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)剛被提出來時僅僅是理論的產(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，同時更重要的是，暗物質(zhì)主導了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個謎，但是如果假設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)與觀測相一致。不過，最近對星系以及亞星系結(jié)構(gòu)的分析顯示，這一假設和觀測結(jié)果之間存在著差異，這同時為多種可能的暗物質(zhì)理論提供了用武之地。通過對小尺度結(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)。當時，弗里茲扎維奇（Fritz Zwicky）發(fā)現(xiàn)，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測分析證實了這一點。盡管對暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無所知，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放的）。與此同時，宇宙學家們也傾向于一個簡單的宇宙，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)。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質(zhì)密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質(zhì)的總量達到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。 當意識到?jīng)]有足夠的物質(zhì)能來解釋宇宙的結(jié)構(gòu)及其特性時，暗能量出現(xiàn)了。暗能量和暗物質(zhì)的唯一共同點是它們既不發(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)計星系的能量時會遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測到的物質(zhì)密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70-80%的差異。之后，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量占主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的觀測也獨立的證實了暗能量的存在，并且使它成為了標準模型的一部分。 暗能量同時也改變了我們對暗物質(zhì)在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質(zhì)的宇宙中，物質(zhì)密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過去和未來。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)占主導的時期過渡到了暗能量占主導的時期。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地位，但是這已成為了過去?，F(xiàn)在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它目前正時宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態(tài)，否則這種加速膨脹態(tài)勢將持續(xù)下去。 不過，我們忽略了極為重要的一點，那就是正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒有暗物質(zhì)就不會形成星系、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、巨洞以及星系長城。而在大尺度上能過促使物質(zhì)運動的力就只有引力了。但是均勻分布的物質(zhì)不會產(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)不可能通過其自身的漲落形成實質(zhì)上的結(jié)構(gòu)而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因為那時普通物質(zhì)還沒有從輻射中脫耦出來。 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)成團的暗物質(zhì)就開始吸引普通物質(zhì)，進而形成了我們現(xiàn)在觀測到的結(jié)構(gòu)。因此這需要一個初始的漲落，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)，由于它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。 在開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。對于先前提到的小擾動（漲落），為了預言其在不同波長上的引力效應，小擾動譜必須具有特殊的形態(tài)。為此，最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都應該是相同的。暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動力學出發(fā)機制來形成這樣一個標度無關的小擾動譜（其譜指數(shù)n=1）。