。當(dāng)射電天文學(xué)家在星際空間找到6到8個(gè)原子的分子時(shí)，他們把它叫做復(fù)雜分子，因?yàn)闆](méi)有人會(huì)想到在險(xiǎn)惡的宇宙空間可以找到這種東西。但是生化學(xué)家可能會(huì)把這種分子稱為很簡(jiǎn)單的分子。 什么叫元素? 在整個(gè)宇宙，只有92種自然產(chǎn)生的元素。唯一的決定這種特定的元素是這種元素而不是其它的元素的是在原子核里的質(zhì)子數(shù)量。例如，在宇宙中每個(gè)原子核里有一個(gè)質(zhì)子的原子是氫，每個(gè)核里有兩個(gè)質(zhì)子的原子是氦而不會(huì)是其他。碳原子有6個(gè)質(zhì)子，氧原子有8個(gè)質(zhì)子等等。一直到核里有92個(gè)質(zhì)子的鈾。原子核里有相同質(zhì)子和電子數(shù)的元素具有相似的化學(xué)性質(zhì)，為了簡(jiǎn)便，科學(xué)家們按照質(zhì)子數(shù)目把元素進(jìn)行了分組，這就是元素周期表。世界上每個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里或課堂上通常會(huì)有這么一張。這是世界的藍(lán)本，因?yàn)榫?2個(gè)基本的元素構(gòu)成了我們的世界。Armand Deutsch許多年前寫(xiě)過(guò)精彩的科學(xué)小說(shuō)。一組未來(lái)的考古學(xué)家在開(kāi)鑿古火星人的文明遺跡，發(fā)現(xiàn)了一所大學(xué)。他們正為無(wú)法破解火星語(yǔ)言而感到困惑的時(shí)候來(lái)到一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室的墻上發(fā)現(xiàn)了元素周期表---一個(gè)馬上被他們識(shí)別的東西。因?yàn)樗砹送ㄓ玫?，超越文化甚至是種族的東西。所以，元素周期表成了破解火星語(yǔ)言的敲門磚。核中具有少量質(zhì)子的元素有時(shí)被稱為輕元素或簡(jiǎn)單元素；有大量原子的就叫重元素或復(fù)雜元素?！ ∥镔|(zhì)有多少種狀態(tài)? 物質(zhì)典型存在于三種態(tài)。我們知道三態(tài)分別是：固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)。在特定的時(shí)間特定的地點(diǎn)物質(zhì)處于什么態(tài)取決于物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)，環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)。在地球上，我們找一個(gè)事物為例，我們能看到它的三個(gè)態(tài)。它由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成：。在一般情況下，當(dāng)溫度低于華氏32度時(shí)我們稱之為冰，當(dāng)溫度在華氏32度到212度之間時(shí)我們稱之為水，高于華氏212度時(shí)，我們稱之為水蒸氣。（在非常高的溫度下，氫和氧原子之間的鍵被打破，它的本質(zhì)就不再是水蒸氣，就是氫氣和氧氣的混合氣體 反物質(zhì) 反物質(zhì)是物質(zhì)的鏡像。物質(zhì)由原子組成，原子又由質(zhì)子、中子和電子組成。質(zhì)子帶正電，電子帶...通常物質(zhì)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)反物質(zhì)，即使在實(shí)驗(yàn)條件下，反質(zhì)子也一瞬即逝?！ ‘?dāng)你照鏡子時(shí)，看一看在鏡子中的那個(gè)你，如果那個(gè)鏡子里的家伙真的存在，并出現(xiàn)在你的面前，會(huì)怎么樣呢？ 科學(xué)家們已經(jīng)考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題，他們把鏡子中的那個(gè)你叫做“反你”。他們甚至想象很遠(yuǎn)的地方有一個(gè)和我們現(xiàn)在的世界很象的世界，或者說(shuō)是我們的世界在鏡子里的像。它將是一個(gè)由反恒星、反房子、反食物等所有的反物質(zhì)構(gòu)成的反世界。