作者：李淼
出版社：天地出版社
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太空密码试读：
第一讲 太空生活大揭秘
太空中最受欢迎的食物是什么？太空中最好吃的食物是什么？第一美食又是什么呢？对像牙膏和果冻一样的食品已经倒尽胃口的宇航员们，终于迎来了他们的“救星”—鸡尾冷虾。太空食物为了便于储存，一般要做脱水处理，比如用光照灭菌，再做耐热处理，所以肯定很多食物不可口，也许比美军发明的压缩饼干还要难吃。虽然鸡尾冷虾的食材也做过简单的处理，但是它确实属于为数不多能保持口感的食物之一。所以鸡尾冷虾常常被认为是一道太空佳肴。为了照顾宇航员在太空中不敏感的味蕾，他们吃的时候会搭配一款芥末。几十年来，宇航员们都把鸡尾冷虾列为他们最重要的太空料理。
太空食物的制作标准：（1）安全第一；（2）能经受特殊环境的影响；（3）体积小、重量轻、营养丰富；（4）不能含有食物残渣；（5）方便进食。
最初的航天食品只是为了解决宇航员的“温饱问题”。随着航天食品的改进，宇航员在太空的饮食可以做到一周不重样，他们也可以根据自己的爱好点菜。我们在地球上吃到的食物，比如方便面、寿司、各种小零食等，目前在太空都可以吃到。除此之外，食物在太空中还有什么特殊的用途呢？
宇航员在太空发明了取代钱币的通货—曲奇饼干。太空通货最早出现在美国的第一座空间站—天空实验室。地球上的营养师在火箭发射之前为宇航员烤制了一些曲奇饼干，处于太空的宇航员对这些饼干视若珍宝，如果某位宇航员需要别人帮忙，就会拿这个曲奇饼干“行贿”一下，这就是帮忙的代价，一定要付出的。
太空中什么最好玩呢？在太空，最好玩的就是地球上妈妈不让你玩的东西—食物，在太空中没有一个宇航员不做这种游戏。因为食物失重了，可以在舱中漂浮，宇航员就会用嘴来叼食物。当然也有失手的时候，宇航员打开一袋流食，比如酸奶或者汤，如果没叼到，突然一碰就会洒出很多。如果你没有用勺子接好一滴汤，你碰它一下，它可能变成十滴，那就要抓十个泡泡，这就太麻烦了。在太空中吃饭时，宇航员会偶尔用带有魔术贴的金属托盘来放食品，而魔术贴可能会直接粘到舱壁或衣服上，这也挺麻烦的。厨房里的桌子上还有磁性的剪刀和勺子，它们可以吸附在桌子上，这真的很重要，因为勺子和剪刀都失重了，一不小心就会伤到宇航员。
太空进食的注意事项：（1）必须先把脚固定在地板上；（2）把身体固定在座椅上；（3）一定要注意端碗、夹饭、张嘴、咀嚼一连串动作的协调。
太空中最重要的小道具是什么呢？如果你看过《银河系漫游指南》的话，大概能猜到，那就是毛巾。为什么呢？因为在太空中宇航员发生呕吐是很麻烦的。他的呕吐物碰到墙壁会被弹回来，撞到脸上就像有人在他的脸上打了一巴掌，所以，宇航员要提前准备一条毛巾，以便把呕吐物擦干净。打喷嚏也得用到毛巾。在太空中毛巾还有特殊的作用，当宇航员需要私人的空间时，他会把毛巾系在门口，别的宇航员就知道不要去打扰他了，这已经是国际上的通用做法。
一周中宇航员最怕的是哪一天呢？和上班族一样，他们也有“星期一综合症”的症状，就是星期一不想上班。
宇航员在升空后面临的最大风险是什么？答案是火箭发射失败，这当然是最大的风险。从工程学的角度看，科学家研发一种能够克服地球引力的可靠的火箭推进器，将宇航员安全地送上太空，这就是最大的挑战。一旦火箭出现问题，比如火箭爆炸或者偏向，为了保障乘坐的宇航员的生命安全，火箭必须有逃逸系统，可以帮助宇航员脱离险境，这有点像飞机。
火箭发射原理：
火箭是以热气流高速向后喷出，利用其产生的反作用力向前运动的喷气推进装置。它自身携带燃烧剂与氧化剂，不依赖空气中的氧助燃，既可在大气中，又可在外层空间飞行。火箭在飞行过程中随着火箭推进剂的消耗，其质量不断减小，是变质量飞行器。
