宇宙正反物质精选20篇

搜寻宇宙物质和宇宙归宿

现行的宇宙热大爆炸理论，得到了河外星系光谱的红移和各向同性的黑体背景辐射等重要实验证据的支持。因此大爆炸宇宙模型又称“标准宇宙模型”，它虽然不断遇到挑战，但由于支持它的实验事实的存在，其科学地位还是颇为稳固的。接下来的一个重要问题是，既然宇宙目前处于大爆炸后的膨胀之中，那么它会永远膨胀下去吗?要回答这个问题，关键在于要弄清楚宇宙的总质量到底有多大。因为能够制止宇宙永远膨胀的，只有宇宙间物质的引力；而强力是和质量成正比的。科学家们早就意识到他们遇到了宇宙范围的“物质丢失”问题，既有相当大一部分物质迄今并没有为人类所知。于是，现在科学家们开始努力搜寻在一些理论模型中所说的宇宙“暗物质”和“反物质”。探索这两类物质不能依靠常规的观测手段，而必须有一些新技术和方法的引入。例如，中国和国外的天文学家们目前在通过观测的分析“引力透镜”效应来确定不可见的物质存在。宇宙到底会不会由于引力作用由膨胀转为收缩呢?也许在 21 世纪初就能得到一个较为可靠的答案。

宇宙中存在大量暗物质星系

英国科学家最近指出，人类所能观测到的那些色彩绚丽的壮丽星系可能只占宇宙的一小部分，宇宙中还存在大量看不见的“影子星系”，它们基本上由暗物质构成，恒星和星际尘云的含量极少甚至没有。

英国皇家天文学会发表的新闻公报说，剑桥大学的 3 位天文学家认为，宇宙中暗星系与普通可见星系的数量比例可能高达 100 比 1。他们还根据天文观测指出，一个名叫 UGC10214 的星系附近可能存在着一个这样的暗星系。

科学界已经发现，宇宙中约有 90%的物质以看不见的“暗物质”形式存在，它们在电磁波谱的各个波段都是不可见的，普通可见星系中就有大量的暗物质。剑桥大学的科学家说，除此之外，应当还存在许多完全由暗物质构成的暗星系。

科学家说，根据广义相对论，光线在经过巨大质量的天体附近时会发生弯曲，如果一个暗星系全都由基本粒子构成，它将能起到引力透镜的作用，使遥远可见星系的光芒发生扭曲，观察这种引力透镜效果将能探测到暗星系的存在。

科学家指出，他们发现 UGC10214 星系里存在一股向外流的物质流，仿佛受到附近一个大质量天体的强烈引力作用，但是天文学家在这股物质流所流向的终点却什么也没有观察到，这意味着那里可能存在一个暗物质组成的星系。

宇宙星系物质能量的有限性

宇宙星系都是由恒星组成的，而恒星都是具有能量的，这就等于星系也都是具有能量的！更重要的是，所有恒星和星系的能量都是有限的，最终都逃不了能量耗尽走向消亡的规律。星系生成与消亡的过程，其实是宇宙生成方式的概括和有理性宇宙空间长度的代表,宇宙起源的重要秘密和玄机就在其中！星系能量的有限性现象与人们发现星系退行远离的现象一样，都共同作为科学发现宇宙生成和存在方式的两大重要证据！这两大证据都是我们建立新宇宙模型的重要基础！

我们有这样一个结论：宇宙事物的共性一定与宇宙的生成和存在方式有关！任何宇宙模型都必须满足这些宇宙共性的逻辑和规律，否则都是不能成立的。基于这一结论，我们建立了经受考

量子理论的早期成就之一就是预言了反粒子的存在，无论是已发现的粒子还是理论上预言的粒子，都有一个共同的特点：每一种粒子都有一种相应的反粒子。粒子和反粒子的质量相同，而其他一些性质（如电荷等）却正好相反。在比原子更小的基本粒子尺度上粒子和反粒子是高度对称的，它们总是形影不离，缺一不可。然而，一旦大于这个尺度，却出现了强烈的不对称性。我们的地球、太阳系和银河系都是“正”粒子组成的“正”物质。那么反物质又在何处呢？

在银河系中，我们可以断言没有反物质构成的恒星。否则，广大的星际介质就会与反物质发生湮灭，从而产生数量远超过观测值的γ射线。然而在星系际空间深处可能有反物质存在，甚至可能有由反物质构成的反恒星组成的反星系。但是银河系以外的星系究竟是由物质还是反物质组成的，现在还无法判断。因为我们对遥远星系的知识完全来源于它们发出的光子，而光子的反粒子就是它本身。因此即使是反物质组成的星系，其光学性质也与我们的星系相同。

然而即使反星系存在，它们与星系之间必须由真空隔开，否则就要发生强烈的湮灭反应。现在我们知道星系际空间的许多区域被稀薄气体占据着。同这些气体的相互作用使得湮灭在反物质区域不可避免，从而产生可观测的超量γ射线。

可是我们并未发现这种特别现象。因此，至少目前我们推断：宇宙看来基本上是不对称的，物质大大超过反物质。

著名的物理学家温伯格等人把大爆炸宇宙理论和基本粒子大统一理论合在一起对这一问题进行了探讨。他们认为在极早期宇宙中，物质和反物质的

数量必定几乎相等。辐射场大量产生粒子——反粒子时，偶尔也有极少的质子和电子掺杂在这个炽热的环境中，每 1 亿个光子和粒子对只多出 1 个质子。但是，随着辐射的冷却和粒子对的湮灭，每个光子能量减少，过剩的物质最终变为主要的成分。结果，原子现在构成了质量密度的主体。

宇宙创生的最初一刹那，宇宙曾经是高度对称的，即正反粒子数大致相等。然而，为什么早期宇宙有这么一点儿不对称而导致在今天反物质如此之少呢？这是大爆炸宇宙学理论的未解之谜。也正因为如此，物质的我们才出现在这个世界中，这也是宇宙的奇妙之处吧。

最新的研究发表在最近出版的《物理评论快报》上。英国朴茨茅斯大学的宇宙学家指出，最新的天文调查数据显示，暗能量正在逐渐增加，并与不断吞噬暗物质的暗物质相互作用。

朴茨茅斯大学宇宙学和领头力学研究所的大卫·万兹教授是研究小组的成员之一，他说:“这项研究是关于宇宙中空间和时间的基本性质。从宇宙的角度来看，它与宇宙的未来命运密切相关。”

如果暗能量逐渐增加，而暗物质正在蒸发和消失，我们最终将会在一个巨大的空无一物的宇宙中结束。暗物质为宇宙结构的增长提供了一个框架。我们的银河系是基于暗物质框架形成的。最新研究表明，暗物质正在蒸发，减缓了宇宙结构的增长。

读完研究报告后，密歇根大学的德拉甘·乌尔特教授强调科学家应该关注这一发现。这项研究非常令人兴奋，任何关于暗能量的最新发展都应该受到关注，因为我们对暗能量知之甚少。

许多人觉得在地球上金钢石或是石墨烯材料这类化学物质的强度早已十分变大，可是假如将金钢石取得宇宙空间上得话压根也不值得一提。宇宙空间上最硬的物质是中子星的岩层，中子星的岩层可以说十分硬实，再加中子星很快的转动速率，可以迅速的摧毁一个星球，假如中子星一不小心进到到太阳系行星得话，估算八大行星荡然无存。

