暗物質(zhì)與暗能量.doc

暗物質(zhì)暗物質(zhì) Dark material 【Jeremiah P. Ostriker和Paul Steinhardt 著 Shea 譯】幾十年前，暗物質(zhì)(dark matter)剛被提出來(lái)時(shí)僅僅是理論的產(chǎn)物，但是現(xiàn)在我們知道暗物質(zhì)已經(jīng)成為了宇宙的重要組成部分。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時(shí)更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個(gè)謎，但是如果假設(shè)它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那么由此形成的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與觀測(cè)相一致。不過(guò)，最近對(duì)星系以及亞星系結(jié)構(gòu)的分析顯示，這一假設(shè)和觀測(cè)結(jié)果之間存在著差異，這同時(shí)為多種可能的暗物質(zhì)理論提供了用武之地。通過(guò)對(duì)小尺度結(jié)構(gòu)密度、分布、演化以及其環(huán)境的研究可以區(qū)分這些潛在的暗物質(zhì)模型，為暗物質(zhì)本性的研究帶來(lái)新的曙光。 大約65年前，第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。當(dāng)時(shí)，弗里茲扎維奇（Fritz Zwicky）發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動(dòng)速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計(jì)算所得到的值的100倍以上，否則星系團(tuán)根本無(wú)法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測(cè)分析證實(shí)了這一點(diǎn)。盡管對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無(wú)所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質(zhì)以被廣為接受了。 在引入宇宙暴漲理論之后，許多宇宙學(xué)家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的（這一臨界值用于區(qū)分宇宙是封閉的還是開(kāi)放的）。與此同時(shí)，宇宙學(xué)家們也傾向于一個(gè)簡(jiǎn)單的宇宙，其中能量密度都以物質(zhì)的形式出現(xiàn)，包括4%的普通物質(zhì)和96%的暗物質(zhì)。但事實(shí)上，觀測(cè)從來(lái)就沒(méi)有與此相符合過(guò)。雖然在總物質(zhì)密度的估計(jì)上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒(méi)有大到使物質(zhì)的總量達(dá)到臨界值，而且這一觀測(cè)和理論模型之間的不一致也隨著時(shí)間變得越來(lái)越尖銳。 當(dāng)意識(shí)到?jīng)]有足夠的物質(zhì)能來(lái)解釋宇宙的結(jié)構(gòu)及其特性時(shí)，暗能量出現(xiàn)了。暗能量和暗物質(zhì)的唯一共同點(diǎn)是它們既不發(fā)光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，像普通的物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)是引力自吸引的，而且與普通物質(zhì)成團(tuán)并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中幾乎均勻的分布。所以，在統(tǒng)計(jì)星系的能量時(shí)會(huì)遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測(cè)到的物質(zhì)密度和由暴漲理論預(yù)言的臨界密度之間70-80%的差異。之后，兩個(gè)獨(dú)立的天文學(xué)家小組通過(guò)對(duì)超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量占主導(dǎo)的宇宙模型成為了一個(gè)和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測(cè)器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的觀測(cè)也獨(dú)立的證實(shí)了暗能量的存在，并且使它成為了標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分。 暗能量同時(shí)也改變了我們對(duì)暗物質(zhì)在宇宙中所起作用的認(rèn)識(shí)。按照愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，在一個(gè)僅含有物質(zhì)的宇宙中，物質(zhì)密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過(guò)去和未來(lái)。加上暗能量的話，情況就完全不同了。首先，總能量密度（物質(zhì)能量密度與暗能量密度之和）決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經(jīng)從物質(zhì)占主導(dǎo)的時(shí)期過(guò)渡到了暗能量占主導(dǎo)的時(shí)期。大約在大爆炸之后的幾十億年中暗物質(zhì)占了總能量密度的主導(dǎo)地位，但是這已成為了過(guò)去。現(xiàn)在我們宇宙的未來(lái)將由暗能量的特性所決定，它目前正時(shí)宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會(huì)隨時(shí)間衰減或者改變狀態(tài)，否則這種加速膨脹態(tài)勢(shì)將持續(xù)下去。 不過(guò)，我們忽略了極為重要的一點(diǎn)，那就是正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒(méi)有暗物質(zhì)就不會(huì)形成星系、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙盡管在極大的尺度上表現(xiàn)出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恒星、星系、星系團(tuán)、巨洞以及星系長(zhǎng)城。而在大尺度上能過(guò)促使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力就只有引力了。但是均勻分布的物質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生引力，因此今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)必然源自于宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落，而這些漲落會(huì)在宇宙微波背景輻射（CMB）中留下痕跡。然而普通物質(zhì)不可能通過(guò)其自身的漲落形成實(shí)質(zhì)上的結(jié)構(gòu)而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因?yàn)槟菚r(shí)普通物質(zhì)還沒(méi)有從輻射中脫耦出來(lái)。 另一方面，不與輻射耦合的暗物質(zhì)，其微小的漲落在普通物質(zhì)脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質(zhì)脫耦之后，已經(jīng)成團(tuán)的暗物質(zhì)就開(kāi)始吸引普通物質(zhì)，進(jìn)而形成了我們現(xiàn)在觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。因此這需要一個(gè)初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這里需要的物質(zhì)就是冷暗物質(zhì)，由于它是無(wú)熱運(yùn)動(dòng)的非相對(duì)論性粒子因此得名。 