进入太空之后，宇航员又将面临其他的风险。太空里面的垃圾、其他的航天器产生的垃圾及微型的流星雨，都可能对飞船造成伤害；航天器空气泄漏还可能发生火灾，导致氧气很快耗尽，宇航员也可能因此吸入有毒的气体；来自冷却系统的有毒气体可能会进入船舱，甚至污染宇航服。
太空垃圾的产生方式：（1）来自人造物体，包括已经退役的人造地球卫星与人造物体之间、自然天体与人造物体之间碰撞产生的碎块等；（2）来自运载火箭的末级；（3）来自宇航员在太空活动时产生并被扔到太空中的垃圾，以及在太空行走时不慎遗落在太空的物品（如螺母、工具等）。
对接失败也可能导致飞船相撞，致使船舱破裂。而在未来的深空长期探索任务中，宇航员需要长时间生活在自由落体状态下，时刻受到辐射的伤害，这会影响他们的健康。
飞船在进入大气层时，时速约为7900米/秒，一旦隔热罩失效，整个飞船就可能直接烧毁，因为这个摩擦太大了，所以要保证隔热罩不出现问题。
宇航员在太空行走时会遇到什么状况呢？第一种状况是他们可能会被淹死，你是不是感到很吃惊呢？宇航服是一个小型的航天器，如果一旦出现故障，别的东西进来后跑到头部位置，头盔会进水，水会黏住人的眼睛或者呼吸道，黏住呼吸道就会让宇航员产生窒息的感觉。2013年，一个意大利的宇航员在一次太空行走时，突然发现他的头盔里面开始进水，随后他开始有窒息的感觉。头盔里的水挡住了他的眼睛和耳朵，也挡住了他的鼻子，所以在可能溺水的情况下他不得不停止了太空行走。
太空行走被淹死的原因：
宇航服是小型的航天器，里面各种结构会产生冷却水；头盔内的闭环结构使得冷却水漏出后短时间内积聚在头盔内，可能造成宇航员溺水。
第二种状况是宇航员可能会飘走，我们在一些电影里面也看到过这种情况，比如《地心引力》《2001太空漫游》。连接宇航员的绳索突然被剪断了，接着宇航员飘走了，他会变成太空里的一个孤岛，不光孤独，而且很快会死去。所以，这是他们最担心的一件事。进行太空行走的宇航员身上一定要绑上一根钢绳，钢绳约26米长，这样，如果他突然飘走，失去依靠了，钢绳可以把他拉回来。宇航员通常会跟自己的伙伴一起进行太空行走，出舱的时候他们就会绑在一起。虽然飘走是一个小概率的事件，但是万一他们飘走了怎么办呢？他们还可以通过操纵喷气背包飞回来。
第三种状况可能是我们想象不到的，那就是血液会沸腾，就像水被烧开了一样。我们知道血液的主要成分是水，在真空环境下，它的沸点大大降低，所以血液很容易沸腾，这会造成致命的伤害。
第四种状况是宇航员可能筋疲力尽。2015年10月，美国的两名宇航员进行太空行走时花了7个多小时完成机械臂操纵、电缆和配件这些任务。太空行走之所以需要这么长的时间，部分原因是宇航服太重了，比如有的舱外宇航服重达160千克，而且体积还很大。
一套舱内的宇航服一般需要20多万元人民币，重量为20千克左右，而一套舱外的宇航服造价更高，质量更是大得惊人。那么，你知道宇航服有多贵吗？ 2008年9月27日，我国航天员进行首次太空行走，他们穿的宇航服“飞天”是我国研制的第一套舱外宇航服，历时三年半研制完成，重约120千克，造价约3000万人民币，这可以说是目前国内最贵最重的服装了。
宇航员不是那么简单地待在一个位置上，像我们在地面上进行操作。举个例子，宇航员拧开门把手时，他们的身体也会一同转向，因为处于失重状态，所以他们拧开门把手需要花费更多的力气。除此之外，宇航员还需要将力气用于保持自己身体的稳定性，在失重的条件下，稍微有个力量就会让宇航员旋转，所以，一个看似简单的太空任务真的会让宇航员们特别累。