但是反物質(zhì)是什么，這一切又可能是真實(shí)的嗎？ 對(duì)于“反物質(zhì)是什么”這個(gè)問(wèn)題，并沒(méi)有惡作劇的意味。反物質(zhì)正如你所想象的樣子——是一般物質(zhì)的對(duì)立面，而一般物質(zhì)就是構(gòu)成宇宙的主要部分。直到最近，宇宙中反物質(zhì)的存在還被認(rèn)為是理論上的。在1928年，英國(guó)物理學(xué)家PaulA.M.Dirac修改了愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程（E=mc2）。Dirac說(shuō)愛(ài)因斯坦在質(zhì)能方程中并沒(méi)有考慮“m”——質(zhì)量——除了正的屬性外還有負(fù)屬性。Dirac的方程（E=+或者-mc2）允許宇宙中存在反粒子。而且科學(xué)家們也已經(jīng)證明了幾種反粒子的存在。這些反粒子，顧名思義，是一般物質(zhì)的鏡像。每種反粒子和與它相應(yīng)的粒子有相同的質(zhì)量，但是電荷相反。以下是20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的一些反粒子?！ ≌娮印獛в幸粋€(gè)負(fù)電荷而不是帶有一個(gè)正電荷的電子。由CarlAnderson在1932年發(fā)現(xiàn)，正電子是反物質(zhì)存在的第一個(gè)證據(jù)。反核子——帶有一個(gè)負(fù)電荷而不是通常帶有一個(gè)正電荷的核子。由研究者們?cè)?955年的伯克利質(zhì)子加速器上產(chǎn)生了一個(gè)反質(zhì)子。 反原子——正電子和反質(zhì)子組合在一起，由CERN的科學(xué)家制造出第一個(gè)反質(zhì)子（CERN是歐洲核子研究中心的簡(jiǎn)稱）。共制造了九個(gè)反氫原子，每一個(gè)的生命只有40納秒。到1998年CERN的研究者把反氫原子的產(chǎn)量增加到了每小時(shí)2000個(gè)。當(dāng)反物質(zhì)和物質(zhì)相遇的時(shí)候，這些等價(jià)但是相反的粒子碰撞產(chǎn)生爆炸，放射出純的射線，這些射線以光速穿過(guò)爆炸點(diǎn)。這些產(chǎn)生爆炸的粒子被完全消滅，只留下其它亞原子粒子。物質(zhì)和反物質(zhì)相遇所產(chǎn)生的爆炸把兩種粒子的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成能量?？茖W(xué)家們相信這種方法產(chǎn)生的能量比任何其它推進(jìn)方法產(chǎn)生的能量強(qiáng)的多。所以，為什么我們不能建一個(gè)物質(zhì)——反物質(zhì)反應(yīng)機(jī)呢？建造反物質(zhì)推進(jìn)機(jī)的困難之處在于宇宙中反物質(zhì)的缺乏。如果宇宙中存在相等數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)，我們將可能看到圍繞我們的這些反應(yīng)。既然我們的周圍并不存在反物質(zhì)，我們也不會(huì)看到物質(zhì)和反物質(zhì)碰撞所產(chǎn)生的光?！ ≡诖蟊óa(chǎn)生時(shí)粒子數(shù)超過(guò)反粒子數(shù)是可能的。如上所述，粒子和反粒子的碰撞把兩者都破壞掉了。并且因?yàn)殚_(kāi)始的時(shí)候有更多的粒子存在，所以現(xiàn)在的粒子是所有留下來(lái)的那些。今天在我們的宇宙中可能已經(jīng)沒(méi)有留下任何天然的反粒子。但是，在1977年科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在銀河系中心附近有一個(gè)可能的反物質(zhì)源。如果那個(gè)地方真的存在，也意味著存在天然的反物質(zhì)，所以我們將不再需要制造反物質(zhì)。 但是目前，我們將不得不創(chuàng)造我們自己的反物質(zhì)。幸運(yùn)的是，通過(guò)使用高能粒子對(duì)撞機(jī)（也叫做離子加速器）這種技術(shù)制造反物質(zhì)是可行的。離子加速器，象CERN，是沿很強(qiáng)的環(huán)繞的超磁場(chǎng)排列的一些巨大的隧道，超磁場(chǎng)可以使原子以接近光速的速度推進(jìn)。