WMAP的觀測結(jié)果證實了這一預言，其觀測到的結(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。但是它們對暗物質(zhì)總量的貢獻是非常微小的，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，由其導致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)。 最被看好的暗物質(zhì)候選者 長久以來，最被看好的暗物質(zhì)僅僅是假說中的基本粒子，它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特性。壽命長意味著它的壽命必須與現(xiàn)今宇宙年齡相當，甚至更長。溫度低意味著在脫耦時它們是非相對論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團。由于成團過程發(fā)生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的范圍內(nèi)，而且這一視界相對現(xiàn)在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質(zhì)團塊或者暗物質(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，定性上這是與觀測相一致的。相反的，對于相對論性粒子，例如中微子，在物質(zhì)引力成團的時期由于其運動速度過快而無法形成我們觀測到的結(jié)構(gòu)。因此中微子對暗物質(zhì)質(zhì)量密度的貢獻是可以忽略的。在太陽中微子實驗中對中微子質(zhì)量的測量結(jié)果也支持了這一點。無碰撞指的是暗物質(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。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方，并且在暗物質(zhì)暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運動。 低溫無碰撞暗物質(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)果與觀測相一致。第二，作為一個特殊的亞類，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，那么在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處于熱平衡的。之后，由于湮滅它們開始脫離平衡。根據(jù)其相互作用截面估計，這些物質(zhì)的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測相符。CCDM被看好的第三個原因是，在一些理論模型中預言了一些非常有吸引力的候選粒子。 其中一個候選者就是中性子（neutralino），一種超對稱模型中提出的粒子。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎，它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子（尚未觀測到），同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子。如果超對稱依然保持到今天，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，大部分超對稱伴隨粒子是不穩(wěn)定的，在超對稱出現(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）由于其自身的對稱性避免了衰變的發(fā)生。在最簡單模型中，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?shù)厍虼┻^太陽附近的暗物質(zhì)時，地下的探測器就能探測到這些粒子。另外有一點必須注意，這一探測并不能說明暗物質(zhì)主要就是由WIMP構(gòu)成的?，F(xiàn)在的實驗還無法確定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)量級上），它在大統(tǒng)一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法處于熱平衡狀態(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)建造了軸子探測器，探測工作也正在進行。 CCDM存在的問題 由于綜合了CCDM，標準模型在數(shù)學上是特殊的，盡管其中的一些參數(shù)至今還沒有被精確的測定，但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗這一理論?，F(xiàn)在，能觀測到的最大尺度是CMB（上千個Mpc）。CMB的觀測顯示了原初的能量和物質(zhì)分布，同時觀測也顯示這一分布幾近均勻而沒有結(jié)構(gòu)。下一個尺度是星系的分布，從幾個Mpc到近1000個Mpc。在這些尺度上，理論和觀測符合的很好，這也使得天文學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)出來了，而且它的出現(xiàn)直接導致了現(xiàn)行的理論是否正確這一至關重要的問題的提出。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暗物質(zhì)特性假設不當所造成的，而不太可能是標準模型本身固有的問題。首先，對于大尺度結(jié)構(gòu)，引力是占主導的，因此所有的計算都是基于牛頓和愛因斯坦的引力定律進行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質(zhì)的流體力學作用就必須被包括進去了。