宇航员从太空回来，身体通常会发生什么变化呢？一般表现在以下几个方面。第一，在失重状态下宇航员身体负荷降低，由于在太空工作宇航员不用负力，长期如此，他们的心肺功能会下降，肌肉也会萎缩，因为他们用不到肌肉。第二，骨头可能会变细，也可能会出现骨质疏松的症状。第三，这个方面大家可能会喜欢，因为在失重状态下，各关节间的体液不再会因为重力而被骨骼压缩，因此人的身高会变得略高。解决这几个问题需要注意锻炼，宇航员在太空中也要不断地锻炼。宇航员在太空失重的情况下，他们的肌肉会萎缩，骨质也会疏松，所以会补充微量元素和钙质，让宇航员的身体不至于受到严重的影响。但在太空工作久了回到地面，也需要一定的时间适应。宇航服
大家在新闻报道中看到宇航员从太空回到地面需要坐轮椅。这到底是为什么呢？主要是因为在太空失重的情况下，宇航员的心血管调节功能下降，回到地面后他会突然感到“重量”，如果他还像平常那样走路或者走得急的话，就会感到一颠一颠的，这会让人非常不舒服。所以宇航员不如不走路，而是坐在轮椅上被人推着走或者抬着走。另外，人在地球上站着时，因为重力的影响，上身的血液会向下流动，一部分血液会储存在下肢的静脉中。此时如果人体相应的调节机制较弱，脑部的血压将会降低，脑部低血压就会使人产生眩晕的感觉。宇航员返回地面后需坐轮椅
长期生活在太空的宇航员在返回地面时身体一般都比较虚弱。太空的射线可能使细菌、病毒产生变异，加上地面上任何一种常见的病毒都可能对宇航员造成致命的伤害，因此，必须对他们实行严格的医学隔离。
我们看到的航天成就，离不开宇航员背后的千辛万苦。宇宙从何而来？为什么用微波炉来解释宇宙大爆炸？宇宙的一切源于一团气体吗？
第二讲 生命真的源于一场大爆炸吗
宇宙的膨胀最初有一个出发点，这个出发点就是宇宙奇点。大部分人认为，奇点爆炸的前一刻不存在时间和空间，我们可以认为，这个奇点在爆炸之前，根本是不存在的。依照这种理论，奇点爆炸后的宇宙就是一个凭空产生的产物。假如这个奇点存在，我们目前的宇宙中，还有其他像奇点的东西吗？答案是肯定有的，那么我们的宇宙就还会产生其他的大爆炸，第二次、第三次，甚至很多次。
宇宙奇点指宇宙引力大坍缩灭亡的零维空间的点，也是宇宙大爆炸诞生的零维空间的点。
宇宙奇点的特征：（1）在奇点宇宙没有空间，宇宙半径趋近于零；（2）压力无限大，温度无限高，密度、热量无限大；（3）时空曲率无限大，体积无限小。
这些大爆炸是否可以被人类观测到呢？虽然我们能观察到远方的星系红移现象，但也不能完全肯定宇宙在膨胀。美国的哈勃空间望远镜也不是固定不动的，它会来回调节自己的方向，而且它自身的运动也会导致红移现象，这仅限于对我们可以看到的物质的观测。在宇宙中还充斥着暗物质和暗能量，这些通过我们平常的观测手段是看不到的。
哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，HST）的命名来自著名天文学家、美国芝加哥大学天文学博士爱德温·哈勃的名字。它是在地球轨道上并且围绕地球转的空间望远镜，它于1990年4月24日在美国肯尼迪航天中心由“发现者号”航天飞机成功发射。
星系红移是星系离我们远去时所观测到的一种光谱发生的变化，其表现为光谱朝红端移动了一段距离。哈勃空间望远镜
美国著名的物理学家、宇宙学家阿兰·古斯在1980年提出了宇宙暴胀理论，也就是说在非常短的时间内宇宙出现急速膨胀。这好比一个原子核（原子核非常小，我们肉眼看不到）突然在极短的时间内膨26胀到像太阳、地球这么大，大约膨胀了10倍，也就是约100亿亿亿倍。宇宙经过爆炸暴胀后，逐渐形成了今天的宇宙。
暴胀理论指出，早期宇宙的空间以指数倍的速度膨胀。这种快速膨胀的过程叫作“暴胀”，是指宇宙在一段时间里以非常大的增长速率膨胀。按照阿兰·古斯的理论，暴胀过程发生在宇宙大爆炸之后的-36-3210～10秒。在暴胀结束后，宇宙继续膨胀，但是膨胀速度则慢得多。
