宇宙简史(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：康斯特

出版社：中国友谊出版公司

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宇宙简史试读：

我们常说人类身处宇宙之中，那么，什么是宇宙呢？“宇宙”是个很大的概念，如果我们用搜索引擎来搜索这个词，能够得到很多答案。字典中对这个词的解释是：包括一切事物的无限空间和时间。宇宙就是一切空间、时间和物质组成的一个整体，其中包括所有的物质和它们的表现形式。

在远古时期，原始人类在具备了思维能力后，看到天上日升月落、星象运行的情况，意识到昼夜交替的现象。他们便会思考这一切是如何发生的，思考他们所看到的天上的这些事物究竟是什么。因此，即使在当时“宇宙”这个词还没有被创造出来，但原始人类必定已经对此有了模糊的概念，并产生了对其一探究竟的好奇心。

宇宙包含无比广阔的空间，其中存在着各种天体和其他宇宙物质。宇宙是如何起源的呢？这是一个复杂的问题。宇宙中的物质和它们的各种表现形式一直在不断地运动和发展着。从古至今，科学家们都在追寻宇宙的起源，想要了解宇宙究竟是怎样形成的。现在，大多数科学家认为，宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸。宇宙中的所有物质和能量本来是聚集在极其微小的一个点上的，这个点因为巨大的压力而产生了爆炸。与大爆炸有关的一些原理就是物理学家们所说的量子物理。这场大爆炸使宇宙空间不断向外扩张，物质充满了整个空间。这些物质形成了宇宙中的所有星系和星球，也促使了生命的诞生。一、宇宙是什么样子的

相对于整个宇宙来说，人类只是极其微不足道的渺小尘埃，甚至是尘埃中的尘埃。但人类的好奇心并没有局限在自己眼前，而是早已伸向宇宙深处。

在望远镜还没被发明出来以前，人类只能通过肉眼看到眼前可见的一小部分宇宙。16世纪以前，人们都认为自己脚下的土地就是整个宇宙的中心，一切日月星辰都围绕着这个中心分布。16世纪初期，波兰天文学家哥白尼提出了日心说，认为地球并不是宇宙的中心，而是与其他行星一样，都是围绕着太阳旋转的。这在当时是一种激进的言论，在社会上引起了轩然大波。宗教界批判哥白尼的说法违背了《圣经》，而意大利思想家乔尔丹诺·布鲁诺却支持日心说，并在此基础上发展出宇宙无限说，认为宇宙是广阔无垠的，没有中心，也没有边界；地球只是围绕太阳旋转的一颗行星，而像太阳这样的恒星在宇宙中有无数颗；所有星体都会诞生和死亡，只有无限的宇宙是永恒存在的。布鲁诺四处宣扬他的宇宙无限说，惹怒了罗马教廷。他最终被宗教裁判机构以“异端”的罪名烧死在罗马鲜花广场上。

十年后，望远镜刚刚诞生不久，意大利天文学家伽利略就用望远镜进行观测，发现宇宙中有无数肉眼看不到的星星，因此证实了布鲁诺的说法。但布鲁诺提出的“无限”只是空间概念上的无限，并不包含时间概念上的无限。

1990年以前，人类只能在地面观测宇宙。1990年4月24日，以著名天文学家、美国芝加哥大学天文学博士爱德温·哈勃命名的太空空间望远镜——哈勃望远镜，在美国肯尼迪航天中心通过“发现者”号航天飞机发射升空，从此人类可以直接观测太空空间。这弥补了地面观测的不足。

哈勃望远镜在发射升空后进行了深空探索，将观测到的星系区域选取一小块放大，然后在选取的区域中再选取一小块放大，就这样不断选取不断放大，而每一次放大所得的图片都显示出密密麻麻的星系，由此可见宇宙的浩瀚无边和深不可测。

目前，科学家们主要依据宇宙的背景辐射来对宇宙进行观测。我们知道宇宙膨胀的，无论是光还是声音，在介质中传播都需要一定的时间。我们把时间向宇宙诞生的初期反推就会发现，当宇宙的规模还很小的时候，它内部的密度仍然是很大的，其中的电子会发生游离，就像水蒸发变为水蒸气那样。在碰到电子的时候光会发生偏移和散射，无法沿直线前进。这就像光在通过水蒸气时也会发生散射，所以在雾气中我们会看不清对面的东西。在宇宙形成的早期，因为宇宙内部充满游离态的电子，光无法自由通过，所以这时的宇宙是不透明的。随着宇宙不断向外膨胀，其温度也随之降低，当宇宙的年龄到了约10万年时，其温度已经下降到3000摄氏度。这时，电子与质子发生了结合，不再对光产生阻碍，宇宙开始变得透明了。所以，我们目前能够看到的宇宙，都是其诞生10万年以后的景象了。宇宙中的光从诞生之日起，已经行走了137亿年。宇宙在这漫长的岁月中发生的所有故事，都能从这些光里一窥究竟。

到了1992年，美国的NASA通过一颗人造卫星第一次看到了全天宇宙的模样。这颗卫星从不同的角度测量了宇宙中古老的光子的强度，组成了120亿年前宇宙的图景。科学家们凭借这个观测结果第一次证实了宇宙早期的形状是扁平的，从宇宙诞生之日就在不停地膨胀，温度也在不断地下降。

英国著名的物理学家、研究宇宙问题的权威史蒂芬·霍金教授曾经在剑桥大学的一次演讲中说，根据他和他的团队的研究，我们所处的宇宙很可能具有一个美妙的几何结构，与超现实主义的艺术作品有些相似。他还举例说，这种形状就像是荷兰艺术家埃舍尔的作品一样令人不可思议又令人非常着迷。霍金教授的这个说法可能会让很多喜爱埃舍尔作品的人心生喜悦，但是，考虑到霍金教授以及他的团队用来研究宇宙形状的依据是弦理论，而这一理论目前还是一种未经证实的理论，所以他的说法也只能作为一种参考。

进行这个研究的团队将首次试图利用数学模型来解决宇宙中的空间缠绕问题。在过去，这种方法从未被考虑过进行这类研究。如果科学家们能够建立起这个模型，我们就可以利用它来解释宇宙大爆炸后，一个能够自我支撑的空间是怎么形成的。在这个空间里，引力和量子力学也将能够实现统一。参与这项研究的一位科学家说，运用弦理论搭建宇宙的模型，是一种从未尝试过的全新途径。

宇宙的形状如果从语言角度来描述，可以说它是一个多重曲面镶嵌在一起的整体。这个整体拥有无限重复的扭曲的面，每个曲面之间又紧密相连。这个结构与埃舍尔的作品“圆形极限”十分类似。这一类艺术品都反复出现了镶嵌在一起的周期性的图案，让我们得以在有限的面积中得到一种无限和递增的观感。而且，尽管这些艺术作品都是二维的平面图案，但是体现出了空间的曲面结构。