在開(kāi)始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最后一件重要的事情。對(duì)于先前提到的小擾動(dòng)（漲落），為了預(yù)言其在不同波長(zhǎng)上的引力效應(yīng)，小擾動(dòng)譜必須具有特殊的形態(tài)。為此，最初的密度漲落應(yīng)該是標(biāo)度無(wú)關(guān)的。也就是說(shuō)，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長(zhǎng)的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都應(yīng)該是相同的。暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動(dòng)力學(xué)出發(fā)機(jī)制來(lái)形成這樣一個(gè)標(biāo)度無(wú)關(guān)的小擾動(dòng)譜（其譜指數(shù)n=1）。WMAP的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)言，其觀測(cè)到的結(jié)果為n=0.990.04。 但是如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能說(shuō)我們已經(jīng)了解了宇宙?，F(xiàn)在已經(jīng)知道了兩種暗物質(zhì)-中微子和黑洞。但是它們對(duì)暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)是非常微小的，暗物質(zhì)中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚。這里我們將討論暗物質(zhì)可能的候選者，由其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測(cè)器和天文觀測(cè)來(lái)揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)。 最被看好的暗物質(zhì)候選者 長(zhǎng)久以來(lái)，最被看好的暗物質(zhì)僅僅是假說(shuō)中的基本粒子，它具有壽命長(zhǎng)、溫度低、無(wú)碰撞的特性。壽命長(zhǎng)意味著它的壽命必須與現(xiàn)今宇宙年齡相當(dāng)，甚至更長(zhǎng)。溫度低意味著在脫耦時(shí)它們是非相對(duì)論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團(tuán)。由于成團(tuán)過(guò)程發(fā)生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的范圍內(nèi)，而且這一視界相對(duì)現(xiàn)在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質(zhì)團(tuán)塊或者暗物質(zhì)暈比銀河系的尺度要小得多，質(zhì)量也要小得多。隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大，這些最先形成的小暗物質(zhì)暈會(huì)合并形成較大尺度的結(jié)構(gòu)，而這些較大尺度的結(jié)構(gòu)之后又會(huì)合并形成更大尺度的結(jié)構(gòu)。其結(jié)果就是形成不同體積和質(zhì)量的結(jié)構(gòu)體系，定性上這是與觀測(cè)相一致的。相反的，對(duì)于相對(duì)論性粒子，例如中微子，在物質(zhì)引力成團(tuán)的時(shí)期由于其運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快而無(wú)法形成我們觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。因此中微子對(duì)暗物質(zhì)質(zhì)量密度的貢獻(xiàn)是可以忽略的。在太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)中對(duì)中微子質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果也支持了這一點(diǎn)。無(wú)碰撞指的是暗物質(zhì)粒子（與暗物質(zhì)和普通物質(zhì)）的相互作用截面在暗物質(zhì)暈中小的可以忽略不計(jì)。這些粒子僅僅依靠引力來(lái)束縛住對(duì)方，并且在暗物質(zhì)暈中以一個(gè)較寬的軌道偏心律譜無(wú)阻礙的作軌道運(yùn)動(dòng)。 低溫?zé)o碰撞暗物質(zhì)（CCDM）被看好有幾方面的原因。第一，CCDM的結(jié)構(gòu)形成數(shù)值模擬結(jié)果與觀測(cè)相一致。第二，作為一個(gè)特殊的亞類，弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的豐度。如果粒子間相互作用很弱，那么在宇宙最初的萬(wàn)億分之一秒它們是處于熱平衡的。之后，由于湮滅它們開(kāi)始脫離平衡。根據(jù)其相互作用截面估計(jì)，這些物質(zhì)的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測(cè)相符。CCDM被看好的第三個(gè)原因是，在一些理論模型中預(yù)言了一些非常有吸引力的候選粒子。 其中一個(gè)候選者就是中性子（neutralino），一種超對(duì)稱模型中提出的粒子。超對(duì)稱理論是超引力和超弦理論的基礎(chǔ)，它要求每一個(gè)已知的費(fèi)米子都要有一個(gè)伴隨的玻色子（尚未觀測(cè)到），同時(shí)每一個(gè)玻色子也要有一個(gè)伴隨的費(fèi)米子。如果超對(duì)稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同的質(zhì)量。但是由于在宇宙的早期超對(duì)稱出現(xiàn)了自發(fā)的破缺，于是今天伴隨粒子的質(zhì)量也出現(xiàn)了變化。而且，大部分超對(duì)稱伴隨粒子是不穩(wěn)定的，在超對(duì)稱出現(xiàn)破缺之后不久就發(fā)生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質(zhì)量在100GeV的數(shù)量級(jí)）由于其自身的對(duì)稱性避免了衰變的發(fā)生。在最簡(jiǎn)單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的-是WIMP的理想候選者。如果暗物質(zhì)是由中性子組成的，那么當(dāng)?shù)厍虼┻^(guò)太陽(yáng)附近的暗物質(zhì)時(shí)，地下的探測(cè)器就能探測(cè)到這些粒子。另外有一點(diǎn)必須注意，這一探測(cè)并不能說(shuō)明暗物質(zhì)主要就是由WIMP構(gòu)成的?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)還無(wú)法確定WIMP究竟是占了暗物質(zhì)的大部分還是僅僅只占一小部分。 另一個(gè)候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質(zhì)量在1eV的數(shù)量級(jí)上），它在大統(tǒng)一理論中起了重要的作用。軸子間通過(guò)極微小的力相互作用，由此它無(wú)法處于熱平衡狀態(tài)，因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度。在宇宙中，軸子處于低溫玻色子凝聚狀態(tài)，現(xiàn)在已經(jīng)建造了軸子探測(cè)器，探測(cè)工作也正在進(jìn)行。 CCDM存在的問(wèn)題 由于綜合了CCDM，標(biāo)準(zhǔn)模型在數(shù)學(xué)上是特殊的，盡管其中的一些參數(shù)至今還沒(méi)有被精確的測(cè)定，但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗(yàn)這一理論?，F(xiàn)在，能觀測(cè)到的最大尺度是CMB（上千個(gè)Mpc）。CMB的觀測(cè)顯示了原初的能量和物質(zhì)分布，同時(shí)觀測(cè)也顯示這一分布幾近均勻而沒(méi)有結(jié)構(gòu)。下一個(gè)尺度是星系的分布，從幾個(gè)Mpc到近1000個(gè)Mpc。