为什么要用微波炉解释宇宙大爆炸呢？ 20世纪60年代，有两个物理学家在美国新泽西州摆弄一个天线，他们无论把这个天线放在什么地方，收到的嗡嗡声总是不消失，这就是来自宇宙深处的、无所不在的微波背景辐射。宇宙中的微波是从哪里来的？在地球上，始终可以接收到来自宇宙深处的微波背景辐射。目前，科学界的一个理论可以回答这个问题，这个理论就是宇宙大爆炸。1927年，比利时天文学家、宇宙学家勒梅特提出大爆炸的假说，科学家根据广义相对论计算出宇宙大爆炸的时间起点大约是137亿年前。整个宇宙诞生的时候，温度和密度非常高，随着不断地膨胀，宇宙才慢慢稀释，慢慢冷却。这个就像是我们吹气球一样，如果这个气球不断地膨胀，而我们不往里面继续吹气，里面的空气会越来越稀薄。
宇宙微波背景辐射：（1）源自宇宙大爆炸后在宇宙空间背景上残余的微波辐射；（2）指频率在300～30万兆赫、波长在1米以下的电磁波；（3）任何物体在向外辐射红外线的同时也辐射微波。
大爆炸宇宙论：（1）宇宙从热到冷的演化史；（2）宇宙不断膨胀后物质密度从密到稀的演化；（3）温度和密度下降后形成原子、原子核、分子并复合成气体；（4）气体凝聚成星云；（5）星云形成恒星和星系。
大爆炸的时间到底有多久？大爆炸到底有没有时间起始点？大爆炸开始时，整个宇宙就是一个“小胖墩”，大小跟一个篮球差不多，那么，如果把所有现在的物质压缩到篮球大小时，可以想象这个宇宙的密度有多高。现在科学界认为宇宙有一个奇点是一个科学事实，这是从爱因斯坦理论，也就是广义相对论，推导出来的。
阿兰·古斯的宇宙暴胀理论认为宇宙在极短的时间内以指数倍膨胀，这个宇宙里面充满了炽热的气体，温度非常高，随着宇宙的膨胀，温度会慢慢地降低。原因很简单，就是因为宇宙在变大后，它的气体的密度会变小。
当宇宙膨胀到足够的大小，温度降低到一定的程度后，其中的各种星体，又是如何产生的呢？下面以恒星的形成做推演。
恒星是如何形成的呢？以太阳为例，太阳起源于一团气体，这团气体在万有引力的作用下收缩，它通常叫作星云。星云中重要的物质，不是那些灿烂的气体云，而是比较暗的一部分，其中包括很多尘埃，这些尘埃虽然密度很大，但我们很难用一般的望远镜看到它的运动过程，因为它的温度太低，所以基本不发光。星云中的尘埃和气体在万有引力的作用下不断聚集、挤压、升温，才最终形成了“恒星”——太阳。
我们现在通过电脑的计算，可以得知恒星是怎么形成的，通过射电望远镜，其实已经可以看到一些早期恒星形成的过程。
恒星是由引力凝聚在一起的一颗球型发光等离子体，靠核聚变产生能量而自身能发热发光的星体。太阳是最接近地球的恒星。恒星
射电望远镜：（1）观测和研究来自天体的射电波的基本设备；（2）可以测量天体射电的强度、频谱和偏振等量。射电望远镜
北宋年间《宋会要》记载：“至和元年五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这个记录说明当年发现了一个超新星，而这个超新星的爆发是在公元1054年，距今大约1000年。可以肯定地说，北宋人看到的超新星就是目前的蟹状星云，这个蟹状星云其实是从一个非常小的地方爆发出来的，那个时候的中国、印度、阿拉伯、日本天文学家都记录了这样的现象。
18世纪，天文学家约翰·贝维斯第一次看到这个星云，在他观测到之后，天文学家查尔斯·梅西耶再次看到了这个星云。1848年罗斯伯爵在比尔城堡观察到了这个星云，他因为看到这个星云有点像螃蟹，就把它称为“蟹状星云”。
蟹状星云位于金牛星座东北面，覆盖约12光年范围，距地球约6500光年，它源于一次超新星爆发，是一个超新星遗迹。