一、中子星为什么是全世界最硬的物质

从现阶段的科学研究观察看来，地球所在的自然环境是一种十分平稳的自然环境，科学家也在不断检测地球周边是不是有哪些外地人星球的碰撞，地球所遭受的外地人围攻，有可能是一些小行星。可是中子星一定会离地球十分的漫长，地球上的大家彻底能够安心，地球也不会随便的被别的的星球所摧毁。

天文学家一直在寻找宇宙中“缺失”的正常物质，这种物质占宇宙总质量的三分之一。宇宙把这些物质藏在哪里？美国宇航局钱德拉X射线天文台的观测提供了新的线索。最近发表在《美国天体物理学杂志》上的研究表明，天文学家已经发现了宇宙中存在热星系际物质的明确证据。

研究表明，从大爆炸后几分钟到大约10亿年，大多数正常物质变成了宇宙尘埃、气体、恒星、行星和其他天体，但是天文学家把所有这些物质的质量加起来，发现大约三分之一的物质“失踪了”除了正常物质之外，宇宙中还可能存在暗物质和暗能量。

天文学家曾推测，这些缺失的正常物质聚集成一种气体物质，称为“温暖的星系际物质”(温度低于100，000开尔文)和“热的星系际物质”(温度高于100，000开尔文)。然而，过去只观察到温暖的星系际物质，没有观察到热的星系际物质。

天文学家首先试图在遥远的类星体周围发现温暖的星系际物质。他们认为，如果热的星系际物质与温暖的星系际物质有关，类星体的一些X射线会被高温气体吸收，那么钱德拉X射线天文台应该能够在类星体的X射线中识别出热的星系际物质。类星体是非常活跃的星系核，在非常远的距离也非常明亮。它们是研究大尺度宇宙的“灯塔”。

该论文的作者之一、哈佛-史密森尼天体物理中心的研究员阿克·博格丹说，这就像在非洲的大元叶寻找动物一样。我们知道他们需要喝水，所以先去找水沙滩是合理的。

通过类星体的光谱分析，天文学家发现了温度超过100万开尔文的氧的迹象，这可能是缺少热的星系际物质。通过计算，研究人员认为，如果将所有元素都考虑在内，所有“缺失”的正常物质的量都可以得到满足。

该团队还计划观察其他类星体，称如果结果得到证实，它将解决天体物理学中的一个重要问题。

根据美国有趣科学网站，一项新的研究表明，被认为占宇宙总质量能量约25%的暗物质可能由极小的光粒子组成。模拟显示，这种“蓬松的”暗物质可能已经改变了宇宙历史的进程，并产生了细丝，而不是早期宇宙中的星系。

暗物质是一种遍布宇宙的未知物质。它不发光，所以被称为暗物质。但是它的引力将星团结合在一起，导致星系边缘的恒星旋转得更快。许多科学家认为大多数暗物质是冷的，这意味着它的移动速度相对较慢。然而，有些人持有不同的观点，认为它可能又小又蓬松，这意味着它会因为它的轻盈而快速移动。

相关论文发表在最新一期的《物理评论快报》上。合著者之一、普林斯顿大学天体物理学研究生拉克兰·兰卡斯特说:“我们的模拟显示，第一个星系和恒星形成于有着多毛暗物质的宇宙，看起来与第一个星系和恒星形成于有着冰冷暗物质的宇宙大不相同。”

早期宇宙制造的“蓬松”暗物质或细丝

兰卡斯特解释说，一些科学家认为暗物质由弱相互作用的大质量粒子(WIMP)组成，其质量是质子的几十倍或几百倍。暗物质应该会聚集在星系的中心，但是到目前为止还没有人发现这一点。

因此，模糊暗物质比冷的WIMP暗物质更难聚集在一起。蓬松的暗物质凝结成细长的物质——比束状星系大的细丝，所以星系迟早会诞生得更大。暗物质在星系中心的积累也会变得更加困难，这可能解释了为什么天文学家在观察星系时没有观察到这样的团块。

研究人员称，即将发射的望远镜可以追溯到宇宙历史的早期阶段，并可能区分不同类型的暗物质，从而使物理学家更好地理解其本质。

包括智利的大型天气观测望远镜和世界各地建造的30米望远镜，将很快能够追溯到宇宙的早期。兰卡斯特说，这意味着“我们要么开始看到模糊暗物质的影响，要么消除它们。”

广阔的银河系肉眼可见，但只是冰山一角。宇宙的大部分秘密仍然对人类隐藏，比如暗物质。尽管这是一种假设的物质，由于现有理论无法解释的现象，但它并不妨碍它成为宇宙的重要组成部分。暗物质的密度很小，但它的总质量很大。当人类探索宇宙更深的奥秘时，这是一个不可避免的问题。无论它们是“毛茸茸的”还是“光秃秃的”，不仅简单有趣，还会让我们对星系的形成和演化有所了解。一旦确认，所有天文学教科书将被改写。

86．大爆炸宇宙学面临的困难

前面我们介绍了大爆炸宇宙学的建立和成就。从哈勃定律的发现，到宇宙原初核合成解决氦丰度问题和 3K 微波背景辐射的预言和发现，以及 COBE 卫星探测到的微波背景辐射的高度均匀性，使大爆炸宇宙学达到了光辉的顶峰。就像其他理论的命运一样，正是它取得辉煌成就的同时暴露了它的问题。

首先就是均匀性问题。宇宙为什么会如此均匀和各向同性？早先人们把宇宙的均匀性与各向同性作为一种假设。当成是为了简化模型便于求解的某种约定。但微波背景辐射的高度均匀性使这个先前的假设成为受到高度精确的观测检定的客观事实。这样一来它就不是这样想当然的事情。而应该是宇宙中各个部分各种相互作用反复作用的结果。有如两种物质混合在一起，开始总是不均匀的，由于两种物质的分子相互碰撞，经过一段时间后形成均匀的混合或化合物。有的情况下，两种物质不互溶，还得加上一定的物理的或化学的手段。天文观测已达到一百多亿光年的尺度，而且在这个尺度上宇宙是均匀的。那么在这个尺度范围内的各部分间应该已进行过充分的相互作用。按相对论，真空中的光速是任何物质运动及任何相互作用传播速度的上限。而宇宙的年龄也是有限的，因此在宇宙创生以来，物质间能进行相互作用的范围也是有限的。由此推之，宇宙的均匀范围也应该是有限的。一句话：如果大爆炸宇宙学严格成立，那么宇宙不应该如此均匀。这个均匀性问题，也可称为视界问题。通常视界包括观测视界和事件视界，前者是指观测过程中讯号以光速传播，因此一定时间内所能观测到的范围是有限的，后者是指同样条件下相互作用能到达的范围是有限的。

图 30 用时空图表示的视界问题。图中 to 是现在时间，P 表示我们今天所在的时空位置，而今天我们所收到的背景辐射分别来自图中 x 的正、负向即 A 和 B 所在的位置，而宇宙的各向同性意味着 A 和 B 具有相同的辐射性质且同处于宇宙时 tR。然而从宇宙开端到宇宙透明并开始发出背景辐射的时刻tB，有因果联系的范围 ab 是由条件 ab=2ctR 所决定的。这个范围就称为视界。作为一个自洽的理论体系应该有 ab≥AB。但按照大爆炸宇宙学只能得到相反的结果，即视界 ab 远远小于 AB。这就给大爆炸宇宙学带来困难。