在這些尺度上，理論和觀測(cè)符合的很好，這也使得天文學(xué)家有信心將這一模型拓展到所有的尺度上。 然而在小一些的尺度上，從1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出現(xiàn)了不一致。幾年前這種不一致性就顯現(xiàn)出來(lái)了，而且它的出現(xiàn)直接導(dǎo)致了現(xiàn)行的理論是否正確這一至關(guān)重要的問(wèn)題的提出。在很大程度上，理論工作者相信，不一致性更可能是由于我們對(duì)暗物質(zhì)特性假設(shè)不當(dāng)所造成的，而不太可能是標(biāo)準(zhǔn)模型本身固有的問(wèn)題。首先，對(duì)于大尺度結(jié)構(gòu)，引力是占主導(dǎo)的，因此所有的計(jì)算都是基于牛頓和愛(ài)因斯坦的引力定律進(jìn)行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質(zhì)的流體力學(xué)作用就必須被包括進(jìn)去了。其次，在大尺度上的漲落是微小的，而且我們有精確的方法可以對(duì)此進(jìn)行量化和計(jì)算。但是在星系的尺度上，普通物質(zhì)和輻射間的相互作用卻極為復(fù)雜。在小尺度上的以下幾個(gè)主要問(wèn)題。亞結(jié)構(gòu)可能并沒(méi)有CCDM數(shù)值模擬預(yù)言的那樣普遍。暗物質(zhì)暈的數(shù)量基本上和它的質(zhì)量成反比，因此應(yīng)該能觀測(cè)到許多的矮星系以及由小暗物質(zhì)暈造成的引力透鏡效應(yīng)，但是目前的觀測(cè)結(jié)果并沒(méi)有證實(shí)這一點(diǎn)。而且那些環(huán)繞銀河系或者其他星系的暗物質(zhì)，當(dāng)它們合并入星系之后會(huì)使原先較薄的星系盤變得比現(xiàn)在觀測(cè)到得更厚。 暗物質(zhì)暈的密度分布應(yīng)該在核區(qū)出現(xiàn)陡增，也就是說(shuō)隨著到中心距離的減小，其密度應(yīng)該急劇升高，但是這與我們觀測(cè)到的許多自引力系統(tǒng)的中心區(qū)域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測(cè)到的，星系團(tuán)的核心密度就要低于由大質(zhì)量暗物質(zhì)暈?zāi)Ｐ陀?jì)算出來(lái)的結(jié)果。普通旋渦星系其核心區(qū)域的暗物質(zhì)比預(yù)期的就更少了，同樣的情況也出現(xiàn)在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系，則具有與理論形成鮮明對(duì)比的均勻密度中心。流體動(dòng)力學(xué)模擬出來(lái)的星系盤其尺度和角動(dòng)量都小于觀測(cè)到的結(jié)果。在許多高表面亮度星系中都呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)的棒狀結(jié)構(gòu)，如果這一結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，就要求其核心的密度要小于預(yù)期的值。 可以想象，解決這些日益增多的問(wèn)題將取決于一些復(fù)雜的但卻是普通的天體物理過(guò)程。一些常規(guī)的解釋已經(jīng)被提出來(lái)用以解釋先前提到的結(jié)構(gòu)缺失現(xiàn)象。但是，總體上看，現(xiàn)在的觀測(cè)證據(jù)顯示，從巨型的星系團(tuán)（質(zhì)量大于1015個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）到最小的矮星系（質(zhì)量小于109個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）都存在著理論預(yù)言的高密度和觀測(cè)到的低密度之間的矛盾。 茫茫宇宙中，恒星間相互作用，做著各種各樣的規(guī)則的軌道運(yùn)動(dòng)，而有些運(yùn)動(dòng)我們卻找不著其作用對(duì)應(yīng)的物質(zhì)。因此，人們?cè)O(shè)想，在宇宙中也許存著我們看不見(jiàn)的物質(zhì)。 20世紀(jì)30年代，荷蘭天體物理學(xué)家?jiàn)W爾特指出：為了說(shuō)明恒星的運(yùn)動(dòng)，需要假定在太陽(yáng)附近存在著暗物質(zhì)；同年代，茨維基從室女星系團(tuán)諸星系的運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)中，也認(rèn)為在星系團(tuán)中存在著大量的暗物質(zhì)；美國(guó)天文學(xué)家巴柯的理論分析也表明，在太陽(yáng)附近，存在著與發(fā)光物質(zhì)幾乎同等數(shù)量看不見(jiàn)的物質(zhì)。 那么，太陽(yáng)附近和銀道面上的暗物質(zhì)是些什么東西呢？天文學(xué)家認(rèn)為，它們也許是一般光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不到的極暗弱的褐矮星或質(zhì)量為木行星3080倍的大行星。在大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡所拍攝的天空照片上已發(fā)現(xiàn)了暗于14星等，不到半個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的M型矮星。由于太陽(yáng)位于銀河系中心平面的附近，從探測(cè)到的M型矮星的數(shù)目可推算出，它們大概能提供銀河系應(yīng)有失蹤質(zhì)量的另一半。且每一顆M型星發(fā)光，最多只能有幾萬(wàn)年。所以人們認(rèn)為銀河系中一定存在著許許多多的這些小恒星“燃燒”后的“尸體”，足以提供理論計(jì)算所需的全部暗物質(zhì)。 觀測(cè)結(jié)果和理論分析均表明漩渦星系外圍存在著大質(zhì)量的暗暈。那么，暗暈中含有哪些看不見(jiàn)的物質(zhì)呢？英國(guó)天文學(xué)家里斯認(rèn)為可能有三種候選者：第一種就是上面所述的小質(zhì)量恒星或大行星；第二種是很早以前由超大質(zhì)量恒星坍縮而成的200萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的大質(zhì)量黑洞；第三種是奇異粒子，如質(zhì)量可能為2049電子伏且與電子有聯(lián)系的中微子，質(zhì)量為105電子伏的軸子或目前科學(xué)家所贊成的各種大統(tǒng)一理論所允許和需求的粒子。 歐洲核子研究中心的粒子物理學(xué)家伊里斯認(rèn)為，星系暈及星系團(tuán)中最佳的暗物質(zhì)候選者是超對(duì)稱理論所要求的S粒子。這種理論認(rèn)為：每個(gè)已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在著與其配對(duì)的粒子（如具有一定質(zhì)量的光微子）。伊里斯推薦四種最佳暗物質(zhì)候選者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子?？茖W(xué)家還認(rèn)為，這些粒子也是星系團(tuán)之間廣大宇宙空間中的冷的暗物質(zhì)候選者。 到現(xiàn)在，已有不少天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙中90以上的物質(zhì)是以“暗物質(zhì)”的方式隱藏著。但暗物質(zhì)到底是些什么東西至今還是一個(gè)謎，還待于人們?nèi)ミM(jìn)一步探索。 2006年1月6日?qǐng)?bào)道，劍橋大學(xué)天文研究所的科學(xué)家們?cè)跉v史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質(zhì)的部分物理性質(zhì)。目前，從事此項(xiàng)研究的科學(xué)家們正準(zhǔn)備在最近幾周內(nèi)將此項(xiàng)研究結(jié)果公開(kāi)發(fā)表。 天文學(xué)家們稱，根據(jù)當(dāng)前一些統(tǒng)計(jì)資料顯示，我們平常看不見(jiàn)的暗物質(zhì)很可能占有宇宙所有物質(zhì)總量的95%。 