何形成的? 1.科学家认为它起源为137亿年前之间的一次难以置信的大爆炸。这是一次不可想像的能量大爆炸，宇宙边缘的光到达地球要花120亿年到150亿年的时间。大爆炸散发的物质在太空中漂游，由许多恒星组成的巨大的星系就是由这些物质构成的，我们的太阳就是这无数恒星中的一颗。原本人们想象宇宙会因引力而不在膨胀，但是，科学家已发现宇宙中有一种 暗能量会产生一种斥力而加速宇宙的膨胀。 2.宇宙学说认为，我们所观察到的宇宙，在其孕育的初期，集中于一个体积极小、温度极高、密度极大的奇点。在141亿年前左右，奇点产生后发生大爆炸，从此开始了我们所在的宇宙的诞生史。 3.宇宙大爆炸后0.01秒，宇宙的温度大约为1000亿度。物质存在的主要形式是电子、光子、中微子。以后，物质迅速扩散，温度迅速降低。大爆炸后1秒钟，下降到100亿度。大爆炸后14秒，温度约30亿度。35秒后，为3亿度，化学元素开始形成。温度不断下降，原子不断形成。宇宙间弥漫着气体云。他们在引力的作用下，形成恒星系统，恒星系统又经过漫长的演化，成为今天的宇宙。 宇宙是什么?宇宙有多大?宇宙年龄是多少? 宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。从最新的观测资料看，人们已观测到的离我们最远的星系是130亿光年。也就是说，如果有一束光以每秒30万千米的速度从该星系发出，那么要经过130亿年才能到达地球。根据大爆炸宇宙模型推算，宇宙年龄大约200亿年。宇宙有多少个星系?每个星系有多少颗恒星? 在这个以130亿光年为半径的球形空间里，目前已被人们发现和观测到的星系大约有1250亿个，而每个星系又拥有像太阳这样的恒星几百亿到几万亿颗。因此只要做一道简单的数学题，你就不难了解到，在我们已经观测到的宇宙中拥有多少星星。地球在如此浩瀚的宇宙中，真如沧海一粟，渺小得微不足道。天文学的基础知识（一） 太阳和地球的年龄? 据估计太阳的年龄比地球大1000万-2000年年，而通过放射性计年，地球的年龄是45亿年，因此太阳的年龄是45.1亿年。银河系简介 是地球和太阳所属的星系。因其主体部分投影在天球上的亮带被我国称为银河而得名。银河系呈旋涡状，有4条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来。银河系中心和4条旋臂都是恒星密集的地方。从远处看，银河系像一个体育锻炼用的大铁饼，大铁饼的直径有10万光年，相当于946080000亿公里。中间最厚的部分约3000～12000光年。银河系整体作较差自转，太阳位于一条叫做猎户臂的旋臂上，距离银河系中心约2.5万光年。在银河系里大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间突出的部分叫核球，半径约为7千光年。核球的中部叫银核，四周叫银盘。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为银晕，直径为7万光年。银河系是一个旋涡星系，具有旋涡结构，即有一个银心和两个旋臂，旋臂相距4500光年。其各部分的旋转速度和周期，因距银心的远近而不同。1971年英国天文学家林登·贝尔和马丁·内斯分析了银河系中心区的红外观测和其他性质，指出银河系中心的能源应是一个黑洞，但是由于目前对大质量的黑洞还没有结论性的证据。银河系如何运转?太阳绕银河系公转是多少年?银河系的年龄是多少? 银河系是一个巨型旋涡星系，Sb型，共有4条旋臂。包含一、二千亿颗恒星。太阳距银心约2.3万光年，以250千米/秒的速度绕银心运转，运转的周期约为2.5亿年。关于银河系的年龄，目前占主流的观点认为，银河系在宇宙诞生的大爆炸之后不久就诞生了，用这种方法计算出，我们银河系的年龄大概 在145亿岁左右，上下误差各有20多亿年。而科学界认为宇宙诞生的大爆炸大约发生 … 什么叫星系?宇宙有多少个星系和恒星? 天穹上的大多数光点是银河系的恒星，但也有相当大量的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团，历史上曾被误认为是星云，我们称它们为河外星系，现在已知道存在1000亿个以上的星系，著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙结构中的一个层次，从宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的层次。宇宙中有1000亿～2000亿个像银河系这样的星系。如果银河系的恒星数量以最低的2000亿(有人推算是10000亿)颗计算，由此推算出的宇宙中的恒星数量为2×1022～4×1022颗，即20万亿亿～40万亿亿颗(也有人推出800万亿亿～5000万亿亿)。银河系有多少颗恒星?银河系的质量是太阳的多少倍?宇宙有多少颗恒星? 银河系物质约90％集中在恒星内，银河系里还有气体和尘埃，其含量约占银河系总质量的10％。银河系的总质量大约是我们太阳质量的1万亿倍，大致10倍于银河系全部恒星质量的总和。银河系所有的恒星的，说某某星座在银河系以内/以外都是不准确的说法。星座是指天上一群群的恒星组合。在三维的宇宙中，这些恒星其实相互间没有实际的关系，不过其在天球这一个球壳面上的位置相近。自古以来，人对于恒星的排列和形状很感兴趣，并很自然地把一些位置相近的星联系起来，组成星座。一些星座是古代的，还有一些是现代的。一些星座如狮子座可以追溯到古埃及的法老时代。另外一些星座是1600年左右有两名荷兰旅行家 Pieter?Keyser 和 Frederik?de Houtman 命名的，这些星座主要分布在南半球。