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比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲4
送交者: 连横合纵[♀★★★金嗓俏丽吴姝★★★♀] 于 2019-02-11 3:44 已读 926 次  

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作者:连横合纵 6park.com

前三部曲的合集见: 6park.com

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比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲4 6park.com

暗物质--人们通过星系的旋转速度推算星系的质量,发现星系的质量远比我们可见物质的质量大得多。宇宙中,暗物质的质量大约是普通物质的六倍。早在20世纪30年代,瑞士天文学家弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)就提出了暗物质的概念,他认为星系团之间充满了神秘的暗物质,可以确保各个星系或者星系团之间保持一定的距离。几乎在同一时间,来自荷兰的科学家简·奥尔特(Jan Oort)发现靠近太阳附近的物质密度几乎是普通星系或星系团的两倍,从而解释了恒星和气体在宇宙中单独存在的现象。最主要的假设认为,暗物质可能是由弱作用大质量粒子,即WIMPs构成,这是由一些理论所预测的--大质量弱相互作用粒子是超弦理论的一个预测。超弦理论是粒子物理标准模型的推广,该理论认为宇宙中每个已知的粒子都有一个对应的伙伴粒子,而大质量弱相互作用粒子就是这些伙伴粒子中最轻的。WIMPs足够多到可以产生大量引力,但却与普通物质仅有非常微弱的相互作用。每个星系都会在内部形成一个巨大的WIMPs云团。 6park.com

什么是暗物质?楼主小姐姐告诉你,宇宙可以被视为一个渔网状的膜,上面有无数个象我们小时候吹的肥皂泡一样的时空,暗物质通俗地说,就是宇宙中支撑宇宙网的基本架构材料。天文学家有充分的证据,证明暗物质提供了大部分的引力,从而防止恒星冲出星系。 6park.com

暗物质与暗能量是一枚硬币的两面(质能守恒)---暗物质不发光,也就是不发出电磁波,所以看不见,但与通常物质一样,暗物质有引力作用。这个引力效应让天文学家在宇宙空间发现暗物质占宇宙的 23%,另外73%是暗能量。而组成我们身边这个世界的常规物质只占4%。虽然人们早已经猜测到暗物质可能存在,但一直以来从未明确探测到暗物质粒子,因此,还不能确定暗物质的性质。  6park.com

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宇宙中的物质组成了一张网,宇宙网的丝状物、膜状物将众多星系和星云串联起来在空旷的宇宙中扩展。这种丝状物、膜状物由正常物质和暗物质构成。暗物质是人的肉眼无法直接看到的,约占宇宙质量的85%。丝状、膜状的将宇宙中的星系团连接在一起的暗物质网络产生的引力可以使得从地球发射至遥远星系的光束发生弯曲---这就是引力透镜原理,也是探测暗物质的可行性基矗 6park.com

确定暗物质的属性也是暗物质领域的焦点问题——它到底是一种冷粒子(可缓慢运动)还是一种暖粒子(可快速运动,就像中微子一样)? 6park.com

小姐姐注:参见上一期我写的
比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲系列https://club.6parker.com/nz/index.php?app=forum&act=threadview&tid=6760 6park.com

一句话告诉你,这是因为不同的暗物质粒子会以不同的方式聚集。将于2019年发射的欧几里得空间任务能够为此提供
更多的透镜数据。
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在宇宙大爆炸后不久,密度比其他区域略高的那些区域会吸入暗物质,它们成群聚集在一起并最终塌缩成扁平的“薄煎饼”。此外,通过研究等离子体发出的X射线——由XMM-牛顿探测器进行观测,不到9%的宇宙质量可能是由热气体构成的,另外约10%的质量可能源于可见的恒星和星系。因此,宇宙余下的大部分必然是暗物质。 6park.com

宇宙演化的时间线。该研究确认,最早的恒星诞生时间不晚于大爆炸后1.8亿年。绘图:N.R。 Fuller,美国国家科学基金会宇宙演化的时间线。该研究确认,最早的恒星诞生时间不晚于大爆炸后1.8亿年。绘图:N.R。 Fuller,美国国家科学基金会 6park.com

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当WIMPs碰撞在一起形成普通物质,例如伽马射线时,它们也会彼此湮灭,并且天体物理学家如今正在梳理天空以寻找此类湮灭的迹象。 6park.com