在本次這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們借助強(qiáng)功率天文望遠(yuǎn)鏡(包括架設(shè)在智利的甚大天文望遠(yuǎn)鏡VLT -Very Large Telescope)對(duì)距離銀河系不遠(yuǎn)的矮星系進(jìn)行了共達(dá)23夜的研究，此后科學(xué)家們還通過(guò)約7000余次的計(jì)算得出結(jié)論稱：在他們所觀測(cè)的這些矮星系中，暗物質(zhì)的含量是其它普通物質(zhì)的400多倍。此外，這些矮星系中物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每秒9公里，其溫度可達(dá)10000攝氏度。 同時(shí)科學(xué)家們還觀測(cè)到，暗物質(zhì)與其它普通物質(zhì)還有著巨大的差異，如：盡管觀測(cè)目標(biāo)的溫度是如此之高，但是這樣的高溫卻不會(huì)產(chǎn)生任何輻射。據(jù)領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的杰里-吉爾摩教授認(rèn)為，暗物質(zhì)微粒很有可能不是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。然而在此之前科學(xué)家們?cè)回炚J(rèn)為，暗物質(zhì)應(yīng)該是由一些“冷”粒子構(gòu)成的，這些粒子的運(yùn)動(dòng)速度也不會(huì)太高。 暗物質(zhì)研究專家們還表示，宇宙間最小的連續(xù)存在的暗物質(zhì)片段大小也有1000光年，這樣的暗物質(zhì)片段質(zhì)量約是太陽(yáng)的30多倍?？茖W(xué)家們還在此次研究中確定出了暗物質(zhì)微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空間如果能夠容納1023個(gè)物質(zhì)粒子，那么對(duì)于暗物質(zhì)來(lái)說(shuō)這么大的空間只能容納約三分之一的微粒。 早在30年代，瑞士科學(xué)家弗里茲-茨維基就設(shè)想宇宙間存在著某種不為人所知的暗物質(zhì)。他還指出，星系群中的發(fā)光物質(zhì)如果只依靠自身的引力將各個(gè)星系保持聯(lián)接在一起，那么它們的量就必須要再增加10倍。而用來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)空缺的就是看不見(jiàn)的重力物質(zhì)，即我們今天所說(shuō)的暗物質(zhì)。盡管暗物質(zhì)在宇宙間的儲(chǔ)藏量比其它普通物質(zhì)高出許多，但有關(guān)暗物質(zhì)的性質(zhì)目前科學(xué)家們尚不能給予完整的表述。 2007年1月，暗物質(zhì)分布圖終于誕生了！經(jīng)過(guò)4年的努力，70位研究人員繪制出這幅三維的“藍(lán)圖”，勾勒出相當(dāng)于從地球上看，8個(gè)月亮并排所覆蓋的天空范圍中暗物質(zhì)的輪廓。他們使出了什么好手段化隱形為有形的呢？那可全虧了一項(xiàng)了不起的技術(shù)：引力透鏡。更妙的是這張分布圖帶給我們的信息。首先我們看到，暗物質(zhì)并不是無(wú)所不在，它們只在某些地方聚集成團(tuán)狀，而對(duì)另一些地方卻不屑一顧。其次，將星系的圖片與之重疊，我們看到星系與暗物質(zhì)的位置基本吻合。有暗物質(zhì)的地方，就有恒星和星系，沒(méi)有暗物質(zhì)的地方，就什么都沒(méi)有。暗物質(zhì)似乎相當(dāng)于一個(gè)隱形的、但必不可少的背景，星系(包括銀河系)在其中移動(dòng)。分布圖還為我們提供了一次真正的時(shí)光旅行的機(jī)會(huì)分布圖中越遠(yuǎn)的地方，離我們也越遠(yuǎn)。不過(guò)，背景中恒星所發(fā)出的光不是我們瞬間就能看到的，即使光速(每秒30萬(wàn)公里)堪稱極致，那也需要一定的時(shí)間。因?yàn)檫@段距離得用光年來(lái)計(jì)算，1光年相當(dāng)于10萬(wàn)億公里。因此，如果你往遠(yuǎn)處看，比如距離我們20億光年的地方，那你所看到的東西是20億年前的樣子而不是現(xiàn)在的樣子。就好像是回到了過(guò)去！明白了嗎？好，現(xiàn)在回到分布圖上，我們看到的是暗物質(zhì)在25億75億年前的樣子。那么在這個(gè)異常遙遠(yuǎn)的年代，暗物質(zhì)看上去是什么樣子的呢？好像一碗面糊。而離我們?cè)浇?，暗物質(zhì)就越是聚集在一起，像一個(gè)個(gè)的面包丁。這張神奇的分布圖顯示，暗物質(zhì)的形態(tài)隨著時(shí)間而發(fā)生著變化。更重要的是，這一分布圖為我們了解暗物質(zhì)的現(xiàn)狀提供了一條線索。馬賽天文物理實(shí)驗(yàn)室的讓-保羅克乃伯(Jean-Paul Kneib)參加了這張分布圖的繪制工作，他認(rèn)為這種“面包丁”的形狀自25億年以來(lái)就沒(méi)有很大改變，所以我們看到的也就是暗物質(zhì)現(xiàn)在的形狀。那我們也在其中嗎？把所有的數(shù)據(jù)綜合起來(lái)再加上研究人員們的推測(cè)就可以在這鍋宇宙濃湯中找到我們自己的歷史。是的，是的你可以把初生的宇宙設(shè)想成一個(gè)盛湯的大碗，湯里含有暗物質(zhì)和普通物質(zhì)在這個(gè)碗里出現(xiàn)了兩種相抗的現(xiàn)象：一方面是膨脹，試圖把碗撐大；另一方面是引力，促使物質(zhì)凝聚成塊。結(jié)果，宇宙中的某些地方?jīng)]有任何暗物質(zhì)和可見(jiàn)物質(zhì)，而它們?cè)诹硗庖恍┑胤絽s異常密集：暗物質(zhì)聚集在一起，星系則掛靠在暗物質(zhì)上，就像掛在鉤子上的畫。但可惜的是，我們對(duì)暗物質(zhì)究竟是什么還是一無(wú)所知宇宙結(jié)構(gòu)宇宙到底是什么結(jié)構(gòu)，科學(xué)家至今沒(méi)有搞清楚。一般解釋大多是從物理學(xué)的角度來(lái)分析。如果從化學(xué)的角度來(lái)分析,你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，我們不仿從已有的知識(shí)拓展開(kāi)來(lái)，變換一個(gè)思路，來(lái)重新解釋宇宙的結(jié)構(gòu)。從微觀上講：我們知道，物質(zhì)最基本的微粒是分子，而分子是由不同元素的原子結(jié)合而成，比如一個(gè)水分子是由2個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成的。原子是由原子核和圍繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的電子組成的，原子核是由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子是否可以再分，目前我們還不得而知。無(wú)數(shù)的分子組成到一起就是我們?nèi)庋勰芸吹靡?jiàn)的物質(zhì)。物質(zhì)當(dāng)中有生命的，我們叫它是生物組織不管它的結(jié)構(gòu)如何，都是由原子分子組成的。一個(gè)生命體中（比如一個(gè)細(xì)胞）包含有許多不同的物質(zhì)，這些物質(zhì)的組成又包含不同的原子。自然界的千千萬(wàn)萬(wàn)種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)都是這樣的?，F(xiàn)在我們?cè)購(gòu)暮暧^上來(lái)看，太陽(yáng)系是由發(fā)光發(fā)熱的巨大的核反應(yīng)堆和圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的幾大行星組成，太陽(yáng)系中的行星，都是圍著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的，不難發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)與原子的結(jié)構(gòu)何其相似！銀河系的結(jié)構(gòu)正像是我們了解的其它物質(zhì)一樣，如果我們以更大的視點(diǎn)來(lái)看它，說(shuō)它是某個(gè)巨型物質(zhì)的一個(gè)分子或是一個(gè)組織細(xì)胞不是也很確切嗎？于是我們大膽設(shè)想一下，宇宙可能是一個(gè)巨大的生命體，我們這個(gè)星球乃至太陽(yáng)系乃至銀河系，只不過(guò)是這個(gè)巨大生命體中的一個(gè)組織或者某一個(gè)細(xì)胞中的一個(gè)基本元素，就像物質(zhì)中的一個(gè)原子一樣。