第二个问题是平性问题。前面我们已介绍，宇宙的理论模型所描述的宇宙可以有三种可能情况：即开放的，封闭的和临界的。它们取决于宇宙的减速因子 qo 或者物质密度因子Ωo。很多观测事实表明 qo 十分接近 1/2，或者说Ωo。十分接近于 1。如此巨大的取值范围为什么恰好选择了这个临界值？仅用巧合是难以令人信服的。是否在宇宙的演化过程中存在某种调节机制使宇宙密度自然地到达这个数值。

在大爆炸模型与物理学中为了统一强、弱和电磁相互作用的大统一理论结合，成功地解释了宇宙中的光子和重子之比，同时合理地解释了重子和反重子间的不对称。但按大统一理论，宇宙早期会发生“真空相变”。通常我们习惯于把物理上的“真空”理解为一无所有的空间区域。而按现代物理学的理解，真空乃是各种物质场的基态，因此，它并非一无所有，而且可能有多重不同的真空态。设想自然界中有一种场，并用δ描述该场的场强。一般说来，“空的空间”应该相应于δ=0，即处于真空态时场强为零。所以，从现代粒子物理观点来看，真空之所以相应于δ=0，不在于它是一无所有的“空”，而在于δ≠0 状态的能量比它高。图 31 给出了一种场的能量随δ取值而变化的曲线，δ =0 能量是极小，故对应于基态，即真空态。我们已说过，真空态并不是唯一的。如果δ场的能量曲线是如图 32 所示，那么真空态就可能有两个，即δ= δo 和δ=-δo。对于这样一条曲线，δ=0 也仍然是个极值。但它是极大值，故此时对于δ=0 的态是不稳定的。一种场强δ的能量曲线一般说来是温度的函数。如果存在某个临界温度 To，当实际温度高于它时，能量曲线由图 31 表示，反之则由图 32 表示。此时真空态在温度下降过程中就会从一种稳定状态过渡到不稳定的状态，并将发生所谓的“真空相变”。而按大统一理论，这个相变过程中将有大量的“磁单极子”产生。我们在现实世界中所观察到的只有电荷，但无磁荷。也就是说，没有磁单极存在。但从理论上考察磁单极子是可能存在的，且按大统一理论，在宇宙大爆炸过程中，这种磁单极会大量产生。1982 年美国斯坦福大学的卡伯来拉曾宣称他们已探测到了一个磁单极事件。可惜 10 多年过去了，不仅别人，就连他们自己也再没能重复这种探测。于是大爆炸宇宙学又面临一个“磁单极”问题。当然，这个问题也可能是大统一理论本身的。

此外，大爆炸宇宙模型认为宇宙起源于时空奇点的爆炸。但它本身不能解决“奇点”问题。这也是给大爆炸宇宙学带来的疑难。

87．暴胀宇宙的成就和困难

1981 年，美国物理学家古斯提出了一种摆脱困境的有效途径，就是“宇宙暴胀”。他原本是借助经济上的通货膨胀（in-flation）一词得来。暴胀模型和通货膨胀之间确实也存在某种可以类比之处。

在社会的经济发展过程中，失业率和通货膨胀率之间是一对矛盾因素。想要压低通货膨胀率，势必要增加失业率；而人为地压低失业率又会增加通货膨胀率。理论研究表明，膨胀宇宙中磁单极子的产生率和宇宙膨胀率之间也是这样一对矛盾因素。宇宙的膨胀率越低，磁单极子的产生率就越高。而为了压低磁单极的产生率（以适应实际上并未观察到磁单极子的客观事实）就必须有很高的宇宙膨胀率。

暴胀模型认为，当宇宙的温度下降到某一个临界值 Tc，甚至 T

在图 33 所示的模型中，人们把δ=0 处的真空态称为假真空态，而δ=δ o 的真空态称为真真空态，两者间过渡时的相变是通过真真空泡的形成而迅速发生的。按量子理论，假真空只能通过隧道效应来衰变；而这是一个局域过程，新相的泡是在旧相之内无规形成的，因此，不可能同时产生。因此，即令每个泡都以光速膨胀，后发生的宇宙泡将小于可观测宇宙的尺度。也就是说，在可观测宇宙之内将存在一些小泡。这些泡间互相碰撞，直到整个宇宙变成新相。但由于宇宙膨胀得如此之快，使这些泡之间只能互相远离，不能结合在一起。结果使宇宙变成一种非常不一致的状态，破坏了它的均匀性，这与观测事实矛盾。

为了克服上述困难，林德于 1982 年提出了对古思暴胀模型的修正方案，现在人们称这些方案为新暴胀模型。这个模型假设：如果每个泡泡都如此之大，以致我们宇宙的区域被整个地包含在一个单独的泡之中，则可避免泡泡不能合并在一起的困难。研究表明，这要求宇宙由对称相向对称破缺相过渡变化必须在泡泡中进行得十分缓慢，而按粒子物理中的大统一理论，这种过程是相当可能实现的。但不少研究又表明对于极早期宇宙是否真存在这类所需要的相变是很值得怀疑的。林德在 1983 年又提出了一个更好的混沌暴胀模型。此模型不用相变和过冷，而代之以存在一个自旋为 0 的场。我们知道每一个基本粒子除了有具有质量、电荷外还有宇称、自旋、磁矩等物理特征量。这些量虽然可以与经典物理量类比，但并不完全一致。例如自旋它尽管可以表现出经典动量矩的特征，但基本粒子的自旋却是一个量子化的量。在经典物理学中，一个矢量可以指向任何方向。相对于人们称为 Z 轴的某方向，经典角动量矢量可以取不同的角度。但是，在基本粒子的量子物理学中，一旦选定了 Z 轴，角动量矢量的方向就不是任意的了。它只允许指向几个固定的方向，这些角度的数量与矢量的长度有关。不同的自旋量将粒子分成了不同类型。粒子的自旋量子数为 1／2 的整数倍。在四大类粒子中，光子的自旋为1，统计性质上是玻色子；轻子和重子的自旋为 1／2，是费米子；而介子的自旋为 0，也是玻色子。自旋为 0 的场的量子涨落，在早期宇宙的某些区域有大的场量。在那些区域中，场的能量起到宇宙常数的作用，它具有排斥的引力效应，因此使得这些区域以暴胀形式膨胀。当它们膨胀时，其场的能量慢慢地减小，直到暴胀改变到犹如热大爆炸模型中的膨胀时为止。这些区域之一就成为我们观测到的宇宙。这个模型既具有早先暴胀宇宙模型的所有的优点，但它不是取决于使人生疑的相变，并且还能给出微波背景辐射的温度起伏，其幅度与观测相符合。

这样，按暴胀宇宙模型，当宇宙处于 10-35 秒～10-32 秒间，宇宙经历过一个急剧地膨胀阶段，宇宙尺度增长的幅度达 50～60 个量级。这样一来，大爆炸宇宙学的因果疑难，平性困难都自然地解决了。但奇点问题等，暴胀宇宙任未加以解决。

88．中微子有静质量吗

本书中我们已多次提及中微子，一开始就介绍了中微子天文学，后来又介绍了太阳中微子之谜。我想读者会有一个很深的印象，相信中微子在天体物理学中确实起着十分重要的作用。但究竟“什么是中微子？”也许不少读者仍不十分明确。人们可以毫不含糊地说：中微子是一种基本粒子。它具有物理学中其他基本粒子所具有的性质。人们常说：1931 年泡利“发明了”中微子。也许不少读者认为，科学家进入实验室时，是不带任何成见的，并忠实地报告他的见闻。他们或许想象，科学家像一个优秀的捕鸟人，一个新的粒子发现好比是捕捉到了一种新的珍禽。