美国宇航局(NASA)的星载费米伽马射线空间望远镜的数据揭示了源自银河系中心的一些额外的伽马射线,它们可能是由彼此湮灭的暗物质粒子所产生的。 6park.com

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从来自附近星系中心的伽马射线辐射图中减去已知来源和其他背景的贡献,从而得到来自暗物质的辐射图。 6park.com

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图片来源:Kevork Abazajian/加利福尼亚大学欧文分校 6park.com

暗物质的探测,有三种可行的方法。分別是直接探测,间接探测和人工制造。 6park.com

人工制造,就是通过粒子对撞直接生成暗物质。
LHC有14TeV的质子中心对撞能量,可以期盼直接生成暗物质粒子。 6park.com

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间接探测,是期望宇宙中的暗物质可以互相湮灭,从而产生多余的正负质子对,这种作用可以通过观察宇宙射线中正负粒子对的湮灭探测到。AMS(阿尔法磁谱仪)是丁肁中经营了11年,最终得以升空的项目,可谓耗资巨大。2010年,AMS被安装在国际空间站上。 6park.com

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安置在国际空间站的阿尔法磁谱仪(AMS) 6park.com

直接探测,这个就和我国的PandaX直接相关了。直接探测,小姐姐讲,通俗地说就是打洞!就是在很深的地下埋藏大量的惰性气体作为探测器,搜寻暗物质和质子的直接作用。目前,世界上最灵敏的直接探测装置是位于意大利的Xenon100。位于四川锦屏山的PandaX.上面四个探测器2016年左右建成,中国的PandaX是最深的,也是最灵敏的。 6park.com

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XENON1T实验中所用的光电倍增管会记录下暗物质粒子和氙原子碰撞时产生的光。 6park.com

最主要的假设认为,暗物质可能是由弱作用大质量粒子,即WIMPs构成,但还有不同的理论---研究人员现在提出,在中子衰变的时间里,大约有1%的时间,随着分解成一些已知的粒子,它们也会产生暗物质粒子。这可能有助于解释科学中最大的谜团之一。 6park.com

中子的半衰期为15分钟,一旦超出原子核范围之外,中子就会衰变成质子、电子和中微子。中子星是超级密集的中子簇,在巨星死亡时可以形成。中子星并不会塌陷形成黑洞,因为它们的引力场不足以摧毁中子。 6park.com

天文学对宇宙大爆炸后不久宇宙“黑暗时代”的研究,捕捉到了再电离时期的21厘米中性氢原子信号,探测到了宇宙的“第一缕曙光”。 6park.com

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宇宙的黑暗时代 6park.com

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在大爆炸中诞生的宇宙温度曾非常高,光子不断与电子碰撞,使其无法和原子核稳定结合,此时的宇宙是一团原子核、电子和光子混杂在一起的浓汤,是完全不透明的。而宇宙随着膨胀而不断冷却,当温度降低到原子核可以与电子结合为稳定的原子,光子中解放出来,成为了微波背景辐射,宇宙也变得透明了。在这之后,宇宙中只有氢原子(还有一些氦原子)组成的气体,温度也已经冷却得非常低。在整个宇宙中,一丝可见光都没有,因此天文学家把这个阶段称为“宇宙的黑暗时代”。 6park.com

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21厘米氢线 6park.com

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根据目前的宇宙演化理论,之后又过了数亿年,在引力的作用下,暗物质和普通物质聚集起来,形成了星系和恒星,第一代恒星发出的辐射让黑暗的宇宙迎来了黎明,同时辐射中的紫外线也逐渐让周围气体中的氢原子重新电离,因此天文学家也把这个阶段称作“再电离”。 6park.com

即使是非常冷的氢原子,也能发出一种特殊的辐射。氢原子是由一个氢原子核(质子)和一个电子组成的,原子核和电子的自旋方向可能相同,也可能相反,而在这两种状况下,原子的能量存在微小的差异。如果电子本来与原子核自旋方向相同,在自旋翻转、变得与原子核的方向相反时,原子的能量降低,就会发出波长为21厘米的辐射。反之,低能状态的氢原子也可以吸收21厘米波长的光子,翻转电子的自旋方向。 6park.com