在一些超现实主义的艺术作品中，经常有一些环环相扣、反复出现的图案，这些图案首尾相连，从中心出发一直延展到边缘，给人的感觉仿佛是无限延伸的。这些图案在二维的平面上看起来是以固定的系数一直在无限地缩小着的。但是如果把它们放到一个双曲空间中，每个图案的大小将不发生变化，每个图案都是相同的。因为在空间中无法进行平铺，所以在一个多维空间中我们能够看到一个扭曲的图形，以一个固定的频率如波浪般起伏。二、宇宙由什么组成

宇宙都是由哪些物质组成的呢？显而易见的答案是，宇宙是由天空中闪亮的星星组成的。但是随着时间的推移，科学家们不断地发现了一些证据，这些证据推翻了这个传统的答案。科学家们认为，组成我们日常能够见到的所有事物、星体以及星系的“普通”物质，在宇宙的全部质量中只占不到5%！据科学家们估算，还有26%是由我们没有发现的粒子所组成的暗物质。剩下的近70%就更加神秘，他们推测，这可能就是造成宇宙不断向外膨胀的能量——暗能量。我们目前还无法了解暗物质和暗能量究竟是什么，科学家利用空间望远镜和粒子加速器展开研究，想要找到关于它们的答案。

在茫茫宇宙中，有不计其数的星体。绝大多数我们能够在太空中看到的星体都是恒星，它们在孤寂的夜空中发出的光芒看起来似乎是冰冷的，但是实际上，恒星都和我们的太阳一样，是炎热的火球。它们不断地向宇宙空间释放热量。恒星的表面温度非常高，至少能够达到3000摄氏度。任何金属碰到恒星表面的火焰都会瞬间熔解甚至直接气化。但是，我们从距离它们十分遥远的地球上看，这些发着幽光的星球就好像是夜空中的萤火虫一样。

在这些恒星中，有一些恒星的体积非常大，甚至相当于太阳体积的80亿倍。它们是由气体组成的，密度很小。其中密度最小的星球，只相当于地球大气密度的几万分之一。这个密度比我们在一个密闭空间里用抽气机造成的“真空”还要更小一些。同时还存在另一种恒星，它们的体积甚至还不如地球大，但是密度非常高，引力也非常大。如果人类能够到达这种星球上，不但无法站立起来，甚至会直接被自己的重量压碎了。这些小型恒星发出的光十分明亮，表面温度也很高，能够达到30000～50000摄氏度。

还有许多恒星，它们和太阳差不多大，在恒星中属于中等体型。这些恒星的密度适中，表面温度能够达到几千摄氏度。恒星有各种各样的表现形式，但是保持一致的是，它们全部是由气体组成的星球，十分灼热，并且能够发出耀眼的光芒。

通常来说，这些恒星的周围也有像地球这样自身无法发光发热的行星。但是，就算我们用如今最先进的空间望远镜，也无法直接观测到其他星系中的行星，因为它们无法发光，而且体积实在是太小了。但我们能够确定，不但太阳系具有行星，其他恒星系统也具有行星。

每一颗恒星之间的距离，以我们目前掌握的空间技术，都要走上几万年。所以，在宇宙的尺度上，我们通常用光在一个固定时刻行走的距离来作为距离单位，比如光天、光年等。所以，尽管从我们自身的角度来说，恒星是如此巨大，但是把它们放在宇宙中，就好像是大海中的水滴一样，甚至比水滴还要小。

在恒星与恒星之间，还存在很多宇宙尘埃和气体，这些气体有时会组成星云。这些星云的厚度有时会达到数亿乃至数万亿千米，它们在宇宙中飘浮着，影响光线的通过。这些星云本身不会发光，它们有些会反射附近的恒星发出的光，能够让我们直接观察到，我们称之为亮星云。还有一些星云所处的宇宙空间是黯淡无光的，就成了暗星云。宇宙中的各种星体和星云以及它们组成的星系，是最常见的物质。

晴朗的夜晚我们能在夜空中看到银河。实际上，银河是由1000亿颗恒星组成的类似铁饼状的星系系统，我们称之为银河系。太阳系就是银河系中最普通的一个恒星系。从地球上向外看，银河系是一个美丽的光环。它几乎布满了我们的整个夜空，但是在宇宙中，银河系也只不过是成千上万个星系中的一个。

在宇宙中，有无数个恒星系，它们像我们的银河系一样，都是由1000亿颗以上的恒星组成的。我们在地球上通过肉眼能够直接看到的一个星系来自仙女座。在北半球的初冬的上半夜，我们可以在天空的正中看到一个纺锤形光点，这就是一个星系。这个星系距离地球220万光年。在星系中，光年是最普遍的距离尺度。在每个星系中，从一端到另一端都需要行走数万乃至数十万光年。

到目前为止，人类已经发现了数以亿计的星系。但是，这离我们发现宇宙的真实模样还有遥远的距离。我们所能观测到的宇宙，只占宇宙极其微小的一部分。随着技术的发展和科学的进步，我们在未来将能够看到更加寥廓的宇宙。

宇宙中的所有星球都是在时刻不停地运动着的。我们的地球每天在自转，同时围绕着太阳进行公转。太阳带着太阳系中的行星围绕着银河系的中心旋转。宇宙是时刻变化着的，就像我们之前说的，还在不断地向外膨胀。过去，人们曾经有三种猜测：一种是脉动说，认为宇宙膨胀到一定程度就会反向收缩，收缩到原点后又会再次爆炸，再次膨胀，然后再次收缩；一种说法认为宇宙是不会膨胀也不会收缩的，永远保持现在的样子；还有一种说法认为宇宙自大爆炸开始就会无休止地膨胀下去，直到解体。根据科学家们的观测和研究，最终证实最后一种猜测是最恰当的。

50亿年前，宇宙膨胀呈现出逐渐减慢的趋势，然而从50亿年这一界限开始，膨胀速度却突然加快。这就说明，在50亿年的时候，有一种神秘力量突然介入宇宙，加快了宇宙的膨胀速度，这种力量就是暗能量。它直到现在还在起作用，使得宇宙没有任何停止膨胀的迹象。因此，宇宙很有可能将会永远膨胀下去。三、宇宙起源

比利时物理学家勒梅特是第一个提出宇宙大爆炸理论的科学家，他计算出宇宙正在膨胀，并推想宇宙从前的体积必定比现在更小，宇宙的初始状态或许就是一颗球形的宇宙原子，而宇宙的形成就来源于宇宙原子的大爆炸。

从1942年开始，美国宇宙学家伽莫夫就酝酿并创建了宇宙大爆炸的理论模型。到了1948年，他的研究成果已经基本成熟，于是发表论文详细阐述了宇宙大爆炸理论。他将宇宙大爆炸的进程分为以下几个阶段：

第一阶段是创生阶段。首先是宇宙诞生的起点，也就是137亿年前大爆炸的奇点，此时的宇宙具有极高的温度、压力和密度；接下来是普朗克时期，也就是大爆炸之后的10-34秒，此时宇宙的温度降到1032开，密度降到每立方米1093千克；然后到了大统一时期，也就是10-35秒，此时宇宙温度继续降到1028开，引力、电磁作用力、弱作用力、强作用力这四大基本作用力统一为一体；接着进入强子时期，也就是10-6秒，此时宇宙温度为1014开；然后是轻子时期，也就是10-2秒，此时宇宙温度为1012开；此后，电磁作用力、弱作用力和强作用力逐渐分离，各种粒子开始出现，而原子尚未形成。