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此進行量化和計算。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雜。在小尺度上的以下幾個主要問題。亞結(jié)構(gòu)可能并沒有CCDM數(shù)值模擬預言的那樣普遍。暗物質(zhì)暈的數(shù)量基本上和它的質(zhì)量成反比，因此應該能觀測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，但是目前的觀測結(jié)果并沒有證實這一點。而且那些環(huán)繞銀河系或者其他星系的暗物質(zhì)，當它們合并入星系之后會使原先較薄的星系盤變得比現(xiàn)在觀測到得更厚。 暗物質(zhì)暈的密度分布應該在核區(qū)出現(xiàn)陡增，也就是說隨著到中心距離的減小，其密度應該急劇升高，但是這與我們觀測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到的，星系團的核心密度就要低于由大質(zhì)量暗物質(zhì)暈模型計算出來的結(jié)果。普通旋渦星系其核心區(qū)域的暗物質(zhì)比預期的就更少了，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比的均勻密度中心。流體動力學模擬出來的星系盤其尺度和角動量都小于觀測到的結(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期的值。 可以想象，解決這些日益增多的問題將取決于一些復雜的但卻是普通的天體物理過程。一些常規(guī)的解釋已經(jīng)被提出來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)在的觀測證據(jù)顯示，從巨型的星系團（質(zhì)量大于1015個太陽質(zhì)量）到最小的矮星系（質(zhì)量小于109個太陽質(zhì)量）都存在著理論預言的高密度和觀測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)則的軌道運動，而有些運動我們卻找不著其作用對應的物質(zhì)。因此，人們設想，在宇宙中也許存著我們看不見的物質(zhì)。 20世紀30年代，荷蘭天體物理學家奧爾特指出：為了說明恒星的運動，需要假定在太陽附近存在著暗物質(zhì)；同年代，茨維基從室女星系團諸星系的運動的觀測中，也認為在星系團中存在著大量的暗物質(zhì)；美國天文學家巴柯的理論分析也表明，在太陽附近，存在著與發(fā)光物質(zhì)幾乎同等數(shù)量看不見的物質(zhì)。 那么，太陽附近和銀道面上的暗物質(zhì)是些什么東西呢？天文學家認為，它們也許是一般光學望遠鏡觀測不到的極暗弱的褐矮星或質(zhì)量為木行星3080倍的大行星。在大視場望遠鏡所拍攝的天空照片上已發(fā)現(xiàn)了暗于14星等，不到半個太陽質(zhì)量的M型矮星。由于太陽位于銀河系中心平面的附近，從探測到的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，最多只能有幾萬年。所以人們認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”，足以提供理論計算所需的全部暗物質(zhì)。 觀測結(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的物質(zhì)呢？英國天文學家里斯認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200萬倍太陽質(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家伊里斯認為，星系暈及星系團中最佳的暗物質(zhì)候選者是超對稱理論所要求的S粒子。這種理論認為：每個已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在著與其配對的粒子（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家還認為，這些粒子也是星系團之間廣大宇宙空間中的冷的暗物質(zhì)候選者。 到現(xiàn)在，已有不少天文學家認為，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謎，還待于人們?nèi)ミM一步探索。 2006年1月6日報道，劍橋大學天文研究所的科學家們在歷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，從事此項研究的科學家們正準備在最近幾周內(nèi)將此項研究結(jié)果公開發(fā)表。 天文學家們稱，根據(jù)當前一些統(tǒng)計資料顯示，我們平常看不見的暗物質(zhì)很可能占有宇宙所有物質(zhì)總量的95%。 在本次這項研究中，科學家們借助強功率天文望遠鏡(包括架設在智利的甚大天文望遠鏡VLT -Very Large Telescope)對距離銀河系不遠的矮星系進行了共達23夜的研究，此后科學家們還通過約7000余次的計算得出結(jié)論稱：在他們所觀測的這些矮星系中，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)粒子的運動速度可達每秒9公里，其溫度可達10000攝氏度。 同時科學家們還觀測到，暗物質(zhì)與其它普通物質(zhì)還有著巨大的差異，如：盡管觀測目標的溫度是如此之高，但是這樣的高溫卻不會產(chǎn)生任何輻射。據(jù)領導此項研究的杰里-吉爾摩教授認為，暗物質(zhì)微粒很有可能不是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。然而在此之前科學家們曾一貫認為，暗物質(zhì)應該是由一些“冷”粒子構(gòu)成的，這些粒子的運動速度也不會太高。 