实际上，科学上的新发现，特别是近代物理学中，差不多总是与上面的叙述相反。科学家往往总是带着一定的成见走进实验室。这些成见就是他们所接受的科学原理，在他们进行实验前总认为这些原理是正确无误的。物理学中的绝大多数实验，都是想证实理论所预言的结果。就像天文学家预言了海王星的存在，人们按其指示的方位和时间去等待它的出现那样。现代的物理学家绝不会像守株待兔的农夫，呆在树下等待某只不小心的野兔撞死在树下。当科学家发现某一现象与他的固有看法相抵触时，最振奋人心的发现就出现了，而一位优秀的科学家的特点，就是他能取得十分可靠的结果，因而他能坚信他自己的结果，而不致于陷入先入为主的下意识观念。

在泡利发明中微子之前，人们已清楚地从实验认识到，在β衰变中发射出的电子能量并不固定。这个实验事实只有两种可能解释：不是能量和动量不守恒，就是β衰变并不是双体的，即除电子和核外，还要放出别的粒子。当时，包括玻尔在内的一些物理学家，曾打算在β衰变中放弃能量守恒与动量守恒等概念。而泡利深信守恒定律的普适性，他不相信在自然界中唯独β衰变过程不遵从守恒定律。他提出的这个附加粒子后来费米把它叫做“中微子”。费米建立了第一个定量的中微子理论。他假设存在着一种看不见但遵从量子力学一般规律的粒子，并由此建立起与很多实验相吻合的β衰变理论。按费米理论，通过对β衰变中发射出的电子能量极大值的测量，如果已知电子、母核与子核的质量，我们就能知道中微子的质量。这是用非零值的未知中微子质改写能和动量守恒方程的结果。然而，测量中微子质量远非表面上看来那么容易，以至中微子的质量至今仍是一个大的谜团。但最简洁和最漂亮的中微子理论是以其静质量准确地为零的假设出发而得到的，这是当时物理学家一致公认的结果。

1980 年，一些粒子物理学家宣称，中微子的静止质量可能不为零，前苏联的一个实验小组则更具体地宣布：电子中微子的静质量约为 6×10-32 克。这个消息，在当时，在天体物理学界的反响远远大于粒子物理学界。

原来中微子不是重子，通常天文学家所观测到的天体的各种辐射都是与重子物质有关的。理论分析表明，在宇宙中，中微子的数量远远多于重子物质的数量。只要每一个中微子有很小的静质量，其总和就会远远大于重子物质成分的质量，成为宇宙质量中的主导成分。粗略地说，在目前的宇宙中光子的数目和中微子的数目大体相等，每立方厘米的体积中大约有 400 个。每个光子的平均质量为 1.1×10-36 克。所以，光子对宇宙平均质量密度的贡献

为

1.1×10-36×400=4.4×10-34（克／厘米 3）＜＜ρc

如果中微子的静质量为零，则它对宇宙平均质量密度的贡献不会超过光子的贡献。但若中微子果真有上面所述的静质量，则它对宇宙平均质量密度的贡献将为

6×10-32×400=2.4×10-29（克／厘米 3）＞ρc

即，仅中微子的质量贡献就使宇宙的平均物质密度超过了宇宙的临界密度，从而可能使宇宙是封闭的。小小的中微子竟可能决定整个宇宙的命运！尽管中微子的静质量至今仍是一个未解之谜，但是，关于中微子静质量的风波却引出了天体物理学中的一个新的研究领域——宇宙中的暗物质。它是一个有待天体物理和粒子物理共同去开发的新天地。粒子物理学家希望在这个新领域中找到或证实他们所预言的许多“暗”粒子。

89．热暗物质，温暗物质和冷暗物质

80  年代兴起的超对称、超引力等理论，预言了很多新粒子。它们都不是重子，它们大都不参与电磁作用，或只有很弱的相互作用，极难甚至不可能在现今的实验室中发现它们。而这样一些粒子如果真实存在，它们也将像有静质量的中微子那样为宇宙的平均物质质量密度做贡献。也就是说，或许正是这些粒子组成了宇宙中的各种不可能发光的各种“暗”物质。下面的表给出了暗物质可能候选者的名单：

由表可以看出，多数的候选者都是微粒子。所以说，如果这种理论正确，那么宇宙中百分之九十的物质将由不可能发光的微子组成，而不是迄今为止天文学家所直接观测到的发光物质。也就是说，宇宙中的绝大部分成员都是伟大的哑巴！而我们前面所介绍的形形色色的天体歌星仅是其中的少数佼佼者！

也许有的读者会说，既然是观测不到的东西，我们为什么还要去研究它们呢？天文学不是以观测为基础吗？研究表明，具有静质量的微粒子虽然不可能发光，因而不能被人们直接观测到。但它们在宇宙的演化，特别是在宇宙大尺度结构的形成过程中扮演了极重要的角色。我们已说过，微粒子很少能与普通重子物质发生相互作用。因此，在极早期宇宙的极高温和高压下各种物质高度混合的物质“浓汤”中，各种微粒子会首先“逃”出浓汤而“独立”，天文学家称之为“退耦”（即不再与浓汤中的物质发生碰撞或其他相互作用）。而这些游离的微粒子在引力的作用下会成团。这些团当然不会产生什么观测效应，但其引力却形成了一种“看不见的团聚力”，它像化学反应中的“触媒剂”那样，促使后来退耦的重子物质很快成团，从而有效地改变了宇宙的大尺度结构和星系的形成进程。研究表明，对于具有不同静质量的微粒子，这种影响是极不相同的。为此，人们将由各种微粒子组成的暗物质按其质量大小分成三种不同类型。取其典型质量为 10eV、1keV 和 1GeV 分别称之为热暗物质、温暗物质和冷暗物质。由于这些粒子的质量都非常小，它们都是相对论性的，即总是以极接近光的速度运动。按相对论，静质量越小的粒子运动速度越接近光速。其特点是退耦早，因而开始成团的时间早。但它容易抹平一些小尺度的重子物质的成团。这一点与宇宙中存在多种小尺度结构的观测事实不相符合。因此，天文学家很快就对热暗物质失去了兴趣。冷暗物质虽然有能保存小尺度结构的优点，一度是天文学家所偏爱的选择，但由于它退耦时间晚，致使宇宙中各种尺度结构的形成时间过长，以至按严格的理论计算星系等结构至今尚未完全形成。这也与观测事实不符。当然，在考虑宇宙大尺度结构形成中除了暗物质成分因素外，尚需考虑各种动力学和热力学等因素。

90．暗物质存在的观测依据是什么——星系周围物质的转动曲线

也许读者会感到暗物质像一个“幽灵”，它几乎无所不在而又捉摸不住。实际上由于暗物质仍参与引力相互作用。因此，能通过引力效应间接地证实暗物质的存在。所谓星系的转动曲线，是指围绕漩涡星系转动物体的速度与其半径的关系。它就是天文学家证实暗物质存在的基本观测依据。

对于一个旋转的刚体某一点的转动速度与其到转心的距离成正比。而对于太阳系，行星绕太阳的转动速度与行星的轨道半径的平方根成反比，即距太阳越远的行星，转动速度越小。这也是开普勒定律中的一条。它对于任何绕一个大质量的中心物体作转动的运动都是适用的。因此，如果一个星系中的质量都集中在发光区，那么，发光区之外的物体的转动速度也应当遵从上述的开普勒定律：距星系中心越远的物体，转动速度应越小。

