探索神秘的宇宙(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：玮珏

出版社：河北科学技术出版社

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探索神秘的宇宙试读：

前言

当我们把目光投向浩瀚深邃的苍穹，当我们面对交辉闪烁的繁星，是否会有这这样的疑问：宇宙和星星是如何产生的？宇宙有多大？宇宙之外又有些什么呢……

从我国古代发明了可操纵的火箭装置到今天人类的宇宙飞船已经能够从容地在太空翱翔，这仅仅让我们揭开了宇宙的冰山一角而已。人类对茫茫宇宙的探索，不断有新发现，又不断有新谜团。宇宙之谜，难以穷尽，深奥无比。这就需要当今的人们再接再厉，早日打开宇宙这扇神秘之门。

本书针对令人感兴趣又深觉茫然的许多宇宙问题，旧谜新解，新谜细说，能开人眼界，启人心智。在这里你可以置身地球心却飞向神秘的太空，触摸那遥远而又神秘的星球，也可以翱翔天际，体验一场难忘的太空之旅！让青少年读者飞向蓝天、飞向太空、飞向未知世界的同时，去探索太空里更多的奥秘。

全书资料翔实，文字简练，语言通俗，富有韵味，再配以形象的图片，更是图文并茂，有助于青少年读者学习宇宙天文知识，拓展自己的视野。

本书作为权威专家精心打造的青少年科普读物，力求融知识、趣味和探索于一体，使各个知识点综合各家之见，浓缩各派之说，让青少年读者对宇宙有一个比较全面的、客观的认识和了解。

第一章　宇宙的秘密

科学家们的宇宙模型

宇宙模型，就是根据物理理论，在一定的假设前提下提出的关于宇宙的设想与推测。

著名科学家爱因斯坦于1916年提出了广义相对论，认为宇宙中没有绝对空间和绝对时间，空间和时间都不能与物质隔开，二者均受物质影响；引力是空间弯曲的效应，而空间弯曲是由物质存在决定的。爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究，1917年发表了《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文，他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙，建立起一种宇宙模型。

当时的科学家普遍认为，宇宙是静止的、不随时间变化的。美国天文学家斯里弗已经发现了河外星系的谱线红移（显然这是对静止宇宙的挑战），但由于当时正值第一次世界大战，这一消息并没有传到欧洲。因此，爱因斯坦也和大多数科学家一样，认为宇宙是静态的。爱因斯坦想从引力场方程着手，得出一个宇宙是静态的、均匀的、各向同性的答案。但他得到的答案却是不稳定的，空间和距离并不是恒定不变的，而是随时变化的。为了得到一个空间是稳定的解，爱因斯坦人为地在引力场方程中引入了一个叫做“宇宙常数”的项，让它起斥力的作用，从而得出一个有限无边的静态宇宙模型，称为爱因斯坦宇宙模型。为了便于理解，我们可以把它比喻为三维空间中的一个二维球面：球面的面积是有限的，但球面没有边界，也无中心，球面保持静态状态。几年以后，爱因斯坦得知河外星系退行、宇宙膨胀的消息后，非常后悔在自己的模型中加了一个宇宙常数项，称这是他一生中犯的最大错误。

宇宙的未知命运

宇宙的膨胀过程会一直持续下去吗？还是有一天会开始收缩？如果它一直膨胀下去，会出现什么情况呢？这是一个关系到宇宙未来的大问题。

自然界的4种作用，即引力作用、电磁作用、强相互作用、弱相互作用，其中以引力作用最弱，但它在大范围内起作用，而且引力对宇宙的膨胀起着抑制作用。

宇宙各部分相互间的引力，使得宇宙的膨胀一直在减速。这种引力的大小取决于宇宙物质的密度，物质密度越大，这种引力也就越大。如果宇宙物质密度高于一定的值（临界值），则引力将最终可以制止宇宙膨胀；如果宇宙物质密度低于这个临界密度值，则引力不够大，那么宇宙将会继续膨胀下去。研究表明：宇宙中存在着大量不可见的暗物质，如褐矮星、死去的恒星、不发光的气云以及宇宙早期生成的小黑洞等。近来，有些科学家发现，中微子可能有静止质量。由于宇宙间中微子数量很大，所以哪怕中微子具有仅仅30～50电子伏的质量，也将使宇宙物质密度大于临界密度，那时引力场将增强，将使宇宙的膨胀在持续相当长的时间后停下来，并转为收缩。收缩过程会逐渐加速，直到回复到无限密集的状态。然后又可能发生大爆炸，宇宙再一次膨胀。宇宙就这样膨胀、收缩、再膨胀、再收缩……

如果宇宙永远膨胀下去，会出现什么情况呢？一些科学家的研究结果表明：最终宇宙中可能只有由光子、中微子、电子、正电子组成的稀薄等离子体了。不过，那是10100年之后的事了。

由于各种因素以及影响和现在掌握的数据的不确定性，因此宇宙未来的命运还是一个未知的问题。

在18世纪的人们眼里，宇宙的大小还只局限于太阳系。随着科学技术的发展，人们逐渐认识到：地球不是太阳系的中心，太阳才是太阳系的中心，而太阳也只是天空中数以万计的恒星里的一颗。于是，人们心目中的“宇宙”开始逐渐扩展到了银河系。18世纪之后，人们才弄清了太阳也只不过是银河系中众多的恒星中的一颗而已。

宇宙年龄之谜

所谓“宇宙的年龄”，就是宇宙诞生至今的时间。美国天文学家哈勃发现：宇宙诞生以来一直在急剧地膨胀着，这就使天体间都在相互退行，并且其退行的速度还与距离成正比，这个比例常数就叫“哈勃常数”，而它的倒数就是宇宙年龄。只要我们测出了天体的退行速度和距离，就测出了哈勃常数，也就能够知道宇宙的年龄了。

可是，不同的天文学家得出的宇宙年龄的结果却相去甚远，在100亿～200亿年的范围内众说不一。这是为什么呢？这是因为天体退行速度的测定通常由红移取得，比较一致，而天体距离的测定误差就比较大了。

有人认为早期的宇宙膨胀比现在快，这样推得的宇宙年龄只有60亿～70亿年。但低值宇宙年龄的正确性值得怀疑，因为作为宇宙组成部分的球状星团的年龄至少已有130亿年，宇宙年龄的最高推测值竟有340亿年。究竟哪一个结果准确，现在还没有定论。

宇宙何时会死亡

宇宙有没有终结的一天？宇宙将会如何终结？是“砰”的一声大爆炸，还是逐渐消亡？当地球人在无数个夜晚，悄悄地仰望灿烂夜空，对生命，对宇宙浮想联翩的时候，总会从内心深处发出这样的疑问。

根据科学家利用天文望远镜获得的最新观测结果，宇宙最终不会变成一团熊熊燃烧的烈火，而是会逐渐衰变成永恒的、冰冷的黑暗。这似乎太骇人听闻了。然而地球人或许没有必要杞人忧天，因为地球人暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。根据科学家的推测，宇宙至少将目前这种适于生命存在的状态再维持1000亿年。这个庞大的数字相当于地球历史的20倍，或者，相当于智人（现代人的学名）历史的500万倍。既然它将发生在如此遥远的未来对地球人今天的生活就不会有丝毫影响。

与此同时，科学家又指出：没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会突然消失。但是，随着时间的推移，它可能会让人觉得越来越不舒服，并且最终变得不再适于生命存在。

这种情况将会在什么时候出现呢？又会以怎样的方式出现呢？这的确是一个令人沮丧的问题。但是，我们又不得不承认，对于我们这些生活在地球上的凡夫俗子来说，这些问题却有另一种冷酷的魅力。

自从20世纪20年代，天文学家哈勃发现宇宙正在膨胀以来，“大爆炸”理论一直没有摆脱被修改的命运。根据这一理论，科学家指出，宇宙的最终命运取决于两种相反力量长时间“拔河比赛”的结果：一种力量是宇宙的膨胀，在过去的100多亿年里，宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大；另一种力量则是这些星系和宇宙中所有其他物质之间的万有引力，它会使宇宙扩张的速度逐渐放慢。如果万有引力足以使扩张最终停止，宇宙注定将会坍塌，最终变成一个大火球——“大崩坠”，如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀，它将最终变成一个漆黑的寒冷的世界。

显而易见，任何一种结局都在预示着生命的消亡。不过，人类的最终命运还无法确定。因为目前，人们尚不能对扩张和万有引力作出精确的估测，更不知道谁将是最后的胜利者，天文学家的观测结果仍然存在着许多不确定的因素。

这种不确定因素又是什么呢？科学家指出，这一不确定因素涉及膨胀理论。根据这一理论宇宙始于一个像气泡一样的虚无空间，在这个空间里，最初的膨胀速度要比光速快得多。然而，在膨胀结束之后，最终推动宇宙高速膨胀的力量也许并没有完全消退。它可能仍然存在于宇宙之中，潜伏在虚无的空间里，并在冥冥中不断推动宇宙的持续扩张。为了证实这种推测，科学家又对遥远的星系中正在爆发的恒星进行了多次观察。

通过观察，他们认为这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能存在。

倘若真是这样的话，决定宇宙未来命运的就不仅仅是宇宙的扩张和万有引力，还与在宇宙中久久徘徊的膨胀推动力所产生的涡轮增压作用有关，而它可以使宇宙无限扩张下去。

但是，人们最关心的或许是智慧生命本身。人类将在宇宙中扮演什么角色呢？难道人类注定要灭亡吗？人类已经在越来越快地改变着地球，操纵着自己的生存环境，也许到那时，人类将会以高度发达的智慧在宇宙中立于不败之地。谁知道呢？且让未来的地球人和地球外一切生命拭目以待吧。人类对宇宙的认识永远没有终极，认识穷尽的那天也许就是人类或宇宙毁灭的那一天。正如爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说：“至于谈到世界末日的问题，我的意见是：等着瞧吧！”

未知的神秘能量

近些年，天文学家发现了一种控制宇宙的神秘能量——暗能量存在的最新证据，这种暗能量可能占宇宙总能量的2/3，它正在把宇宙中的星系及星系中的一切以史无前例的速度相互分离。

这些年来，科学家们一直在寻找宇宙不仅正在膨胀，而且正在加速膨胀的原因。有人认为，是神奇的暗能量在远距离上把物体推开，从而克服了引力的局部作用。

最近，英国曼彻斯特大学伊恩·布劳内领导的一个国际天文小组为神秘的暗能量的存在提供了新的证据。这些科学家观察到，来自遥远而明亮的类星体的光被弯曲后形成了若干个类星体的图像，图像的数目和途中存在的星系所形成的引力透镜数目不相符合，由此科学家断定，途中必定存在我们看不见的其他物质，从而证明了宇宙中确实存在暗能量。