这样一来,在宇宙的黑暗时代,有三种标志性的温度,一个是氢原子的自旋温度,另一个就是一般意义上的温度——由原子的无规则运动决定的动力学温度,还有一个是体现了微波背景辐射光子能量的辐射温度。这三种温度的关系随着宇宙演化不断变化,也决定了中性氢究竟是自己发出21厘米辐射,还是吸收微波背景辐射中的21厘米成分。 6park.com

最初,在宇宙刚进入黑暗时代的时候,微波背景辐射光子不断与原子碰撞交换能量,三种温度是保持相等的。随着宇宙膨胀,光子越来越稀疏,跟原子的能量交换变得越来越低效,动力学温度和辐射温度就脱节了,两者都随着膨胀降低,但动力学温度下降得更快。而这时原子间的碰撞对自旋状态影响更大,自旋温度和动力学温度保持一致,低于辐射温度,氢原子会吸收21厘米辐射。 6park.com

但随着宇宙膨胀,氢原子本身也变得过于稀疏,很难通过碰撞让电子自旋翻转,微波背景辐射光子决定了自旋状态,自旋温度和动力学温度脱节,开始跟辐射温度保持一致。此时氢原子整体上既不吸收21厘米辐射,也不会发出21厘米辐射。 6park.com

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第一代恒星出现时,氢原子吸收21厘米辐射,形成图中的“山谷”。来源:Bowman et al。 2018, Nature 6park.com

随着第一代恒星形成,情况又发生了变化,恒星发出的紫外辐射让氢原子的动力学温度上升,同时也会让它们短暂电离后又重新和电子结合。电子在来去之间改变了自己的自旋方向,决定两种原子比例的,又由微波背景辐射变回了动力学温度。此时,自旋温度等于动力学温度,仍低于辐射温度,所以氢原子又开始吸收21厘米辐射。之后,自旋温度随着动力学温度不断上升,终于超过了辐射温度,氢原子就重新开始发出21厘米辐射。最终,氢原子被恒星的紫外线完全电离,21厘米信号也就彻底消失了。 6park.com

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随着宇宙的膨胀,曾经波长为21厘米的信号,抵达我们的时候已经发生红移,波长被拉长了很多。例如,黑暗时代刚开始时发出21厘米辐射,波长已经变成了210米,而在黑暗时代结束时发出的辐射,波长则变成了1~2米。这也就是说,信号中不同波长的成分源于早期宇宙的不同时期,携带了反映当时宇宙成分和结构的信息。 6park.com

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因此,通过观测21厘米辐射信号,天文学家可以了解寒冷黑暗的“黑暗时代”,以及之后的宇宙再电离过程。如果能分辨天空不同位置的信号强度,还可以更进一步地研究电离区域是如何演化扩大的。 6park.com

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澳大利亚西部的默奇森射电天文台的射电天线首次探测到宇宙早期的21厘米氢原子辐射信号 6park.com

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暗力和暗光子  6park.com

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另外,一些物理学家提出暗物质粒子可以通过一种新的基本力来相互作用,没错,就叫做暗力,通过暗光子来传递。这类似于普通质子依靠电磁力进行相互作用的情形:当两个质子相互靠近时,每个质子都将释放一个光子——电磁力的载体——并吸收对方的光子。  6park.com

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或许暗物质有很多类型,有一些通过暗力相互作用,而有一些不是。  6park.com

暗能量  6park.com

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在19世纪初,物理学家(包括爱因斯坦)认为宇宙处于静态和不变的。但是,在1929年,美国天文学家埃德温?哈勃对爆炸恒星运动的观测发现了宇宙正在膨胀。事实上宇宙必须有个开端,那一刻称之为大爆炸。  6park.com

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在大爆炸之后,物理学家曾经认为由于引力的作用,宇宙的膨胀应该会逐渐慢下来,最终所有的东西又重新聚在一起。问题在于宇宙是否是在某一个时刻停止膨胀并开始往回收,最终形成大坍缩。 直到1998年,事情变得复杂起来。  6park.com

利用哈勃用过的同样方法(以及以哈勃命名的太空望远镜)天文学家发现宇宙的膨胀不仅没有慢下来,而且是在加速。星系以越来越快的速度逐渐的相互远离。  6park.com