观测结果却与开普勒定律完全不同。图 34 显示了一些星系由 21 厘米射电波观测所得到的旋转曲线。它们表明：在大量的星系的发光区之外，物体的转动速度几乎与距离无关。也就是说，在距星系不同距离上的物体，竟然具有相同的转动速度！对于这个“反常”的观测结果的唯一可能解释是：在星系周围的空间里，并不是真空，而是存在着质量相当可观的物质晕。这些晕是不发光的，不可视的。在我们介绍银河系时也曾提及这一点。实际上， 1983 年曾发现，在距银心 20 万光年的距离上，有一颗名为 R15 的星，其视向速度高达 465 公里／秒。要产生如此大的速度，也表明银河系的总质量也至少比光学区的质量大十倍，即银河系的质量中也有百分之九十是属于暗物质。这些暗物质究竟是属于什么性质的物质？天文学家常把这个问题称为宇宙的质量短缺。

一种很自然的猜想是暗物质由弥漫的气体所贡献。在银河系中确实有不少的气体云，那么星系际空间是否也有类似的这类气态物质呢？简单的分析表明，只要在星系团中平均每平方厘米体积中有 1／100 个氢原子，其总质量贡献就足以解释星系旋转曲线的观测结果。这种物质密度若放在地球上的实验室可称得上是很好的真空条件了，的确可以说是不可视的，即很难加以测量。可是对于天文观测来说，这种密度已经算是很高的了。

物理学研究表明，中性的氢气会发射或吸收波长为 21 厘米的射电波，探测这种信号的分布就可以判断氢气的分布和密度。而在射电背景辐射中没有搜寻到 21 厘米的发射线，在一些射电源的谱中也没有 21 厘米的吸收线。分析这些观测结果表明，氢气的密度决不高于每立方厘米百分之一这个数值。通过更精确的可见光波段的类似观测可断定在星系际空间氢原子的密度不会高于每立方厘米 10-12。至于其他元素如锂、碳、氧、镁、铝、硅、硫和铁等的原子的密度也不可能超过氢气的密度。

通过对星系团中 x 射线观测的分析可知，电离气体的密度也很小，以至不足以用电离气体来说明质量短缺的所在。如果短缺质量以尘埃形式存在，则它会引起星光的昏暗。通过定量的分析估计，弥散尘埃的质量最多只占星系团中恒星质量的百分之一。理论上的各种分析也排斥了短缺质量由“死亡了”的恒星提供的可能性。一句话，宇宙中的短缺质量绝不可能是由重子物质构成的。前面所介绍的非重子暗物质刚好可能填补这个短缺！这正是天文学家热衷于非重子“暗物质”的基本原因。

91．引力透镜——光在宇宙空间中如何传播

光线在宇宙空间如何转播！这也是个问题吗？光线在真空中走直线，这还有什么疑惑吗？爱因斯坦所建立的广义相对论其三大经典验证中有两个是涉及光的传递性质的。其一是光线的引力红移，它表明光在离开引力场时与一般物质一样，会损失能量。而按光量子理论，光子在损失能量后波长增加故红化，这种效应称为引力红移。它被大量的恒星的光谱观测结果所证实。广义相对论关于光的传递性质的第二个预言是光线的引力弯曲。它指出，光线在从一个引力场经过时会像其他物质粒子一样因受到引力吸引而使其轨道弯曲。图 35 就是一束来自遥远天体的星光在经过太阳附近时被太阳所弯曲的示意图。1919 年 5 月 29 日非洲发生日全食，英国天文学家爱丁顿发起，两个英国远征队去进行观测，一队到非洲西海岸，一队到巴西北部。他们带回了大量的太阳附近的恒星观测照片。从这些照片的结果分析，证实了爱因斯坦所预言的结果是正确的。

如果一个遥远的天体，其星光在向地球传递的过程中，经过了一个足够大的质量由于光线的对称偏转很像通过了一个凸透镜而产生的聚焦现象，天文学家把它称为引力透镜现象。引力透镜效应引起了很多有趣的天文现象。最典型的事例是“双类星体”现象。在已观到的七千多个类星体的样本中，有很多双类星体现象。所谓双类星体是在方位位置上相距很近（往往视角差只有几角分），而其他性质极接近甚至完全相同的两颗类星体。例如，类星体 Q0957＋561A，B 它们的红移均为 z=1.41，而在其视线上发现了一个红移为 z=0.36 的插入星系其视星等为 18.49、视角半径为 0.24″、椭率为 0.13。这充分证明了这两颗类星体就是一个类星体通过引力透镜现象所形成的双像。对于其他双类星体也有类似的发现。这些观测发现引起了人们对于引力透镜现象的兴趣。刚才说的双类星体现象，可以说是通过点质量成像的事例。爱因斯坦曾预言在一种很对称的情况下一个点光源通过引力透镜现象可能形成一个光环。当然他本人也曾指出这种现象的产生几率很小。近些年来通过欧洲南方天文台 3.5 米新技术望远镜确实发现了光环的事例。

为了证实宇宙弦的存在人们也寻找链状物质分布导致引力透镜成像的特征。在这种情况下一个小天区内可能观测到多个双像。如果在一个天区研究光线传递的整体特征，人们可以分析这局部天区的物质质量分布，其中当然也包括各种暗物质的质量。近几年来，天文学家为此进行了“微引力透镜”效应的研究。如果一个遥远的光源的光的传递路径中插入了某个天体，则该天体的引力也有可能像凸透镜的聚焦效应那样引起光源的亮度增加。倘若这个天体在运动，则这种亮度增加会随时间变化。当天体接近某一个位置时亮度逐渐增加，而到达这个位置时亮度达最大，然后天体远离这个位置，亮度又逐渐变小。这样一来遥远的光源好像是发生了一个随时间变化十分对称的光变。天文学家通过巡天观测，的确发现了几个这种光变的事例，为研究宇宙中的物质质量分布提供了极有价值的新途径。但这个方案研究的初步结果似乎是否定非重子暗物质的存在。

上图是描述类星体和超大质量黑洞的插图。(资料来源:美国航天局/欧空局)

科学家发现了宇宙中丢失的物质，它漂浮在恒星之间。

研究古代宇宙历史的研究人员都知道，宇宙在大爆炸中产生了许多形成重子的物质，包括质子和中子的亚原子粒子。研究现代宇宙的研究人员知道用望远镜可以看到多少常规重子。

但是直到最近，这些数字仍然不一致:宇宙中三分之一的重子失踪了。现在，通过对黑洞的巧妙观察，一个国际研究小组称他们发现了这些丢失的中子和质子。

研究人员在发表在《自然》杂志上的一项研究中写道，失踪的重子一直隐藏在恒星之间稀薄的热氧云中。气体是高度电离的，这意味着它的大部分电子都丢失了，所以它也有很强的正电荷。

“我们已经找到了丢失的重子，”科罗拉多大学博尔德分校的天文学家和合著者迈克尔·舒尔在一份声明中说。

研究人员写道，氧气信号太强，与类星体光的随机波动一致。天文学家也排除了由微弱星系引起的氧气阴影的可能性。

自2011年以来，研究人员一直怀疑这些丢失的重子可能隐藏在这个所谓的温暖星系际介质中，但这个想法很难直接观察到。为了找到藏在那里的气体，他们不得不想出一个巧妙的方法。

远离地球，黑洞吸收大量物质。这些物质会发光，地球上的望远镜可以找到它。研究人员称这些黑洞为类星体——它们是宇宙中最亮的物体。研究人员在论文中写道，这意味着类星体发出的光具有“高信噪比”，这意味着在这种情况下，很容易观察到是否有什么东西挡住了它。