引力透镜现象是由于来自遥远星系的光在到达天文望远镜之前，会因途中的其他物体的引力而弯曲，和通常的透镜折射光相似。

据报道，该天文小组的一位科学家使用包括宇宙年龄在内的参数和引力透镜源的可能数目，计算被引力透镜折射的类星体的数目。他发现这一数目大约是没有暗能量存在的情况下类星体图像数目的2倍。因此他推算出，宇宙的2/3是由暗能量组成的。

剩下的1/3由暗物质（它的形态至今还不知道）和组成星球与行星的常规物质构成。所有这两种物质的引力是正常的引力，即通常的万有引力。

而暗能量与它们相反，具有长距离的反引力性质。与神秘的暗物质一样，目前科学家们并不知道暗能量究竟是什么，但这些新的结果增加了暗能量存在的可信度。现在科学界普遍相信，它是宇宙加速膨胀的原因。

这一新的引力透镜试验建立在和过去完全不同的物理论据上，所以它提供的支持暗能量存在的证明是独立于其他证明的。

由于通过引力透镜形成的类星体图像通常挨得太近，这个天文小组使用了世界上最强大的射电天文望远镜阵列，得到了上千个类星体的无线电照片。他们之所以选择射电天文望远镜，是因为它们能把细节放大许多倍，比光学望远镜甚至哈勃天文望远镜看得都清楚。

暗能量这个说法直到1998年才出现在天文学领域里。当时，两组天文学家对遥远的星系中正在爆炸的星球即超新星进行观察，发现超新星比他们认为的暗淡。这意味着它们的距离比科学家原来认为的更远了。

造成这种情况的唯一解释应该是，假设宇宙的膨胀在过去的某个时间加速了。

天文学家在这之前一般认为，由于单个星系相互作用造成了引力拖拽，宇宙膨胀是逐渐减慢的。但是对这个超新星的观察结果表明，有某种神秘的力量在对抗引力的拖拽，使星系以前所未有的加速度相互远离。

起初，其他科学家对这个结果表示怀疑。也许超新星变暗是因为它们的光被星际尘埃云挡住了，也许超新星本身的光就比科学家所认为的暗。但是经过仔细检查，所有这些解释都被搁到了一边，暗能量的假说出现了。

其实，有关反引力的想法并不新鲜。早在90多年前，爱因斯坦就已经把这种反引力效应以所谓的宇宙常数的名义包括在他的广义相对论中了。当时，爱因斯坦为了不使星球由于相互间的吸引力而挤到一起，设想宇宙中应该还存在一种排斥力，它与引力相对抗，从而使宇宙保持稳定。他把这个排斥力称为宇宙常数。

20世纪20年代，哈勃发现宇宙并非静止不动，而是在不断膨胀。爱因斯坦便放弃了他发明的这个宇宙常数，并称这是他“一生中最大的错误”。因为爱因斯坦本人和后来的许多天文学家都把这个宇宙常数只看做是数学上的假设，而不认为它和实际的宇宙有多少关系。直到20世纪90年代也没有人想到过这个效应会变成现实。

可现在暗能量的发现证明这个排斥力确实存在。看来，如果爱因斯坦还活着，也许他就会承认放弃宇宙常数是他一生中第二个最大的错误。

有关暗能量的探讨十分玄妙。有人认为暗能量是从宇宙真空中渗透出来的。有实验表明，真空似乎并不是空无一物，而是一些虚粒子在时生时灭地冒泡泡。而另一些天体物理学家则说，暗能量只不过是宇宙的基本特征，试图解释它，就像解释为什么地球离太阳的距离刚好适合孕育生命一样徒劳。

宇宙的大小

宇宙究竟有多大呢？我们可以形象地来加以说明：我们先将太阳想象成一个南瓜，那么大约2500亿个南瓜堆成了银河系，而1000亿以上这样的“南瓜堆”又分布在一个假想的“空心球”里。这个“空心球”就是宇宙的大小。而我们的地球在这个“空心球”里，不过像一颗小小的绿豆而已。宇宙是无限大的。这个代表宇宙的“空心球”，由数以亿计的粒子组成，其中每一个星系、每颗恒星和行星以及我们每一个人，就是由这一堆基本粒子组成。这个有限的宇宙是人类用哈勃望远镜看到的，它所观察到的最远星系距离我们有150亿光年（光年，天文学的一种距离单位，即光在真空中1年内走过的路程为1光年。光速每秒约30万千米，1光年约等于94605亿千米），这个距离以外的地方就全是未知数了。这就跟宇宙中的所有基本粒子能够数清一样，至少从理论上说，在一定的时间内我们能看见宇宙中的“最后一颗恒星”。但这并不意味着“最后一颗恒星”就是宇宙的尽头。宇宙的边界

宇宙空间是有限无界的。我们的地球就是这样一个有限的空间，你在它的表面上无论朝哪个方向走，无论走多远，你都不可能找到它的“边界”；地球的体积是有限的，它的半径才6000多千米，所以最终你将回到出发点。爱因斯坦认为：在宇宙中无数巨大星系的巨大重力作用下，整个宇宙空间会发生弯曲，最终卷成一个球体，光线沿这个球面空间的运动轨迹也是弯曲的，并且永远到达不了宇宙的边界。宇宙是否是全部

那么，宇宙之外又是什么呢？那是人类目前还无法回答的问题，只能请出“上帝”，或者说“上帝”本身就是答案。就连当今世界最杰出的“相对论”专家、剑桥大学的霍金教授也指出，追溯这类终极问题会使人感到，上帝存在的可能性至少有50%。

其实你完全可以站在“上帝的角度”来观察这个“空心球”。你会发现它的体积并非固定不变，而是在不断膨胀的，就像一个被逐渐吹胀的气球一样。对宇宙认识的变化

古时候就有了“宇宙”这个词，但其含义与今天的大不一样。人类对“宇宙”的认识从自身居住的附近地区到地球，到行星，到太阳，再到太阳系……宇宙的空间正随人们的认识而逐渐“变大”。

在18世纪的人们眼里，宇宙的大小还只局限于太阳系。随着科学技术的发展，人们逐渐认识到：地球不是太阳系的中心，太阳才是太阳系的中心，而太阳也只是天空中数以万计的恒星中的一颗。于是，人们心目中的“宇宙”开始逐渐扩展到了银河系。18世纪之后，人们才弄清了太阳也只不过是银河系中众多的恒星中的一颗而已。

银河系的直径约10万光年，厚度约1万光年，太阳绕银河系中心旋转一周约需2亿年。随着人们的认识范围逐渐扩大，人们心目中的“宇宙”已不再是银河系——人类已经认识到，在银河系以外，还有许多“河外星系”存在。这些“河外星系”离我们很远，即使通过大型的望远镜，也仅仅能看到一些模糊的光点。

十几个或几十个星系在一起组成了“星系群”。我们的银河系就同它周围的19个星系组成了一个“星系群”，这个星系群的直径大约为260万光年。

比“星系群”更高一级的星系组织是“星系团”，它由成百上千个星系组成。“室女星座”里有一个星系团，包含1000个以上的星系，其中心离我们大约7000光年。“后发星座”里，包含了2700个星系，距离我们大约2.4亿光年。而为数不详的“星系团”又构成了总星系。宇宙的体积

通过了解人们认识宇宙的过程，我们已经可以初步地回答“宇宙有多大”这个问题了。人们从自身居住的区域认识到地球，又从地球认识到太阳系，眼界扩大了成百上千倍；又从太阳系认识到银河系，眼界扩大了1亿倍；从银河系认识到总星系，眼界扩大了10000亿倍……随着人们认识的不断深化，宇宙的体积也在不断扩大。几十年前，总星系的半径还只有10亿光年，现在却已达到100亿光年……爱因斯坦曾经“计算”出宇宙的半径为10亿光年，后来他又修订了“计算结果”，认为宇宙的半径是35亿光年。事实证明，他所计算的宇宙大小的范围一次又一次地被突破了。无限的宇宙

从天文学的角度上看，宇宙是有限的。宇宙的大小，实际上可以认为是总星系的大小，是一个以一定长度为半径的有限的时间和空间范围。总星系是目前天文学所能探测到的最远的世界。目前，人们对宇宙的认识只能局限于总星系。从哲学角度上来讲，宇宙不仅在空间上是无限的，在时间上也是无限的。时间上和空间上的无限，才使得宇宙能够成为一个统一的整体而存在。

目前，人类认为总星系的半径为700亿～800亿光年，也就是我们心目中宇宙的大小，但700亿～800亿光年以外，还可能有数不清的星系和星系团。总星系究竟有多大？它的边缘在哪里？它的中心又在何方？这些问题，人类何时能找到答案呢？

宇宙弦之谜

宇宙弦这一物理概念是1981年维伦金等人提出来的。他们认为，宇宙大爆炸所产生的威力应该形成无数细而长且能量高度集聚的管子，这种管子便叫做宇宙弦。大家知道，池水在冬季结冰时，起初，水面的液体是均匀的，随着气温的下降，小块小块的冰开始分散地长出来，但不同池区的冰晶不一定都有相同的取向，当冰块长大互相挤压时就会出现裂缝和断层等“缺陷”。同理，当宇宙从原始热大爆炸状态冷却下来，电磁——弱互相作用与强互相作用的对称性被破坏时，在结构上也会产生类似的裂隙。这种由基本粒子物理学的大统一理论所预言的缺陷有零维（点）、一维（线）和二维（面）三种：零维的是磁单极子，一维的便是宇宙弦，二维的叫做畴壁。本文只谈宇宙弦。

理论工作者赋予宇宙弦的性质是异乎寻常的。如果在房间里有一节这样的弦，是很难被发现的。它有点儿像蜘蛛丝，但远比原子还细。你可以穿过它走路而绝不会发现它。但是，1厘米的宇宙弦比整座喜-30马拉雅山的质量还要大，直径细到10厘米，但质量却高达每厘米2210克。其次，质量是可变的，完全决定于其张力：拉得越长，绷得越紧，质量越大，它的强度也极大。

宇宙弦的活动与其邻近的天体、宇宙膨胀密切相关。起初，宇宙弦以接近于光的传播速度跟随宇宙一起膨胀，并具有各种复杂的形状和运动。但是，普遍膨胀使宇宙弦的弯曲部分被拉直并使振动慢下来。当宇宙弦振动时，产生互相交和自相交现象，其结果形成了许多闭合的弦圈。大弦圈随宇宙继续膨胀而增大其“个头”，同时其形状更加平滑。较小的弦圈不停地振动，成为引力辐射的源泉。这就是理论家赋予宇宙弦的另一种奇特性质：要么伸展到无穷远处，要么形成闭合的无终点的环圈。