当时他们在作环球旅行，看到了在欧洲不曾 见过的星空，然后创造了一系列极具想象力的动物的名字给这些星座命名。一个多世纪后Nicolas de Lacaille 为了纪念一些在工业革命中发明的工具，把南天一些零散的星组成了 新的星座：熔炉座、唧筒座和显微镜座。当然，很早以前南半球的土著民对自己头顶的星空 也有自己想象的图案，那是他们的星座。 星座的来源?如何辨认星座? 星座起源于四大文明古国之一的古巴比伦，古代巴比伦人将天空分为许多区域，称为星座，不过那时星座的用处不多，被发现和命名的更少。黄道带上的12星座初开始就是用来计量时间的，而不像现在用来代表人的性格。在公元前1000年前后已提出30个星座。两河流域文化传到古希腊以后，公元2世纪，古希腊天文学家托勒密综合了当时的天文成就，编制了48个星座。希腊神话故事中的48个星座大都居于北方天空和赤道南北。16世纪麦哲伦环球航行时，不仅利用星座导航定向，而且还对星座进行了研究。1922年，国际天文学联合会大会决定将天空划分为88个星座，其名称之间都有很高的地位是因为宗教原因。哥白尼很小心，他没有立即站出来说他的新观念是正确的。因为那样只能使当权者不高兴，甚至威胁到自己的健康。他只是简单的把它带给世界，作为一本数学练习带个罗马教皇统治下的世界。因为不准备去冒险，哥白尼直到去世的时候才将它发表。 8.意大利天文学家伽利略找到了支持哥白尼模型的证据。对亚里士多德和他的追随者们，科学顶多是建立在科学实验的纯粹推理上。而对于伽利略来说，证据就在布丁里，如果你想知道天空的机制是什么，你的布丁就在天上。听说了一种可以使远处物体在近处看的很清楚的装置（望远镜）之后，伽利略造了许多自己设计的望远镜，并且把它们对准了天空。他记录下月亮其实很不完美，不像众多哲学家相信的那样，月亮上既有高山又有深谷。伽利略还记录了太阳的黑子。并且发现了木星的四颗卫星。最后，他观测了金星，它像地球的卫星月亮，并且也有相的变化。这个发现听起来就是亚里士多德和托勒纳米体系的丧钟。因为能看到金星的相的变化，金星就必须绕着太阳转，而不是地球。然而伽利略的发现在他的那个年代并不受欢迎。更喜欢亚里士多德和托勒密体系的教廷迫使他放弃自己的观点，并且在他的后半生软禁了他。 9.两位与伽利略同时代的人也帮助摧毁了亚里士多德的水晶球系统。伽利略有力的打击了亚里士多德的宇宙体系，并且证明了哥白尼的理论是正确的。但是即使是哥白尼也没有完全抛弃宇宙中所有的运动都是圆运动的观念。第谷，伽利略同时代的一个人，在他的工作里没有使用望远镜，但却给出了那个年代行星运动最精确的测量法。他的合作人，稍微有点神秘兮兮但却是一位精明数学家的开普勒，通过观测来检查行星运动。他的工作比任何前人做的都要好。 10.开普勒首先提出行星绕太阳作椭圆轨道运动。当他检查第谷数据的时候，他意识到行星不能像人们想象的那样绕着太阳作圆轨道运动，取而代之的应该是椭圆轨道运动。开普勒还提出了今天所有行星遵循的行星运动三大定律。下面是开普勒的行星运动的三大定律： 1)行星绕太阳作椭圆轨道运动，太阳在椭圆的一个焦点上。 2)行星不是以恒定速度绕太阳运动的，行星距离太阳越近，运动的越快。 3)距离太阳越近的行星，它绕太阳转一圈所用的时间就越短。 11.一个叫伊萨克牛顿的天才把开普勒的工作推进了一步。在伽利略去世的那年，伊萨克牛顿出生了。开普勒提出了行星绕太阳作椭圆轨道运动而不是圆轨道运动，这符合事实，但他自己却不知道为什么。牛顿发明了数学的一个分支——微积分学，并且以它为工具，以一种今天我们称之为引力的力来解释物体的运动。 12.牛顿很可能从来没有像传奇中说的那样被苹果砸到。但是他很可能确实看到过苹果从树上掉下来，这激发了他对引力的思考。那么这种看不见的力既然能到达树上把苹果拉到地上，为什么它不能到达月球把月球拉到地球上来呢？用数学描述引力的行为，牛顿可以证明相同性质的力确实控制着苹果，月球以及宇宙中其他所有运动物体。通过极其敏锐的洞察力，牛顿说明了引力是普遍存在的力，并且用数学语言给出了这个统治宇宙中所有运动物体的力的精确表达式。他不只说明了我们在地球上经受的物理现象与宇宙中其他地方也是一样的，还表明了人类有能力了解这种力。 13.除了万有引力定律，牛顿还描述了三大运动定律。 1)如果没有外力作用，一个物体将保持静止或匀速直线运动。 2)如果一个拉力或推力作用在一个物体上，它将改变物体的速度或速度的方向。 3)如果一个物体对另一个物体施加力的作用，那么它将受到等量的反向的力的作用。 这些定理控制一切，从曲棍球到赛车，从宇宙飞船到绕太阳运动的行星。 14.在20世纪初期，爱因斯坦又突破了牛顿的体系。在1913年，阿尔伯特爱因斯坦出版了他的狭义相对论。在书中，他表示牛顿定律在平时的低速世界里是适用的，但在高速世界里它就被破坏了，即当速度接近光速的时候。这个理论的一个基本假定是光速是不变的。光速与光源的运动速度和观测者的运动速度无关。这看似荒谬，但已经被大量的独立实验证实。并且它引出了三个与观测者速度相关的物理量—质量，长度和时间。举例来说，一个以接近光速的飞船朝你飞来的时候，它的质量变大，在行进方向的长度变短，并且飞船上的时间与停在你旁边的飞船相比慢很多。尽管同样的奇怪，但这也被证实了，并且应用于现实的计算中。 15.几年过后，爱因斯坦出版了他的广义相对论。广义相对论解决牛顿力学里引力的问题，并且指出一个物体影响它旁边另一个物体的运动，不仅仅是因为引力，它的质量也弯曲了它周围的空间。更进一步的还有，物体的质量不止影响空间，还会影响时间，使时间变慢。这同样使人很困惑，但这已经被证实是一个很有效的理论。 116天文学的进步是很多人努力的结果。对于他的成就，牛顿说：如果我比别人看得更远，是因为我站在了巨人的肩膀上。