第二阶段是氢、氦等简单元素产生的阶段。首先是辐射时期，也就是1～10秒，此时宇宙温度为1010～109开；接着是氦形成时期，也就是3分钟，此时宇宙温度为109开，直径为1光年左右，有将近30%的氢反应形成氦；然后是粒子丰度趋于稳定时期，也就是30分钟，此时宇宙温度降低到108开，粒子停止转化，丰度变得稳定；接着是物质时期，也就是1000～2000年，此时宇宙温度降低到105开；到10万年，宇宙温度降低到约5000开，物质开始从背景辐射中透明出来。

第三阶段是星系、星体和生命诞生的阶段。到1亿年，宇宙温度降低到100开，此时星系开始形成；到10亿年，宇宙温度降低到12开，此时类星体、恒星、行星以及生命开始诞生；到100亿年，宇宙温度降低到3开，星系温度大约为105开，我们当前就处于这一时期。为了证明宇宙大爆炸学说，很多科学家从各个角度提出了不同的证据。

第一个证据是通过观测计算出的宇宙年龄与大爆炸理论测算出的数值相符，科学家至今尚未发现比这一数值年龄更大的天体。

第二个证据是宇宙各处氢元素的丰度与大爆炸理论测算出的数值相符。我们知道，在氦形成时期，有将近30%的氢反应形成氦。科学家对当前宇宙的各个角落进行观测和计算，发现所有数值都与这个比例相符。

第三个证据就是宇宙微波背景辐射，这也是大爆炸学说最关键的证据。美国贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯和威尔逊在工作中偶然用天线接收到强烈的噪声，而且无论将天线朝向哪个方向，噪声都无法停止下来，即使排除了一切干扰因素，噪声依然存在。他们最终确认，这种噪声处于微波波段大约3开等效温度的位置，是一种来自空间且在各个方向性质均等的噪声。他们将这一发现公布出去，很快便受到了美国物理学家迪克的重视。迪克认为，根据宇宙大爆炸理论，爆炸后产生的能量逐渐冷却，到现在为止应该存在着一个能量遗迹，他一直在寻找这个遗迹，而彭齐亚斯和威尔逊的发现恰好证实了这个遗迹的存在。这个遗迹也就是微波背景辐射。后来，人们在深入宇宙空间进行探索时，无数次地验证了微波背景辐射，发现整个宇宙空间都充斥着微波背景辐射，因此也就证明了宇宙大爆炸学说。

那么，大爆炸究竟是怎样形成的？宇宙诞生之前是什么样子的呢？

宇宙大爆炸与我们所熟知的压力型爆炸不同，它是一种真空能量的释放，也就是说，宇宙是从真空中诞生的，这种真空是一种“沸腾的真空”。“沸腾的真空”这一说法是英国物理学家狄拉克在1930年提出的，他认为，真空中充斥着正负电子对，当具备了一定条件，也就是“真空极化”时，负能粒子会转变为正能粒子。因此，真空中蕴含着巨大的能量。

普朗克时期便是真空能量释放的时期，10-34秒之后，连续的时间和空间才真正形成，在此之前，时间和空间是量子化、不连续的，是一种时空混沌的状态，所以，“宇宙诞生之前”这种带有经典时空概念（连续时空概念）的说法无法成立，“宇宙诞生之前是什么样子的”这一问题也是不成立的。暗能量与反物质

宇宙中所有的物质都在飞速运动，如此巨大的银河系，围绕旋转一圈只需要两亿年的时间。科学研究证明，银河系内部的引力是无法与如此巨大的速度带来的力量保持平衡的，如果没有外力作用，银河系将会因为自身的高速旋转而被撕裂，但是事实上并没有，所以科学家们认为，有一些看不见的物质对银河系施加了一个外力，是这个外力把银河系的物质凝聚在了一起。同时我们发现，星系团中的星系也在快速运动，我们可以认为，是暗物质对这些星系发生了作用。

在万有引力定律中，正常的物质在引力作用下，会向星系中央聚集，但是我们观测到的结果却并非如此。这些看不见的暗物质对普通物质起着巨大的作用。但是，这些暗物质之间无法发生核聚变，所以它们在通过彼此时不会产生碰撞，也无法释放出可见的能量。这些物质可能是质量巨大的亚原子粒子，它们的质量是质子的许多倍。这些亚原子粒子被称为弱作用大质量粒子，它们能够对物质产生影响，彼此通过引力发生作用，对电磁力则并不敏感。

我们通常所说的物质，是由带正电的原子核与带负电的电子组成的。而有一种物质与我们所知的正好相反，它们由带负电的原子核与带正电的电子组成，所以也被称为反物质。这些反物质在与正常物质碰撞时，会发生物质的湮灭。在过去，反物质只是人们提出的一种假设。直到1997年，科学家们才宣布，在银河系的中心发现了反物质。一、发现暗能量

从1998年人类第一次意识到宇宙在膨胀，科学家们就发现宇宙中有一种难以解释的存在。宇宙的命运，似乎与这些神秘的存在息息相关。因为无法直接观测到，所以科学家们将它称为暗能量。

为了对宇宙进行更好的观测，很多主要的天文研究中心都设立在人迹罕至、远离光污染和其他干扰因素的山顶或者荒漠中。在这些研究中心里，有人类能建造的最为发达的各种科学仪器和保障设施，以及巨大的天文望远镜。智利帕拉纳尔天文台，是一座备受全世界天文学家青睐的天文观测机构。这座天文台的望远镜系统通过一套巨大的发电机驱动，这台发电机的功率高达2M瓦。科学家们使用如此先进的设备，是为了找到一种基本粒子——光子。宇宙中的光子携带着丰富的信息来到地球，它们有些来自地球附近，还有一些来自遥远的宇宙深处。通过对这些基本粒子的研究，科学家们能够了解恒星、星系乃至宇宙的演化过程。

但是，人类对宇宙的了解越深入，就越感到自己的渺小。宇宙是如此包容和博大，任何我们试图了解它而做出的努力，都显得微不足道。从古希腊时期开始，人类就已经开始了对宇宙的探索和研究。那时，人类还不具备对宇宙进行深入观测的设备，只能靠肉眼观察夜空中的星星。他们根据观察到的现象，创立了许多学说。在古希腊人看来，地球的基本构成元素分为四种，分别是空气、土、水和火。后来，古希腊思想家亚里士多德进一步阐述了这一理论。他认为，宇宙是由两部分组成的，一部分是脚下的地球，一部分是天空中的星。其中，地球是由前述四种基本元素组成的，而天空中的恒星和行星则是由被一种称为第五元素的神秘元素——以太构成的。在他看来，恒星和行星组成的世界是恒定的，万古不变的。同时，古希腊人认为，地球是宇宙的中心。宇宙中的各种天体围绕地球运动，形成一个个同心圆。由此出发，很多新的科学发现诞生了。人们逐渐发现，地球并不是宇宙的中心，而是一颗围绕太阳运行的普通行星。太阳也只是一颗普通恒星，位于银河系中。银河系属于更为巨大的天体结构——本星系群，而本星系又是星系团的一个微小的组成部分。众多星系团构成超星系团，而宇宙是由众多超星系团组成的。简而言之，宇宙的尺度，远远超出了人类的想象。