當(dāng)原子通過(guò)加速器出來(lái)時(shí)，它轟擊目標(biāo)，創(chuàng)造出粒子。這些粒子中的一些就是用磁場(chǎng)分離的反粒子。這些高能離子加速器每年只能產(chǎn)生幾個(gè)毫微克的反核子。一毫微克是一克的十億分之一。所有一年之內(nèi)在CERN產(chǎn)生的反核子只夠一個(gè)100瓦的電燈泡亮3秒鐘。如果要用反核子進(jìn)行星際旅行將需要消耗幾噸才能實(shí)現(xiàn)?！ “滴镔|(zhì) 什么是暗物質(zhì)？暗物質(zhì)(包括暗能量)被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，它代表了宇宙中90%以上的物質(zhì)含量，而我們可以看到的物質(zhì)只占宇宙總物質(zhì)量的10%不到(約5％左右)。暗物質(zhì)無(wú)法直接觀測(cè)得到，但它卻能干擾星體發(fā)出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到?？茖W(xué)家曾對(duì)暗物質(zhì)的特性提出了多種假設(shè)，但直到目前還沒(méi)有得到充分的證明。 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6.3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?！ ≡谝胗钪媾蛎浝碚撝螅S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?！ ‘?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?！ “的芰客瑫r(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?，F(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?！ 〔贿^(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)?！ ×硪环矫?，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?！ ≡陂_(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=0.99±0.04?！ 〉侨绻覀儾涣私獍滴镔|(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)中的基本暗性粒子，它具有壽命長(zhǎng)、溫度低、無(wú)碰撞的特殊特性。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)。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)?！ 〉蜏?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1μeV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?！ “滴镔|(zhì)和暗能量是世紀(jì)謎題 21世紀(jì)初科學(xué)最大的謎是暗物質(zhì)和暗能量。它們的存在，向全世界年輕的科學(xué)家提出了挑戰(zhàn)。暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上?！ “的芰扛瞧婀?，以人類已知的核反應(yīng)為例，反應(yīng)前后的物質(zhì)有少量的質(zhì)量差，這個(gè)差異轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質(zhì)的質(zhì)量全部消失，完全轉(zhuǎn)化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質(zhì)能量的14倍以上?！ ∮钪嬷饪赡苡泻芏嘤钪? 圍繞暗物質(zhì)和暗能量，李政道闡述了他最近發(fā)表文章探討的觀點(diǎn)。他提出“天外有天”，指出“因?yàn)榘的芰?，我們的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我們的宇宙在加速地膨脹”且“核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連”。 