人體中的一個(gè)組織細(xì)胞，從出生時(shí)候就已經(jīng)決定了它所在的位置，比如一個(gè)肝細(xì)胞，如果以它自身的能量，想從肝臟移動(dòng)到心臟，是不可能的，因?yàn)樗^沒(méi)有這個(gè)本領(lǐng)，但是作為醫(yī)生人來(lái)說(shuō)，想把身體中的某一個(gè)部分移動(dòng)到另一個(gè)位置，排除生命體征本身，幾乎是輕而易舉的。因?yàn)楦渭?xì)胞相對(duì)于人體來(lái)說(shuō)，無(wú)論從質(zhì)量、大小、能量等等都是無(wú)法比擬的，它只能待在它應(yīng)該待的地方，如果從人對(duì)細(xì)胞的角度來(lái)說(shuō)，那就相當(dāng)于我們?nèi)祟惻c幾千萬(wàn)光年以外的地方相比，可望而不可及。然而，至今我們無(wú)法知道宇宙有多大，科學(xué)家的解釋或許是有道理的，他們說(shuō)，宇宙還在不斷地膨脹這也許能證明宇宙這個(gè)巨大的生命體，正在少年時(shí)期，還在不斷地成長(zhǎng)發(fā)育。與愛(ài)因斯坦的相對(duì)論并不矛盾，我們的星球相對(duì)于這個(gè)巨大的生命體來(lái)說(shuō)，實(shí)在是太小了，小到可以認(rèn)為是一個(gè)原子，太陽(yáng)系也不過(guò)是這個(gè)生命體中的一個(gè)小小的細(xì)胞，因此，我們無(wú)論如何也不可能看到它的邊緣，就象那個(gè)肝細(xì)胞永遠(yuǎn)不會(huì)“看”到我們皮膚之外的空間一樣?；蛟S，這個(gè)巨大的生命體不只是個(gè)體一個(gè)，它只不過(guò)是眾多生命體中的一員，更多的我們甚至都無(wú)法想像了。這就是我們的宇宙從原子結(jié)構(gòu)到分子構(gòu)成再到物質(zhì)結(jié)構(gòu)給我們的啟示。那么，宇宙中的黑洞我們?cè)鯓觼?lái)解釋呢？假設(shè)，宇宙中的黑洞就像我們?nèi)梭w中的血管一樣，試想，一個(gè)細(xì)胞或者一個(gè)極小的分子假如一旦落入了血管中，那會(huì)是怎樣的情形呢？此時(shí)這個(gè)細(xì)胞或組織就根本無(wú)法左右自己了，對(duì)于它來(lái)講，這個(gè)速度就像我們想像的光速一樣是不可能達(dá)到的。黑洞的形成跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恒星演化而來(lái)的。當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒(méi)有足夠的力量來(lái)承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開(kāi)始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽(yáng)的質(zhì)量。如果超過(guò)了這個(gè)值，那么將再?zèng)]有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。這次，根據(jù)科學(xué)家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直至成為一個(gè)體積很小、密度趨向很大。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑)，正象我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無(wú)法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系“黑洞”誕生了。除星體的終結(jié)可能產(chǎn)生黑洞外,還有一種特殊的黑洞量子黑洞。這種黑洞很特殊，其史瓦西半徑很小很小，能達(dá)到十的負(fù)二十幾次方米，比一個(gè)原子還要小。與平常的黑洞不同，它并不是由很大質(zhì)量的星體塌縮而形成的，而是原子塌縮而成的，因此只有一種條件下才會(huì)創(chuàng)造量子黑洞大爆炸。在宇宙創(chuàng)生初期，巨大的溫度和壓力將單個(gè)原子或原子團(tuán)壓縮成為許多量子黑洞。而這種黑洞幾乎是不可能觀測(cè)到或找到的，它目前只存在于理論中。 星系團(tuán)星系團(tuán)cluster of galaxies相互之間有一定力學(xué)聯(lián)系的十幾個(gè)、幾十個(gè)以至成百上千個(gè)星系集聚在一起組成的星系集團(tuán)。其中的每一個(gè)星系稱為星系團(tuán)的成員星系。有時(shí)候把成員數(shù)目較少（不超過(guò)100個(gè)）的星系團(tuán)稱為星系群。目前已發(fā)現(xiàn)上萬(wàn)個(gè)星系團(tuán)，距離遠(yuǎn)達(dá)70億光年之外。至少有85的星系是各種星系群或星系團(tuán)的成員。小的星系團(tuán)如本星系群由銀河系以及包括仙女星系在內(nèi)的40個(gè)左右大小不等的星系組成。大的星系團(tuán)如后發(fā)星系團(tuán)有上千個(gè)比較明亮的成員星系，如果把一些暗星系也包括進(jìn)去，總數(shù)可能上萬(wàn)。但像這一類范圍大、星系眾多的星系團(tuán)是不多的。平均而言，每個(gè)星系團(tuán)團(tuán)內(nèi)的成員數(shù)約為 130個(gè)。有時(shí)又稱成員數(shù)較多的星系團(tuán)為富星系團(tuán)，但貧、富的劃分標(biāo)準(zhǔn)也是相對(duì)的。盡管不同星系團(tuán)內(nèi)成員星系的數(shù)目相差懸殊，但星系團(tuán)的線直徑最多相差一個(gè)數(shù)量級(jí)；平均直徑約為5百萬(wàn)秒差距。 星系團(tuán)按形態(tài)大致可分為規(guī)則星系團(tuán)和不規(guī)則星系團(tuán)兩類。規(guī)則星系團(tuán)以后發(fā)星系團(tuán)為代表，大致具有球?qū)ΨQ的外形，有點(diǎn)像恒星世界中的球狀星團(tuán)，所以又可以叫球狀星系團(tuán)。規(guī)則星系團(tuán)往往有一個(gè)星系高度密集的中心區(qū)，團(tuán)內(nèi)常常包含有幾千個(gè)成員星系，其中至少有1,000個(gè)的絕對(duì)星等亮于-16等。規(guī)則星系團(tuán)內(nèi)的成員星系全部或幾乎全部都是橢圓星系或透鏡型。近來(lái)發(fā)現(xiàn)這種星系團(tuán)往往又是X射線源。不規(guī)則星系團(tuán),又稱疏散星系團(tuán)。它們結(jié)構(gòu)松散，沒(méi)有一定的形狀，也沒(méi)有明顯的中央星系集中區(qū)，例如武仙星系團(tuán)。它們的數(shù)目比規(guī)則星系團(tuán)更多。大的不規(guī)則星系團(tuán)的成員星系數(shù)多達(dá) 2,500個(gè)以上；小的只包含幾十個(gè)甚至更少的成員星系，本星系群就屬這一類。范圍比較大的不規(guī)則星系團(tuán)可以有幾個(gè)凝聚中心，在團(tuán)內(nèi)形成一種次一級(jí)的成群結(jié)構(gòu)。整個(gè)團(tuán)就是這些較小群的松散集合體，又可稱為星云或超星系。不規(guī)則星系團(tuán)總是各種類型星系的混合體，其中往往以暗星系占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這也是與規(guī)則星系團(tuán)的不同之處。另外，就目前所知，只有少數(shù)不規(guī)則星系團(tuán)發(fā)射X射線。星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)特征可以從兩個(gè)方面，即從整個(gè)團(tuán)的視向運(yùn)動(dòng)和團(tuán)內(nèi)各成員星系間的隨機(jī)性相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)認(rèn)識(shí)。星系團(tuán)作為整體的視向速度同星系團(tuán)的距離滿足哈勃定律，即距離越遠(yuǎn)視向速度越大。例如較近的室女星系團(tuán)我們約19百萬(wàn)秒差距,視向速度為1,180公里/秒;而長(zhǎng)蛇星系團(tuán)離我們約有1,000百萬(wàn)秒差距,視向速度則高 60,000公里/秒。一個(gè)星系團(tuán)內(nèi)不同成員星系間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況可用速度彌散度來(lái)表示。一般說(shuō)來(lái)，隨著星系團(tuán)的范圍的擴(kuò)大和成員數(shù)的增加，速度彌散度也就越來(lái)越大。小星系團(tuán)的速度彌散度約為 250500公里/；大星系團(tuán)的速度彌散度高達(dá)2,000公里/秒。