这就好比是你开车在高速奔驰,然后你松开油门,可是车不仅没有慢下来反而加速了!  6park.com

因此物理学家意识到宇宙的膨胀或许是由于某种能量驱使的,也就是所谓的“暗能量”。  6park.com

暗物质、暗能量与量子世界 6park.com

小姐姐注:有关宏观质量的量子世界起源,参见上一期我写的比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲系列https://club.6parker.com/nz/index.php?app=forum&act=threadview&tid=6760 6park.com

想要解开暗能量、暗物质的神秘面纱,答案很有可能隐藏在量子世界。在量子力学中,“空的空间”并不是完全空的,而是充满了粒子汤,粒子不断的出现、湮灭。虽然听起来很奇怪,但是物理学家已经在实验室里测量到由这些“虚粒子”造成的力。 
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问题是,当物理学家尝试计算这些虚粒子在每立方米中的能量贡献时,得到的结果是一个巨大的数字:10^120,这要远远超出暗能量的密度(可以从宇宙的膨胀率中计算)。这样的一个数字——1后面再加上120个零,被称为“物理史上最差劲的理论预言”。  6park.com

一些物理学家认为暗能量类似自然界中的第五种力,弥漫在整个空间。他们把它称之为“精质”,这个名字来自于古希腊哲学家预言的第五种元素——被认为充满地球以外的宇宙空间。  6park.com

在一些理论中,精质会一直越来越强,这种情形下就会演变成物理学家称之为的幻影暗能量。所谓的幻影暗能量是一类鬼常 如果暗能量是幻影物质,它会摧毁整个宇宙-- 那时候时宇宙的膨胀会持续的加速,并最终达到光速。那么情况会是这样的:首先星系和恒星会四分五裂,太阳和地球之间的空间会膨胀的比光速还快,直到最后物质无法被束缚在一起,原子也被撕裂。最终的结局就是宇宙在一场大撕裂中变得死寂。  6park.com

小姐姐注:现在把量子纠缠神秘化,与鬼魂、意识漂移等联系起来的不少,我觉得玄幻科幻作家还不如再跟第五元素即精质暗力关联耦合下。 6park.com

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我们知道爱因斯坦的广义相对论是非常成功的引力理论,但是它仅在大到太阳系尺度,小到亚毫米尺度得到了精确的检验。在小尺度上,量子引力效应必定对广义相对论有一定的修正;在宇宙学尺度上,并没有原理保证广义相对论一定正确。因此,通过在大尺度上修改广义相对论来解释观测到的宇宙加速膨胀效应是一个合理的选择。相关的理论有:鬼凝聚、f(R)引力理论和膜世界图像等等。  6park.com

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意大利罗马大学和英国朴茨茅斯大学的科学家提出了新的解释,即暗物质正在消失,变成了暗能量。虽然暗物质变成暗能量的比例很小,速度很慢,但科学家相信如果这个过程继续,宇宙中所有暗物质将会在1000亿年后消失,最后宇宙会变得“巨大,空旷而乏味,其中几乎空无一物”。显然这是一个有意思的结论,它为我们理解宇宙的未来发展提供了新角度。 6park.com

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ΛCDM模型  6park.com

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Λ是宇宙学常数,是解释当前宇宙观测到的加速膨胀的暗能量项。而CDM则是冷暗物质,是一些运动缓慢未知的粒子。  6park.com

这是当前天文物理学家能够对宇宙所有现象给出的最合理的模型。比如它解释了宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀。 
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在这个图景中,暗物质占据了宇宙总质量-能量的26.8%,暗能量则为68.3%,而普通物质只占了不超过4.9%(普朗克卫星的结果)。  6park.com

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ΛCDM模型虽然能够很好的解释了很多的现象,但同时也遇到了许多的挑战。未来,只有当我们一步步的揭开暗物质和暗能量的神秘面纱时,才能知道被大自然隐藏的那~95%。 6park.com

根据大爆炸理论,宇宙是由一个致密致热的奇点膨胀到现在的状态的。这是宇宙物理学关于宇宙起源的主流理论,现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关,或者是它的延伸。但是,大爆炸理论无法回答我们的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样子。 6park.com