按照爱因斯坦广义相对论，在大质量宇宙弦附近将发生空间畸变，这对于光线的传播将产生一定的影响。来自运动着的宇宙弦后面的光线掠过弦旁时将被折射，产生光源的双重像，即所谓引力透镜效应；此外，从空间畸变处发出的电磁辐射其波长将发生蓝移现象，这一效应对宇宙背景辐射将会有察觉得出来的影响，但迄今未观测到辐射温度在“宇宙弦”的一边升高和在另一边降低的现象。

宇宙弦论的两位创始人泽尔多维奇和维伦金曾建议这些假设的、高度绷紧的细弦可能是从早期宇宙的气体中生长出星系的“种子”。但近来对这一问题有两种截然相反的建议：一种学说认为宇宙弦的强大的引力使在它们周围的物质聚集起来，从而开始了星系的形成。但更新的一种推测恰恰相反，认为从这些弦发出的电磁辐射在早期宇宙的物质中吹出了许多“泡泡”，并把这些原始物质压缩在泡与泡之间形成“薄饼”，而星系则是在这些泡壁间形成的。

近来，维伦金、韦顿等人又进一步提出关于超导宇宙弦的设想，他们猜测，在我们银河系中心可能存在着一个这样的小宇宙弦圈，并认为银河系中心的射电天图上所显示出来的细线可能就是证明，但尚需通过光学图像来定案。更有趣的是他们关于把超导宇宙弦作为类星体中心发电机的建议，这可与流行已久的大质量黑洞模型相比较。

从表面上看，宇宙弦论可以解释宇宙大尺度结构的一些观测事实：如星系沿空洞周围形成弦线式的环状分布，许多星系团呈扁长形，发现了几亿光年长的超星系团和星系链等，但尚需精度更高的观测数据来加以验证。很多理论问题也需要继续探讨，如有关超导宇宙弦的电流耗散、与等离子体的作用、磁发电机效应等。可见，宇宙弦的本性尚是一个不解之谜，还要作深入的探讨和观测。

科学家追踪宇宙不明冷暗物质

一个由来自中国科学院高能物理研究所、清华大学、中国原子能研究院等9家单位近25名专家组成的合作小组已经成立，他们在我国开展一项目前世界天体与粒子物理及宇宙科学界高度重视的最热门课题研究：追踪一种可能是宇宙早期爆炸后遗留至今的弱作用重粒子——超对称粒子。曾任该项目合作组中方首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员戴长江说：“一旦经过科学的重复证实这种弱作用重粒子确实存在，将极大地支持超对称粒子模型。不管最终结果如何，对这种新粒子的寻找对于粒子物理、天体物理及宇宙学的发展具有重大的科学意义。”冷暗物质之谜

从原子物理到原子核物理，再到今天的粒子物理，物理学的日臻完善已经能够很好地解释许多诸如复杂的天体运动本质的自然现象。宇宙学模型认为，宇宙大爆炸后经历了超高能、高能、低能过程，对应的物理规律也符合大统一、弱电统一和量子色动力学，宇宙大爆炸及其演化所产生的粒子也遵循这些规律。然而，在宇宙中还可能存在着一些弱作用冷暗物质粒子，它们的形成及运动规律是现有粒子物理模型所不能解释的，于是科学家们又提出了超对称粒子物理模型。现代天文观测和爆炸宇宙论的研究表明，宇宙中的物质绝大多数是暗物质，而暗物质中大多数是由冷暗物质粒子组成的非重子暗物质，现在普遍的看法认为，这种冷暗物质粒子在宇宙中的含量超过20%。戴长江研究员介绍说，尽管目前实验室还不能对这种新物理模型假说提供有力的证据，但超对称粒子物理模型能很好地解释宇宙螺旋星系中星云旋转速度几乎不随星云盘径向的距离而改变以及在星系空间气体辐射的X线观测中发现的气体平均速度大于其逃逸速度。自1985年以来，宇宙中暗物质的研究已成为天体物理、粒子物理和宇宙学的交叉热点，其中对冷暗物质粒子——超对称粒子的观测研究是当今非加速器物理实验最热门的课题之一。冷暗物质之争

美国、法国、日本等科技大国的物理学家正在夜以继日地观测研究宇宙冷暗物质，如西欧核子中心（LSC）正在建造一个大型超高能粒子加速器，以捕捉和观测宇宙中可能存在的超对称粒子。与此同时，一个目标相同但采取自然观测以降低实验成本的科研小组在经过了600天的观测后，已经得到了能够证实超对称粒子确实存在的初步证据，这个科研小组由意大利罗马大学牵头，中国科学院高能物理研究所由于在实验方法技巧、数据系统处理、电子插件研制等方面具有优势，1992年在法籍华人陶嘉琳女士的促成下成为重要合作单位之一。

该科研小组研制了100千克放射性很低的碘化钠晶体阵列，用于在自然界直接寻找相互作用极弱的超对称粒子。为了防止宇宙线的干扰，他们将实验设备安装在意大利格朗萨索国家实验室中，这个实验室位于岩层厚度达1000米的阿尔卑斯山脉下的一个山洞中，可以很好地屏蔽宇宙线。在对1996～1999年累计达600天的有效实验数据进行分析后，该实验小组获得了3个周期的年调制效应，显著性近4倍标准偏差，种种迹象表明，宇宙中可能存在超对称粒子。他们甚至还估计出了这种超对称粒子的质量和流强上限。

正如美国南卡罗来纳大学的物理学家弗兰克·阿维尼奥内所评说的：“如果这一发现属实，无疑是具有诺贝尔奖水平的。”当意中科研小组对外公开他们的发现时，在科学界自然引起轩然大波。日前，美国斯坦福大学的物理学家们对外宣称也进行了一项捕获宇宙中弱作用重粒子的实验，“但结果可能与意中科研小组的研究成果相抵触”。在随后举行的第4届宇宙暗物质来源及探测国际研讨会上，意大利罗马大学的科学家代表驳斥了斯坦福大学的结论，认为“两项实验之间存在的实质性区别以及弱作用重粒子的未知属性可能意味着我们最终也许会发现两项实验的结果都是正确的”。冷暗物质之梦

戴长江研究员这样描述这种未知的超对称粒子：质量至少是质子的50倍，由于和其他物质发生相互作用的概率很低，能够几乎不留痕迹地经过其他物质。他说：“我们现在要和时间赛跑，和世界上众多的科研机构竞争，一旦证实宇宙中真的存在这种用常规方法观测不到的冷暗物质粒子，对爆炸宇宙学模型和超对称粒子物理模型将是一个强烈的支持，也就把我们对客观规律的认识大大向前推进了一步。”

由于这种冷暗物质粒子具有弱作用的特性，因此要在实验室里记录和捕捉它极其困难。戴长江研究员介绍说，目前，科学界一般用两种方法来探测它，一是间接法，采用地下大型的中微子探测器或空间磁谱仪等规模大、接收度高的设备，通过探测正反超对称粒子湮灭所产生的次级粒子来确认，但此法由于中间过程多，待定参数也多，较难获得准确的观测结果；二是直接法，即直接探测超对称粒子经过实验晶体阵列时留下的极其微弱的作用，此法由于成功的概率很低，因此需要组建相当规模的高灵敏度的探测系统和开发相应的实验技术。

据了解，目前意中科研小组已将用于记录超对称粒子弱作用的碘化钠晶体阵列由100千克扩大为250千克，仍由两国合作继续日夜不停地观测。我国在国家自然科学基金的支持下，由戴长江研究员组织，也已成立了由来自中国科学院高能物理研究所、清华大学、中国原子能研究院等9家单位的25名专家组成的科研队伍，准备采取另一种500千克二氟化钙晶体阵列探测系统去进行观测鉴定，实验地点有可能选在北京航空博物馆或京郊某一大山洞中。

看来，这的确是值得期待的事情啊。

宇宙中的智慧生物探索

21世纪的地球居民，并不是宇宙中唯一的智慧生物——这个说法能令人信服吗？20

天文学家们估计，在望远镜所及的范围内，大约有10颗恒星，假设1000颗恒星当中有1颗恒星有行星，而1000颗行星当中有1颗行14星具备生命所必需的条件，这样计算的结果，还剩下10颗。假设在这些星球中，有1‰颗星球具有生命存在需要的大气层，那么还有1110颗星球具备着生命存在的前提条件，这个数字仍是大得惊人。即使人们又假定其中只有1‰已经产生生命，那么也有1亿颗行星存在着生命。如果我们进一步假设，在100颗这样的行星中只有1颗真正能够容许生命存在，仍将有100万颗有生命的行星……

毫无疑问，和地球类似的行星是存在的，有类似的混合大气，有类似的引力，有类似的植物，甚至可能有类似的动物。然而，其他的行星非要有类似地球的条件才能维持生命吗？

实际上，生命只能在类似地球的行星上存在和发展的假设是站不住脚的。以往，人们认为被放射物污染的水中是不会有任何微生物的，但是实际上有几种细菌可以在核反应堆周围的足以让多种微生物致死的水中存活。

有两位科学家把一种蠓在100℃的高温下烤了几个小时后，马上放进液氦中（液氦的温度低得和太空中一样）。经过强辐照后，他们把这些试验品再放回到正常的生活环境中。这些昆虫又恢复了活力，并且繁殖出了完全“健康”的后代。

这无非举出了极端的例子。也许我们的后代将会在宇宙中发现连做梦也没有想到过的各种生命，发现我们在宇宙中不是唯一的，也不是历史最悠久的智慧生物。

地球外的茫茫宇宙中，究竟有没有生命？究竟有没有类似地球人甚至更文明的高级外星人？随着空间科学技术的不断发展，这个富有神话色彩的猜测，越来越激励着人们去探索。对这个亘古未解之谜，目前众说纷纭，莫衷一是。最近，日本著名的宇航学教授佐贯亦男与地外生命学专家大岛太郎，发表了有关地外生命的对话，论点新颖，妙趣横生。

科学家能够提出地球外有生命，甚至推测存在着比我们更聪明的外星人，是很了不起的。因为有些人会用地球上生命形成与存在的传统理论来衡量外星球，忘却了他们之间在地理条件和自然环境上的不同。

