宇宙是人类探索的永恒命题,人类从远古时代就开始探索宇宙,从建立天文观测工具到发射人造卫星,使得宇宙更多的知识被发现,多个学科的研究将同步发展。在宇宙学研究中,一个非常重要的问题就是探究宇宙中元素的丰度及其产生机制。宇宙的元素来源很多,其中最为重要的是在大爆炸时期阶段(大约13.8亿年前),能够形成宇宙中的所有物质基础粒子,样子就像是一个宇宙“流水线”,能做成原子序数在2到80之间的所有元素。因此,重元素是宇宙演化与生命形成的关键因素。
在宇宙中,元素的种类和丰度决定了宇宙的演化。迄今为止,人类探索宇宙的史实中,宇宙学的研究还在快速发展中,研究的领域涉及宇宙中的黑洞,宇宙膨胀速度问题,暗物质,暗能量等,但宇宙学的研究却在一个基本前提上停滞了很长时间,那就是当时我们对宇宙中的物质的了解还是在一个相对浅显的层次上面的。在探索宇宙中存在的各种物质的同时,人类发现了一些神奇的物质世界,其中就包括了关于宇宙中物质构成问题的“重子缺失之谜”。
宇宙重子缺失之谜
重子缺失是一个十分奇特的物理学难题,揭示它,不但能够发扬最前沿学科的思想,而且有助于人类对宇宙的认知加深。
重子缺失简单地说就是宇宙中存在的 baryon 中缺失了很多,这是一种目前还没有被解释明白的物理现象。根据宇宙学理论预测,当宇宙从大爆炸时期演化到今天的这个时期,宇宙中应该存在大量的重子。然而最近的研究却表明,宇宙中重子的丰度要比理论预测的少,这就是“重子缺失之谜”。
宇宙学理论中,预测的大宇宙中的重子丰度的值是非常明确的。我们可以用太阳和其它的恒星作为标准来比较它们的化学成分,从而推测宇宙中重子的丰度。在宇宙学的研究过程中,科学家们出现了一种看起来很有趣的情况,宇宙中的原则“多余” 了很多。宇宙中90%的物质是无法解释的,“暗物质”中就包括着占据大多数的物质,但是“暗物质” 缺口原理无法解释清楚这一现象。尽管暗物质是所有流行理论的必要成分,但人们对它的了解还非常有限,这是一种非常神秘的物质。
如今科学家们却很惊异地发现,利用合成模型测量的宇宙中重子质量与宇宙模型值相比,差距在20-30%左右,修正后还是相差10%以上。
解决这个“重子缺失之谜”的办法之一就是通过测量白矮星的质量,这样就可以预测出恒星大爆炸前的宇宙中的氢、氧等成分的相对丰度,用其与理论预测值比对判断重子缺失的情况,对宇宙学的研究开拓新的角度,推动了各种前沿研究的进展。另外,还有一些研究认为,重子缺失问题可能与宇宙时空结构及非线性物理学效应等有关。
结论
宇宙学是一项综合性的学科,涵盖了物理学、天文学、数学等多个学科。宇宙的演化,元素的生成和丰度的变化一直是宇宙学的研究的重点和难点。重子缺失现象是宇宙演化的一个重要环节,它解不开,阻碍了我们进一步了解宇宙的完整面貌。因此,加强对宇宙中重子失衡机制的研究及对重子质量的测量对解决重子缺失现象行业有着十分重要的意义,它将推动人类向前沿学科迈进的步伐,促进各个领域的协同与发展。
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