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)量約是太陽的30多倍?？茖W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個物質(zhì)粒子，那么對于暗物質(zhì)來說這么大的空間只能容納約三分之一的微粒。 早在30年代，瑞士科學家弗里茲-茨維基就設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。而用來彌補這個空缺的就是看不見的重力物質(zhì)，即我們今天所說的暗物質(zhì)。盡管暗物質(zhì)在宇宙間的儲藏量比其它普通物質(zhì)高出許多，但有關暗物質(zhì)的性質(zhì)目前科學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4年的努力，70位研究人員繪制出這幅三維的“藍圖”，勾勒出相當于從地球上看，8個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)并不是無所不在，它們只在某些地方聚集成團狀，而對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，沒有暗物質(zhì)的地方，就什么都沒有。暗物質(zhì)似乎相當于一個隱形的、但必不可少的背景，星系(包括銀河系)在其中移動。分布圖還為我們提供了一次真正的時光旅行的機會分布圖中越遠的地方，離我們也越遠。不過，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30萬公里)堪稱極致，那也需要一定的時間。因為這段距離得用光年來計算，1光年相當于10萬億公里。因此，如果你往遠處看，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。那么在這個異常遙遠的年代，暗物質(zhì)看上去是什么樣子的呢？好像一碗面糊。而離我們越近，暗物質(zhì)就越是聚集在一起，像一個個的面包丁。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。馬賽天文物理實驗室的讓-保羅克乃伯(Jean-Paul Kneib)參加了這張分布圖的繪制工作，他認為這種“面包丁”的形狀自25億年以來就沒有很大改變，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)綜合起來再加上研究人員們的推測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想成一個盛湯的大碗，湯里含有暗物質(zhì)和普通物質(zhì)在這個碗里出現(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)和可見物質(zhì)，而它們在另外一些地方卻異常密集：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，我們對暗物質(zhì)究竟是什么還是一無所知宇宙結(jié)構(gòu)宇宙到底是什么結(jié)構(gòu)，科學家至今沒有搞清楚。一般解釋大多是從物理學的角度來分析。如果從化學的角度來分析,你會發(fā)現(xiàn)一個很有趣的現(xiàn)象，我們不仿從已有的知識拓展開來，變換一個思路，來重新解釋宇宙的結(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，比如一個水分子是由2個氫原子和一個氧原子組成的。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。無數(shù)的分子組成到一起就是我們?nèi)庋勰芸吹靡姷奈镔|(zhì)。物質(zhì)當中有生命的，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。一個生命體中（比如一個細胞）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。自然界的千千萬萬種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)都是這樣的?，F(xiàn)在我們再從宏觀上來看，太陽系是由發(fā)光發(fā)熱的巨大的核反應堆和圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的幾大行星組成，太陽系中的行星，都是圍著太陽旋轉(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來看它，說它是某個巨型物質(zhì)的一個分子或是一個組織細胞不是也很確切嗎？于是我們大膽設想一下，宇宙可能是一個巨大的生命體，我們這個星球乃至太陽系乃至銀河系，只不過是這個巨大生命體中的一個組織或者某一個細胞中的一個基本元素，就像物質(zhì)中的一個原子一樣。人體中的一個組織細胞，從出生時候就已經(jīng)決定了它所在的位置，比如一個肝細胞，如果以它自身的能量，想從肝臟移動到心臟，是不可能的，因為它絕沒有這個本領，但是作為醫(yī)生人來說，想把身體中的某一個部分移動到另一個位置，排除生命體征本身，幾乎是輕而易舉的。因為肝細胞相對于人體來說，無論從質(zhì)量、大小、能量等等都是無法比擬的，它只能待在它應該待的地方，如果從人對細胞的角度來說，那就相當于我們?nèi)祟惻c幾千萬光年以外的地方相比，可望而不可及。然而，至今我們無法知道宇宙有多大，科學家的解釋或許是有道理的，他們說，宇宙還在不斷地膨脹這也許能證明宇宙這個巨大的生命體，正在少年時期，還在不斷地成長發(fā)育。與愛因斯坦的相對論并不矛盾，我們的星球相對于這個巨大的生命體來說，實在是太小了，小到可以認為是一個原子，太陽系也不過是這個生命體中的一個小小的細胞，因此，我們無論如何也不可能看到它的邊緣，就象那個肝細胞永遠不會“看”到我們皮膚之外的空間一樣?