用各种先进的观测设备捕捉到的光子被用来研究宇宙的基本特性，但是研究越深入，人们就越感到自己的无知。于是，在试图对宇宙进行更深入的解释时，科学家们再一次提出了第五元素的概念。

过去，当人们谈起宇宙时，总是使用大致的、模棱两可的表述，但是现在，科学家已经能够详细了解宇宙的整体结构和密度。哈勃使用造父变星测量出了星系与地球之间的距离。现在，科学家又开始了对濒死恒星的研究。恒星内部的核聚变将氢元素消耗殆尽后，恒星便进入了生命的尾声。恒星会开始膨胀，气体外壳逐渐消失，最后只剩下一个致密的核，体积与地球相似，这就是白矮星。有些白矮星会继续吸引其他天体的物质，当达到临界点时发生爆炸，形成了1A型超新星。因为这种超新星的爆炸方式是相同的，而且具有极高的亮度，所以能够用来测量极远处的星系与地球之间的距离和远离地球的速率。科学家们正在不断收集1A型超新星的观测数据，借此寻找宇宙受引力影响的起点。

当科学家发现一颗1A型超新星，就会对它的红移水平进行测量。红移的程度越高，说明越接近宇宙大爆炸的初始阶段。科学家们用它与地球之间的距离与它的表面亮度进行对比，发现这些超新星的实际亮度与理论亮度存在差异，看起来要暗一些，这说明它发出的光是穿过了极远的距离才到达地球的。通过这些研究，科学家们得出结论，认为宇宙目前的膨胀速度，比宇宙大爆炸发生不久之后的膨胀速度要快。宇宙之所以具有今天这样大的规模，说明膨胀速率在提高。

我们虽然已经知道宇宙中占绝大多数的是暗能量，但是对这种暗能量还没有足够的了解。想要解决这个问题，可能还要求助于爱因斯坦的理论，也就是宇宙常数。爱因斯坦认为，宇宙中不但存在引力，同时还存在斥力。暗能量好比沸腾的水表面的气泡，随机地凭空出现又消失。暗能量似乎能够从真空中突然出现，引发一些突如其来的能量大爆炸。宇宙本身就起源于这种爆炸，在宇宙诞生一段时间之后，这些随机产生的爆炸带来的压力促使宇宙向外膨胀。宇宙的规模越大，其中的暗能量数量就越大，这就使得宇宙的膨胀速度越来越快。

还有一种理论，试图用第五元素的概念来解释暗能量。第五元素虽然十分接近于真空，但是随着时间的推移，这种元素会发生变化。关于暗能量的理论还有很多，其中的一种理论将暗能量与暗物质归结到一起，提出了暗流体的概念。这一理论在极大程度上改变了引力的作用机制。另一种理论认为，暗能量虽然现在的表现形式为斥力，但是可能会在未来转变为引力。到那时，宇宙会在这种引力作用下停止膨胀，并且开始向内收缩，最终坍塌。宇宙中的所有物质将会挤成一团，缩小到和质子一样大。

还有一些科学家认为，通过对1A型超新星研究得到的红移结果，并不能作为宇宙正在加速膨胀的证据。这种极大尺度的观测和计算，可能受到很多不确定因素的影响。从哥白尼创立了日心说，证明地球是围绕太阳旋转的一颗普通行星开始，科学家们就认为，人类的生存环境在宇宙中是普通、常见的。所以，科学家们同样认为，从地球观察到的宇宙是普适的，在宇宙的其他地方能够看到的现象，与我们能够看到的一样。根据这个理念，我们对宇宙的结构做出了推断。因为观测到了遥远空间射向地球的光的温度均匀，结合宇宙的膨胀现象，我们就推断宇宙的膨胀是均匀的。这一理论通过观察到的均匀分布的星系和形体团得到了进一步证明。但是是否存在一种可能，那就是尽管人类已经观测到了相当大的宇宙空间，但是从宇宙的尺度上来说，这些只是极小的一部分呢？好比一只昆虫在平原上极目远眺，所见之处尽是平坦的土地，但是它并不知道，其他地方还有海洋和高山。

在我们所处的这个宇宙之外，可能存在其他宇宙。这些宇宙的分布是不均匀的，呈泡状结构。如果地球位于一个泡状宇宙的中心地带，那么在地球上对宇宙进行观察时，泡状宇宙边缘的超新星看起来就是加速远离地球的。但是到目前为止，人们还没有发现相关的证据。主流观点仍然认为，宇宙是在加速膨胀的。研究人员通过对深空星系的观察和测量，进一步证明了这一观点。还有一个证据是，科学家在计算出了星系的总引力后能够得出星系坍缩的速度，但是事实上星系并没有发生坍缩，这说明星系中存在一股很大的斥力，也就是说仍然受到暗能量的作用。

暗能量是现代宇宙学的一个重要发现。但是从宇宙的长远发展来看，在很久以后，可能人类再也无法感受到暗能量在宇宙中的存在了。目前，银河系与室女座超星系团仍然有着相当远的距离，但是终有一天银河系将被拉扯进这个星系团里。到了那时，银河系与其他星系会合并为更大的超级星系。如果宇宙仍然在加速向外膨胀，那么现在天幕上能够观测到的众多星系与星系团将以光速消失。到了那时，因为没有了观测依据，人类将不会获得更多关于时空演变的知识，也不会有比现在更宽广的科学视野。现在，科学家们从宇宙中一点点地搜集光子，想要获得关于宇宙中的暗能量的更多信息，但是这些神秘的物质正在离我们远去。二、暗物质的组成和分布

1932年，来自美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基最早提出了有关暗物质的证据，并且认定了暗物质是真实存在的。他在对螺旋星系的旋转速度进行观测时，发现星系旋臂的外侧比预期的旋转速度要快，所以他认为，在星系外侧一定有一个巨大的质能。正是因为这一质能的存在，才让星系外侧的物质能够在强大的离心力作用下仍然没有离开星系。他发现，这些星系团中的星系运动速度是如此之快，如果在星系团外部没有一个力约束着它，那么它的质量需要达到目前通过观测计算出的数值的100倍，才有可能通过自身的引力来束缚住自己。

起初，暗物质仅仅作为一个猜想被提出，但是在接下来的几十年里，科学家们通过数据和事实证明了暗物质的确存在。到了20世纪80年代，虽然人们仍然不了解暗物质的性质，但是已经能够基本认定，宇宙中的暗物质大约占宇宙总能量密度的20%。

关于暗物质是否存在，科学家们直到1978年才通过测量物质绕着星系的运行速度提出可信的证据。我们在计算太阳的质量时，是通过日地距离以及地球围绕太阳进行公转的速度来测算的。按照这一方法，如果我们知道了一个物体距离星系中心的距离，并且知道它围绕星系运转的速度，就能计算出整个星系的质量。在使用这样的方法进行计算时，得出的星系质量比我们能够观测的星系中所有星体的总质量要大得多。