印第安纳大学的理论物理学家尼科德姆·波普瓦夫斯基描述了黑洞引力场
。根据其计算,在大爆炸之前我们的宇宙就处于虫洞中:由另一个宇宙中某巨大星体的坍塌创造的一个虫洞,成为了通向另一个宇宙的时空管道。在虫洞的此端与彼端间,可能发展出与大爆炸相联系的类似环境,我们的宇宙,最终就于这个虫洞中诞生。波普瓦夫斯基描述的场景乍听起来匪夷所思,但以该理论为基底,却能解决多项宇宙学中令人困惑的谜题,解释目前人们观察到的宇宙膨胀现象。
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这其中,就包括引力、宇宙膨胀与暗能量的纠结关系:如果有另一个宇宙,其在我们的宇宙之前就已经存在,引力就可追溯到一个点上,该点强弱核力与电磁力已经统一起来。同时,若我们身处的宇宙现在正在向虫洞末端膨胀的话,这种运动就能够解释宇宙的膨胀,而不必引入至今难以捉摸的暗能量。 6park.com

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黑洞、白洞与虫洞 6park.com

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与黑洞的广为人知不同,白洞主要用来解释宇宙中的高能现象,其是否存在尚无观测证据。在广义相对论预言中,白洞与黑洞性质相反,是一种致密物体,并不吸收外部物质,而是不断地向外围喷射各种星际物质与宇宙能量,像宇宙中的喷泉。 6park.com

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而虫洞(又名爱因斯坦—罗森桥)虽多见于科幻,却不是任何边缘科学或业余幻想,它的起源令人尊敬,来自于爱因斯坦与罗森的一篇论文。其可描述成连接宇 6park.com

宙遥远区域间的时空细管,而暗物质负责维持着虫洞出口的敞开。最简单地去理解,就是把时空卷曲起来,创造一条事件A和事件B间的近路。 6park.com

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虫洞亦可能是连接黑洞和白洞的时空隧道,所以也叫“灰道”。在这时,白洞可以看成时间呈现反转的黑洞,进入黑洞的物质,最后应会从白洞出来,出现在另外一个宇宙。这是本次研究中一个非常重要的概念。 6park.com

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虫洞于理论上提供了时间旅行的可能性。霍金在《时间简史》中阐述:一个空间旅行者可利用相对于地球静止的虫洞作为从事件A到B的捷径,然后通过一个运动的虫洞返回,并在他出发之前回到地球。 6park.com

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这听起来似乎是个悖论,但这正是当代科幻的一个基准点。只有这样,一个人才有可能借助时光旅行装置回到过去,也即在自己出发之前又回到了地球。只不过回去的不是自己出发时的地球,而是欲去时间段的地球,看到自己的奶奶,甚至祖先,却不会影响和扭转他作为先人后代的命运。 6park.com

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自始以来人们只能观察到黑洞的外部,无法窥其内在,除非一个观察者进入黑洞内部或者原本就居住在黑洞内部。但如果我们的宇宙本身就处在另外一个更大宇宙的黑洞之中,那么就可以满足这个条件。 6park.com

科学家通过观测发现在英仙座星系团和仙女座星座附近出现了射线释放,目前分析结果中最有可能的解释是其源于暗物质粒子,在物理评论快报上科学家公布了相关发现成果,认为这可能是暗物质的迹象 6park.com

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科学家通过观测,发现在英仙座星系团和仙女座星座附近出现了射线释放 6park.com

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中央球形对称的蓝色光晕显示的正是科学家推测的暗物质 6park.com

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这是目前关于宇宙暗物质密度最为精细的计算机模拟图 6park.com

GPS卫星的另类用途——探测暗物质 :原子时钟网络可用于搜寻暗物质存在暴露的差异,科学家确信暗物质存在于星系,有证据表明部分暗物质能够弯曲星系周围的光线。当地球运行时会掠过宇宙气体,所以对我们来说,宇宙气体像暗物质星系风吹过地球和人造卫星,当暗物质掠过,它将偶尔导致GPS卫星时钟出现不同步。如果暗物质导致GPS卫星时钟不同步超过十亿分之一秒,我们能够很容易探测到该现象。 6park.com

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当GPS时钟出现不同步,我们便知道暗物质的存在。 6park.com

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地球的GPS卫星系统可作为一个巨大的宇宙探测器,用于搜寻神秘的暗物质
贴主:连横合纵于2019_02_11 4:06:30编辑
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