科学家希柯勒教授在实验室里创造了一种与地球环境截然不同的木星环境，在这样的环境条件下成功地培养了细菌与螨类，从而证明生命并不是地球的“专利品”。我们地球上的所有生物也不是按照同一个模式生活的。氧是生物进行新陈代谢的重要条件，但是有一种厌氧细菌，就不需要氧，有了一定的氧反而会中毒死亡。高温可以消毒，会使生命死亡，但海底有一种栖息在140℃条件下的细菌，温度不高反而会死亡。据估计，地球上不遵守生命理论而存在的生物有好几千种，只是我们没有全部发现而已。

有些人妄断地球的环境是完美无缺的，什么只有一个大气压，温度、湿度正常……这些目标是地球人自定的。事实上，地球上的各种生命不一定都生活在“自由王国”之中，它们必须受到各种限制。我们不应该以地球上生命存在的条件去硬套外星球，各个星球有自己的具体条件。如果表面温度为15～-150℃的火星上存在着火星人，他们也许会认为在地球这种温度条件下根本无法存在地球人。

于是，在生理理论的研究领域中，行星生物学应运而生了。它主要研究地外各种行星的自然条件是否存在适宜于这些环境条件的生物，地球生物是否可以移居到地外星上去，以及发现行星生物的新方法。因为生物往往具有一种隐蔽的本能，即使存在也不一定能轻易被发现。例如，地球空间中存在着许多微生物，但又有谁能用眼睛去发现它们呢？目前，对火星、金星、木星等的探查工作刚刚开始，断言这些星球上不存在任何生命，似乎为时过早。

随着人类对自然认识的深化及当代科学技术的飞速发展，人们提出在地球以外的星体上存在生命甚至高级文明社会的问题不足为怪。科学家们被好奇心所驱使，极力想探索出个究竟来，于是在20多年前就产生了寻找“地外文明”的科学探讨方向。

在地球以外广大的宇宙中是否有智慧生命的问题上，科学家们分成了两大派。一派说，既然我们人类居住的地球是个最普通的行星，那么有智慧的生命就应当广泛地存在和传播于宇宙中。另一派却说，尽管生命可能在宇宙中广为存在和传播，但能使单细胞有机体转变成人的进化过程所需的特定环境出现的可能性是极小的，因此在地球外存在的智慧生命就不大可能了。就科学的发展来看，这样的争论是正常的、有益的，而且会推动对“地外文明”的探索。

外星人的传闻日益增多，不管男女老幼，对此都很感兴趣。除了我们地球的人类之外，其他天体上到底有无类似人的生命？这个问题已成为当代科学的第一大谜。

宇宙收缩抑或膨胀之谜

宇宙是什么？应该怎样解释宇宙。《汉语词典》上对宇宙的解释是这样的：“四方上下为宇，古往今来为宙。”简单来说，宇宙就是空间和时间的总称。

宇宙是怎样演化的呢？

中国古代有盘古开天辟地的传说，西方对宇宙来源的解释是依据《圣经》上的记载：“一代消逝了，另外一代降临了，但地球是永恒的……过去是什么，将来还是什么；过去被做成什么样，将来还是什么样，世界上没有任何新的东西。”这种思想在西方比较普遍。连伟大的物理学家爱因斯坦都深受此思想的影响。爱因斯坦在发表广义相对论之后，与他同一时期的荷兰物理学家德西特把它应用到了宇宙上。研究结果表明，根据相对论理论，宇宙是动荡不止的，要么膨胀，要么收缩。为此，爱因斯坦修改了自己的理论，使“宇宙重新静止下来”。这是科学史上的一个失误，后来爱因斯坦曾遗憾地说：“这是我一生中犯下的不可饶恕的错误。”

这之后，俄国的科学家对爱因斯坦的理论作了某些修正，他们的计算结果表明，宇宙可能周期性地处于收缩和膨胀之中，它也可能无限制地膨胀下去。

接着，美国天文学家哈勃利用大倍率的天文望远镜发现宇宙确实是膨胀着的。

美国天文学家斯莱弗（1875～1969年）通过仪器也探测到我们太空中多数星系中显示着明显的“红移”现象。这意味着它们是背向地球运动的。由于每一颗恒星都向外发出光波，如果恒星朝着我们运动，它的光被恒星或星系的原子吸收的地方会出现黑色的线条，因而看上去显得比较蓝。随着这颗恒星离开我们越来越远，这些线条就会始终向着红光的方向偏移，从视觉上看它发出的光会变红，这就是天文学家所说的“红移”现象。越遥远的星系的发光具有越大的红移，表明这个星系离开地球的速度就越快。

据科学家考察，最遥远的星系正以每秒几千米的速度向外运动。

那么，宇宙会不会永久地膨胀下去呢？这种膨胀是由什么引起的？为此人们进行了大量的观测与研究。

根据最新的观测资料，科学家发现，宇宙的膨胀速度正在渐趋减小。那么这又是由什么原因引起的呢？这种膨胀速度会不会最终停止下来，而导致宇宙开始收缩，并回归宇宙大爆炸之初的状态呢？或者在经历强烈的收缩之后，产生一次新的大爆炸，产生一个新的宇宙呢？

当然，要使宇宙终止膨胀，就需要一定量的引力。能否达到这个量，取决于宇宙物质的平均密度能否达到一个量，这个量就是临界密度。但是，如果宇宙存在大量的“暗物质”，那么它的平均密度就难测定了。

宇宙年龄的测定也是宇宙膨胀与否的一个指标，但宇宙年龄的测定难度也很大。

宇宙究竟是继续膨胀着，还是将要收缩呢？在我们现在的宇宙产生之前，是否就曾有过这样膨胀、收缩的循环过程呢？目前还没有足够的理论来说明这个问题。

宇宙膨胀的速度降低了吗

美国加利福尼亚劳伦斯·贝克雷实验室的索尔·波姆特领导的一个研究小组以及澳大利亚蒙特斯特罗姆气象台的布莱恩·斯奇米德特领导的另外一个研究小组近日同时指出，宇宙的扩张正在日益加剧，其动力来源于某种不明力量。这一结论推翻了此前有关自大爆炸以来，宇宙扩张的速度已变得越来越缓慢的传统理论。

研究人员称，目前宇宙里不同星系之间的距离较之此前人们想象的要远得多，以前被人们广为接受的理论，即宇宙扩张速度正在渐渐趋缓已开始受到越来越多天文学家的质疑。

上述美国研究小组的成员之一、美国卡纳吉气象台的温迪·弗里曼表示：“有关不同星系间距离越来越远的现象将对天文学研究产生深远的影响，如果这一结论是正确的，那么它将对我们更好地理解有关宇宙到底是什么样以及它是如何发展到现在等问题具有革命性意义。”

上述研究结果认为，宇宙将永久性地扩张下去，其间，不同星系之间的距离将越来越远，直到每个星系都变成无限空间中的一座孤岛。此外，上述研究结果还对所谓的宇宙膨胀理论起到了支持作用，该理论认为宇宙在大爆炸之后极短的时间内（可能只有一秒钟的几分之一）经历了巨大的变化，呈显著扩张之势。

澳大利亚研究小组的成员之一亚历山大·菲利普科表示：“宇宙扩张的速度非常快，某种力量在最初一段时间一直对宇宙的扩张起推动作用，后来这种力量渐渐消失，但宇宙却仍然继续扩张，这种过程已经持续了数十亿年。因此，我们认为宇宙还将继续扩张下去，即使速度没有大爆炸之后那么快，也不会呈日益减缓的趋势。”

宇宙深处的秘密——星云

当我们提到宇宙空间时，我们往往会想到那里是一无所有的、黑暗寂静的真空。其实，这不完全对。恒星之间广阔无垠的空间也许是寂静的，但远不是真正的“真空”，而是存在着各种各样的物质。这些物质包括星际气体、尘埃和粒子流等，人们把它们叫做“星际物质”。

星际物质与天体的演化有着密切的联系。观测证实，星际气体主要由氢和氦两种元素构成，这跟恒星的成分是一样的。人们甚至猜想，恒星是由星际气体“凝结”而成的。星际尘埃是一些很小的固态物质，成分包括碳化合物、氧化物等。

星际物质在宇宙空间的分布并不均匀。在引力作用下，某些地方的气体和尘埃可能相互吸引而密集起来，形成云雾状。人们形象地把它们叫做“星云”。按照形态，银河系中的星云可以分为弥漫星云、行星状星云等几种。

弥漫星云正如它的名称一样，没有明显的边界，常常呈不规则形状。它们的直径在几十光年左右，密度平均为每立方厘米10～100个原子（事实上这比实验室里得到的真空要低得多）。它们主要分布在银道面（HOTKEY）附近。比较著名的弥漫星云有猎户座大星云、马头星云等。

行星状星云的样子有点像吐的烟圈，中心是空的，而且往往有一颗很亮的恒星。恒星不断向外抛射物质，形成星云。可见，行星状星云是恒星晚年演化的结果。比较著名的有宝瓶座耳轮状星云和天琴座环状星云。

这些星云是宇宙中的重要组成部分，我们研究天体的时候，可千万不要忽略了它们的存在啊。

宇宙起源之一——大爆炸说

宇宙有没有起源？如果有，它来自哪里呢？

早在1927年，比利时天文学家勒梅特就指出，宇宙在早期应该处于非常稠密的状态。1932年，勒梅特进一步提出，宇宙起源于被称为“原始火球”的爆炸。

1948年，美国科学家伽莫夫、阿尔弗、赫尔曼提出了“热大爆炸宇宙学”，伽莫夫等人建立这一理论的最初目的是为了说明宇宙中元素的起源，因此他们将宇宙膨胀和元素形成相互联系起来，提出了元素的大爆炸形成理论。

按照这一理论，宇宙大爆炸初期生成的氦丰度为30%，而由恒星内部核合成的氦丰度仅为3%～5%，其余的氦丰度只能来自宇宙大爆炸的核合成，从而证实了大爆炸宇宙学的科学性。

该理论认为，宇宙膨胀是按“绝热”的方式进行的，宇宙是从热到冷逐渐演变的。

在宇宙形成的早期，辐射和物质的密度都很高，光子经过很短的路程就会被物质吸收或散射，然后物质再发射出光子，辐射和物质频繁地相互作用。当宇宙温度下降到大约3000K时，质子与电子便结合成氢原子，对辐射的连续吸收大大减少，物质跟辐射之间的相互作用已经微乎其微了，宇宙对辐射变得透明，光子可以在空间自由地穿行。宇宙的热辐射主要是可见光和红外线。

时至今日，宇宙膨胀带来的迁移，使温度为3000K的宇宙辐射的最大强度移到微波波段，称为宇宙微波背景辐射。阿尔弗等人计算出与微波背景辐射相对应的温度为5K左右。

1965年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在7.35厘米的波长上接收到了来自各方向的宇宙的微波噪声，噪声的信号强度等效于温度为3.5K的黑体辐射。