尽管科学家们对暗物质进行了许多观测，但是直到2011年，人们还是无法了解它的全部成分。关于暗物质的早期理论主要认为暗物质就是无法观测到的一般物质，比如生命走到尽头的恒星以及黑洞等。这些星体通常属于大质量致密天体，但是直到现在，人们仍然没有找到足够多的这种天体来解释暗物质造成的影响。

在很长一段时间里，只存在于假说中的基本暗性粒子被认为是最有可能的暗物质粒子。这种粒子的寿命很长，而且具有温度低和无碰撞等特性。由于这种粒子的温度很低，所以在脱耦时属于非相对论粒子，并且能够在引力的作用下迅速结合在一起。它们的寿命与当今宇宙的年龄一样，或者比宇宙的年龄更大。

因为这些粒子是在一个比哈勃视界还要小的范围内开始结合的，因此与整个宇宙的尺度相比，这个范围显得非常小。最先形成的暗物质聚集体或者暗晕与银河系相比要小得多，而且质量也更小。宇宙开始向外膨胀，哈勃视界也随之增大，早期的暗物质聚合体会渐渐合并成更大的规模，这些尺度较大的结构经过互相合并，变得越来越大。这样造成的结果是形成各种形状的暗物质聚合体，具有不同的质量，与观测保持一致。

但是对相对论粒子来说，发生的情况正好相反。比如中微子在引力作用下结合成一团时，因为本身具有过快的速度，因此不能组成我们观测到的结构。从这一点来看，中微子对暗物质密度的形成起到的作用可以忽略不计。对太阳的中微子质量测量得出的结果与这个结论是一致的。

暗物质粒子的无碰撞特性是指暗物质之间或暗物质与普通物质之间存在的相互作用十分微小，甚至可以被忽略。它们单纯靠引力把彼此约束在身边，在整个暗物质晕中做轨道运动，该轨道很宽并且具有很小的偏心率。

英国科学家里斯认为，暗物质有几种可能的存在方式。一种可能是之前提到过的小质量的恒星；一种可能是超大质量恒星在很久之前坍缩形成的相当于太阳质量200万倍的超大黑洞；还有一种可能是一些特殊的粒子，比如我们提到过的中微子、轴子，以及其他一些科学家们认为可能存在的粒子。

粒子物理学家伊利斯认为，星系团和矮星系的暗物质晕中的暗物质最有可能的组成部分是S粒子。这种粒子来自超对称理论，该理论称，所有粒子的基本粒子都存在和它对应的粒子，比如光子对应着光微子。伊利斯认为组成暗物质的粒子可能是光微子、中微子、希格斯微子和引力粒子。同时科学家也认为，这些粒子可能组成了星系团之间的广袤空间中的冷暗物质。暗物质之间也存在引力，星系团中的数十亿颗恒星就是在暗物质的引力作用下形成了各个星系。

到目前为止，人类能够在实验室环境中发现的唯一的暗物质粒子就是中微子，这种粒子的质量几乎为零，而且在全部暗物质中占的比例非常小。科学家们认为，余下的大多数暗物质粒子是由大质量弱相互作用粒子构成的，这些粒子比质子的能量大10～1000倍。当两个暗物质粒子相撞时，就会发生湮灭现象，并释放出γ射线。

当一个星体的生命发展到某个阶段时，温度开始降低，无法向外释放能够被观测到的能量信号，所以不能被人类观测到，这时就表现为暗物质。这些暗物质也被称作重子物质。还有一种暗物质，是由中性稳定粒子构成的，它们具有静止质量。这种粒子形成的星体无法向外释放电磁信号。这种暗物质就被称为非重子物质。

还有人认为低温无碰撞物质是暗物质可能的组成部分。一个原因是，通过模型计算出的这种物质的结构与实际观测的结果是一致的。另一个原因是，大质量弱相互作用粒子能够对这些物质在宇宙中的丰度做出合理的解释。当粒子间具有弱相互作用时，宇宙诞生的最初一瞬间，这些粒子之间会形成热平衡。在这之后，它们彼此碰撞并发生湮灭，平衡被打破了。通过对离子间相互作用的截面来计算，这些物质在宇宙占全部能量密度的20%～30%，这一结果与观测事实是相符的。还有一个原因是，在低温无碰撞物质的理论中，预测了一些有很大可能组成暗物质的其他粒子。

还有一种可能组成暗物质的粒子是中性子。这是一种通过超对称模型得出的粒子。这一理论是超引力和超弦理论的基础，在这个理论中，每个已知的费米子都需要和一个玻色子伴随存在，同时，每一个玻色子也伴随着一个费米子。如果宇宙从诞生之日就保持着超对称的形态，那么这些伴随粒子也将保持相同的质量不变。但是，宇宙在早期发展过程中不再保持超对称，导致伴随粒子的质量发生了改变。而且绝大多数超对称的伴随粒子十分不稳定，当宇宙的形态发生变化之后就随之衰变。但是，其中质量最小的伴随粒子没有发生衰变。在最基本的理论模型中，这些粒子表现为电中性，并且彼此之间呈弱相互作用。所以这种粒子也有很大的可能是大质量弱相互作用粒子。如果中性子组成了暗物质，那么当地球穿过太阳系中的暗物质时，位于地表以下的探测器能够搜寻到这种粒子。还有一点需要注意的是，这个探测结果无法证明大质量弱相互作用粒子就是暗物质的主要组成部分，在目前的实验环境中无法确定这些粒子在暗物质中所占的比重是大还是小。

另外一种可能构成暗物质的粒子是轴子。这是一种中性粒子，质量非常小。在宇宙的大统一理论中，轴子起到了十分关键的作用。在两个轴子之间，存在十分微弱的相互作用力，所以轴子无法保持热平衡，并且无法对它在宇宙中的丰度进行合理的解释。宇宙中的轴子处在低温玻色子凝聚状态。目前，科学家们已经建造了用来探测轴子的探测器，研究工作正在展开。

一些科学家开展了一项名为“低温暗物质搜寻计划”的科研项目，旨在发现低温暗物质粒子。来自美国明尼苏达大学的科学家安吉拉·雷塞特尔参加了这项研究，她认为，我们周围有一股暗物质粒子，时刻都在发生着相互作用。雷塞特尔在最新发表的论文中说，她和她的团队成员在最近的实验中发现了两起事件，可能是暗物质对探测器撞击造成的。

但是目前科学家们尚无法确定这两起事件中观测到的信号是由什么粒子造成的，可能是暗物质粒子也可能是其他粒子，因为这两个信号实在是太小了。据参与研究的科学家说，他们实现建立的模型对这种情况有准确的预测，认为可能会出现疑似暗物质的假信号。这个“低温暗物质搜寻计划”在未来将继续进行，希望能够发现更多有实际意义的事件和信号。