将望远镜聚焦在类星体上，不仅可以告诉天文学家物体本身，还可以揭示类星体和望远镜之间漂浮着什么。在这种情况下，研究人员发现它是温暖的星系际介质。

研究人员通过仔细观察GROOD模糊类星体的方式，并在类星体进入两台望远镜的透镜时改变它们的亮度，进一步了解了GROOD的构成。最终的答案是，突发奇想是将氧气加热到接近180万华氏度(接近100万摄氏度)。由于暗物质对其他恒星的引力影响，研究人员认为暗物质存在。这种物质被认为以比简单重子更奇特的粒子形式存在。

在一份声明中，研究人员表示，他们可以从观察到的突发奇想中推断出宇宙中有多少重子以氧的形式漂浮在其他地方。为了证实和完善他们的观测结果，他们计划将望远镜对准其他类星体，并观测隐藏在其中的GROOSE。

据外国媒体报道，宇宙中的大多数物质是由一种我们从未见过的物质组成的。它被称为“暗物质”。虽然暗物质非常丰富，但对它的研究也非常困难。几十年前的计算表明，从宇宙的早期开始，年轻星系周围的暗物质比古老星系多，但是我们今天看到的暗物质是从哪里来的呢？一项新的研究提供了答案。

过去的研究表明，我们在附近看到的星系比遥远的星系有更多的暗物质。科学家认为在那些古老的星系周围可能没有这么多暗物质。但是新的研究证明事实并非如此。在研究了大约1500个星系后，由达勒姆大学的阿尔弗雷德·蒂利领导的研究小组已经确定，这些巨大的恒星和行星周围的暗物质数量与以前大致相同。

探测星系周围的暗物质可能很棘手，但计算物质对周围环境的引力效应更容易。我们在太空中看不到暗物质，因为它不反射光，但它仍然像“正常”物质一样施加重力。通过考虑星系的大小和边缘恒星的移动速度，科学家们可以计算出暗物质潜伏在边缘的程度。

在最新一轮的研究中，科学家将同样的公式应用于数百个年轻和年老的星系。科学家现在认为，与年轻星系相比，古老星系周围的暗物质数量没有什么不同。

然而，据《生活科学》报道，天文学界还没有完全接受这一新发现。蒂利和他的团队使用的模型受到了质疑，特别是因为它与其他寻找暗物质的人所研究的遥远高质量星系的测量有关。

我们不能确切地知道暗物质是什么，但是我们有许多充分的理由相信它是一个基本粒子，一个在大爆炸中产生的非常小的粒子。

宇宙是由暗物质组成的，暗物质产生了一种引力。这种引力让宇宙变得有趣。这就是星系形成的原因，它们与星系、恒星、行星和人类融为一体。

因此，在重力的作用下，早期的宇宙变成了我们现在生活的这些奇妙的星系宇宙。我们生活中的重力正是暗物质产生的重力。因此，我们想知道并有理由知道宇宙在哪里。

当你在科学中发现一些东西时，你永远不知道它可能对人类有什么影响。目前，我们还不知道(暗物质)。这些是基础科学。

然而，在科学史上，许多新发现似乎是基础科学，它改变了我们的生活。例如，从一种叫做“电子”的粒子中发现了电。这种粒子是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森发现的。他只是想了解自然，然后发现这些带电粒子。几十年后，汤普森发现的粒子被用来发电。

这是纯科学的一个例子，你永远不知道它意味着什么。

暗物质对我们来说是未知的。因为我们还没有发现粒子，但是有一天暗物质可能对人类有实际应用。

对于宇宙来说，暗物质是最深刻的。尽管在过去的100年左右的时间里技术有了很大的进步。这些粒子很难被探测到，因为它们存在于黑暗的地方。它们不与其他物质相互作用，除非通过弱引力。

因此，如果你有一个探测器，那么粒子可能会通过探测器而没有相互作用。因此，很难建造一个能够捕获粒子或撞击探测器的探测器。

在中国，熊猫X正试图成为一个非常灵敏和非常大的探测器。科学家们希望暗物质中的一个粒子会撞击探测器上的一个原子，并移动该原子。但是这种情况很少发生，就像大海捞针一样。在过去的30年里，探测器得到了显著的改进。我想我们很快就会知道它是什么了。

根据《新科学家》杂志，科学家们终于发现了星系之间的连接物质。这一发现意义重大，因为这是我们第一次发现占宇宙大约一半的正常物质，而且先前对观测恒星、星系和其他明亮物体的怀疑已经得到了解释。

计算机模拟显示了一个巨大的“宇宙网”。从这张照片我们可以看到连接宇宙中星系的纠缠细丝，这个纠缠细丝是由重子组成的。

重子是由三个夸克组成的亚原子粒子。在现代粒子物理的标准模型理论中，重子这个术语指的是由三个夸克(或三个反夸克形成一个反粒子)组成的复合粒子。在这个理论中，它是一种强子。值得注意的是重子不是基本粒子，因为它们属于复合粒子。最常见的重子是构成日常物质核心的质子和中子。与反质子和反中子一起，它们被称为核子。天文学家已经发现了许多连接宇宙中星系的高温和散射“气体”，但他们不知道这些“气体”中有什么物质，目前的发现解决了天文学家的疑问。

虽然这些丝状“气体”的温度不够高，但它们不会释放出太多能量，所以很难用x光望远镜观察这些物质。然而，研究人员通过一种被称为“运动学SZ(sunyaev-zeldovich)效应”的现象证实了这些物质的存在，这种现象描述了大爆炸通过热气体时留下的光的状态。

你可能听说过对暗物质的探索。所谓的暗物质是一种神秘的物质，被认为遍布宇宙。我们可以通过重力间接地观察到这种神秘物质的影响。举例来说，为了给出一个直观的解释，根据目前观察到的情况，某处有一个单位的普通物质，但这次我们的计算机模拟宇宙模型观察到了两个单位的普通物质，所以双倍数量的“消失物质”是研究结果的关键。

由两个独立研究小组发现的“消失物质”——由称为重子的粒子组成，而不是暗物质。连接星系的细丝由重子组成。法国空间天体物理研究所的谷村秀树团队堆叠了26万个二进制数据，而英国爱丁堡大学的安娜·德·格拉夫团队使用了100多万个二进制数据。这两个团队发现了星系间气体丝的确凿证据。塔尼穆拉的团队发现气体丝的密度几乎是预测的正常宇宙物质的三倍，格拉夫的团队发现它们的密度是正常宇宙物质的六倍，这证实了这些区域的气体足够厚，可以形成丝。

“很明显，我们两个团队的观察结果有所不同，这是我们在观察前就预料到的，因为我们观察的距离不同，所以结果也不同，”谷村说。“如果克服了这个因素，我们的观察结果将与另一个团队的结果非常一致。”

两个团队都从斯隆数字天空测量项目中选择了一个双星系统进行研究。双星系统被认为是由重子连接的。他们将普朗克信号叠加在两个星系区域之间，这样就可以探测到弱重子。

“每个人都知道它的存在，但现在，我们两个不同的团队肯定发现了这种物质，”马萨诸塞州哈佛-史密森尼天体物理中心的拉尔夫·克拉夫特说。“重子的观察很好地证明了我们关于星系如何形成和宇宙历史的许多观点是正确的。"