某些大质量的恒星在演化末期会经历一种剧烈爆炸，这就是所谓的超新星爆发。蟹状星云就是这种爆炸后遗留的残骸之一。我们可以这样相对简单地理解：星云汇聚形成恒星，恒星最终又会以爆发等多种形式回归宇宙物质。
地球诞生的时候是什么样子呢？大约在46亿年前，宇宙大约100亿岁时，太阳和地球诞生了，作为银河系中上千亿颗星辰之一的太阳，是由宇宙星际间的星云物质慢慢地在万有引力作用下收缩形成的。地球最初的样子也只是一块岩石，当沙子和山体大的宇宙碎片落在它的表面时，它就开始慢慢生长了。最初每天落在地球表面上的星际物质超过了6000万吨，而现在大约是150万吨，变少了。其中大部分的物质由于太小，我们肉眼根本看不到。直到大约7000万年后，地球才变成现在的大小。
当我们抬头仰望晴朗的夜空时，可以很清晰地看到繁星点点的银河，但在我们肉眼无法辨认的未知黑暗中，是否会存在我们不知道的神秘物质呢？
什么是黑洞？
那些我们看不见的暗物质和暗能量是什么？
时空弯曲和引力波又是如何形成的？
第三讲 宇宙中的可见物有多少
黑洞是怎么形成的？黑洞其实是在广义相对论中涉及的一种奇异的天体。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料，再也没有足够的力量来承担外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，发生爆炸。一个特别大的恒星，它的万有引力非常大，那么在它爆炸后，抛出去一部分物质，而剩下的一部分物质的质量依然足够大，它的万有引力也很大，因此它的收缩幅度越来越大，物质也越来越密，就变成了一个看起来像压缩饼干的过程，这个过程叫作“坍缩”。恒星坍缩后变得足够小，因为它的万有引力太大了，它的事件视界边上的引力就变得很强大，光都逃不出去，直到最后形成体积趋于零、密度趋向无限大的“点”，这就是黑洞。
天文学家把黑洞的外边缘称为“事件视界”，事件视界是一种时空的区隔界线，处于事件视界之外的观察者没有办法知道黑洞内的信息。当物质太过于靠近黑洞时，它将被事件视界完全吞噬，导致这个物质从观测的宇宙中消失。在黑洞非常巨大的引力影响下，任何落入事件视界的东西都是有去无回的，连光和辐射都无法逃出去。
引力坍缩是恒星或星际物质在自身物质引力的作用下向内塌陷的过程。产生这种情况的原因是恒星本身不能提供足够的压力以平衡自身的引力，从而使恒星物质彼此拉近而产生坍缩。
北京时间2019年4月10日21时，“事件视界望远镜”项目在全球多地同时召开发布会，天文学家们欣喜地公布了人类首次拍到的黑洞照片—这个被直接“看”到的黑洞，位于室女座星系团超巨椭圆星系M87的中心，它的确像一片阴影，被一个明亮程度不一的光环所环绕。在科学家眼中，模糊而简单的暗影十分迷人，它是最接近黑洞本身的图像，透露着黑洞的许多本质。
继人类在2015年通过引力波探测“听到”了两个黑洞的“合体”之后，这张照片成为黑洞存在的直接“视觉”证据。就像一位研究黑洞20多年的科学家所评论的，这张看起来有点模糊的照片意义非凡，它再次验证了爱因斯坦的广义相对论对黑洞的预言是对的，并将进一步帮助科学家解答星系演化等一系列宇宙本质的问题。
如果我们必须要到黑洞里走一圈的话，我们必须选一个比较大的黑洞，跑到小黑洞的我们会很惨。为什么呢？因为黑洞会产生一种所谓的潮汐力，这种潮汐力我们很熟悉，即引起大海潮涨潮落的力，其实就是万有引力。黑洞越小，潮汐力越大，你的身体就会变得像面条一样——越拉越长，下场会很惨。如果所选择的这个黑洞半径大约是1200万千米，我们的身高大约是2米，2米和1200万千米相差很大，这样的话我们基本上不会受到任何伤害。
图片来源：中国科学院上海天文台黑洞