微波背景辐射的发现，有力地支持了热爆炸宇宙模型。因此，大爆炸宇宙学得到了大多数科学家的认同。

宇宙相对论是什么

爱因斯坦创立的理论，主要内容是依据一个变换与两个公设。一个变换是洛伦兹变换（不同惯性系之间的变换必须是Lorentz变换）。两个公设是相对性原理（就是物理定律在一切惯性系中都相同）与光速不变原理（光在真空中总有确定速度，与观察者或光源的运动无关）。

从而有四个推论（运动的尺变短，运动的钟变慢，光子的静质量为零，物质不可能超过光速）和三个关系式（速度合成公式，质量速度公式，质能关系式）。

广义相对论：爱因斯坦创立的理论，广义相对论解释了引力作用和加速度作用没有差别的原因，还解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的。利用数学，爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从它旁边经过的任何其他事物，即使是光线，改变路径。广义相对论指出，时空曲率将产生引力。当光线经过一些大质量的天体时，它的路线是弯曲的，这源于它沿着大质量物体所形成的时空曲率。因为黑洞是极大的质量的浓缩，它周围的时空非常弯曲，即使是光线也无法逃逸。广义相对论是狭义相对论的进一步发展，它建立了对一切参考系皆取相同形式的物理定律，且将引力同时空的几何性质联系起来，从而将物质、引力场和时空结合为一体，是一种发展了的引力理论。

简单地说，一个是速度与时空，一个是质量与时空。

暗能量的力量

暗能量是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量的斥力和万有引力来推动的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占73%，占绝对统治地位。暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个，一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程和加速膨胀现象推论出宇宙中存在着压强为负的“暗能量”。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。至今科学家知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。

这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73%。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导当今的宇宙。

宇宙是几维空间

神秘的宇宙和人类的经验世界如此不同，我们所能感受的三维世界也许只是宇宙中多维空间的一个小岛。近日，东京大学上演了一场爆棚演讲。主讲人哈佛大学理论物理学教授丽萨·兰道尔的到场，让所有听众激动起来——不仅因为她的美貌，更因为她给人们呈现了一个超乎想象的多维世界。第五维空间在哪里

哈佛大学理论物理学教授丽萨·兰道尔，是近年来理论物理学界的佼佼者。1999年，她和同事拉曼·桑卓姆发表了轰动一时的两篇论文，至今，这两篇论文的引用率在理论物理学界仍排名第一。根据论文建立的模型，她假设了宇宙中存在着超越我们所处的四维（长、宽、高组成的三维空间+时间）时空之外的第五维或更多维的宇宙空间。这一理论也恰好解释了，困扰科学界多年的引力相比其他3个基本力羸弱不堪的原因。科学家发现，宇宙基本由4种力相互作用而成。它们是引力、电磁力、强力和弱力。引力源于物体质量的相互吸引，两个有质量的物体间存在引力；电磁力是由粒子的电荷产生的，一个粒子可以带正电荷，或者带负电荷，同性电荷相斥，异性电荷相吸；强力主要是把夸克结合在一起的力；弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应，像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的（注：人们普遍认为，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子由电子、质子、中子等基本粒子组成，而基本粒子则由更基本的亚粒子组成。这种亚粒子也就是人们常说的“夸克”）。

令人不可思议的是，这4种基本力的相对强度以及作用范围都有巨大区别。从相对强度上来说，假定以电磁力为一个单位强度，则强力要比这个单位大100倍，弱力只有这个单位的1/1000，引力小到几40乎可以忽略不计，在微观世界中，它只有电磁力的1/10！从范围上看，引力主要体现在宏观世界，其他3种基本力主要在微观世界起作用。

也许你并不觉得引力微不足道，至少当我们从高处坠落时，那可不是闹着玩的。但是同电磁力比起来，它的确相当“虚弱”，比如，整个地球产生的引力作用在一根针上，只不过是让它在桌子上安静地躺着，我们拿起一小块磁铁便能将它轻松吸起。奇特的是，引力在宇宙中却能左右巨大星系的运转。

对此，兰道尔的理论模型给出了解释：“我们假设引力存在于与我们所处的三维时空不同的另一张膜上，而引力膜和我们所在的膜之间，被第五维空间或更多维空间隔开。其他3种基本力被限制在我们的膜上，而引力则在宇宙中均匀分布。对我们这样的三维空间来说，它的强大力量从宇宙中多维空间中‘泄漏’出来后被大大弱化了。”

若果真如此，那么五维或多维空间究竟在哪儿？它们又如何不同于我们的三维空间世界？为什么会有多维空间

事实上，是否存在多维空间的猜想，早在1920年就被爱因斯坦的“粉丝”德国数学家卡鲁扎提出过，后来经过瑞典理论物理学家克莱茵的改进，成为“第五维度”的思想，并被后人统称为卡鲁扎·克莱恩理论（或KK理论）。遗憾的是，这个理论最终未能自圆其说，只能不了了之。

后来，相对论和量子理论——这两大现代物理理论基石相继诞生，有趣的是，二者之间不能通用且充满矛盾。

爱因斯坦的广义相对论是关于引力的理论，他认为空间是有形状的，当没有任何物质或能量存在时，空间是平直光滑的，当一个大质量物体进入空间后，平直的空间就发生了弯曲凹陷。这就像在一条绷紧的床单上放一个保龄球，床单马上就凹陷下去，而所谓的引力就是通过这样的空间弯曲而体现的。为什么地球会绕着太阳运行？因为地球滚入了太阳周边弯曲空间的一道“沟谷”。而如果物体质量太小，空间弯曲几乎为零，也就感受不到引力的作用。因此，人和人之间，甚至建筑物等普通物体之间的引力作用可以忽略不计。

但相对论的空间几何形状变化，解释不了其他3种基本力——电磁力、强力和弱力的作用原理。在微观世界里，空间根本就不是平滑的，无数的粒子在永不停息地剧烈运动，可见，广义相对论的平滑空间前提在这里讲不通。

而量子理论却能解释这3种力的行为：量子理论认为，宇宙中所有的物质最终由数百种不同的基本粒子组成，而力则是由粒子的交换而来的。但粒子交换也不能解释引力现象，因为在微观世界里，粒子的自身质量不仅小到几乎没有，还总在杂乱无章地运动，它们之间的引力又从何谈起呢？相对论和量子理论的尖锐矛盾，使科学家不得不另辟蹊径。20世纪60年代，一个崭新的理论——超弦理论出现了。超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，这根细细的线被科学家形象地称为“弦”。依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同振动模式，弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。振动较剧烈的粒子质量较大，振动较轻柔的粒子质量较小。而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙，就像一支伟大的交响曲。不过，弦的运动是十分复杂的，以至于三维空间已经无法容纳它的运动模式。

在今天的超弦理论中，科学家已经计算出十维空间结构（还有些方法甚至计算出了二十六维）。而空间的维数越高，越能容纳更多的运动形式。由此，宇宙的时空维数是高维的，三维空间仅仅是一种最简单的情形。三维以上的空间是隐匿的

如果真有十维空间，我们为什么只能察觉到三个维度呢？除了时间维度之外，另外六个又在哪里？

一些科学家认为：计算出来的空间维度不一定和经验维度相同。或许另外六个维度的空间以某种方式隐匿起来，人在日常生活中难以察觉。记得获得1979年诺贝尔物理学奖的美国物理学家格拉肖曾抱怨过：“我总是被那些搞超弦理论的人打扰，因为他们从不谈一些和真实世界有关的事。”对这个问题，兰道尔倒是泰然处之，她最近提出了一个“放松原则”：想太多不如什么都不想！“看看我们的宇宙，它一路走来，始终如一。当宇宙处于大爆炸前的初始状态时，存在多少维度都有可能。大爆炸发生后，宇宙在不断地膨胀，它会自然而然地、随时充填需要的维度，直到稳定下来。”根据兰道尔的计算，在宇宙膨胀过程中，三维和七维的宇宙处于相对稳定的状态。因此，“宇宙在演化过程中，自然会呈现出稳定的三维和七维形式。三维空间存在的范围是最大的，这也就是为什么我们只能察觉到今天这个三维空间构成的世界。”

当然，“如果这还满足不了你的好奇心，你也可以把多维宇宙想象成一次买房的经历。当你选择房子的时候，你不仅会看房子的空间大小，还要看它的结构、质量、地理位置、升值潜力等各种因素，这些因素就好比宇宙的其他空间形式。”

宇宙的中心在何处

太阳是太阳系的中心，太阳系中行星都绕着太阳旋转；银河系也有中心，那么宇宙有中心吗？有没有一个让所有的星系包围在中间的中心点？

这样的中心似乎应该存在，但事实上它并不存在。我们也许可以通过气球膨胀的过程来推断解释它。

我们可以假设宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，我们就住在这些点上。我们还可以假设星系不会离开气球的表面，只能沿着表面移动而不能进入气球内部或向外运动。从某种意义上说，我们把自己描述成为一个二维空间的人。

如果宇宙不断膨胀，也就是说气球的表面不断地向外膨胀，那么表面上的每个点彼此间会离得越来越远。其中，某一点上的某个人将会看到其他所有的点都在退行，而且离得越远的点退行速度越快。

现在，假设我们要寻找气球表面上点退行的地方，那么我们就会发现它已经不在气球表面上的二维空间内了。气球的膨胀实际上是从内部的中心开始的，是在三维空间内的，而我们是在二维空间内，所以我们不可能探测到三维空间内的事物。

同样的，宇宙的膨胀不是在三维空间开始的，而我们只能在宇宙的三维空间内运动。宇宙开始膨胀的地方是在过去的某个时间，即亿万年以前，虽然我们可以看到，可以获得相关的消息，却无法回到那个时候。所以，宇宙的中心事实上是不存在的。

宇宙中有没有反物质

你想知道宇宙中有没有反物质吗？你知道什么是反物质吗？今天就将带你走进宇宙，揭开宇宙反物质之谜。

首先要明确物质和反物质是相对立的概念，大家都知道原子是构成化学元素的最小粒子，它由原子核和电子组成。原子的中心便是原子核，原子核由质子和中子组成，电子围绕原子核有规律地旋转。原子核里质子带的是正电荷，电子带的是负电荷。从两者的质量看，质子是电子的1840倍，这使得原子核内部形成了强烈的不对称性。因此，20世纪初曾有一些科学家对此提出质疑，二者相差那么悬殊，会不会存在另外一种粒子呢？它们的电量相等而极性相反，比如，一个与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，著名的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，其他都与电子相同。1932年，美国物理学家安德逊经过反复实验，把狄拉克的预言变成了现实。他把一束γ射线变成了一对粒子，其中一个是电子，而另一个是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，一共捕获了28个反质子。从此，人们知道了每种粒子都有与之相对应的反粒子。