2015年哈勃体积中的普朗克卫星微波辐射背景图。因为星系之间的气体非常扩散，所以它们产生的黑点太弱，无法直接在普朗克图上看到。

迄今为止对宇宙的测量表明，宇宙的大部分质量似乎来自“暗物质”，一种通过万有引力定律与常规物质相互作用的无形物质。尽管付出了巨大努力，科学家们仍未直接探测到暗物质。他们已经尝试了许多不同的方法，例如，意大利国家核物理研究所的PVLAS探测器小组正试图找到被称为轴子的粒子。这是一个假设的亚原子粒子，被许多人认为是暗物质的候选成分之一。通过研究轴子与反物质相互作用的方式，该团队希望找到暗物质的潜在线索。

轴突可能只是暗物质的第二大候选粒子，仅次于大质量弱相互作用粒子(WIMP)。这种粒子仍处于理论阶段，尚未被发现。

事实上，理论预测中的轴子质量非常小(只有1/5000亿到1/5000万电子)。科学家首次提出这个概念的原因是为了解决粒子物理学中的CP守恒问题。后来科学家意识到这些粒子可能解释了宇宙中的额外质量。

在搜寻暗物质粒子的同时，科学家们也在试图理解反物质。正如普通物质由普通粒子组成一样，反物质也由反粒子组成。作为粒子物理学中反粒子概念的延伸，反物质有点像物质的“邪恶孪生兄弟”:每个亚原子粒子都有一个质量相同但电荷相反的对应反粒子。当粒子遇到反粒子时，它们会吸引、碰撞并完全转化为光，同时释放出巨大的能量——这一过程称为湮灭。反物质并不特别罕见。它可以发生在地球上典型的原子衰变过程中，也可以在实验室人工制造。然而，在今天可见的宇宙中，反物质比常规物质少得多。这种正负物质的明显不对称已经成为物理学中最大的难题之一。

该论文的第一作者、日本科学化学研究所(RIKEN)的研究员克里斯蒂安·斯摩拉(Christian S. Smola)说，科学家普遍认为暗物质与物质和反物质的相互作用方式相同，但“这一假设尚未得到实验的证实，因为在原子物理学中，对暗物质的探索使用的是物质探测器，而不是反物质探测器。也许反物质与暗物质的相互作用不同于普通物质。

来自日本、德国、瑞士和美国的研究人员正在使用欧洲核子研究中心的重子-反重子对称实验来获取数据。欧洲核子研究中心的反质子延迟器可以产生和减缓反质子，并通过基地在极端真空中捕获反质子。2017年，国际团队对这些反质子进行了三个月的精确测量，以观察它们在磁场中的行为。

现在，科学家们重新检查了数据，寻找反质子自旋进动的变化。自旋是粒子的固有属性，使它们有点像自旋陀螺的量子版本。与理论暗物质粒子轴子的相互作用可能会改变粒子绕旋转轴旋转的方式。

这种寻找轴子的策略还有一个额外的好处:如果暗物质和反物质之间的相互作用不同于普通物质，那么轴子可能有助于解释为什么宇宙中物质比反物质多得多。

根据发表在《自然》杂志上的新论文，研究人员没有发现轴子的证据。在暗物质研究中，这样的结果可以说是正常的。然而，在这个物理时代，各种显而易见的事情都被发现了。科学家必须花费大量时间来消除暗物质不具备的属性，并希望最终从所有这些无效的结果中找到答案。

这是一个重要的粒子搜索过程。“我很高兴有人关注轴子耦合，而不是轴子-光子耦合，”新罕布什尔大学物理学助理教授钱德·普雷斯科特-温斯坦说。换句话说，一些科学家最终试图找到与普通粒子相互作用的轴子，而不是专注于轴子和轻粒子之间的相互作用。

尽管研究还没有给出明确的结果，但是科学家们的研究还没有结束。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家吉安保罗·卡罗西在《自然》杂志的一篇评论中写道:“未来的工作应该进一步关注轴子-反质子耦合，以找到轴子暗物质和其他反物质形式(如电子的反粒子)之间相互作用的证据。”

卡罗西说，研究小组接下来应该提高他们的测量灵敏度。至于轴子，我们知道它们的质量很小，但可能的范围很大，电荷和自旋都为零。无论如何，科学家对暗物质的探索将会继续。

如果反物质是黑暗宇宙的入口...

宇宙反物质

要想弄明白宇宙中有没有反物质, 首先要弄明白什么是反物

质。

反物质是和物质相对立的一个概念。众所周知, 原子是构成

化学元素的最小粒子, 它由原子核和电子组成。原子的中心是原子核, 原子核由质子和中子组成, 电子围绕原子核旋转。原子核里的质子带正电荷, 电子带负电荷。从它们的质量看, 质子是电子的

1840 倍, 形成了强烈的不对称性。因此, 20 世纪初有一些科学家

就提出疑问, 二者相差这么悬殊, 会不会存在另外一种粒子, 它们的电量相等而极性相反, 比如, 一个同质子质量相等的粒子, 可带

的是负电荷, 另一个同电子质量相等的粒子, 可带的正电荷。 1928 年, 英国青年物理学家狄拉克从理论上提出了带正电荷

“电子”的可能性。这种粒子, 除电荷同电子相反外, 其他都一样。

1932 年, 美国物理学家安德逊经过实验, 把狄拉克的预言变成了

现实。他把一束 Y 射线变成了一对粒子, 其中一个是电子, 而另

一个同电子质量相同的粒子, 带的就是正电荷。1955 年, 美国物

理学家西格雷等人在高能质子同步加速器中, 用人工方法获得了

反质子, 它的质量同质子相等, 却带负电荷。1978 年 8 月, 欧洲一

些物理学家又成功地分离并储存了 300 个反质子。1979 年, 美国新墨西哥州立大学的科学家把一个有 60 层楼高的巨大氦气球, 放

到离地面 35 千米的高空, 飞行了 8 个小时, 捕获了 28 个质子。从

此, 人们知道了每种粒子都有相应的反粒子。

人们根据反粒子, 自然联想到反原子的存在。一个质子和一

· 30 ·

个带负电荷的电子结构, 便形成了原子。那么, 一个反质子和一个

带正电荷的“电子”结合, 不就形成了一个反原子了吗 ? 类推下去,岂不会形成一个反物质世界吗 ? 于是有人认为, 宇宙是由等量的

物质和反物质构成的。

从理论上看, 宇宙中应该存在一个反物质世界。可事实并不

这么简单。经研究发现, 粒子和反粒子一旦相遇, 他们就会“同归

于尽”, 从而转化成高能量的光子辐射。可这种光子辐射人们至今还没有发现。在我们地球上很难找到反物质, 因为它一旦遇到无处不在的普通物质就会湮灭。

那么, 宇宙中存在着反物质吗 ? 存在着一个反物质世界吗 ?