暗物質(zhì)是誰(shuí)最先發(fā)現(xiàn)的呢？ 1915年，愛(ài)因斯坦根據(jù)他的相對(duì)論得出推論：宇宙的形狀取決于宇宙質(zhì)量的多少。他認(rèn)為，宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達(dá)到每立方厘米5×10的負(fù)30次方克。但是，迄今可觀測(cè)到的宇宙的密度，卻比這個(gè)值小100倍。也就是說(shuō)，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)“失蹤”了，科學(xué)家將這種“失蹤”的物質(zhì)叫“暗物質(zhì)”?！ ∫恍┬求w演化到一定階段，溫度降得很低，已經(jīng)不能再輸出任何可以觀測(cè)的電磁信號(hào)，不可能被直接觀測(cè)到，這樣的星體就會(huì)表現(xiàn)為暗物質(zhì)。這類暗物質(zhì)可以稱為重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。 還有另一類暗物質(zhì)，它的構(gòu)成成分是一些帶中性的有靜止質(zhì)量的穩(wěn)定粒子。這類粒子組成的星體或星際物質(zhì)，不會(huì)放出或吸收電磁信號(hào)。這類暗物質(zhì)可以稱為非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)?！ bell 2390星系團(tuán)(上半圖)和MS2137.3-2353星系團(tuán)(下半圖)，距離我們約有20億光年遠(yuǎn)。上圖右半方的影像，是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝的假色照片，而相對(duì)應(yīng)的左半方影像，是由錢卓拉X射線觀測(cè)站所拍攝的X射線影像。雖然哈勃望遠(yuǎn)鏡的影像中，可以看到數(shù)量眾多的星系，但在X射線影像里，這些星系的蹤影卻無(wú)處可尋，只見(jiàn)到一團(tuán)溫度有數(shù)百萬(wàn)度，而且會(huì)輻射出X射線的熾熱星系團(tuán)云氣。除了表面上的差異外，這些觀測(cè)其實(shí)還含有更重大的謎團(tuán)呢。因?yàn)橛曳接跋裰行窍档目傎|(zhì)量加上左方云氣的質(zhì)量，它們所產(chǎn)生的重力，并不足以讓這團(tuán)熾熱云氣乖乖地留在星系團(tuán)之內(nèi)。事實(shí)上再怎么細(xì)算，這些質(zhì)量只有“必要質(zhì)量”的百分之十三而已！在右方哈伯望遠(yuǎn)鏡的深場(chǎng)影像里，重力透鏡效應(yīng)影像也指出造成這些幻像所需要的質(zhì)量，大于哈勃望遠(yuǎn)鏡和錢卓拉觀測(cè)站所直接看到的。天文學(xué)家認(rèn)為，星系團(tuán)內(nèi)大部分的物質(zhì)，是連這些靈敏的太空望遠(yuǎn)鏡也看不到的“ 暗物質(zhì)”?！ ?930年初，瑞士天文學(xué)家茲威基發(fā)表了一個(gè)驚人結(jié)果：在星系團(tuán)中，看得見(jiàn)的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見(jiàn)的。不過(guò)，茲威基的結(jié)果許多人并不相信。直到1978年才出現(xiàn)第一個(gè)令人信服的證據(jù)，這就是測(cè)量物體圍繞星系轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。我們知道，根據(jù)人造衛(wèi)星運(yùn)行的速度和高度，就可以測(cè)出地球的總質(zhì)量。根據(jù)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的速度和地球與太陽(yáng)的距離，就可以測(cè)出太陽(yáng)的總質(zhì)量。同理，根據(jù)物體（星體或氣團(tuán)）圍繞星系運(yùn)行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系范圍內(nèi)的總質(zhì)量。