星系團(tuán)速度散度的研究具有重要的意義。一方面我們可以根據(jù)速度彌散度，利用維里定理來(lái)估算團(tuán)內(nèi)每個(gè)星系的平均質(zhì)量；另一方面，對(duì)星系團(tuán)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的研究又與探索星系團(tuán)的穩(wěn)定性問(wèn)題密切相關(guān)。目前對(duì)這一問(wèn)題有兩種相反的看法：一種認(rèn)為整個(gè)星系團(tuán)的能量是負(fù)的，因而星系一種穩(wěn)定的天體系統(tǒng)；另一種看法認(rèn)為，星系團(tuán)內(nèi)成員星系的速度彌散度很大,整個(gè)系統(tǒng)的能量是正的,因此它們是不穩(wěn)定的,整個(gè)團(tuán)正處在膨脹、瓦解之中。 相互間有力學(xué)聯(lián)系的大量星系組成的星系集團(tuán)。星系團(tuán)包含的星系數(shù)相差很大，少的只有十幾個(gè)星系，多的可達(dá)數(shù)千。通常把成員星系數(shù)較少（十幾個(gè)到幾十個(gè)）的星系團(tuán)稱為星系群。星系團(tuán)的線直徑相差不大，平均約為500萬(wàn)秒差距。按照形態(tài)結(jié)構(gòu)，星系團(tuán)可分為規(guī)則星系團(tuán)和不規(guī)則星系團(tuán)兩大類。規(guī)則星系團(tuán)具有球?qū)ΨQ的外形，往往有一個(gè)星系高度密集的中心區(qū)域，又稱為球狀星系團(tuán)。它們包含的星系數(shù)較多，常有幾千個(gè)。規(guī)則星系團(tuán)的成員星系絕大多數(shù)是橢圓星系和透鏡形星系，其他類型的星系很少。規(guī)則星系團(tuán)往往又是X射線源。不規(guī)則星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)松散，沒(méi)有一定的外形，也沒(méi)有明顯的中央星系密集區(qū)，又稱為疏散星系團(tuán)。星系群都是不規(guī)則星系團(tuán)。不規(guī)則星系團(tuán)的成員星系數(shù)相差很大，大的不規(guī)則星系團(tuán)可包含幾千個(gè)星系。不規(guī)則星系團(tuán)里各種類型的星系都有。另外，只有很少的不規(guī)則星系團(tuán)是X射線源。目前發(fā)現(xiàn)的星系團(tuán)約一萬(wàn)個(gè)。比較著名的有室女座星系團(tuán)、后發(fā)座星系團(tuán)、武仙座星系團(tuán)等。 宇宙暴漲理論【宇宙起源的問(wèn)題】 對(duì)于宇宙的起源，我們?nèi)匀挥泻芏鄦?wèn)題： 第一.為什么宇宙在大尺度如此的均勻？背景輻射的溫度也一樣？除非宇宙的不同區(qū)域剛好從同樣的溫度開(kāi)始！ 第二.又為什么我們的宇宙會(huì)以如此接近臨界的速率膨脹？如果它在大爆炸后1秒鐘的時(shí)刻其膨脹速率只要小十億億分之一，那么我們的宇宙早以坍縮！ 第三.我們的宇宙非常光滑和規(guī)則，而從概率上來(lái)講，紊亂的和無(wú)規(guī)則宇宙的數(shù)量應(yīng)該占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橛钪娉跏紶顟B(tài)的選擇是隨機(jī)的。我們?yōu)楹吻∏捎龅竭@樣渺茫的幾率呢？ 【如何解釋這種現(xiàn)象】 為了解釋這些現(xiàn)象，麻省理工學(xué)院的學(xué)者阿倫固斯提出了“暴漲宇宙模型”。他認(rèn)為，早期的宇宙不是象現(xiàn)在這樣以遞減的速率膨脹，而是存在著一個(gè)快速膨脹的時(shí)期，宇宙的加速度膨脹使其半徑在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒鐘的時(shí)間里增大了100萬(wàn)億億億（1的后面跟30個(gè)0）倍。 固斯認(rèn)為，大爆炸的狀態(tài)是非常熱和相當(dāng)紊亂的。這些高溫表明宇宙中的粒子具有極高的能量。在如此的高溫下，強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁力都被統(tǒng)一成為一個(gè)力；當(dāng)宇宙膨脹并變冷，力之間的對(duì)稱性由于粒子能量降低而被破壞，強(qiáng)力、弱力和電磁力變得彼此不同。這就好象液態(tài)水在各個(gè)方向上性質(zhì)都相同，而結(jié)冰形成晶體后，就變成了各向異性，水的對(duì)稱性在低能態(tài)被破壞了。 當(dāng)宇宙暴漲時(shí)，它所有的不規(guī)則性都被抹平，就如同吹漲一個(gè)氣球時(shí)，它上面的皺摺都被抹平一樣。 暴漲模型還能解釋為什么宇宙中存在著這么多物質(zhì)。在量子理論里，粒子可以從“粒子反粒子對(duì)”的形式從能量中創(chuàng)生出來(lái)。這些粒子和反粒子具有正能量，而這些粒子的質(zhì)量產(chǎn)生的引力場(chǎng)具有負(fù)能量（因?yàn)榭康幂^近的物體比分開(kāi)得較遠(yuǎn)的物體能量低），宇宙的總 能量為零，這保證了能量守恒不被破壞。零的倍數(shù)仍然為零，在暴漲時(shí)期宇宙體積急劇加倍的過(guò)程中，可以制造粒子的總能量變得非常之大，以致于我們的宇宙現(xiàn)在大約擁有1億億億億億億億億億億（1后面跟80個(gè)零）個(gè)粒子。固斯是這樣形容這件事的：“宇宙是最徹底的免費(fèi)午餐！” 假設(shè)哈勃定律是正確的，那么就有：V（t)=hS(t);dS(t)=V(t)dt=hS(t)dt，積分后可以得到SS（0）eht(指數(shù)）。其中：V是速度，S是距離，H是哈勃常數(shù)，T是時(shí)間。S（0）是初始距離。很明顯宇宙是暴漲的，似乎有一個(gè)向外的力。進(jìn)一步可以得到A（加速度）S（0）h*heht(ht是指數(shù)）。【宇宙暴漲理論的出現(xiàn)】“暴漲宇宙論”認(rèn)為，“初期宇宙曾經(jīng)發(fā)生過(guò)膨脹速度高到無(wú)法想象的超急劇膨脹”。當(dāng)然，地點(diǎn)不同，溫度會(huì)有所不同。但是如果只考慮初期宇宙中極小的一塊區(qū)域，則可以認(rèn)為這個(gè)小區(qū)域具有均勻的溫度。如此小的一塊區(qū)域，在它還來(lái)不及非均勻化的一瞬間如果就急劇膨脹為很大的宇宙的話，那么在這個(gè)宇宙中的溫度自然也就是基本均勻的。按照這種思路，那么，在現(xiàn)在的宇宙中觀測(cè)到來(lái)自宇宙一切方向的背景輻射所對(duì)應(yīng)的溫度基本一致，也就不足為怪。宇宙初期的這種急劇膨脹就是“暴漲”。按照暴漲宇宙論，暴漲期的宇宙在10的幾十次方分之1秒的瞬間便增大了好幾十個(gè)數(shù)量級(jí)。這種暴漲的急劇程度，是暴漲結(jié)束以后宇宙繼續(xù)進(jìn)行的那種膨脹的速度完全無(wú)法比擬的。就這樣，暴漲宇宙論解決了大爆炸模型遇到的這個(gè)難題。“暴漲”的想法也解決了大爆炸模型遇到的其他難題，這其中就有一個(gè)“磁單極子問(wèn)題”。磁單極子是一種還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的據(jù)認(rèn)為只有N極或者只有S極磁性的基本粒子。我們知道，電有正電和負(fù)電之分，二者可以分離，但是，對(duì)于磁性，卻不能將N極和S極分離開(kāi)來(lái)。一塊磁體，無(wú)論把它分割到多么小，也總是同時(shí)具有N極和S極。然而，根據(jù)基本粒子物理學(xué)的理論，在初期宇宙應(yīng)該有大量的磁單極子?？墒俏覀冎?，現(xiàn)在的宇宙卻不存在大量磁單極子。這也是大爆炸模型無(wú)法說(shuō)明的一個(gè)問(wèn)題。但是，如果初期宇宙發(fā)生過(guò)暴漲，那么在現(xiàn)在的宇宙中，磁單極子的密度自然應(yīng)該已經(jīng)變得極其稀薄。在現(xiàn)在的宇宙中磁單極子的密度既然極其低，那么觀測(cè)不到磁單極子也就是十分自然的事情。是什么導(dǎo)致了宇宙急劇膨脹？還沒(méi)有找到的暴漲子暴漲宇宙論解決了大爆炸模型解決不了的幾個(gè)難題，那么，宇宙急劇膨脹的原因是什么？作用在物體之間的萬(wàn)有引力，是能夠?qū)е掠钪媸湛s的“吸引力”。宇宙發(fā)生暴漲，則必須要有抗衡萬(wàn)有引力的某種“排斥力”在發(fā)揮作用才有此可能。其實(shí)，最早提到引起宇宙膨脹所必需的斥力的人是建立廣義相對(duì)論的愛(ài)因斯坦(18791955)。根據(jù)廣義相對(duì)論，可以把空間看作具有像橡膠那樣的伸縮性質(zhì)。愛(ài)因斯坦把廣義相對(duì)論應(yīng)用到全部宇宙，他立即就得到一個(gè)令人吃驚的結(jié)果。