还有一些科学家通过粒子加速器来尝试在地球上搜寻暗物质。利用强大的粒子加速器，我们能够把粒子加速到接近光速，并让它们彼此碰撞。通过这样的高速对撞，科学家渴望找到新的粒子，比如暗物质粒子。

但是，即便科学家们已经使用功能最强大的粒子加速器来进行实验，到目前为止也没有发现更多暗物质存在的迹象。人们可能会追问造成这一现象的原因，在宇宙中占据大多数的物质为什么无法被观测到？美国科学家萨拉表示，可能是因为人类目前为止制造的加速器仍然不够强大。因为科学家们不能确定暗物质的粒子到底有怎样的体积和密度，需要使用多大的能量才足以观测到它们的痕迹。也许，利用加速器无法发现暗物质。萨拉认为，可能科学家并未意识到一个残酷的事实，那就是我们无法人为地制造或者观测到暗物质粒子。

到2006年初，人类对暗物质的研究取得了新的进展。剑桥大学天文研究所的科学家们有史以来第一次确定了一些暗物质的物理性质。同一年，美国科学家在使用钱德拉X射线望远镜观测一个星系团时，意外地观测到了两个星系发生碰撞的过程。这样的大规模碰撞具有强大的威力，把普通的宇宙物质与暗物质撞开了，借此我们能够直接观测到暗物质，这为暗物质的存在提供了直接证据。

2007年，科学家公布了史上第一份暗物质分布图。70多名研究人员历经4年的不懈努力，终于制作出了一幅三维图像。在这份图中，科学家们描绘了以地球的视角出发观察天空时，8个满月在天空所占空域范围内的暗物质分布轮廓。科学家们使用引力透镜的原理绘制出了这张图。一位来自马赛天文物理实验室的科学家也参加了暗物质分布图的研究和制作，据他说，这张图表现出的图景在过去的25亿年间基本没有发生过改变，能够认为这片宇宙中的暗物质就呈现出这样的形态。

2007年，约翰斯·霍普金斯大学的天文学家们在《天体物理学杂志》上发表文章，称他们在用哈勃望远镜进行观测时，在距离地球相当遥远的星系团中发现了形成环状的暗物质。科学家们认为，这一结果是目前能够确定暗物质真实存在的最关键的证据。参与了这项研究的天文学家詹姆斯·杰认为，这是有史以来第一次直接观测到这种环状分布的暗物质，它与这个星系团内部的其他物质具有完全不同的结构。这个结果能够让天文学家们更好地认识普通物质与暗物质之间存在的区别，以及研究引力对暗物质能够造成怎样的影响。

科学家们于2009年在位于美国明尼苏达州的Souden煤矿里发现了暗物质。这一发现是暗物质最有力的实物证据。同时，其他科学家们也在通过实验来搜寻暗物质留下的痕迹。当暗物质之间发生碰撞时，能够被观测到，粒子的碰撞能够发出γ射线，这一现象被称为物质湮灭。美国的费米太空望远镜就是旨在通过这一现象来观测暗物质的，但是到目前为止还没有发现。

意大利科学家在暗物质的研究方面也进行了一些探索。2011年，他们对暗物质的研究与其他类似的研究发生了矛盾。探测结果表明，距离银河系大约16万光年的大麦哲伦星系可能正是由于暗物质的帮助，才没有被银河系的引力撕碎。

到了2013年，对暗物质和暗能量的探寻以及对宇宙的起源和进化的研究，成了21世纪的天文学和物理学的发展方向。华裔物理学家、诺贝尔奖获得者李政道博士曾经说过，对于20世纪末和21世纪初的物理学界来说，暗物质是一团最大的疑云，对它的研究代表着物理学将发生一次新的革命。

2013年4月3日，日内瓦的欧洲核子研究中心传出了关于暗物质的好消息。诺贝尔奖获得者丁肇中教授宣布，他带领的科学家团队在经过长达18年的研究后产生了第一个实验结果，这将是人类在探寻暗物质道路上的一个重要里程碑。利用阿尔法磁谱仪，丁肇中团队发现了40万个正电子。正电子是一种反物质，它和暗物质是有区别的。但是这些正电子有可能来自同一个地方，那就是脉冲星或者是暗物质。这个实验结果让人类对物理学和天文学有了全新的认识和理解，让人们对这个研究项目的下一个结果有了更多的期待，因为这一结果可能会确定暗物质的真实存在。

半个月之后，美国物理学会发表研究报告，表示他们通过实验发现了大质量弱相互作用粒子的较强信号，这意味着他们可能发现了暗物质，概率达到99.8%。一年之后的4月18日，来自中国的丁肇中团队在日内瓦召开了成果发布会，公布了最新研究成果，认为暗物质可能是宇宙射线中存在的大量正电子的来源。在之前的研究中，科学家们认为暗物质具有6个特征，而这一实验结果已经确认了其中的5个。

在距离地球38亿光年的地方，有一个被称作子弹星系团的暗物质星系团。科学家们可以通过对这个星系团的研究来分析暗物质对其他物质造成的不可见的影响。这个子弹星系团是两个星系团发生碰撞造成的结果，普通的宇宙物质在碰撞中损失了能量，运动的速度变得缓慢。但是与此同时，暗物质之间彼此穿过，产生的相互作用几乎可以忽略不计。

科学家们利用大视场太空望远镜，能够发现亮度低于14星等的矮星，这些矮星的质量还不到太阳的一半。根据太阳在银河系中的位置，我们能够计算出这些M型矮星的数量，进而得出这些矮星的质量能够达到银河系尚未被观测到的质量的一半。而且因为这些矮星能够持续发光几万年，所以科学家们推测，银河系中有很多类似的恒星在生命结束后留下无法被观测到的残骸，它们的质量就相当于理论上计算出的暗物质的质量。

美国的一些科学家应用了一种最新的理论，认为在地球与月球之间存在着大量未知的暗物质。这种理论能够解释一些航天器的异常现象。人类发射的太空探测器脱离地球轨道进入太空的加速过程中，几乎所有的探测器都发生过一些怪异的现象，如飞行的速率会无端发生变化。按照万有引力定律，这些现象是不应该发生的。一些科学家就此推测，这些异常现象代表着我们现在掌握的物理定律是存在问题的，万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论都有缺陷。

德国科学家约尔格·迪特里希和他的团队在一个名为“阿伯尔222/223”的超级星系团中发现了暗物质成分。这个星系团距离地球27亿光年，其中的丝状物中含有暗物质。丝状物的引力让光产生了偏移，利用这种偏移，迪特里希团队的科学家计算出了星系团中的丝状物具有的质量。由普通物质发出的X射线能够得出，这些物质组成了这些丝状物的一部分，但是只占其中10%的质量。余下的大部分物质，有极大的可能性是暗物质。迪特里希认为，这些丝状物构成了宇宙中的暗物质网络，将星系团彼此连接在一起。