；蛟S，這個巨大的生命體不只是個體一個，它只不過是眾多生命體中的一員，更多的我們甚至都無法想像了。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，宇宙中的黑洞我們怎樣來解釋呢？假設，宇宙中的黑洞就像我們?nèi)梭w中的血管一樣，試想，一個細胞或者一個極小的分子假如一旦落入了血管中，那會是怎樣的情形呢？此時這個細胞或組織就根本無法左右自己了，對于它來講，這個速度就像我們想像的光速一樣是不可能達到的。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的。當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經(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，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，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)科學家的計算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量。如果超過了這個值，那么將再沒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)科學家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點進軍，直至成為一個體積很小、密度趨向很大。而當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，能達到十的負二十幾次方米，比一個原子還要小。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原子或原子團壓縮成為許多量子黑洞。而這種黑洞幾乎是不可能觀測到或找到的，它目前只存在于理論中。 星系團星系團cluster of galaxies相互之間有一定力學聯(lián)系的十幾個、幾十個以至成百上千個星系集聚在一起組成的星系集團。其中的每一個星系稱為星系團的成員星系。有時候把成員數(shù)目較少（不超過100個）的星系團稱為星系群。目前已發(fā)現(xiàn)上萬個星系團，距離遠達70億光年之外。至少有85的星系是各種星系群或星系團的成員。小的星系團如本星系群由銀河系以及包括仙女星系在內(nèi)的40個左右大小不等的星系組成。大的星系團如后發(fā)星系團有上千個比較明亮的成員星系，如果把一些暗星系也包括進去，總數(shù)可能上萬。但像這一類范圍大、星系眾多的星系團是不多的。平均而言，每個星系團團內(nèi)的成員數(shù)約為 130個。有時又稱成員數(shù)較多的星系團為富星系團，但貧、富的劃分標準也是相對的。盡管不同星系團內(nèi)成員星系的數(shù)目相差懸殊，但星系團的線直徑最多相差一個數(shù)量級；平均直徑約為5百萬秒差距。 星系團按形態(tài)大致可分為規(guī)則星系團和不規(guī)則星系團兩類。規(guī)則星系團以后發(fā)星系團為代表，大致具有球?qū)ΨQ的外形，有點像恒星世界中的球狀星團，所以又可以叫球狀星系團。規(guī)則星系團往往有一個星系高度密集的中心區(qū)，團內(nèi)常常包含有幾千個成員星系，其中至少有1,000個的絕對星等亮于-16等。規(guī)則星系團內(nèi)的成員星系全部或幾乎全部都是橢圓星系或透鏡型。近來發(fā)現(xiàn)這種星系團往往又是X射線源。不規(guī)則星系團,又稱疏散星系團。它們結(jié)構(gòu)松散，沒有一定的形狀，也沒有明顯的中央星系集中區(qū)，例如武仙星系團。它們的數(shù)目比規(guī)則星系團更多。大的不規(guī)則星系團的成員星系數(shù)多達 2,500個以上；小的只包含幾十個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)則星系團可以有幾個凝聚中心，在團內(nèi)形成一種次一級的成群結(jié)構(gòu)。整個團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)則星系團總是各種類型星系的混合體，其中往往以暗星系占絕對優(yōu)勢，這也是與規(guī)則星系團的不同之處。另外，就目前所知，只有少數(shù)不規(guī)則星系團發(fā)射X射線。星系團的運動特征可以從兩個方面，即從整個團的視向運動和團內(nèi)各成員星系間的隨機性相對運動來認識。星系團作為整體的視向速度同星系團的距離滿足哈勃定律，即距離越遠視向速度越大。例如較近的室女星系團我們約19百萬秒差距,視向速度為1,180公里/秒;而長蛇星系團離我們約有1,000百萬秒差距,視向速度則高 60,000公里/秒。一個星系團內(nèi)不同成員星系間的相對運動情況可用速度彌散度來表示。一般說來，隨著星系團的范圍的擴大和成員數(shù)的增加，速度彌散度也就越來越大。小星系團的速度彌散度約為 250500公里/；大星系團的速度彌散度高達2,000公里/秒。星系團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，利用維里定理來估算團內(nèi)每個星系的平均質(zhì)量；另一方面，對星系團內(nèi)部運動的研究又與探索星系團的穩(wěn)定性問題密切相關。目前對這一問題有兩種相反的看法：一種認為整個星系團的能量是負的，因而星系一種穩(wěn)定的天體系統(tǒng)；另一種看法認為，星系團內(nèi)成員星系的速度彌散度很大,整個系統(tǒng)的能量是正的,因此它們是不穩(wěn)定的,整個團正處在膨脹、瓦解之中。 相互間有力學聯(lián)系的大量星系組成的星系集團。星系團包含的星系數(shù)相差很大，少的只有十幾個星系，多的可達數(shù)千。通常把成員星系數(shù)較少（十幾個到幾十個）的星系團稱為星系群。