中，以太速度方向与实验参考系中光线2的夹角改变，从而使得速度分量u 改变，旋转90°时，光线1和2交换了状态，光程差可以增加一倍。
物理学发展史上的两朵乌云共22页
物理学发展史上的两朵 乌云
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
物理学发展史上的两朵乌云
3．用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在管子两侧各加一通电线圈， 以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴 极射线的荷质比e/m 与微粒运动的速度。另一种方法是测量阳极的温升，因为阴 极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阳极，测 量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线 在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。
1895 伦琴 发现X 射线 1896 贝克勒尔 发现放射性 1896 塞曼 发现磁场使光谱线分裂 1897 J ． J ．汤姆生 发现电子 1898 卢瑟福 发现α 、β 射线 1898 居里夫妇 发现放射性元素钋和镭 1899 — 1900 卢梅尔和鲁本斯等人 发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布律 1900 维拉德 发现γ 射线 1901 考夫曼 发现电子的质量随速度增加 1902 勒纳德 发现光电效应基本规律 1902 里查森 发现热电子发射规律 1903 卢瑟福和索迪 发现放射性元素的蜕变规律
物理学史
李宏荣
古代物理学发展
第五章
辉煌的物理大厦与两朵乌云
19 世纪末，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门——力学、热力学 和分子运动论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取 得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，伟大的发现不会 再有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。 然而，正在这个时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现，打破了沉闷的空气， 把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。 年代人物贡献
哥尔茨坦的光谱实验
舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被 阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。1890 年，他根据 磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在 5×106 库仑/千克至1×1010 库仑/千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比108 库仑/ 千克相比，数量级相近。 赫兹和他的学生勒纳德也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的真 空管中电流分布的实验，“证明”阴极射线的走向与真空管中电流的分布何偏 转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂 性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹做 的另一实验则是成功的。1891 年，他注意到阴极射线可以象光透过透明物质那 样地透过某些金属薄片。1894 年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线 管的末端嵌上厚仅0.000265 厘米的薄铝箔作为窗口，发现从铝窗口会逸出射线。 在空气中穿越约1 厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波 才能穿越实物。 微粒说者也在积极寻找证据。1895 年法国物理学家佩兰将圆桶电极安装在 阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果确是负电。他支持带电微粒 说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反 对者会反驳说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。
近代物理学两朵乌云
近代物理学两朵乌云19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。
会上，英国著名物理学家W?汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。
他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。
同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。
”W.汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。
他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。
开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家，是一位颇有影响的物理学权威，他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况，反映了当时物理学界的主要思潮。
物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。
一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。
例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。
对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。
至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。
总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！在这种形势下，难怪物理学家会感到陶醉，会感到物理学已大功告成，因而断言往后难有作为了。
这种思想当时在物理界不但普遍存在，而且由来已久。
普朗克曾在1924年做过一次演讲。
科学史上最著名的两朵乌云
科学史上最著名的两朵乌云
今天我们来听⼀个关于物理学⽩银时代与黄⾦时代交接的的历史故事。
在⼗九世纪末期，物理学经过波澜壮阔的⼤发展以经典⼒学、经典电磁场理论和经典统计⼒学为三⼤⽀柱的经典物理⼤厦已经建成，⽽且基础牢固，宏伟壮观！好像任何物理现象都能从现存的理论中获得解释，物理学家们甚⾄断⾔物理学发展已经尽善尽美，剩下的就是些边边⾓⾓的修理⼯作了。
⼤科学家普朗克当初在决定进军物理学界时被⽼师劝告“物理学已经⽆所作为，往后⽆⾮在已知规律的
⼩数点后⾯加上⼏个数字⽽已。
“
1900年初，在热⼒学第⼀定律及热⼒学第⼆定律的建⽴作出重⼤的贡献的开尔⽂男爵，在皇家学会的新年致辞中，发表了题为「笼罩在热和光的动⼒理论上的⼗九世纪之云」的著名演讲。
他认为物理世界晴空万⾥，动⼒理论可以解释⼀切物理问题；唯有两个⼩问题有待解决：⿊体辐射和以太理论的理论解释。
物理学界的⼤科学家们乐观不已，仿佛⾃⼰已经掌握了宇宙所有
真理。
谁也没有料到，开尔⽂男爵提到的这两朵物理学天空中不起眼的两朵乌云，却在随之⽽来的⼆⼗世纪将物理学界搅得地覆天翻，第⼀朵乌云：⿊体辐射问题直接引发了⼀门新理论的诞⽣——量⼦⼒学！
第⼆朵乌云：以太理论引出了⼀位神⼀样的⼈：爱因斯坦和他的相对论！
从此物理学界进⼊了黄⾦时代，众多神⼀样的科学巨擘相继诞⽣，以群星耀世的姿态在量⼦⼒学和相对论两⼤理论旗下相爱相杀，共同推动⼈类进步！最后是以⼀张诸神合照结束今天的话
题！。
经典物理学两朵乌云
19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。
会上，英国著名物理学家W?汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。
他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。
同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。
”W.汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。
他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。
物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。
一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。
例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。
对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。
至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。
总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！在这种形势下，难怪物理学家会感到陶醉，会感到物理学已大功告成，因而断言往后难有作为了。
这种思想当时在物理界不但普遍存在，而且由来已久。
物理学发展的历史表明，正是这两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴。
第一朵乌云——迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。