于是有人认为，宇宙是由等量的物质和反物质构成的。

那么，宇宙中到底存不存在着反物质呢？又是否存在着一个反物质世界呢？按照对称宇宙学的观点，回答是肯定的。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，等离子体包括粒子和反粒子。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，同时释放出大的能量，收缩的气体云开始不断膨胀。这就是说，等离子气体云的膨胀，是由正、反粒子的湮灭引起的。

按照这种说法推论，在宇宙中的某个神秘的地方，必定存在着反物质世界。如果反物质世界真实存在的话，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？我们的疑点很多，想要弄清楚谜底究竟是什么，就必须通过人类不懈的努力去探索和研究，只有这样才能寻找出最终的答案！让我们拭目以待。

宇宙中的“黑马”

1961年，在巴黎天文观测台工作的法国学者雅克·瓦莱发现了一颗运行方向与其他卫星相反的“怪异”的地球卫星，这颗来历不明的卫星就被命名为“黑色骑士”。紧接着，世界上的许多天文学家按瓦莱提供的精确数据，也发现了这颗环绕地球逆向旋转的独特卫星。

法国著名学者亚历山大·洛吉尔认为，“黑色骑士”可以用与众不同的方式绕地球运行，表明它具有能够改变重力的巨大影响力，而这只有作为外星来客的UFO（不明飞行物体）才能做到。他推断这颗被称作“黑色骑士”的奇特卫星可能与UFO有联系。

1983年1～11月，美国发射的一颗红外天文卫星在北部天空执行任务时，在猎户座方向两次发现一个神秘莫测的天体。两次观测这个天体时隔6个月，这表明它在空中有相当稳定的轨道。

根据前苏联的卫星和地面站的跟踪显示，这颗卫星体积异常巨大，具有钻石般美丽的外形，而且外围有强磁场保护；内部装有十分先进的探测仪器。它似乎有能力扫描和分析地球上每一样东西，包括所有生物在内。它同时还装有强大的发报设备，可将搜集到的资料传送到遥远的外空中去。真是一个高深莫测的“家伙”！

1989年，在瑞士日内瓦召开的一次记者招待会上，苏联的宇航专家莫斯·耶诺华博士向媒体公开了此事。他强调说：“这颗卫星是1989年底出现在我们地球轨道上的。经过仔细地分析核实表明，它肯定不是来自我们这个地球的。”他郑重表示，苏联将会“出动火箭去调查，希望能把事情查个水落石出。”

此事被披露后，至今世界上已有200多位科学家表示愿意协助美苏去研究这颗可能是来自外太空某一个星球的人造天体。法国天文学家佐治·米拉博士说：“显而易见，这颗卫星‘长途跋涉’才来到地球，它的设计也是这样，虽然只是初步估算，但我敢说它制成后至少有5万年之久！”

运行在地球轨道上的不仅有完好的外来人造卫星，而且有爆炸后存留的外星太空船残骸，前苏联科学家在20世纪60年代初期，首次发现一个离地球达2000千米的特殊太空残骸。经多年刻苦研究后，他们才确信那是由于内部爆炸而变成10块碎片的外星太空船的残骸，并向报界宣布了这个消息，引起了世界上的极大关注。

莫斯科大学的著名天体物理学家玻希克教授说，他们使用精密的电脑追踪这10片残骸的轨道，发现它们原先是一个整体，据推算它们最早是在同一天——1955年12月18日——从一个相同的地点分离出来的，显然这是一次强烈的爆炸导致的。

世界顶级的前苏联天体物理研究者克萨耶夫说：“其中两个最大片的残骸直径约有30米，人们可以假定这艘太空船至少长60米，宽30米；从残骸上看，它外面有一定数目的小型圆顶，装设望远镜、碟形无线以供通信之用。此外，它还有舷窗供探视使用，其内部设备非常先进。”这位研究者补充说：“太空船的体积显示出它有好几层，大概有5层。”

另一位前苏联物理学家埃兹赫查也强调说：“我们多年搜集到的所有证据表明，那是因机件故障而爆炸的太空船”。他还说：“在太空船上极有可能还存在着外星乘员的遗骸。”

前苏联科学家的发现已使美国同行产生了非常浓厚的兴趣。美国核物理学家与宇航专家斯丹顿·费德曼说：“如果我们到太空去收集这些残骸，相信我们有能力把它们拼合起来。”

无边神秘的宇宙，给我们带来了太多的猜想，制造了种种的“谜团”。直到科技发达的21世纪来到，我们的科学家依然不知道这5万年前被发射升空的人造卫星究竟是从何而来的，它幕后的主谋又是谁，它来这儿的目的到底又是什么。

旋转中的宇宙

地球一刻不停地自转，使人类生活在昼夜交替的景色之中。宇宙间的物体很少有不旋转的，自转着的地球和所有它的自转着的姊妹行星都绕着自转着的太阳运行，而太阳又和数千亿颗自转着的恒星一道绕着银河中心旋转，组成我们的银河系。银河系的旋涡结构与奶油倒进一杯咖啡里形成的旋涡花样很相似。奶油的分子是由电子、质子和中子这样一些不停地旋转着的粒子组成的。而目前已知的宇宙中最小的和最大的物体；夸克和超星系团，也都在一刻不停地转动着。宇宙在旋转吗？如果它真的在旋转将产生哪些后果呢？设想在正方形的四角各有一个星系，若忽略星系间的引力相互作用，则它们将随着宇宙的膨胀而相互退行。在单纯膨胀的宇宙模式中，这个正方形仅仅是随着时间变大而已。在较为复杂的情形下，正方形切变为增大的平行四边形。但若宇宙在旋转，则星系将沿着螺线形轨道相互退行。1982年，法国天文学家保罗·伯奇在研究130多个河外双射电源的观测数据时，发现这些源所在空间磁场矢量的方位角与各相应射电源主轴的方位角之差，在一半天空为正值，而在另一半天空为负值。伯奇认为这是由于这些天体相对于星系际介质作旋转，而旋转轴与宇宙旋转的轴-8相重合的结果。他还计算出，宇宙旋转的角速度大约为每年2×10角秒！

目前，宇宙学家和粒子物理学家公认的暴胀宇宙模型能够解释宇宙学中长期存在的一些谜：如在宇观尺度上宇宙是均匀的和各向同性的，宇宙的密度接近于使其停止膨胀所需的临界密度，等等。1983年，欧洲核子研究中心的伊里斯和奥立夫从理论上探讨了在早期宇宙中宇宙旋转对暴胀模型的影响。从观测到的2.7K微波背景辐射的均匀性（温度起伏在万分之一）可计算得：今天，宇宙作为一整体，其旋转速度不能大于每年4×10-11角秒，比上述伯奇的计算结果小3个数量级！至于宇宙为什么转得这样慢，伊里斯和奥立夫统一认为这是宇宙暴胀的自然后果。即使极早期宇宙旋转得很快，经过暴胀阶段它便急剧地减慢。因为，在暴胀阶段宇宙的体积增大了10多倍而其角动量却保持不变，犹如冰上舞蹈家张开双臂时其旋转速度自然减慢的情形一样。

与此同时，英国剑桥天文研究院的费乃伊和韦伯斯特对伯奇处理观测数据的统计分析方法进行了检验。他们发现，伯奇所取射电源样本的延线（主轴）取向和其在天空的位置之间在扭转的意义上没有不对称的明证。他们还认为，伯奇发现的其他不对称性，包括来自这些射电源的射电波的偏振方向的不对称性，可能是由于在对视线方向星际介质的影响做校正时的系统误差所致。

但剑桥大学的统计学家肯德尔和杨对新获得的一些河外射电源的观测数据用他们自己发展的统计分析方法处理，所得结果却表明宇宙旋转现象是存在的。

1984年，加拿大多伦多大学的宓坦霍尔茨及克隆贝尔格对277个河外射电源的数据用适当的统计方法重复伯奇的分析，未获得大尺度各向异性或宇宙旋转的明证。同年，美国苏塞克斯大学的巴罗、索鲁达和波兰天文学家居斯凯维茨利用对2.7K微波背景辐射均匀性的最新测定值，从理论上探讨了对宇宙旋转角度的限值。他们的计算结果是：如果宇宙是开放的，也就是说如果宇宙永远膨胀下去，其旋转不能快-9于每年约10角秒。这一结论立即排除了伯奇效应的任何宇宙旋转的解释，对于其他宇宙模型，限值更为严格。

由此可见，宇宙是否在旋转涉及观测精度，处理数据所用的统计分析方法及宇宙模型等一系列问题，短期内还下不了结论。

第二章　宇宙中的各种天体

曾经的宇宙假说——星云说

最成功的太阳系理论是从18世纪的星云假说开端的。1796年，法国数学家拉普拉斯认为，有一个庞大的原始高温的气态星云在空间里缓慢地转动，它的体积比现在的太阳系大好几倍。在逐渐冷却的过程中，星云的体积减小，密度加大，导致转动加快，离心力随之增加。这个过程就好像冰上舞蹈演员在旋转时双手上举，身体的转动越来越快的情景。离心力的增加使星云变成了扁平的盘状。当边缘物质的离心力大于中心的吸引力时，就会从边缘自外而内分出一个个圆环来。

每一个环里的物质并不均匀，大的凝团吸引小的尘埃，如同滚雪球一样越聚越多，逐渐发展成行星。而围绕着行星又重复着同样的过程，从而形成了卫星。星云假说成功地解释了行星的运行及其轨道的规律，密度的不一致现象等，所以在产生后的一个多世纪里为人们广泛接受。

但是假说产生的年代对宇宙的探索还很不深入，因此对太阳系产生的描述过于简化。特别是后来人们又发现了一些太阳系运转的规律，例如有些卫星的逆行和角动量分配不平均等问题。角动量是指物体的角速度与旋转半径的乘积，当没有外力作用时，物体的角动量是守恒的。前面我们举的旋转的冰上舞蹈演员的例子就是角动量守恒的，在她旋转开始时，双臂张开，旋转速度不是很快；但当她将双臂收拢，她便转动得快了。而在太阳系中，太阳的质量虽然远远超过行星们质量的总和，太阳的角动量居然只有全太阳系的2%，也就是说，位于中心的是旋转极慢的庞大的太阳，在离中心很远的地方旋转着角动量很大的诸行星。按照星云假说预测，太阳的自转周期应该在12小时左右，然而观察的结果却是26天。显然太阳的角动量太小了，星云假说无法解释这个现象。20世纪60年代，英国天文学家霍伊尔和法国天文学家沙兹曼开始拯救星云假说，他们提出，物体的角动量可以通过带电粒子在磁场中运动的方式来转移给其他物体。他们认为，原始太阳演化早期，存在很强的磁场，热核反应使太阳发出电磁辐射，使周围圆盘状的气体电离，产生的带电粒子将太阳的角动量大量地转移给外围的圆盘气体，使之角动量增加而向外扩展。太阳由于不断地失去角动量而转速越来越慢。这种说法使星云假说重新赢得了支持者。