理論預(yù)言，宇宙在遍布各處的星系的引力的作用下，應(yīng)該收縮。但是，愛(ài)因斯坦堅(jiān)持的是“宇宙是靜態(tài)的，不應(yīng)該收縮”的信念，于是他在1917年提出，“空間自身具有一種斥力效應(yīng)，能夠抵消物質(zhì)萬(wàn)有引力的那種吸引效應(yīng)?！彼芽臻g具有的這種斥力叫做“宇宙斥力”，或者叫做“宇宙常數(shù)(宇宙項(xiàng))”。所以有后者名稱，是因?yàn)樵趶V義相對(duì)論的方程中，宇宙斥力被表示為一個(gè)常數(shù)。但是，哈勃的觀測(cè)揭示出宇宙其實(shí)是動(dòng)態(tài)的，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)自己錯(cuò)了，于是收回了自己先前的看法。據(jù)傳，愛(ài)因斯坦曾說(shuō)他的宇宙斥力概念是他“一生中最大的失敗”。然而，暴漲宇宙論的出現(xiàn)，卻不得不考慮在初期宇宙存在著某種與宇宙斥力相類似的“東西”，正是那種東西的能量充滿了初期宇宙的真空?！罢婵铡?，按照字面意思是“什么也沒(méi)有的空間”，說(shuō)什么“充滿了真空的東西”，聽(tīng)起來(lái)自然是很怪的。根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)，去除了物質(zhì)的空間，其中的確還剩下有某種不是物質(zhì)的東西。導(dǎo)致暴漲的那種“東西”究竟是什么，現(xiàn)在還不清楚。關(guān)于宇宙膨脹說(shuō) 許多科學(xué)家認(rèn)為宇宙是在不斷膨脹的，有現(xiàn)象表明宇宙的面積從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)大了近三分之一，這理論來(lái)自與行星與衛(wèi)星之間的距離差。 眾所周知衛(wèi)星會(huì)一直饒著它的行星軌道旋轉(zhuǎn)，但科學(xué)家觀察發(fā)現(xiàn)近幾年月球與地球的相距差擴(kuò)大了近2萬(wàn)公里，這意味著宇宙可能在不斷地膨脹導(dǎo)致拉動(dòng)其中所有星球軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)和擴(kuò)大。 但這一理論至今沒(méi)有被有力的證據(jù)證實(shí)，其最大的難題是宇宙要膨脹需要外層空間，那么外層空間又是什么呢？沒(méi)有人能解釋，所以這一理論被科學(xué)界定為有待發(fā)現(xiàn)的潛力學(xué)說(shuō)。輻射Radiation1、自然現(xiàn)象 定義 自然界中的一切物體,只要溫度在絕對(duì)溫度零度以上,都以電磁波的形式時(shí)刻不停地向外傳送熱量,這種傳送能量的方式稱為輻射。物體通過(guò)輻射所放出的能量，稱為輻射能，簡(jiǎn)稱輻射。 輻射有一個(gè)重要的特點(diǎn)，就是它是“對(duì)等的”。不論物體(氣體)溫度高低都向外輻射，甲物體可以向乙物體輻射，同時(shí)乙也可向甲輻射。這一點(diǎn)不同于傳導(dǎo)，傳導(dǎo)是單向進(jìn)行的。 輻射能被體物吸收時(shí)發(fā)生熱的效應(yīng)，物體吸收的輻射能不同，所產(chǎn)生的溫度也不同。因此，輻射是能量轉(zhuǎn)換為熱量的重要方式。 輻射傳熱 （radiant heat transfer）依靠電磁波輻射實(shí)現(xiàn)熱冷物體間熱量傳遞的過(guò)程，是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進(jìn)行。物體發(fā)出的電磁波，理論上是在整個(gè)波譜范圍內(nèi)分布，但在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)，有實(shí)際意義的是波長(zhǎng)位于0.381000m之間的熱輻射,而且大部分位于紅外線(又稱熱射線)區(qū)段中0.7620m的范圍內(nèi)。所謂紅外線加熱,就是利用這一區(qū)段的熱輻射。研究熱輻射規(guī)律，對(duì)于爐內(nèi)傳熱的合理設(shè)計(jì)十分重要，對(duì)于高溫爐操作工的勞動(dòng)保護(hù)也有積極意義。當(dāng)某系統(tǒng)需要保溫時(shí)，即使此系統(tǒng)的溫度不高，輻射傳熱的影響也不能忽視。如保溫瓶膽鍍銀，就是為了減少由輻射傳熱造成的熱損失。 熱輻射的基本概念 任何物體在發(fā)出輻射能的同時(shí)，也不斷吸收周圍物體發(fā)來(lái)的輻射能。一物體輻射出的能量與吸收的能量之差，就是它傳遞出去的凈能量。物體的輻射能力（即單位時(shí)間內(nèi)單位表面向外輻射的能量），隨溫度的升高增加很快。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)一物體受到其他物體投來(lái)的輻射（能量為Q）時(shí),其中被吸收轉(zhuǎn)為熱能的部分為QA,被反射的部分為QR，透過(guò)物體的部分為QD,顯然這些部分與總能量之間有下式所示的關(guān)系： QA+QR+QD=Q如果把A=QA/Q稱為吸收率,R=QR/Q稱為反射率,D=QD/Q稱為穿透率，則有： A+R+D=1 若物體的A=1，R=D=0，即到達(dá)該物體表面的熱輻射的能量完全被吸收，此物體稱為絕對(duì)黑體,簡(jiǎn)稱黑體。若R=1，A=D=0,即到達(dá)該物體表面的熱輻射的能量全部被反射；當(dāng)這種反射是規(guī)則的，此物體稱為鏡體；如果是亂反射，則稱為絕對(duì)白體。若D=1，A=R=0，即到達(dá)物體表面的熱輻射的能量全部透過(guò)物體，此物體稱為透熱體。實(shí)際上沒(méi)有絕對(duì)黑體和絕對(duì)白體，僅有些物體接近絕對(duì)黑體或絕對(duì)白體。例如：沒(méi)有光澤的黑漆表面接近于黑體，其吸收率為0.970.98；磨光的銅表面接近于白體，其反射率可達(dá)0.97。影響固體表面的吸收和反射性質(zhì)的，主要是表面狀況和顏色，表面狀況的影響往往比顏色更大。固體和液體一般是不透熱的。熱輻射的能量穿過(guò)固體或液體的表面后只經(jīng)過(guò)很短的距離（一般小于1mm,穿過(guò)金屬表面后只經(jīng)過(guò)1m）,就被完全吸收。氣體對(duì)熱輻射能幾乎沒(méi)有反射能力，在一般溫度下的單原子和對(duì)稱雙原子氣體（如 Ar、He、H2、N2、O2等），可視為透熱體，多原子氣體（如CO2、H2O、SO2、NH3、CH4等）在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有相當(dāng)大的吸收能力。 輻射是以電磁波的形式向外放散的。是以波動(dòng)的形式傳播能量。無(wú)線電波和光波都是電磁波。它們的傳播速度很快，在真空中的傳播速度與光波(31010厘米/秒)相同，在空氣中稍慢一些。 電磁波是由不同波長(zhǎng)的波組成的合成波。它的波長(zhǎng)范圍從10E-10微米(1微米=10E-4厘米)的宇宙線到波長(zhǎng)達(dá)幾公里的無(wú)線電波。射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線，超短波和長(zhǎng)波無(wú)線電波都屬于電磁波的范圍。肉眼看得見(jiàn)的是電磁波中很短的一段，從0.4-0.76微米這部分稱為可見(jiàn)光。可見(jiàn)光經(jīng)三棱鏡分光后，成為一條由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色組成的光帶，這光帶稱為光譜。其中紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光波長(zhǎng)最短，其它各色光的波長(zhǎng)則依次介于其間。波長(zhǎng)長(zhǎng)于紅光的(0.76微米)有紅外線有無(wú)線電波；波長(zhǎng)短于紫色光的(0.4微米)有紫外線，射線、X射線等。這些輻射雖然肉眼看不見(jiàn)，但可用儀器測(cè)出。 太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)主要為0.15-4微米，其中最大輻射波長(zhǎng)平均為0.5微米；地面和大氣輻射波長(zhǎng)主要為3-120微米，其中最大輻射波長(zhǎng)平均為10微米。習(xí)慣上稱前者為短波輻射，后者為長(zhǎng)波輻射。 暗能量宇宙學(xué)中，暗能量是某些人的猜想，指一種充溢空間的、具有負(fù)壓強(qiáng)的能量。按照相對(duì)論，這種負(fù)壓強(qiáng)在長(zhǎng)距離類似于一種反引力。