比牛顿早的时代和晚的时代里都有很多科学巨人，你可以阅读他们的传记或书籍来了解我们这个神奇的宇宙。天文学的基础知识 什么叫原子? 最基本的物质形式叫做原子。世界上有从水到特氟纶的数十亿种自然的和人造的物质，但是所有的这些都可以在化学实验室中分解成更简单的物质。例如利用电流水可以分解成两种气体，即氢气和氧气，或者其它的，普通的食盐（氯化钠）可以分解成金属钠，和一种有毒气体叫做氯气。这四种物质中的每一个——氢气、氧气、纳和氯气——有这独一无二的性质。没有哪一种能够进一步分解而不丢失它们的性质，还是氢气、氧气、纳和氯气。它们是最基本的物质因此被叫做元素。依然保持这种元素性质的最小单元叫做原子。尽管如此，原子被认为是由更小的叫做质子、中子和电子的粒子组成的。通常，质子和中子紧密结合在原子的中心，电子以一定距离绕核旋转。实际上又一个整个的亚原子粒子家族，除了极少例外，本书不会接触它们。 什么叫分子? 当原子组合在一起，它们组成了分子。两个或更多原子结合在一起，形成了分子。例如，一个碳原子和一个氧原子组成一个一氧化碳分子。一个碳原子和两个氧原子组成一个二氧化碳分子。分子只含有很少几个原子的通常叫做简单分子，含有很多原子的分子叫做复杂分子。究竟几个原子从简单变为复杂决定于你谈话的对象。当射电天文学家在星际空间找到6到8个原子的分子时，他们把它叫做复杂分子，因为没有人会想到在险恶的宇宙空间可以找到这种东西。但是生化学家可能会把这种分子称为很简单的分子。 什么叫元素? 在整个宇宙，只有92种自然产生的元素。唯一的决定这种特定的元素是这种元素而不是其它的元素的是在原子核里的质子数量。例如，在宇宙中每个原子核里有一个质子的原子是氢，每个核里有两个质子的原子是氦而不会是其他。碳原子有6个质子，氧原子有8个质子等等。一直到核里有92个质子的铀。原子核里有相同质子和电子数的元素具有相似的化学性质，为了简便，科学家们按照质子数目把元素进行了分组，这就是元素周期表。世界上每个化学实验室里或课堂上通常会有这么一张。这是世界的蓝本，因为就92个基本的元素构成了我们的世界。Armand Deutsch许多年前写过精彩的科学小说。一组未来的考古学家在开凿古火星人的文明遗迹，发现了一所大学。他们正为无法破解火星语言而感到困惑的时候来到一个化学实验室，在实验室的墙上发现了元素周期表—一个马上被他们识别的东西。因为它代表了通用的，超越文化甚至是种族的东西。所以，元素周期表成了破解火星语言的敲门砖。核中具有少量质子的元素有时被称为轻元素或简单元素；有大量原子的就叫重元素或复杂元素。 物质有多少种状态? 物质典型存在于三种态。我们知道三态分别是：固态，液态和气态。在特定的时间特定的地点物质处于什么态取决于物质的化学本质，环境的温度和压强。在地球上，我们找一个事物为例，我们能看到它的三个态。它由两个氢原子和一个氧原子组成：。在一般情况下，当温度低于华氏32度时我们称之为冰，当温度在华氏32度到212度之间时我们称之为水，高于华氏212度时，我们称之为水蒸气。（在非常高的温度下，氢和氧原子之间的键被打破，它的本质就不再是水蒸气，就是氢气和氧气的混合气体 反物质 反物质是物质的镜像。物质由原子组成，原子又由质子、中子和电子组成。质子带正电，电子带…通常物质中没有发现过反物质，即使在实验条件下，反质子也一瞬即逝。 当你照镜子时，看一看在镜子中的那个你，如果那个镜子里的家伙真的存在，并出现在你的面前，会怎么样呢？ 科学家们已经考虑过这个问题，他们把镜子中的那个你叫做反你。他们甚至想象很远的地方有一个和我们现在的世界很象的世界，或者说是我们的世界在镜子里的像。它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。但是反物质是什么，这一切又可能是真实的吗？ 对于反物质是什么这个问题，并没有恶作剧的意味。反物质正如你所想象的样子——是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇宙的主要部分。直到最近，宇宙中反物质的存在还被认为是理论上的。在1928年，英国物理学家PaulA.M.Dirac修改了爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2）。Dirac说爱因斯坦在质能方程中并没有考虑m——质量——除了正的属性外还有负属性。Dirac的方程（E=+或者-mc2）允许宇宙中存在反粒子。而且科学家们也已经证明了几种反粒子的存在。这些反粒子，顾名思义，是一般物质的镜像。每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量，但是电荷相反。以下是20世纪发现的一些反粒子。 正电子——带有一个负电荷而不是带有一个正电荷的电子。由CarlAnderson在1932年发现，正电子是反物质存在的第一个证据。反核子——带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子。由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子。 反原子——正电子和反质子组合在一起，由CERN的科学家制造出第一个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）。共制造了九个反氢原子，每一个的生命只有40纳秒。到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个。当反物质和物质相遇的时候，这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸，放射出纯的射线，这些射线以光速穿过爆炸点。