這樣計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，星系的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于星系中可見(jiàn)星體的質(zhì)量總和。結(jié)論似乎只能是：星系里必有看不見(jiàn)的暗物質(zhì)。那么，暗物質(zhì)有多少呢？根據(jù)推算，暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總量的20—30%才合適。 天文學(xué)的觀測(cè)表明，宇宙中有大量的暗物質(zhì)，特別是存在大量的非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。據(jù)天文學(xué)觀測(cè)估計(jì)，宇宙的總質(zhì)量中，重子物質(zhì)約占2%，也就是說(shuō)，宇宙中可觀測(cè)到的各種星際物質(zhì)、星體、恒星、星團(tuán)、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質(zhì)量的2%，98%的物質(zhì)還沒(méi)有被直接觀測(cè)到。在宇宙中非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)當(dāng)中，冷暗物質(zhì)約占70%，熱暗物質(zhì)約占30%?！ ?biāo)準(zhǔn)模型給出的62種粒子中，能夠穩(wěn)定地獨(dú)立存在的粒子只有12種，它們是電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子、光子、3種中微子、3種反中微子和引力子。這12種穩(wěn)定粒子中，電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子是帶電的，不能是暗物質(zhì)粒子，光子和引力子的靜止質(zhì)量是零，也不能是暗物質(zhì)粒子。因此，在標(biāo)準(zhǔn)模型給出的62種粒子中，有可能是暗物質(zhì)粒子的只有3種中微子和3種反中微子。 20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)天文學(xué)家艾倫森發(fā)現(xiàn)，距我們30萬(wàn)光年的天龍座矮星系中，許多碳星(巨大的紅星)周圍存在著穩(wěn)定的暗物質(zhì)，即這些暗物質(zhì)受到嚴(yán)格的束縛。高能熱粒子和能量適中的暖粒子是難以束縛住的，它們會(huì)到處亂竄，只有運(yùn)行很慢的“冷粒子”才能束縛住。物理學(xué)家認(rèn)為那是“軸子”，它是一種非常穩(wěn)定的冷“微子，質(zhì)量只有電子質(zhì)量的數(shù)百萬(wàn)分之一。這就是暗物質(zhì)的軸子模型?！ ≥S子模型是否成立，最終得由實(shí)驗(yàn)裁決。最近，還有人提出，暗物質(zhì)可能是一種稱做“宇宙弦”的弦狀物質(zhì)，它產(chǎn)生于大爆炸后的一秒期間內(nèi)，直徑為1萬(wàn)億億億分之一厘米，質(zhì)量密度大得驚人，每寸長(zhǎng)約1億億噸。這種理論是否成立，同樣有待科學(xué)家進(jìn)一步研究。 為探索暗物質(zhì)的秘密，世界各國(guó)的粒子物理學(xué)家正在這個(gè)領(lǐng)域努力工作，相信揭開(kāi)暗物質(zhì)神秘面紗的那一天不會(huì)太遙遠(yuǎn)了?！ ≡谝胗钪姹q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?！ ‘?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。 暗物質(zhì)的蹤跡 暗物質(zhì)是相對(duì)可見(jiàn)物質(zhì)來(lái)說(shuō)的。所謂可見(jiàn)物質(zhì)，除發(fā)射可見(jiàn)光的物質(zhì)外，還包括輻射紅外線等其他電磁波的物質(zhì)。雖然宇宙中的可見(jiàn)物質(zhì)大部分不能用肉眼直接看到，但探測(cè)它們發(fā)出的各種電磁波就可以知道它們的存在。暗物質(zhì)不輻射電磁波，但有質(zhì)量?！ 】茖W(xué)家為什么會(huì)提出“暗物質(zhì)”這個(gè)概念？宇宙中有沒(méi)有暗物質(zhì)？ 