如今，這個(gè)猜想是解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質(zhì)等問(wèn)題的一個(gè)最流行的方案。 暗能量主要有兩種模型：宇宙學(xué)常數(shù)（即一種均勻充滿空間的常能量密度）和quintessence（即一個(gè)能量密度隨時(shí)空變化的動(dòng)力學(xué)場(chǎng)）。區(qū)分這兩種可能需要對(duì)宇宙膨脹的高精度測(cè)量和對(duì)膨脹速度隨時(shí)間變化更深入的理解。因?yàn)橛钪媾蛎浰俣扔捎钪鎸W(xué)物態(tài)方程來(lái)描寫，所以測(cè)量暗物質(zhì)的物態(tài)方程是當(dāng)今觀測(cè)宇宙學(xué)的最主要問(wèn)題之一。 暗能量它是一種不可見(jiàn)的、能推動(dòng)宇宙運(yùn)動(dòng)的能量，宇宙中所有的恒星和行星的運(yùn)動(dòng)皆是由暗能量來(lái)推動(dòng)的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因?yàn)樗谟钪娴慕Y(jié)構(gòu)中約占73%，占絕對(duì)統(tǒng)治地位。暗能量是近年宇宙學(xué)研究的一個(gè)里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據(jù)有兩個(gè)。一是對(duì)遙遠(yuǎn)的超新星所進(jìn)行的大量觀測(cè)表明，宇宙在加速膨脹。按照愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程，加速膨脹的現(xiàn)象推論出宇宙中存在著壓強(qiáng)為負(fù)的暗能量。另一個(gè)證據(jù)來(lái)自于近年對(duì)微波背景輻射的研究精確地測(cè)量出宇宙中物質(zhì)的總密度。我們知道所有的普通物質(zhì)與暗物質(zhì)加起來(lái)大約只占其1/3左右，所以仍有約2/3的短缺。這一短缺的物質(zhì)稱為暗能量，其基本特征是具有負(fù)壓，在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結(jié)團(tuán)。最近WMAP數(shù)據(jù)顯示，暗能量在宇宙中占總物質(zhì)的73。值得注意的是，對(duì)于通常的能量（輻射）、重子和冷暗物質(zhì)，壓強(qiáng)都是非負(fù)的，所以必定存在著一種未知的負(fù)壓物質(zhì)主導(dǎo)今天的宇宙。宇宙的運(yùn)動(dòng)都是旋渦型的，所以暗能量總是以一種旋渦運(yùn)動(dòng)的形式出現(xiàn)。所以，在暗能量的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)能形成一種旋渦場(chǎng),我們稱之為暗能量旋渦場(chǎng)，簡(jiǎn)稱為旋渦場(chǎng)。我們用En來(lái)表示太陽(yáng)系的暗能量，用Ep來(lái)表示物質(zhì)繞太陽(yáng)系中心運(yùn)動(dòng)的總動(dòng)能。當(dāng)En=Ep時(shí)，太陽(yáng)系旋渦場(chǎng)處于平衡狀態(tài)，它既不會(huì)膨脹也不會(huì)收縮。但當(dāng)En衰退時(shí)，太陽(yáng)系旋渦場(chǎng)就會(huì)收縮，太陽(yáng)系中所有的行星就會(huì)向太陽(yáng)靠近。 要提及暗能量，我們不得不先提及另外一個(gè)和它密切相關(guān)的概念暗物質(zhì)，之所以將其稱之為暗物質(zhì)而不是物質(zhì)就是因?yàn)樗c一般的普通物質(zhì)有著根本性的區(qū)別。普通物質(zhì)就是那些在一般情況下能用眼睛或借助工具看的見(jiàn)、摸得著的東西，小到原子、大到宇宙星體，近到身邊的各種物體遠(yuǎn)到宇宙深處的各種星系。普通物質(zhì)總是能與光或者部分波發(fā)生相互作用或者在一定的條件下自身就能發(fā)光、或者折射光線，從而被人們可以感知、看見(jiàn)、摸到或者借助儀器可以測(cè)量得到，但是暗物質(zhì)恰恰相反，它根本不與光發(fā)生作用更不會(huì)發(fā)光，因?yàn)椴话l(fā)光又與光不發(fā)生任何作用，所以不會(huì)反射、折散或散射光即對(duì)各種波和光它們都是百分之百的透明體！所以在天文上用光的手段絕對(duì)看不到暗物質(zhì)，不管是電磁波、無(wú)線電還是紅外射線、伽馬射線、X射線這些統(tǒng)統(tǒng)都毫無(wú)用處，故爾不被人們的感知所感覺(jué)也不被目前的儀器所觀測(cè)，故此為了區(qū)分普通物質(zhì)和這種特殊的物質(zhì)而將這種特殊的物質(zhì)稱之為“暗物質(zhì)”。 “暗能量”相比較暗物質(zhì)更是奇特的有過(guò)之而不及，因?yàn)樗挥形镔|(zhì)的作用效應(yīng)而不具備物質(zhì)的基本特征，所以都稱不上物質(zhì)故爾將其稱之為“暗能量”，“暗能量”雖然也不被人們所感覺(jué)也不被目前各種儀器所觀測(cè)，但是人們憑借理性思維可以預(yù)測(cè)并感知到它的確存在。 特別是近幾年來(lái)，由于微波背景輻射的細(xì)致觀測(cè)(WMAP的精密數(shù)據(jù),Supernovae Ia的數(shù)據(jù))，呈現(xiàn)以下一些驚人的觀測(cè)結(jié)果和數(shù)據(jù)： a) 宇宙年齡是1372億年b) 哈勃常數(shù)是0.71公里/秒/Mp cc) 宇宙呈現(xiàn)以下結(jié)構(gòu)，宇宙總質(zhì)量(100%)重子+輕子(4.4%)+熱暗物質(zhì)(2%)+冷暗物質(zhì)(20%)+暗能量(73%)，而總密度0=1.020.02，亦即恰好差不多等同于平直空間所要求的臨界密度。（這個(gè)公式的意思是，在整個(gè)宇宙中我們目前所看到的星系只占整個(gè)宇宙的約 4%左右，其余約96%的物質(zhì)都是我們看不見(jiàn)、不了解的東西。）d) “暗能量”將呈現(xiàn)一些前所未有的一些全新的性質(zhì)： 物質(zhì)的狀態(tài)方程由P=Wn所表示，(其中P是壓力，是密度，W是某一常數(shù)，n是某一數(shù)值)，普通物質(zhì)W0，P0，0，這就意味著物質(zhì)所產(chǎn)生的壓力表現(xiàn)為正數(shù)、正值。 而暗能量的狀態(tài)方程中的卻是，W = -1。這則意味著“暗能量”的壓力是負(fù)數(shù)、負(fù)值，壓力是正值時(shí)就是我們所長(zhǎng)說(shuō)的“壓力概念”，這很好理解，物質(zhì)的密度越大壓力則越大，而負(fù)值的壓力就不是通常所說(shuō)的壓力了，而是人們常說(shuō)的“吸力”更為關(guān)鍵的是這種負(fù)壓力P卻“負(fù)”得很大，大的讓人不敢想象？！ 這究竟是什么樣的物質(zhì)為什么會(huì)呈現(xiàn)這樣的特質(zhì)？這會(huì)不會(huì)是一種人類尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)、更不曾知道的、全新的物質(zhì)形態(tài)？有人寓言，這種新的物質(zhì)形態(tài)的一經(jīng)出現(xiàn)和被發(fā)現(xiàn)必將導(dǎo)致物理學(xué)理論的新的大突破和新的革命！ 關(guān)于暗能量概念的起源，我們還得追溯到科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦他在1915年的相對(duì)論中提出一組引力方程式，方程式的結(jié)果都預(yù)示著宇宙是在做永恒的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)結(jié)果與愛(ài)因斯坦的宇宙是靜止的觀點(diǎn)相違背，為了使這個(gè)結(jié)果能預(yù)示宇宙是呈靜止?fàn)顟B(tài)愛(ài)因斯坦又給方程式引入了一個(gè)項(xiàng)，這個(gè)項(xiàng)就是現(xiàn)在人們稱之為的 “宇宙常數(shù)”。 1997年12月，作為“大紅移超新星搜索小組”的成員的哈佛大學(xué)天文學(xué)家羅伯特基爾希納根據(jù)超新星的變化顯示，宇宙膨脹速度非但沒(méi)有在自身重力下變慢反而在一種看不見(jiàn)的、無(wú)人能解釋的、神秘力量的控制、推動(dòng)下變快，問(wèn)題是無(wú)人知道這個(gè)神秘力量是什么？更無(wú)人知道為什么是變快而不是變慢？這是出于什么原因？它是如何發(fā)生的？關(guān)于這種力量及其載體至今無(wú)人能知曉，人們只是猜測(cè)：我們現(xiàn)在所處的這