星系團的線直徑相差不大，平均約為500萬秒差距。按照形態(tài)結(jié)構(gòu)，星系團可分為規(guī)則星系團和不規(guī)則星系團兩大類。規(guī)則星系團具有球?qū)ΨQ的外形，往往有一個星系高度密集的中心區(qū)域，又稱為球狀星系團。它們包含的星系數(shù)較多，常有幾千個。規(guī)則星系團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)則星系團往往又是X射線源。不規(guī)則星系團的結(jié)構(gòu)松散，沒有一定的外形，也沒有明顯的中央星系密集區(qū)，又稱為疏散星系團。星系群都是不規(guī)則星系團。不規(guī)則星系團的成員星系數(shù)相差很大，大的不規(guī)則星系團可包含幾千個星系。不規(guī)則星系團里各種類型的星系都有。另外，只有很少的不規(guī)則星系團是X射線源。目前發(fā)現(xiàn)的星系團約一萬個。比較著名的有室女座星系團、后發(fā)座星系團、武仙座星系團等。 宇宙暴漲理論【宇宙起源的問題】 對于宇宙的起源，我們?nèi)匀挥泻芏鄦栴}： 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始！ 第二.又為什么我們的宇宙會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，而從概率上來講，紊亂的和無規(guī)則宇宙的數(shù)量應該占絕對優(yōu)勢，因為宇宙初始狀態(tài)的選擇是隨機的。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，麻省理工學院的學者阿倫固斯提出了“暴漲宇宙模型”。他認為，早期的宇宙不是象現(xiàn)在這樣以遞減的速率膨脹，而是存在著一個快速膨脹的時期，宇宙的加速度膨脹使其半徑在遠遠小于1秒鐘的時間里增大了100萬億億億（1的后面跟30個0）倍。 固斯認為，大爆炸的狀態(tài)是非常熱和相當紊亂的。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，強相互作用力、弱相互作用力和電磁力都被統(tǒng)一成為一個力；當宇宙膨脹并變冷，力之間的對稱性由于粒子能量降低而被破壞，強力、弱力和電磁力變得彼此不同。這就好象液態(tài)水在各個方向上性質(zhì)都相同，而結(jié)冰形成晶體后，就變成了各向異性，水的對稱性在低能態(tài)被破壞了。 當宇宙暴漲時，它所有的不規(guī)則性都被抹平，就如同吹漲一個氣球時，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”的形式從能量中創(chuàng)生出來。這些粒子和反粒子具有正能量，而這些粒子的質(zhì)量產(chǎn)生的引力場具有負能量（因為靠得較近的物體比分開得較遠的物體能量低），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，在暴漲時期宇宙體積急劇加倍的過程中，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個零）個粒子。固斯是這樣形容這件事的：“宇宙是最徹底的免費午餐！” 假設哈勃定律是正確的，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是時間。S（0）是初始距離。很明顯宇宙是暴漲的，似乎有一個向外的力。進一步可以得到A（加速度）S（0）h*heht(ht是指數(shù)）?！居钪姹q理論的出現(xiàn)】“暴漲宇宙論”認為，“初期宇宙曾經(jīng)發(fā)生過膨脹速度高到無法想象的超急劇膨脹”。當然，地點不同，溫度會有所不同。但是如果只考慮初期宇宙中極小的一塊區(qū)域，則可以認為這個小區(qū)域具有均勻的溫度。如此小的一塊區(qū)域，在它還來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)在的宇宙中觀測到來自宇宙一切方向的背景輻射所對應的溫度基本一致，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數(shù)量級。這種暴漲的急劇程度，是暴漲結(jié)束以后宇宙繼續(xù)進行的那種膨脹的速度完全無法比擬的。就這樣，暴漲宇宙論解決了大爆炸模型遇到的這個難題?！氨q”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“磁單極子問題”。磁單極子是一種還沒有發(fā)現(xiàn)的據(jù)認為只有N極或者只有S極磁性的基本粒子。我們知道，電有正電和負電之分，二者可以分離，但是，對于磁性，卻不能將N極和S極分離開來。一塊磁體，無論把它分割到多么小，也總是同時具有N極和S極。然而，根據(jù)基本粒子物理學的理論，在初期宇宙應該有大量的磁單極子。可是我們知道，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法說明的一個問題。但是，如果初期宇宙發(fā)生過暴漲，那么在現(xiàn)在的宇宙中，磁單極子的密度自然應該已經(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，那么觀測不到磁單極子也就是十分自然的事情。是什么導致了宇宙急劇膨脹？還沒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，則必須要有抗衡萬有引力的某種“排斥力”在發(fā)揮作用才有此可能。其實，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論的愛因斯坦(18791955)。根據(jù)廣義相對論，可以把空間看作具有像橡膠那樣的伸縮性質(zhì)。愛因斯坦把廣義相對論應用到全部宇宙，他立即就得到一個令人吃驚的結(jié)果。理論預言，宇宙在遍布各處的星系的引力的作用下，應該收縮。