当引力源对物体产生力的作用时，由于物体上各点到引力源的距离不等，所以受到的引力大小也不同，从而产生引力差，对物体产生撕扯效果，这种引力差称为“潮汐力”。黑洞的潮汐力会导致物体被拉长或撕碎，物理学界称之为“意大利面条化”。
在物理学世界，暗物质、暗能量非常特别，暗的意思就是我们看不见，也很难探测到。既然暗物质和暗能量看不见，很难探测到，那我们为什么还会知道它们的存在呢？因为我们发现，在星系里恒星的运动速度和我们观察到的星系里恒星的分布与推论的结果是不一致的。按理说，如果仅仅存在恒星的话，越靠近星系外侧，恒星的速度会越小。但是天文学家发现，即使在星系外侧，恒星的速度也基本上不变。所以天文学家说，在星系里一定还有更多的、其他的我们不知道的物质产生了更强的万有引力。天文学家通过这种间接的手段推断出宇宙中必定存在暗物质。星系里有暗物质，星系团里也存在暗物质。
暗物质（Dark Matter）是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。
不说大型的星系，单以我们所在的太阳系为例，在万有引力和距离的共同作用下，越靠近太阳的行星，绕太阳旋转的速度越快，越远就会越慢，这就是著名的开普勒定律。然而，科学家们对太空中大量星系的观测结果却并不符合这一定律。为此有科学家提出，只有假设这些星系中存在质量巨大的不可见的物质，并且这些不可见物质比可见物质还要多，观察到的星系运动规律才会和开普勒定律相吻合。因为宇宙中的可见物质远远不足以把宇宙连成一片，如果不是存在一种神秘而不可见的物质，星系早就分崩离析了。
怎么探测暗物质呢？暗物质只参与引力相互作用，它不参与我们通常了解的，比如电磁力的相互作用。它到底参与什么力？为了搞清楚这个问题，现在的物理学家在地球上开展了探测暗物质的实验，因为它总要参与某种力，所以我们有可能在地球上探测到这个暗物质。中国四川锦屏山的地下隧道里，就有两项相关的实验正在进行中，这是我们中国人的实验。实验用的思路就是假设暗物质还会跟原子核产生一点点力相互作用，那么就有可能在一堆液态氙里，突然某个原子核感受到了暗物质，这个原子核感受到暗物质就有反冲，这个反冲就可以利用我们的仪器来探测，这就是所谓的直接探测。在太空里还有一种方式是间接探测，中国也有间接探测的实验，比如中国科学院紫金山天文台主导的“悟空号”暗物质粒子探测卫星计划。2015年12月17日我国在酒泉卫星发射中心用“长征二号丁”运载火箭成功将中国科学院第一颗空间科学卫星系列首发星—暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，卫星顺利进入预定轨道，这就是间接探测。探测暗物质粒子发生衰变或者湮灭之后产生的稳定的高能光子或者电子，可以被卫星上的仪器探测到。“悟空号”暗物质粒子探测卫星
暗物质的探测除了直接探测和间接探测外，还有粒子碰撞探测。
在高能粒子对撞实验中，可能会产生出暗物质粒子，之后再结合直接或间接探测手段，确定对撞机中产生的粒子是否为暗物质粒子。大家不要以为宇宙中所有看不见的“暗”都是暗物质，也有可能是暗能量。
暗能量是什么？它跟普通物质不一样，没有等价的质量，跟光也不一样，是纯粹的能量形式。暗能量没有质量，但是会产生万有斥力，让宇宙膨胀的速度越来越快。20世纪末，两组天文学家通过哈勃望远镜发现宇宙的膨胀速度越来越快。所以结论就是宇宙组分有三种：第一种是物质，就是组成恒星、行星、星际物质、星云的普通物质；第二种是我们看不见的，但是在星系和星系团里普遍存在的暗物质；第三种是暗能量，暗能量比暗物质更多，而且弥漫在整个宇宙空间。
暗能量是驱动宇宙不断向外扩张的能量，占宇宙总质量和总能量的70%～74%，支配着宇宙的终极命运。恒星、行星和星际物质