当今流行的暗物质理论认为，暗物质或许是一种大质量弱相互作用粒子，这些粒子的质量比组成普通物质的粒子质量更大。并且因为它们无法参与电磁力作用，所以运动的速度很慢。这些大质量弱相互作用粒子可能存在一些反粒子。当两个这样的粒子发生碰撞时，就会发生湮灭现象，并且释放出γ射线。这个理论能够解释为什么银河的核心地区发出了令人出乎意料的γ射线。美国宇航局的费米太空望远镜发现了这一现象。费米太空望远镜属于美国宇航局，是一台γ射线望远镜，主要被用来观测银河系中的高能粒子活跃区。美国科学家霍普和他的团队在使用费米太空望远镜对银河系中心进行观测时，发现了一些高能死亡信号。

霍普团队是在分析了费米望远镜两年多的观测数据之后发现这些信号的，这些信号由一些暗物质粒子的碰撞产生。发生碰撞的暗物质粒子的质量大约是质子的9倍。霍普认为，这些粒子的质量比科学家们之前推测的结果要轻，但是人们同样认为，这些暗物质粒子的质量不是固定的，而是在一个范围内存在区别。这些信号是从银河系中心的一个直径约为100光年的区域发出的，这里被霍普认为是暗物质的理想聚集地，所以受到了严密的关注。在银河系的这个区域中的暗物质密度比边缘地带的暗物质密度大10万倍。所以我们也可以这样认为：银河系的中心存在大量暗物质，它们彼此相撞，并释放出能量。尽管美国费米实验室的科学家克雷格·霍甘并未参加这个研究项目，但是他依然感到十分兴奋。他认为，这项研究开创了历史，第一个利用简单的粒子模型把与暗物质有关的证据都联系在了一起。尽管还没有取得足够的数据，但是仍然值得我们深入研究。

迈克尔·特纳是来自芝加哥大学的科学家，他是暗物质研究领域的专家。他认为，相干锗中微子技术等深埋地下的探测器可能为霍普的研究提供一定的帮助。在霍普开展研究的同时，还有其他一些暗物质的实验也在同步进行，而且都很有希望取得成果。特纳表示，目前是研究暗物质的黄金时期，所有的探测器都在进行正确的观测，相信科学家即将解决关于暗物质的很多疑问。他还表示，对大质量弱相互作用粒子的研究将成为物理学发展的未来。通过利用大型粒子对撞机来批量制造大质量弱相互作用粒子，我们将逐渐弄清楚暗物质的真面目。

科学家们使用大口径天文望远镜对一些矮星系进行研究后，通过对观测结果进行分析，证明在这些矮星系外有很多大质量暗晕。科学家们通过大量的观测和多达7000次的计算得出结论，这些矮星系具有的暗物质质量相当于普通物质的400多倍。除此之外，我们还能够发现，星系中的粒子都在进行高速运动，且温度很高，能够达到10000摄氏度。科学家们还发现，普通物质与暗物质之间存在着很大的差别。尽管这些物质具有很高的温度，但是奇怪的是这样的高温并没有带来辐射。据这一研究的领导者杰里·吉尔莫推测，暗物质可能并非由质子和中子组成。在这之前，科学家们曾经认为组成暗物质的粒子运动速度十分缓慢，而且这些粒子的温度不高。

科学家们表示，通过对暗物质的观测和研究，他们发现宇宙中最小的暗物质聚集体也有1000光年的规模，这样一个暗物质片段能够达到太阳质量的30倍之多。科学家们还提出了暗物质的密度假设，如果说地球上每立方厘米空间内有1000多个粒子，那么同样的空间能容纳的暗物质粒子只是这一数量的三分之一左右。研究表明，在宇宙中，一些暗物质和它们相邻的星系有着密切的关系。这些星系通常只有少量恒星，但是整个星系的质量却远大于其中的恒星的质量。

但是在更小的尺度上，不一致的情况就出现了。这种情况在几年前已经开始显现，并且因为这种不一致，让一些科学家提出了质疑，他们认为现行的理论可能存在错误。多数科学家认为，这种不一致可能是因为我们对暗物质提出了不正确的假设，但是理论的模型本身可能并没有错误。因为从大尺度上来说，引力是最主要的因素，所有的计算都是在万有引力定律和广义相对论的范畴内进行的。但是当尺度变小时，计算中就必须包含高温高密物质的流体力学。而且，在一个大的尺度上，具有微小的涨落幅度，我们能够精确地计算出这些涨落。但是当尺度缩小到星系的范围时，普通物质与辐射之间有相当复杂的作用。这些星系中的暗晕的数量与质量是成反比的，所以我们应该能够看到由于这些暗物质晕的影响而造成的引力透镜效果。但是在实际观测中，我们没有发现这种现象。而且在其他星系中，围绕星系的暗物质与星系合并在一起之后，会让本来较薄的星系盘增厚。

在星系的核心区，暗物质晕的密度应该出现大幅的增长，就是说，离星系的中心越近，暗物质的密度上升得越剧烈，但是这和我们实际观测到的很多星系的中心区发生的情况并不相符。科学家们在引力透镜的相关研究中发现，星系团中心的密度比根据大质量暗物质模型计算得出的结果要低。在普通的螺旋星系中，中心区的暗物质密度要比之前预估的更小。在一些表面亮度较低的星系中，也存在着类似的情况。根据流体力学模拟的星系盘，它的尺度与实际观测的结果相比要小得多。很多表面亮度较高的星系中都存在棒状结构，要想保持这个结构的稳定，那么星系的核心密度就要比通过模型得出的值更小。三、何为反物质

反物质在物理学上的定义，是指由具有负电荷的原子核构成的物质。反质子和反中子共同组成反原子核。这些反原子核与带正电的正电子组成了反原子，这些反原子形成的物质，就是反物质。

尽管各种物质在自然界中存在着各式各样的表现形式，但是从微观的角度观察，实际上都是由质子、中子和电子组成的。这些构成一切物质的基础就被称为基本粒子，意思是说世间万物都是由这些粒子构成的。通常来说电子都是带负电的，但是早在20世纪30年代，就有科学家发现了带正电的电子。人们从这时开始对反物质有了初步的了解。到20世纪50年代，人们又相继发现了反质子和反中子，并且意识到，所有常见的基本粒子都存在一个与之相对应的反粒子。

反物质的性质与普通物质呈相反状态。当物质和反物质相撞，就会发生湮灭并且相互抵消。这个过程会产生巨大的能量，比氢弹释放能量的效率还要大。美国科学家使用大型原子对撞机进行了实验，通过对金原子进行对撞，得到了反氦原子。这个反原子是由反质子和反中子组成的。

宇宙中存在反物质这一事实，在很长时间里为科幻题材作家提供了丰富的想象空间。因为反物质能够与物质相撞并发出巨大的能量，因此科幻作家认为，反物质能够成为我们离开太阳系，进行星际旅行的上佳燃料。在传统的航天领域，为了摆脱地球的引力进入太空，航天器需要大量的化学燃料。以航天飞机为例，每次发射都要耗费相当于航天飞机自身重量15倍的燃料。但是如果能够利用反物质与物质碰撞发生湮灭产生的能量来推进，那么一枚硬币大小的反物质，就足以将航天飞机送入近地轨道了。