但是，愛因斯坦堅持的是“宇宙是靜態(tài)的，不應該收縮”的信念，于是他在1917年提出，“空間自身具有一種斥力效應，能夠抵消物質(zhì)萬有引力的那種吸引效應?！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)”。所以有后者名稱，是因為在廣義相對論的方程中，宇宙斥力被表示為一個常數(shù)。但是，哈勃的觀測揭示出宇宙其實是動態(tài)的，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)自己錯了，于是收回了自己先前的看法。據(jù)傳，愛因斯坦曾說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。“真空”，按照字面意思是“什么也沒有的空間”，說什么“充滿了真空的東西”，聽起來自然是很怪的。根據(jù)現(xiàn)代物理學，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。導致暴漲的那種“東西”究竟是什么，現(xiàn)在還不清楚。關于宇宙膨脹說 許多科學家認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)擴大了近三分之一，這理論來自與行星與衛(wèi)星之間的距離差。 眾所周知衛(wèi)星會一直饒著它的行星軌道旋轉(zhuǎn)，但科學家觀察發(fā)現(xiàn)近幾年月球與地球的相距差擴大了近2萬公里，這意味著宇宙可能在不斷地膨脹導致拉動其中所有星球軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)和擴大。 但這一理論至今沒有被有力的證據(jù)證實，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？沒有人能解釋，所以這一理論被科學界定為有待發(fā)現(xiàn)的潛力學說。輻射Radiation1、自然現(xiàn)象 定義 自然界中的一切物體,只要溫度在絕對溫度零度以上,都以電磁波的形式時刻不停地向外傳送熱量,這種傳送能量的方式稱為輻射。物體通過輻射所放出的能量，稱為輻射能，簡稱輻射。 輻射有一個重要的特點，就是它是“對等的”。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，同時乙也可向甲輻射。這一點不同于傳導，傳導是單向進行的。 輻射能被體物吸收時發(fā)生熱的效應，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）依靠電磁波輻射實現(xiàn)熱冷物體間熱量傳遞的過程，是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進行。物體發(fā)出的電磁波，理論上是在整個波譜范圍內(nèi)分布，但在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)，有實際意義的是波長位于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，對于爐內(nèi)傳熱的合理設計十分重要，對于高溫爐操作工的勞動保護也有積極意義。當某系統(tǒng)需要保溫時，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，也不斷吸收周圍物體發(fā)來的輻射能。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。一般說來，當一物體受到其他物體投來的輻射（能量為Q）時,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，即到達該物體表面的熱輻射的能量完全被吸收，此物體稱為絕對黑體,簡稱黑體。若R=1，A=D=0,即到達該物體表面的熱輻射的能量全部被反射；當這種反射是規(guī)則的，此物體稱為鏡體；如果是亂反射，則稱為絕對白體。若D=1，A=R=0，即到達物體表面的熱輻射的能量全部透過物體，此物體稱為透熱體。實際上沒有絕對黑體和絕對白體，僅有些物體接近絕對黑體或絕對白體。例如：沒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。熱輻射的能量穿過固體或液體的表面后只經(jīng)過很短的距離（一般小于1mm,穿過金屬表面后只經(jīng)過1m）,就被完全吸收。氣體對熱輻射能幾乎沒有反射能力，在一般溫度下的單原子和對稱雙原子氣體（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）在特定波長范圍內(nèi)具有相當大的吸收能力。 輻射是以電磁波的形式向外放散的。是以波動的形式傳播能量。無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的波組成的合成波。它的波長范圍從10E-10微米(1微米=10E-4厘米)的宇宙線到波長達幾公里的無線電波。射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線，超短波和長波無線電波都屬于電磁波的范圍。肉眼看得見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光。可見光經(jīng)三棱鏡分光后，成為一條由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色組成的光帶，這光帶稱為光譜。其中紅光波長最長，紫光波長最短，其它各色光的波長則依次介于其間。波長長于紅光的(0.76微米)有紅外線有無線電波；波長短于紫色光的(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，但可用儀器測出。 太陽輻射波長主要為0.15-4微米，其中最大輻射波長平均為0.5微米；地面和大氣輻射波長主要為3-120微米，其中最大輻射波長平均為10微米。習慣上稱前者為短波輻射，后者為長波輻射。 