在物理學(xué)中，把狀態(tài)變化的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”成為“臨界點(diǎn)”，比如水變成冰，溫度臨界值（或者說(shuō)“臨界點(diǎn)”）為0℃。宇宙學(xué)的研究認(rèn)為，宇宙中物質(zhì)的平均密度，與決定宇宙是膨脹還是收縮的臨界值，相差不會(huì)超過(guò)百萬(wàn)分之一。可是，宇宙中發(fā)可見(jiàn)光的恒星和星系的物質(zhì)總量不到臨界值的1%，加上輻射其他電磁波的天體，如行星、白矮星和黑洞等，最多也只有臨界值的10%?！ ‖F(xiàn)已知道，宇宙的大結(jié)構(gòu)呈泡沫狀，星系聚集成“星系長(zhǎng)城”，即泡沫的連接纖維，而纖維之間是巨大的“宇宙空洞”，即大泡泡，直徑達(dá)1~3億光年。如果沒(méi)有一種看不見(jiàn)的暗物質(zhì)的附加引力“幫忙”，這么大的空洞是不能維持的，就像屋頂和橋梁的跨度過(guò)大不能支持一樣。 我們的宇宙盡管在膨脹，但高速運(yùn)動(dòng)中的個(gè)星系并不散開(kāi)，如果僅有可見(jiàn)物質(zhì)，它們的引力是不足以把各星系維持在一起的?！ ∥覀冎?，太陽(yáng)系的質(zhì)量，99.86%集中在太陽(yáng)系的中心即太陽(yáng)上，因此，離太陽(yáng)近的行星受到太陽(yáng)的引力，比離太陽(yáng)遠(yuǎn)的行星大，因此，離太陽(yáng)近的行星繞太陽(yáng)運(yùn)行的速度，比離太陽(yáng)遠(yuǎn)的行星快，以便產(chǎn)生更大的離心加速度（離心力）來(lái)平衡較大的太陽(yáng)引力。但在星系中心，雖然也集中了更多的恒星，還有質(zhì)量巨大的黑洞，可是，離星系中心近的恒星的運(yùn)動(dòng)速度，并不比離得遠(yuǎn)的恒星的運(yùn)動(dòng)速度快。這說(shuō)明星系的質(zhì)量并不集中在星系中心，在星系的外圍區(qū)域一定有大量暗物質(zhì)存在?！ √祗w的亮度反應(yīng)天體的質(zhì)量。所以天文學(xué)家常常用星系的亮度來(lái)推算星系的質(zhì)量，也可通過(guò)引力來(lái)推算星系的質(zhì)量。可是，從引力推算出的銀河系的質(zhì)量，是從亮度推算的銀河系質(zhì)量的十倍以上，在外圍區(qū)域甚至達(dá)五千倍。因而，在那里必然有大量暗物質(zhì)存在?！ ∧敲?，暗物質(zhì)是些什么物質(zhì)呢？ 宇宙學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在宇宙大爆炸初期產(chǎn)生的各種基本粒子中，有一種叫做中微子的粒子不參與形成物質(zhì)的核反應(yīng)，也不與任何物質(zhì)作用，它們一直散布在太空中，是暗物質(zhì)的主要“嫌疑人”?！ 〉形⒆釉?931年被提出來(lái)以后，一直被認(rèn)為質(zhì)量為零。這樣，即使太空是中微子的海洋，也不會(huì)形成質(zhì)量和引力。曾有人設(shè)想存在一種“類中微子”，它的性質(zhì)與中微子類似，但有質(zhì)量?？墒且恢睕](méi)有發(fā)現(xiàn)“類中微子”的存在?！ O小的中微子運(yùn)動(dòng)速度極高，可自由穿透任何物質(zhì)，甚至整個(gè)地球，很難被捕找到。但中微子與物質(zhì)原子和亞原子粒子碰撞時(shí)，會(huì)使他們撕裂而發(fā)出閃光。探測(cè)到這種效應(yīng)就是探到了中微子。但為了避免地面上的各種因素的干擾，必須把探測(cè)裝置（如帶測(cè)量?jī)x器并裝有數(shù)千噸水的水箱）放在很深（如1000米）的地下。 1981年，一名蘇聯(lián)科學(xué)家在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子可能有質(zhì)量。近幾年，日、美科學(xué)家進(jìn)一步證實(shí)中微子有質(zhì)量。如果這個(gè)結(jié)論能得到最后確認(rèn)，則中微子就是人們尋找的暗物質(zhì)?！ ふ野滴镔|(zhì)有著重大的科學(xué)意義。如中微子確有質(zhì)量，則宇宙中的物質(zhì)密度將超過(guò)臨界值，宇宙將終有一天轉(zhuǎn)而收縮。關(guān)于宇宙是繼續(xù)膨脹還是轉(zhuǎn)而收縮的長(zhǎng)久爭(zhēng)論將塵埃落定。。