这些产生爆炸的粒子被完全消灭，只留下其它亚原子粒子。物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量。科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多。所以，为什么我们不能建一个物质——反物质反应机呢？建造反物质推进机的困难之处在于宇宙中反物质的缺乏。如果宇宙中存在相等数量的物质和反物质，我们将可能看到围绕我们的这些反应。既然我们的周围并不存在反物质，我们也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光。 在大爆炸产生时粒子数超过反粒子数是可能的。如上所述，粒子和反粒子的碰撞把两者都破坏掉了。并且因为开始的时候有更多的粒子存在，所以现在的粒子是所有留下来的那些。今天在我们的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子。但是，在1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。如果那个地方真的存在，也意味着存在天然的反物质，所以我们将不再需要制造反物质。 但是目前，我们将不得不创造我们自己的反物质。幸运的是，通过使用高能粒子对撞机（也叫做离子加速器）这种技术制造反物质是可行的。离子加速器，象CERN，是沿很强的环绕的超磁场排列的一些巨大的隧道，超磁场可以使原子以接近光速的速度推进。当原子通过加速器出来时，它轰击目标，创造出粒子。这些粒子中的一些就是用磁场分离的反粒子。这些高能离子加速器每年只能产生几个毫微克的反核子。一毫微克是一克的十亿分之一。所有一年之内在CERN产生的反核子只够一个100瓦的电灯泡亮3秒钟。如果要用反核子进行星际旅行将需要消耗几吨才能实现。 暗物质 什么是暗物质？暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5％左右)。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。 几十年前，暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。 大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。 在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。 当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。 暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在大爆炸之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。 不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。 另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。 在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。 但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质–中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。 最被看好的暗物质候选者 长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。 低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。 其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的–是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。 另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。 暗物质和暗能量是世纪谜题 21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。 暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。 宇宙之外可能有很多宇宙 围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出天外有天，指出因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙，我们的宇宙在加速地膨胀且核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连。 暗物质是谁最先发现的呢？ 1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质失踪了，科学家将这种失踪的物质叫暗物质。 一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。 还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。 Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有必要质量的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的 暗物质。 1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。 天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。 标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。 20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的冷粒子才能束缚住。物理学家认为那是轴子，它是一种非常稳定的冷微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。 轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做宇宙弦的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。 为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。 在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。 当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。 暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在大爆炸之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。 暗物质的踪迹 暗物质是相对可见物质来说的。所谓可见物质，除发射可见光的物质外，还包括辐射红外线等其他电磁波的物质。虽然宇宙中的可见物质大部分不能用肉眼直接看到，但探测它们发出的各种电磁波就可以知道它们的存在。暗物质不辐射电磁波，但有质量。 科学家为什么会提出暗物质这个概念？宇宙中有没有暗物质？ 在物理学中，把状态变化的转折点成为临界点，比如水变成冰，温度临界值（或者说临界点）为0℃。宇宙学的研究认为，宇宙中物质的平均密度，与决定宇宙是膨胀还是收缩的临界值，相差不会超过百万分之一。可是，宇宙中发可见光的恒星和星系的物质总量不到临界值的1%，加上辐射其他电磁波的天体，如行星、白矮星和黑洞等，最多也只有临界值的10%。 现已知道，宇宙的大结构呈泡沫状，星系聚集成星系长城，即泡沫的连接纤维，而纤维之间是巨大的宇宙空洞，即大泡泡，直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力帮忙，这么大的空洞是不能维持的，就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。 我们的宇宙尽管在膨胀，但高速运动中的个星系并不散开，如果仅有可见物质，它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。 我们知道，太阳系的质量，99.86%集中在太阳系的中心即太阳上，因此，离太阳近的行星受到太阳的引力，比离太阳远的行星大，因此，离太阳近的行星绕太阳运行的速度，比离太阳远的行星快，以便产生更大的离心加速度（离心力）来平衡较大的太阳引力。但在星系中心，虽然也集中了更多的恒星，还有质量巨大的黑洞，可是，离星系中心近的恒星的运动速度，并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心，在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。 天体的亮度反应天体的质量。所以天文学家常常用星系的亮度来推算星系的质量，也可通过引力来推算星系的质量。可是，从引力推算出的银河系的质量，是从亮度推算的银河系质量的十倍以上，在外围区域甚至达五千倍。因而，在那里必然有大量暗物质存在。 那么，暗物质是些什么物质呢？ 宇宙学研究发现，在宇宙大爆炸初期产生的各种基本粒子中，有一种叫做中微子的粒子不参与形成物质的核反应，也不与任何物质作用，它们一直散布在太空中，是暗物质的主要嫌疑人。 但中微子在1931年被提出来以后，一直被认为质量为零。这样，即使太空是中微子的海洋，也不会形成质量和引力。曾有人设想存在一种类中微子，它的性质与中微子类似，但有质量。可是一直没有发现类中微子的存在。 极小的中微子运动速度极高，可自由穿透任何物质，甚至整个地球，很难被捕找到。但中微子与物质原子和亚原子粒子碰撞时，会使他们撕裂而发出闪光。探测到这种效应就是探到了中微子。但为了避免地面上的各种因素的干扰，必须把探测装置（如带测量仪器并装有数千吨水的水箱）放在很深（如1000米）的地下。 1981年，一名苏联科学家在试验中发现中微子可能有质量。近几年，日、美科学家进一步证实中微子有质量。如果这个结论能得到最后确认，则中微子就是人们寻找的暗物质。 寻找暗物质有着重大的科学意义。如中微子确有质量，则宇宙中的物质密度将超过临界值，宇宙将终有一天转而收缩。关于宇宙是继续膨胀还是转而收缩的长久争论将尘长久争
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10
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