因为我们所处的世界是由物质组成的，所以即便自然界中存在反物质，也非常容易和物质相遇并且湮灭。所以为了能够更好地研究反物质，科学家们需要在实验环境中制造出反物质粒子，并且尽可能让这些粒子停留的时间长一些，以便能够研究其特性。

早在1925年，人们就已经发现在同一个状态里只能存在一个电子，也就是泡利不相容原理。根据这一原理，如果电子的负能级已经被填满，那么正能级的电子就不会与之发生冲突了。同时，如果想要对实验中没有观察到负能电子的现象进行合理的解释，就要假设占满了负能级的电子造成的总效果是零。也就是说，这个电子的海洋里所有能够被观察到的量的数值都是零，无论是质量还是动量都是如此，就像真空状态一样。根据这一假设能够得出一个有趣的推论，如果这个充满电子的负能级区域是真空状态，那么如果失去一个电子，就等同于出现了一个反电子。这个反电子具有与电子完全相反的特性，电子是带负电的，反电子就是带正电的。

如果一个粒子带有正能量，那么在运动时与别的粒子相撞后，运动速度会减慢。但是如果一个粒子带有负能量，那么它的运动速度会逐渐加快，甚至超过光速。但是，我们是通过与负能量粒子的反向运动来对负质量物质进行观测的，这种运动是带有正质量的反物质的运动，所以速度仍然比光速要低。物质具有负质量时，其表现形式为反物质，反物质与负质量物质的运动方向是相反的。也可以说，负质量物质在时间维度的反演就是反物质。因为时间是一维的，当它反演时，方向也会相反，这时负质量会转变为正质量。

根据已知的物理定律，两个具有正质量的粒子之间存在万有引力，所以我们可以认为，在分别具有正质量和负质量的两个粒子之间存在斥力。因为带有正质量的物质互相吸引，导致物体收缩，并且具有复杂的结构。但是负质量物质和正质量物质之间互相排斥，导致了膨胀。宇宙现在正处于一个膨胀的过程中，这说明宇宙中带负质量的物质数量多于正质量物质。虽然我们只能观测到负质量物质的反演，也就是反物质，并且我们无法直接观测到斥力。但是我们知道宇宙正在膨胀，这就说明了物质之间的斥力是确实存在的。

很多年来，虽然科学家们从理论上确定了反物质的存在，但是发现它只是最近几十年的事情。科学家们首先是通过宇宙中存在的高能粒子——γ射线，在银河系的上方发现了一些反物质的痕迹，后来又通过实验批量制造出了反物质粒子。这说明人类在研究反物质的道路上正在逐步深入，并取得了重大的进展。

1997年，美国科学家利用发射到太空的γ射线探测卫星发现了一个反物质源，该反物质源位于银河系上方，正在向外源源不断地释放出反物质。这些反物质形成了一个“喷泉”，喷涌的高度达到2940光年。

美国的奋进号航天飞机在执行一次太空任务时，在国际空间站上安装了一个专门用于收集反物质粒子的科学仪器——阿尔法磁谱仪。这个磁谱仪能够记录下反物质粒子对它的撞击，并且进行分析。科学家们认为，如果能够在宇宙中找到原子量较大的元素，如反碳等，就意味着可能存在由反物质组成的天体甚至恒星。物质与反物质之间是否存在对称性，也能通过这一发现加以证明。事实证明，较重的反物质粒子是存在的。2000年，欧洲核子研究中心再次发布消息，称他们在实验室中已经制造出了大约5万个反氢原子。这一成果标志着人类具有了大批量制造反物质的能力。

我们如果认为宇宙中的物质和反物质的数量是相等的，那么在宇宙空间中应该存在大规模的反星系区。在那些区域中，宇宙射线是由反质子与反α粒子组成的。来自那片宇宙空间的射线会进入我们的正物质星系。因为宇宙空间是十分稀薄的，很多地方都很空旷，每立方米可能只有一个质子这样大的密度，所以反物质粒子能够畅通无阻地进行长距离旅行。如此一来，通过位于地球轨道上的太空探测器就能捕捉到它们。之前发射的阿尔法磁谱仪就是根据这一理念设计建造的。

在实际观测中，不只是能够捕捉到原始射线粒子，还能够探测到一些次级粒子。这些次级粒子是原始粒子在旅途中与其他粒子发生碰撞而产生的。我们在宇宙中发现反质子，并不一定表明在宇宙深处存在反物质区域，因为这些反质子可能是原始粒子造成的次级粒子。但是反原子核就不同了，因为它是由一系列反核子组成的复杂结构，所以无法通过碰撞产生。如果我们能够在宇宙中发现反α粒子，哪怕只有一个，也能证明远方存在反物质天体。阿尔法磁谱仪十分敏感且精确，如果反α粒子进入了磁谱仪，就能够被分辨出来，并且能够测定它的质量和所带的电荷。2011年，新的阿尔法磁谱仪进入了太空轨道，并且源源不断地把探测结果传回地球，科学家们正随时对这些结果保持着关注。

如果我们能够通过阿尔法磁谱仪的观测结果证明宇宙中真的存在大型反物质天体，那么这一结果必定会被载入史册。因为它不仅能够证实反物质的存在，而且还将对已知的物理学理论提出挑战。在宇宙诞生的初期，正反粒子一定是彼此混合在一起的。在今天我们掌握的物理理论中，还不存在一种作用力能够将两种粒子彻底分开。所以，如果我们能够证明存在大型的被分离出去的反物质天体，那么物理学理论将会发生新的突破。

我们通过大量的事实能够确定，人类所处的空间的基本组成是物质，而非反物质。同样的，在人类已经能够探索的宇宙空间中的宇宙射线，也是物质的。这可以由一系列证据佐证：人类目前为止发射的所有航天器都没有发生湮灭，阿波罗登月计划的成员们也可以登上月球并安全返回。太空探测器最远的已经到达太阳系的边界，到目前为止，人类在太阳系中尚未发现任何由反物质构成的天体。范围扩大到整个银河系，其根本属性仍然是物质。

在河外星系中，如果存在由反物质构成的星系或天体，那么从地球上应该也能够观察到物质与反物质相互作用时释放出的γ射线。从这一点可以推断出，如果宇宙中有大量反物质存在，那么它们和物质产生的湮灭现象应该能够达到相当大的规模。这种湮灭会造成宇宙中物质的大量消失。

在中国西藏的羊八井地区，中国和意大利正在共同建造一个粒子探测阵列实验站。该实验站为地毯式，面积达1万平方米，能够接收来自宇宙空间的各种高能射线，还可以搜寻反物质粒子。之前，中意科学家已经在该地区联合设置了一些箱式探测器，并且已经接收到了正电子和μ子等高能粒子。本次新建的探测阵列由平面探测器组成，像地毯一样铺设在地面上。这样的探测阵列拥有更大的面积，而且探测器之间紧密结合，能够更好地接收宇宙射线，避免了信息损失。这一工作从铺设到调试完备需要花费两年的时间，建成后将成为世界上海拔最高的实验站。

人类想要获得太阳系之外的物质标本，唯一的来源就是来自宇宙的高能射线。科学家们从很久以前就开始对宇宙射线进行研究。宇宙

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