有许许多多的各种各样的天体悬浮在宇宙之中，它们不规则却又很有规律地运行着，组成宇宙空间色彩斑斓又富有神奇的万象。看看无数前人和今天的科学家们的探索成就吧，你会发现，美好的地方可不仅仅是我们生活的地球呢！

恒星的演化

恒星的两个重要特征就是温度和绝对星等。大约100年前，丹麦的艾基纳和美国的诺里斯各自绘制了查找温度和亮度之间是否有关系的图，这张关系图被称为赫—罗图，或者H-R图。在H-R图中，大部分恒星构成了一个在天文学上称作主星序的对角线区域。在主星序中，恒星的绝对星等增加时，其表面温度也随之增加。90%以上的恒星都属于主星序，太阳也是这些主星序中的一颗。巨星和超巨星处在H-R图的右侧较高较远的位置上。白矮星的表面温度虽然高，但亮度不大。

恒星演化是一个恒星在其生命期内（发光与发热期间）的连续变化。生命期则依照星体大小而有所不同。单一恒星的演化并没有办法完整观察，因为这些过程可能过于缓慢以至于难以察觉。因此天文学家利用观察许多处于不同生命阶段的恒星，并以计算机模型模拟恒星的演变。

天文学家赫茨普龙和哲学家罗素首先提出恒星分类与颜色和光度间的关系，建立了被称为“赫—罗图”的恒星演化关系，揭示了恒星演化的秘密。“赫—罗图”中，从左上方的高温和强光度区到右下的低温和弱光区是一个狭窄的恒星密集区，我们的太阳也在其中；这一序列被称为主星序，90%以上的恒星都集中于主星序内。在主星序区之上是巨星和超巨星区，左下为白矮星区。

色彩斑斓的恒星

天上的星星，除了有明有暗以外，颜色也各不相同，有的泛红，有的泛黄，有的泛白，有的泛蓝。大多数恒星的颜色，要用专门仪器来测定，肉眼很难分清楚。但是，有些亮星的颜色是容易看出来的。比如，天狼星和织女星是白色的，离我们最近的一颗恒星南门二是黄色的。猎户星座有七颗亮星，其中六颗是蓝白色的，还有一颗星叫参宿四，是红色的。天蝎星座中最亮的一颗星叫心宿二，颜色很红，像火星那样，所以又有个名字叫大火。为什么恒星会有各种不同的颜色呢？在炼钢炉里，钢水是蓝白色的。出炉之后，钢水的温度慢慢降了下来，颜色也逐渐变黄、变红，最后凝成黑色的钢锭。钢水颜色由浅变深的这个过程，也就是温度由高变低的过程。同样的道理，恒星有不同的颜色，也是因为它们的表面温度不同。红色星的温度是最低的，只有2600～3600℃，黄色星是5000～6000℃，白色星有7700～11500℃，蓝色星温度最高，有25000～40000℃。我们的太阳是颗黄色星，这种情况可非常要紧。假如太阳是颗红色星，整个地球就都会像南、北极那样一年到头冰雪覆盖。假如太阳是颗蓝色星呢？地球上的一切东西就都会被烤焦，在这两种情况下，人类恐怕都无法生活。钢水颜色的变化是那样明显，那样快，恒星的颜色是不是也会变化呢？正是这样，恒星并不是恒定不变的，它们同人的出生、长大、衰老、死亡一样，也有从产生到灭亡的演化过程。所以，不光是颜色变，其他各方面的特征也都会变。但是，恒星的一生是很长很长的。以太阳来说，它的寿命大概有一百多亿年。这样恒星的颜色变化非常缓慢。不要说在一个人的一生中，就是在人类有文字记载的几千年历史上，也很难发现这种变化。不过，我们很幸运，能够知道有一颗星，即参宿四，它的颜色确实变化了。有什么证据呢？这得感谢我们的祖先——中华民族的勤劳智慧的前辈。我国古代把恒星的颜色分为五种，就是白、红、黄、苍（就是青色）和黑（就是暗红色）。每种颜色都选定了一颗星作标准。把别的恒星拿来跟这五颗标准星比较，就能定出它们的颜色来。选作黄色标准的星，就是参宿四。我国古代一部很有名的历史书《史记》上对这些都记载得很清楚。《史记》是在两千多年前写的，这说明那时的参宿四颜色是黄的。可是，我们今天看到这颗星的颜色却明明是红的。这就证明，两千年中，它的颜色确实变了，由黄色变成了红色。参宿四这颗星的质量很大，大约是太阳的20倍。科学家们按照现代的恒星演化理论算出来，这么大的恒星从黄色阶段变到红色阶段，正好要两千年左右的时间。这跟我们祖先的观察记录很符合。

红巨星的形成

恒星开始核反应后在反抗引力的持久斗争中，其主要武器就是核能。它的核心就是一颗大核弹，在那里不断地爆炸。正是因为这种核动力能自我调节得几乎精确地与引力平衡，恒星才能在长达数十亿年的时间里保持稳定。

热核反应发生在极高温度的原子核之间，因而涉及物质的基本结构。在太阳这样的恒星中心，温度达到1500万K，压强则为地球大气压的3000亿倍。在这样的条件下，不仅原子失去了所有电子而只剩下核，而且原子核的运动速度也是如此之高，以至于能够克服电排斥力而结合起来，这就是核聚变。

恒星是在氢分子云的中心产生的，因而主要由氢组成。氢是最简单的化学元素，它的原子核就是一个带正电荷的质子，还有一个带负电荷的电子绕核旋转。恒星内部的温度高到使所有电子都与质子分离，而质子就像气体中的分子在所有方向上运动。由于同种电荷互相排斥，质子就被一种电“盔甲”保护着，从而与其他质子保持距离。但是，在年轻恒星核心的1500万K的高温下，质子运动得如此之快，以至于当它们相互碰撞时就能够冲破“盔甲”而黏合在一起，而不是像橡皮球那样再弹开。

四个质子聚合，就成为一个氦核。氦是宇宙中第二位最丰富的元素。氦核的质量小于它赖以形成的四个质子质量之和。这个质量差只是总质量的千分之七，但是这一点质量损失转化成了巨大的能量。像太阳那样的恒星有一个巨大的核，在那里每秒钟有6亿吨氢变成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈冲击就能阻止引力收缩。

然而，“恒定”的演化历程终将结束，当所有的氢都变成了氦时，核心的火就没有足够的燃料来维持，恒星在主序阶段的平静日子就到了尽头，大动荡的时期来到了。

一旦燃料用光，热核反应的速率立即剧减，引力与辐射压之间的平衡被打破了，引力占据了上风。有着氦核和氢外壳的恒星，在自身的重力下开始收缩，压强、密度和温度都随之升高，于是恒星外层尚未动用过的氢开始燃烧，产生的结果是外壳开始膨胀，而核心在收缩。在大约1亿℃的高温下，恒星核心的氦原子核聚变成为碳原子核。每3个氦核聚变成1个碳核，碳核再捕获另外的氦核而形成氧核。这些新反应的速度与缓慢的氢聚变完全不同。它们像闪电一样快地突然起爆（氦闪耀），而使恒星不得不尽可能地相应调整自己的结构。经历约100万年后，核能量的外流渐趋稳定。此后的几亿年里，恒星处于暂时的平稳，核区的氦在渐渐消耗，氢的燃烧越来越向更外层推进。但是，调整是要付出代价的，这时的恒星将膨胀得极大，以使自己的结构适应于光度的增大。它的体积将增大10亿倍。这个过程中恒星的颜色会改变，因为其外层与高温的核心区相距很远，温度就低了下来。这种状态的恒星称为红巨星。

白矮星的由来

白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期，恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量（产生比铁还重的元素不能产生能量，而需要吸收能量）。恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。

一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量，比地球略大。这种密度仅次于中子星和夸克星。如果白矮星的质量超过1.4倍太阳质量，那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力，电子会被压入原子核而形成中子星。

大部分恒星的演化过程都包含白矮星阶段。由于很多恒星会通过新星或者超新星爆发将外壳抛出，一些质量略大的恒星也可能最终演化成白矮星。双星或者多星系统中，由于星际物质的交换，恒星的演化过程可能与单独的恒星不同，例如天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星，但是天狼星是一颗大约2.3个太阳质量的主序星。

中子星的发现

脉冲星是20世纪60年代四大天文发现之一（其他三个是类星体、星际有机分子、宇宙3K微波辐射）。因为它不停地发出无线电脉冲，而且两个脉冲之间的间隔（脉冲周期）十分稳定，准确度可以与原子钟媲美。各种脉冲星的周期不同，长的可达4.3秒，短的只有0.3秒。

脉冲星就是快速自转的中子星。中子星很小，一般半径只有10千米，质量却和太阳差不多，质量下限是0.1个太阳的质量，上限是3.2个（据爱因斯坦的广义相对论，可以达到这个水平），是一种密度比白矮星还高的超密度恒星。

中子星的前身一般是一颗质量比太阳大的恒星。它在爆发坍缩过程中产生的巨大压力，使它的物质结构发生巨大的变化。在这种情况下，不仅原子的外壳被压破了，而且连原子核也被压破了。原子核中的质子和中子便被挤出来，质子和电子挤到一起又结合成中子。最后，所有的中子挤在一起，形成了中子星。显然，中子星的密度，即使是由原子核所组成的白矮星也无法和它相比。在中子星上，每立方厘米物质足足有10亿吨重。

中子星的质量极大，一个中子化的火柴盒大小的物质，需要96000个火车头才能拉动！所以中子星的质量是不可忽视的。

中子星的能量辐射是太阳的100万倍。按照目前世界上的用电情况，它在1秒钟内辐射的总能量若全部转化为电能，就够我们地球用上几十亿年。

中子星并不是恒星的最终状态，它还要进一步演化。由于它温度很高，能量消耗也很快，因此，它的寿命只有几亿年。当它的能量消耗完以后，中子星将变成不发光的黑矮星。

脉冲星的特征

1968年有人提出脉冲星是快速旋转的中子星。中子星具有强磁场，运动的带电粒子发出同步辐射，形成与中子星一起转动的射电波束。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合，每当射电波束扫过地球时，就接收到一个脉冲。