暗能量宇宙學中，暗能量是某些人的猜想，指一種充溢空間的、具有負壓強的能量。按照相對論，這種負壓強在長距離類似于一種反引力。如今，這個猜想是解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質(zhì)等問題的一個最流行的方案。 暗能量主要有兩種模型：宇宙學常數(shù)（即一種均勻充滿空間的常能量密度）和quintessence（即一個能量密度隨時空變化的動力學場）。區(qū)分這兩種可能需要對宇宙膨脹的高精度測量和對膨脹速度隨時間變化更深入的理解。因為宇宙膨脹速度由宇宙學物態(tài)方程來描寫，所以測量暗物質(zhì)的物態(tài)方程是當今觀測宇宙學的最主要問題之一。 暗能量它是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量，宇宙中所有的恒星和行星的運動皆是由暗能量來推動的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因為它在宇宙的結(jié)構(gòu)中約占73%，占絕對統(tǒng)治地位。暗能量是近年宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據(jù)有兩個。一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場方程，加速膨脹的現(xiàn)象推論出宇宙中存在著壓強為負的暗能量。另一個證據(jù)來自于近年對微波背景輻射的研究精確地測量出宇宙中物質(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壓，在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結(jié)團。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，對于通常的能量（輻射）、重子和冷暗物質(zhì)，壓強都是非負的，所以必定存在著一種未知的負壓物質(zhì)主導今天的宇宙。宇宙的運動都是旋渦型的，所以暗能量總是以一種旋渦運動的形式出現(xiàn)。所以，在暗能量的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)能形成一種旋渦場,我們稱之為暗能量旋渦場，簡稱為旋渦場。我們用En來表示太陽系的暗能量，用Ep來表示物質(zhì)繞太陽系中心運動的總動能。當En=Ep時，太陽系旋渦場處于平衡狀態(tài)，它既不會膨脹也不會收縮。但當En衰退時，太陽系旋渦場就會收縮，太陽系中所有的行星就會向太陽靠近。 要提及暗能量，我們不得不先提及另外一個和它密切相關的概念暗物質(zhì)，之所以將其稱之為暗物質(zhì)而不是物質(zhì)就是因為它與一般的普通物質(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、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、摸到或者借助儀器可以測量得到，但是暗物質(zhì)恰恰相反，它根本不與光發(fā)生作用更不會發(fā)光，因為不發(fā)光又與光不發(fā)生任何作用，所以不會反射、折散或散射光即對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看不到暗物質(zhì)，不管是電磁波、無線電還是紅外射線、伽馬射線、X射線這些統(tǒng)統(tǒng)都毫無用處，故爾不被人們的感知所感覺也不被目前的儀器所觀測，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)更是奇特的有過之而不及，因為它只有物質(zhì)的作用效應而不具備物質(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也不被目前各種儀器所觀測，但是人們憑借理性思維可以預測并感知到它的確存在。 特別是近幾年來，由于微波背景輻射的細致觀測(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。（這個公式的意思是，在整個宇宙中我們目前所看到的星系只占整個宇宙的約 4%左右，其余約96%的物質(zhì)都是我們看不見、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”的壓力是負數(shù)、負值，壓力是正值時就是我們所長說的“壓力概念”，這很好理解，物質(zhì)的密度越大壓力則越大，而負值的壓力就不是通常所說的壓力了，而是人們常說的“吸力”更為關鍵的是這種負壓力P卻“負”得很大，大的讓人不敢想象？！ 這究竟是什么樣的物質(zhì)為什么會呈現(xiàn)這樣的特質(zhì)？這會不會是一種人類尚沒有發(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)必將導致物理學理論的新的大突破和新的革命！ 關于暗能量概念的起源，我們還得追溯到科學巨匠愛因斯坦他在1915年的相對論中提出一組引力方程式，方程式的結(jié)果都預示著宇宙是在做永恒的運動，這個結(jié)果與愛因斯坦的宇宙是靜止的觀點相違背，為了使這個結(jié)果能預示宇宙是呈靜止狀態(tài)愛因斯坦又給方程式引入了一個項，這個項就是現(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”的成員的哈佛大學天文學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有在自身重力下變慢反而在一種看不見的、無人能解釋的、神秘力量的控制、推動下變快，問題是無人知道這個神秘力量是什么？更無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？關于這種力量及其載體至今無人能知曉，人們只是猜測：我們現(xiàn)在所處的這