星系团（Galaxy Groups and Clusters）是由星系组成的自引力束缚体系，包含了数百到数千个星系。包含了少量星系的星系团叫作星系群。
目前已知的暗物质属性：（1）参与引力相互作用，是有质量的；（2）应该是高度稳定的；（3）基本不参与电磁相互作用；（4）运动速度远低于光速。
按照宇宙大爆炸理论，在大爆炸发生后，宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢，就像缓慢踩刹车的汽车一样。但科学家们观测发现，那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。换句话说，就是宇宙在加速膨胀，仿佛一辆不断踩油门的汽车。到底是什么样的力量在促使所有的星系或者其他物质加速远离呢？科学家们将这种与引力相反的斥力来源，称为“暗能量”。
今后的10～20年将有很多大型的天文学仪器问世。这些望远镜主要的科学任务是确定暗能量到底有多大，暗能量的成分如果能精确到1%以下，那我们就会了解暗能量的形式是什么，暗能量的密度到底是否发生变化。这些非常重要，因为暗能量对决定宇宙的命运起到至关重要的作用。如果暗能量密度越来越小，那么宇宙就会一直膨胀下去，但是会慢慢刹车。而如果暗能量是恒定的，宇宙就会变得越来越大，那么也许在1000亿年以后，我们在银河系里就看不到其他的星系了。还有一种可能就是暗能量变得越来越大。那么有可能在1000亿年或者300亿年以后（时间跟具体的观测数据有关）宇宙会突然被撕裂，我们突然看不到其他恒星了，连月亮也看不到了，这就是宇宙大分裂。
时空弯曲是广义相对论的四大预言之一，100多年前由爱因斯坦提出，完全变革了人们的宇宙观，它断言引力场，也就是我们所谓的物质，会使时间和空间发生变形。
时间和空间弯曲是什么含义？比如，山的表面是弯曲的，当你从山顶推下一个石子，石子顺着山的表面滚下来，它走的一定不是一条直线，而是一条曲线，如果可以测量这条曲线，你会发现这条曲线是在山的表面上，从山头的那一点到山底的那一点是最短的线。同样，不仅仅地球的表面是弯曲的，整个三维的空间也是弯曲的，时间也是弯曲的。爱因斯坦的理论告诉我们，时间和空间是弯曲的，因此一个行星绕着太阳转，月亮绕着地球转，它们走的短程线，看上去不是直线，而是椭圆。从四维空间来看，我们把时间想象成另外的一个箭头，那么这个椭圆，就会被拉长成一个螺旋线。因此，从夏至到夏至，从冬至到冬至，它看起来不是一个闭合的椭圆，而是一个螺旋线。只不过说从冬至到冬至，在空间上是一个点，但是被时间拉开了。时空弯曲
什么能使时间和空间弯曲？爱因斯坦认为能使时间和空间弯曲的是质量和动量。怎么证明爱因斯坦是对的呢？爱因斯坦预言，如果一个星光路过太阳时弯曲，那么我们在不同时间看到恒星的位置是不一样的。爱因斯坦预言光路过太阳会弯曲后仅仅几年，有几组天文学家，包括英国的天文学家爱丁顿，率领团队在日食时观测到了星光弯曲的现象。
根据广义相对论，大质量天体会引起空间本身产生弯曲，弯曲的程度与其质量和质量中心的距离相关。光通过弯曲程度越大的空间，走的“弯路”越长，耗时也越久。
知道了时空弯曲，我们就更容易理解引力波是什么了。在物理学中，引力波是指时空发生弯曲时产生的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。
在发现引力波前，我们都知道电磁波是存在的，引力波跟电磁波非常类似，它是宇宙中最基本的波之一。而且非常有意思的是，引力波跟电磁波有一个性质是一样的，就是它们运动的速度是一样的，每秒30万千米。但是引力波是不同于电磁波的，电磁波是由电荷振动产生的，而引力波是由质量的运动产生的。