按照对称宇宙学的观点, 它们是存在的。这一学派认为, 我们所看

到的全部河外星系( 包括银河系在内) , 原本不过是个庞大而又稀

薄的气体云, 由等离子体构成。等离子体既包含粒子, 又包含反粒

子。当气体云在万有引力作用下开始收缩时, 粒子和反粒子接触

的机会就多了起来, 便产生了湮灭效应, 同时释放出巨大能量, 收缩的气体云开始膨胀。这就是说, 等离子体云的膨胀, 是由正、反粒子的湮灭引起的。

按照这种说法推论, 在宇宙中的某个地方, 一定存在着反物质世界。如果反物质世界真的存在的话, 那么, 它只有不与物质会合

才能存在。可物质和反物质怎样才能不会合呢 ? 为什么宇宙中的反物质会这么少呢 ? 这些都是待解之谜。

宇宙物质的能量和能星空间再微小的物质粒子在碰撞时都会发出能量，可以说物质是由能量组成的，为什么？而且每一种宇宙物质结构都存在能量空间，宇宙物质从微观到宏观基本上都是按能量大小的比例独立存在于空间的，例如原子、分子，恒星、星系、星系群、星系团等等，它们存在的空间尺度基本上都是有一定比例规律的，这种存在空间的尺度比例是由它们的能量的大小决定的。这些宇宙存在的普遍现象是什么原因导致的？这些都将在我们建立的新宇宙模型中得到具体的解释。

顾名思义，反物质是物质的逆态。当正负物质相遇时，它们会相互湮灭。根据大爆炸理论，在“零时间”，早期宇宙产生等量的物质和反物质。但是现在，从最小的生命形式到最大的宇宙物体，我们看到的几乎一切都是由物质组成的。

那么，为什么所有的物质和反物质没有相互湮灭，留下像宇宙这样的庞然大物呢？在探索这一重大科学问题的过程中，科学家们发现自己面临着一个更大、更哲学的问题。

最近，欧洲核研究组织阿尔法项目的研究人员进行了一项新的研究。他们以有史以来最高的精确度测量反氢原子。他们希望找到一些差异来解释物质和反物质之间的不对称性。

丹麦奥尔胡斯大学的物理学家杰弗里·杭斯特是这项研究的负责人。研究人员将90，000个反质子与300万个正电子(电子的反物质)混合，产生了50，000个反氢原子。他们用磁场捕获这些反氢原子，防止它们接触物质并导致自我毁灭。接下来，研究人员用激光探测这些反氢原子，并分析它们的反应来研究反物质。不同物质类型的原子吸收不同频率的光。根据一个流行的理论，氢原子和反氢原子应该吸收相同频率的光。

最新的测量结果显示，氢原子和反氢原子似乎确实吸收了相同频率的光。这两种测量方法的结果是一致的，精确度为万亿分之二——与以前的研究相比，这项研究将精确度提高了100倍。

诚然，研究中涉及的科学内容令人印象深刻。然而，它没有透露任何我们不知道的事情。然而，研究人员认为，这可能是因为对于普通氢原子来说，精确度仍然不够高，而提高精确度也许能够扭转这种情况。因此，研究小组打算在以下实验中提高精确度。

与浩瀚的宇宙相比，我们这些生活在地球上的人是如此的渺小，以至于一粒沙子都无法与我们相比。

每当你看着星星，你会被浩瀚的宇宙震惊吗？

宇宙一直被认为是无穷无尽的。然而，随着天文望远镜技术的不断发展，人类以前看不到的宇宙结构今天被天体物理学家发现了。这指的是离地球100亿光年的星座，天文学家刚刚在那里发现了一个跨越35亿光年的巨大宇宙墙！

《新科学家》杂志最近发表的一篇论文称，在距离地球150亿光年的地方发现了一堵跨越30亿光年的太空墙，将我们的宇宙与外界隔开。

这面墙是空的。没有像银河系那样的星系，没有星云，甚至没有暗物质。科学仪器绘制的次声模式显示那里异常寒冷。宇宙中的任何能量和物质似乎都与这堵墙隔离开来。它是如此的空，以至于真空能量也可能不存在。

在此之前，天文学家曾发现一个跨越10亿光年的空白区域。当时，科学家没有宇宙墙的概念。直到发现了更大跨度的空间，天文学家才称之为“宇宙墙”这个巨大的空洞结构无法用现有的宇宙框架理论来解释。因此，科学家怀疑这可能与另一个宇宙有关。如果这个推论成立，那么我们现在所知道的宇宙实际上是有边界的，也就是说，宇宙是有终点的，但同时我们也知道宇宙之外还有一个宇宙，它是一个平行的或紧密相邻的宇宙。

螺旋星系

“我们目前的标准宇宙无法解释如此巨大的空洞结构。我们不确定是什么导致它拒绝任何宇宙已知的结构物质或能量进入它。它的隔离能力让我们想起了一个真实的东西——墙！既然我们宇宙的结构无法解释它，那么，或者说，另一个宇宙站在我们宇宙的边缘，这无疑是一个问题。”研究人员霍顿如此富有想象力地向《新科学家》杂志解释道。

我们现在知道的宇宙大约有935亿光年宽，这个巨大的“宇宙墙”占我们当前宇宙的3.74%。天文学家们真的很惊讶，一堵墙能占这么大的比例！

然而，这一观点仍基于猜测。这是否是我们宇宙的边界，另一个宇宙是否存在，仍有待科学家进一步研究。如果证明这是两个宇宙之间的“宇宙墙”，那么我们现有的宇宙可能会被改写！

如果这个消息是真的，那真的有点吓人。我们的宇宙被一堵墙包围着，这表明我们很可能是被更高的文明囚禁的实验场。结果有点令人震惊。在这个基础上，我们可能真的只是其他先进文明眼中的老鼠。

大约百分之27%的宇宙是由暗物质组成

暗物质

大约百分之27%的宇宙是由暗物质组成的，不过令人惊讶的是，目前为止，科学家们还不清楚暗物质是什么。这是因为暗物质无法被现代仪器直接观测到，所以它是100%隐形的。不过科学家们却对它的存在坚信不移。

因为他们已经在很多银河和银河群里观测到暗物质的重力影响。在欧洲核子研究中心大型强子对撞机工作的科学家们，最近在进行实验，希望通过实验生成并研究暗物质颗粒找到破解这个谜团的方法。

据国外媒体报道，目前，科学家们首次观察到一种难以捉摸的物质类型，其中含有短命的“虚拟粒子”，这可能是我们对早期宇宙认识的重大突破。

这种最新类型的奇怪物质被认为是大爆炸后物质起源的窗口。在这项最新的研究中，一个国际研究小组证实了一个奇怪的原子核的存在，它包含两个质子和一个叫做“k介子”的瞬态粒子。

根据日本科学和化学研究所的创新研究集群(CPR)，介子是一种存在时间很短的介子，负责调节质子和中子之间的作用力。

介子由一对夸克-反夸克对组成。据报道，日本物理学家汤川秀树首次提出介子存在的概念已经有几十年了。然而，介子的短期存在使得很难准确地找到介子。

由于介子的存在时间很短，它本质上是一个“虚拟粒子”，很快就会出现和消失。为了定位这些粒子，来自PARC E15国际合作署的研究人员试图将它们与中子和质子一起定位在原子核中，在那里它们可以结合形成粒子。

该研究小组使用氦-3作为目标，包括两个质子和一个中子，并通过分解中子来减少介子能量。利用中子爆发的后坐力，他们可以用k介子取代它，然后k介子就紧紧地束缚在原子核上。

该团队表示，由此产生的原子核包含两个质子和一个介子。这项突破性的研究将有助于解释质量是如何在宇宙诞生后出现的，并可能增强我们对量子现象的理解。

这项研究的主要作者岩崎正彦说:“这项研究之所以重要，是因为我们已经证明了介子可以像糖一样作为核物质中的真实粒子存在，不溶于水。”

这为观察和理解原子核开辟了一条新的途径。理解这些奇怪的原子核将使我们对核质量的起源和中子星核心物质是如何形成的有更深的理解。

岩崎正彦说:“我们打算继续使用更重的原子核进行实验，以进一步了解介子的结合行为。”