恒星在演化末期，缺乏继续燃烧所需要的核反应原料，内部辐射压降低，由于其自身的引力作用逐渐坍缩。质量不够大（约数倍太阳质量）的恒星坍缩后依靠电子简并压力与引力相抗衡，成为白矮星，而在质量比这还大的恒星里面，电子被压入原子核，形成中子，这时候恒星依靠中子的简并压与引力保持平衡，这就是中子星。典型中子星的半径只有几千米到十几千米，质量却为1～2倍太阳质量，因此其密度可以达到每立方厘米上亿吨。由于恒星在坍缩的时候角动量守恒，坍缩成半径很小的中子星后自转速度往往非常快。又因为恒星磁场的磁轴与自转轴通常不平行，有的夹角甚至达到90°，而电磁波只能从磁极的位置发射出来，形成圆锥形的辐射区。

此为在持脉冲星便是中子星的证据中，其中一个便是我们在蟹状星云（M1；原天关客星，SN 1054）确实也发现了一个周期约0.033S的波霎。

脉冲星靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量，因而自转会逐渐放慢。但是这种变慢非常缓慢，以至于信号周期的精确度能够超过原子钟。而从脉冲星的周期就可以推测出其年龄的大小，周期越短的脉冲星越年轻。

脉冲星的特征除高速自转外，还具有极强的磁场，电子从磁极射出，辐射具有很强的方向性。由于脉冲星的自转轴和它的磁轴不重合，在自转中，当辐射向着观测者时，观测者就接收到了脉冲。到1999年，已发现1000颗脉冲星。

黑洞与白洞

黑洞就像宇宙中的一个无底深渊，物质一旦掉进去，就再也逃不出来。根据我们熟悉的“矛盾”的观点，科学家们大胆地猜想到：宇宙中会不会也同时存在一种物质只出不进的“泉”呢？并给它取了个同黑洞相反的名字，叫“白洞”。

科学家们猜想：白洞也有一个与黑洞类似的封闭的边界，但与黑洞不同的是，白洞内部的物质和各种辐射只能经边界向边界外部运动，而白洞外部的物质和辐射却不能进入其内部。形象地说，白洞好像一个不断向外喷射物质和能量的源泉，它向外界提供物质和能量，却不吸收外部的物质和能量。

白洞到目前为止，还仅仅是科学家的猜想，还没有观察到任何能表明白洞可能存在的证据。在理论研究上也还没有重大突破。不过，最新的研究可能会得出一个令人兴奋的结论，即“白洞”很可能就是“黑洞”本身！也就是说黑洞在这一端吸收物质，而在另一端则喷射物质，就像一个巨大的时空隧道。

科学家们最近证明了黑洞其实有可能向外发射能量。而根据现代物理理论，能量和质量是可以互相转化的。这就从理论上预言了“黑洞、白洞一体化”的可能。

要彻底弄清楚黑洞和白洞的奥秘，现在还为时过早。但是，科学家们每前进一点，所取得的成绩都让人激动不已。我们相信，打开宇宙之谜大门的钥匙就藏在黑洞和白洞神秘的身后。

彗星内“脏”

20世纪哈雷彗星回归两次，第一次是1910年5月，哈雷彗星庞大的尾巴在地球逗留了好几个小时，亮度如同火星，让人大饱眼福。第二次，1985～1986年，这次回归让人不免有些遗憾，其场面大不如前一次。直到1986年三四月份，人们才在南半球上空重又见到哈雷彗星。

这两次回归，使哈雷彗星风靡全球，变成了家喻户晓的“明星”。中国著名天文学家张鲸哲回忆：“哈雷彗星1910年回归时，我是8岁学童，彗星横扫天际的奇景，深深打动了我。这个最初的印象对于我以后转学天文并从事小行星的观测研究起到了重要的作用。”

1986年，天文学家终于认识到，彗星实际上是一个由石块、尘埃、甲烷、氨所组成的冰块，我们把这个冰块称为彗核。彗核形状酷似一个长马铃薯，呈深黑色，就像一个“脏雪球”。如果在彗星上作“环星旅行”，大约半天就走完了，远离太阳时，人们在地球上是无法辨认的。而当这个“脏雪球”飞向太阳的时候，太阳的加热，使彗星表面冰蒸发升华成气体，与尘粒子一起围绕彗核成为云雾状的彗发和彗核，合称彗头。彗核又使阳光散射，便形成星云般发淡光的彗尾。这时，彗头直径有几十万千米，彗尾长达好几千万千米，变得好似庞然大物，但其质量却非常小，仅有地球质量的十亿分之一。

天体撞击之谜

早在20世纪70年代，美国天文学家借助安装在智利的天文望远镜研究确认，当宇宙中发生并非罕见的宇宙悲剧——巨大星系相撞时，会导致这些相撞星系形状上的变化，还会破坏新恒星的诞生过程。美国天文学家基于大量观测认为，跟中学现代天文学教科书中关于宇宙演化的概念恰恰相反，新诞生的一大批恒星比整个宇宙要年轻得多，但是，当初，很少有人相信这一点。

1997年10月底，美国天文学家们借助修复后的“哈勃”太空望远镜拍摄了一张发生最大宇宙悲剧的照片——触角星云中的两个大星系相撞，发生这一宇宙悲剧的地方距离我们6300万光年远。“哈勃”在瞬间拍下这一星系撞击的宇宙悲剧的同时，又在这“一瞬”的宇宙尺度内拍下1000多个新诞生的恒星群。这些细微宇宙照片使天文学家们大为震惊，他们通过目睹这一星系大撞击的宇宙奇观才如梦方醒，原来，星系之间并非相互隔绝，也并非静止不动，恰恰相反，它们相互撞击，融为一体并贪婪地“吞噬”着它们的“近邻”，与此同时，爆发出强烈的闪光并突然冒出火光，改变着自己的形状。这一震惊科学界的新发现，从根本上改变了天文学家的传统思维和对宇宙演化的旧有观念，这有助于我们对真正宇宙史的理解和认识，从而解开了历代各民族和天文学家留下的关于宇宙奥秘困惑不解的谜团。我们人是从哪里来的？主宰自己的路又通向何方？我们生命的真谛是什么？

1994年7月的“彗木之吻”使天文学家们目睹了一场天文体大撞击的宇宙奇观和悲剧后果。然而，这不过是在太阳系范围的一次普通天体撞击现象。倘若两个对面飞驰而来的星系相撞，或彼此“擦肩而过”，那便是天体力学上一个惊人的宇宙过程，要从头至尾观测完这一过程需花费几亿年时间，即便几十代天文学家的辛勤努力也恐难胜任这一天文观测。

为了全面揭示和研究星系相撞会导致什么样的悲剧性后果，前不久，日本天文学家借助计算机和数学模拟系统，总共只用了几小时的时间就完成了通常需要几亿年时间才能完成的一项星系碰撞模拟实验。

在实验现场显示出两个相撞后相互作用的星系之间出现的遥远异地的宇宙奇观，在对撞的两个星系之间出现光桥、光尾、“纽带”状和圆盘状星系的扭曲变形等现象。但模拟计算并不能对相互作用星系的某些特性作出解释，比如：两个星系相撞时的颜色为什么往往跟单个星系的颜色截然不同？两个星系较高的X线亮度与什么有关？归根结底的问题是为什么在数学模拟实验时总是不出现环状星系。这一点早已引起天文学家的关注。

须知，星系的外形和颜色首先取决于那些年轻、明亮和连成一大片的恒星。这些恒星诞生不久，它们分布在频繁诞生恒星的宇宙区域中。这就是说，要观测到两个星系碰撞时相互作用的结果，首先必须仔细洞察星际气体的未来状况，成为年轻恒星的“建筑材料”。

根据数学模拟实验表明，在两个星系飞速接近时，这两个星系的气体云中的次星系并非像圆盘状星系中的次星系那样牵制着自己。这时，恒星就会在两个相互接近的星系之间形成“纽带”，或形成被强力展开的螺旋状分支物，气体云会形成环状结构，其半径小于恒星圆面的半径。邻近星系的影响会破坏气体云沿圆形轨道匀速运动，它们往往相互碰撞从而强化了恒星的诞生过程。几亿年后，星系掠过最近点后，星系间引力的相互作用促进了恒星的形成过程，从而使恒星形成的强烈度达到极点，其恒星形成的速度是孤立星系中恒星形成正常速度的10倍。

大批年轻的恒星由于2个星系的相互作用，明显变换着自己的颜色，它们的颜色变得更加蔚蓝，而其余恒星则是致密的相对论性天体——中子星和黑洞，它们成双结对地栖身于众多的普通恒星之中并伴它们同行，进而变成强X线源，它们还能明显强化这一区域中星系的亮度。

星团和星云

星团中的恒星紧密地挨在一起，但是并非“亲密无间”，它们之间弥漫着星云。星团是由10个以上的恒星组成且被各成员星间的引力束缚在一起的恒星群。许多较亮的星团用肉眼或小型望远镜看起来就是一个模糊的亮点。星团可以分为球状星团和疏散星团两种，疏散星团即前面提到的银河星团。而星云则是恒星系内一切非恒星的气体尘埃云。星云中的物质都是由气体和尘埃微粒组成的，不同的是星云中的气体和尘埃含量略有不同。历史上，曾因观测工具的限制，把星云和河外星系混为一谈。

星云的演变

一般认为行星状星云是由激发它的中心星抛射出来的，将会逐渐消失；新星和超新星爆发所抛出的云也在很快地膨胀而逐渐消失。它们都是恒星演化过程中的产物，也是恒星逐渐变为星际物质的过程。一些发射星云内部含若干热星，它们常常组合成聚星、银河星团或星协（如O星协）。这些星云和年轻恒星一起分布在银河系旋臂中。因此天文学界认为，这些星云中的热星群可能是不久前才从这些星云中诞生的。

天体的“自行”

人们肉眼可以看到的星有6000多颗。这些星可以分为两类：一种是行星，也就是太阳系的八大行星。古人观测天空，只看到离我们最近的水星、金星、火星、木星、土星，古人发现这五颗星的位置总在变化，这说明它们在天上不停地走来走去（这种“走动”，按现在的说法就是行星的“公转”），因此称它们为“行”星。而对于另一类星，它们在天上的位置看上去总是固定不变（当然，这必须排除地球自转、公转造成的星星们看上去的“变动”），所以称它们为“恒”星。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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