那么引力波是怎么被探测到的呢？2016年2月，美国通过激光干涉引力波天文台（Laster Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）探测到了引力波。科学家在华盛顿州和路易斯安那州放了两台专门探测引力波的仪器，这个仪器的形状像L型。他们得出的结论是，两个黑洞合并成一个更大黑洞的过程中会产生辐射，两个黑洞本来是有一定的距离，互相绕着转，后来由于辐射引力波，两个黑洞损失了能量，所以它们靠得越来越近。在最后的一刹那，就是一秒之内，它们突然合并成一个更大的黑洞，这个过程辐射的引力波强度最大，因此被LIGO的两个专门探测引力波的仪器探测到了。严格说来，100多年前爱因斯坦已经预言了引力波，现在科学家证实了他的预言。在未来，我们希望类似这样的探测仪器还会“看”到更加壮观的事件。引力波我们在坐飞机和电梯时，一定感受过瞬间的超重和失重。而在太空旅行时，这样的超重和失重就显得小儿科了。科学家预测，人类下一个移居的目的地是火星……那么关于失重和火星生活你了解多少？在太空失重后，我们会怎么样？电影《火星救援》给我们怎样的启示？
第四讲 失重原理和《火星救援》的启示
什么是完全失重？太空中的失重不同于飞机降落或电梯下降时产生的失重感，前者是完全失重，而后者不是，因为当加速度不等于重力加速度时，机舱或电梯底板对人还有一个向上的托力。完全失重时物体的视重突然变成零，也就是说在物体自由下落时，如果你去称它的重量的话是零。其原因是物体受到万有引力作用，而且向下的加速度等于重力加速度，其全部重力都提供给了物体向下的加速度。这样就可以解释为什么我们抛一个石子，它划出来的是抛物线，因为石子处于完全失重状态，竖直方向的自由落体运动与水平方向的匀速直线运动合成后的运动轨迹为抛物线。为什么月球绕着地球转的轨道是一个椭圆？因为虽然月球处于完全失重状态，但在远地点和近地点，由于月球与地球的距离不一样，因此重力提供的向心力大小也不一样，所以月球不是做严格的圆周运动。有些卫星，它升空后的飞行轨道就是一个非常完美的椭圆。
其实，看似在稳定轨道上环绕地球运行的卫星也是一直处于垂直的“自由坠落”状态的，只是由于其沿轨道水平方向运动的速度（俗称线速度）实在太快了，使得运行轨迹形成的圆弧始终追不上地球本身的弧度，就好像抛出去的石头，虽然形成了抛物线，却始终落不了地。所以，虽然卫星看起来是沿着椭圆轨道在绕地球运动，但其实它也是失重的。
我们在电视里看到人和物是飘在太空中的，这就是完全失重现象。我们在日常生活中也可能短暂地体验过失重状态，比如电梯向下运行，飞机突然降落，我们都会有失重的感觉。在完全失重的状态下，有些我们平常熟悉的仪器，比如托盘天平就没有办法使用了。因为托盘天平两边都是零状态，我们没有办法称量。但是弹簧还是可以使用的，因为弹簧满足的是胡克定律，拉弹簧还是产生拉力的。
胡克定律曾译为虎克定律，是力学弹性理论中的一条基本定律，表述为：固体材料受力之后，材料中的应力与应变（单位变形量）之间呈线性关系。满足胡克定律的材料称为线弹性或胡克型材料。
宇航员和太空卫星或者太空舱里的物体一样，是跟着飞船或者太空舱绕着地球转的，所以他会跟其他物体一样是完全失重的，这时他会失去对重量的感觉。进入失重状态后宇航员会在飞船中飘浮。这是因为缺乏向下的引力，所有的引力都用来做椭圆运动了。双脚在太空舱里是自然离地的，身体是悬浮在空中的，这时宇航员不能正常行走，只能用双手推着太空舱舱壁上的扶手做身体移动。
人类能够利用失重条件做什么？我举几个事例来帮助你思考。这里所举的事例还没有完全实现。
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