帶你探索宇宙是由什麼物質組成的

  宇宙是由什麼物質組成的？眾人脫口而出的答案是：由那些亮晶晶的星星組成的。但在最近幾十年中，科學家越來越發現這個答案是不正確的。天文學家認為，組成恆星、行星、星系——當然還有我們——的物質，或者叫普通物質，只佔宇宙總質量的不到5％。他們估計，另外25％，可能是由尚未發現的粒子組成的暗物質。剩下的70％呢？天文學家認為那可能是暗能量——讓宇宙加速膨脹的力量。暗物質和暗能量的本質是什麼？科學家正在用加速器和望遠鏡尋找這些問題的答案，如果找到了，其意義肯定是宇宙級的。

  「宇宙」在《現在漢語詞典》中，被解釋為：「一切物質及其存在形式的總體」。那麼，宇宙是由哪些物質組成？它們又是以什麼形式存在的呢？

  一、看得見的正常物質無數顆星星在茫無涯際的宇宙中運動著。我們看得見的星星，絕大多數是恆星。看上去它們好象是冷的，但實際上每顆恆星都是一個火熱的太陽。洶湧的熱浪不斷地從這些大火球吐出來，射向廣漠的宇宙空間。它們的熱度非常高，表面溫度至少有攝氏三千度。即使是最堅硬的金屬，一接觸它們的表面就會熔解，甚至化為氣體。可是，當你看到靜靜的夜空中閃爍著寒光的小星星的時候，說不定還會把它們當作螢火蟲呢。

  許多紅色的星星很大很大，有的可以裝得下八十萬萬個太陽。這些星星是由非常稀薄的氣體狀態的物質組成的。最稀薄的，密度只有地球上空氣的幾萬分之一，比我們用抽氣機造成的「真空」還要稀薄得多。

  也有一些恆星非常小，有的比地球還小。可是這種星星的物質，密度特別大，火柴頭那麼大的一點點就抵得上十多個成年人的重量。用白金造成同樣大的一個球，重量才抵得上它的二百萬分之一。人到這種星星上面休想站得起來，因為它的引力是這樣大，人的骨胳早就被自己的體重壓碎了。這樣的小星星發出強烈的眩目的白光，它的表面溫度高達攝氏三萬度到五萬度。

  還有數量眾多的中等的恆星，這些恆星象太陽一樣，體積不太大，密度不太小（太陽的密度是水的一點四倍），表面溫度也不十分高，只有幾千度。

  恆星有各種各樣的，但是全都是灼熱的龐大的氣體球，全都是發光發熱的。

  這些星星里，想來會有不少不發光的行星繞著它們轉的吧。固然，今天憑地球上最大的望遠鏡，還不能直接看見別的恆星世界的行星，但是有什麼理由能說太陽系的構成是宇宙中獨一無二的呢？太陽可以有行星，為什麼別的恆星就不能有呢？

  從這顆星星到那顆星星的距離，每秒鐘能飛十六點七公里的宇宙船得走幾萬年。

  得走幾萬年，多麼遼闊的宇宙空間啊！儘管恆星都很大，差不多每一顆都能裝下幾百萬個地球（只有極少數比地球小），可是在遼闊的宇宙空間里，這些恆星不過象大海里的水滴，也許還要小。

  還有難於計算的由塵埃和氣體組成的星雲，浮遊在星星和星星之間，浮遊在宇宙空間里，阻礙星光的通過。這些星雲有的厚到幾萬億公里，本身並不發光，如果在附近有恆星，它就反射出光亮，叫做亮星雲。否則它就是暗黑的，叫做暗星雲。

  這樣就可以知道，宇宙里的發光的星星，還有亮星雲、暗星雲等，這些都是宇宙中的正常物質。

  大約一千萬萬顆以上的恆星組成一個鐵餅形狀的東西，我們把它叫做銀河系，太陽也在其中。從地球上望出去，銀河就象一個環，套在地球周圍。這是一個美麗的環，當它一半沒在地平線下，另一半橫過天空的時候，人們就說，這是一條天河，它把多情的織女和牛郎隔開了。

  哪裡知道，這條天河淹沒了一千萬萬顆以上的星星啊！一千萬萬，你一口氣數下去，得數一千多年！

  這就是整個宇宙嗎？不，這還只是構成宇宙的一個微不足道的小點點。

  宇宙里有千千萬萬個象銀河系一樣的恆星系，這些恆星系大都有一千萬萬顆以上的恆星。

  我們肉眼能看到仙女座里的一個恆星系。每當初冬晚上八九點鐘的時候，差不多在天空正中有一個紡錘形的小光斑，就是這個恆星系。它距離我們那樣遠，光線從它那裡到地球上得走二百二十萬年。在每一個恆星系裡，光線從這一頭到那一頭也得走幾萬以至十幾萬年。不要忘記，光線是宇宙中最快的使者，若是宇宙飛船，不知道要走多少萬萬年呢。

  我們已經發現數以億計的恆星系。可是不要以為我們已經看透整個宇宙了。要知道數以億計的恆星系仍然只是茫茫宇宙的一個極小部分。隨著望遠鏡製造技術的不斷提高，新的儀器的不斷發明，我們將會看到更遠的世界。

  所有的星星和恆星系全都在飛快地運動著。太陽也帶著地球和其他行星以每秒十九公里的速度飛奔。同時，太陽系也參加銀河系的自轉運動。在運動中，太陽系每秒鐘要走二百五十公里。

  整個宇宙仍然是在運動著、發展著。

  二、看不見的暗物質

  宇宙中充滿著暗物質

  宇宙中有什麼物質？在21世紀之前，這是一個令人費解的問題。10年前，人們只知道宇宙中有太陽、月亮、星星、像銀河系一樣的星系以及由許多星系組成的星系團。實際上，這些看得見的天體在遼闊的宇宙中只佔極小一部分，宇宙中大部分物質是看不見的。這些看不見的物質是什麼？20世紀90年代中期才有人提出，這是一種叫做「冷的暗物質」的奇異物質，這種看不見的物質構成了90%（注意這個數字不正確！）的宇宙。恆星、行星、人類以及原子、分子等正常物質只佔剩餘的小部分。

  孤立地看，這種觀點似乎很對，但考慮一下恆星和星係為什麼旋轉得這麼快，問題就來了。例如銀河系每2億年就要旋轉一次。這樣巨大的旋轉速度雖不會使人感到頭暈目眩，但它有足夠的力量把整個銀河系撕裂開來。銀河系是靠物質引力維繫在一起的，仔細分析，維繫銀河系的物質引力太弱，不能「勒住」高速旋轉的銀河系這匹「野馬」，除非有很多看不見的暗物質在暗地裡施加一個額外的力把銀河系成員「勒」在一起。另外，星系團里的星系也在快速旋轉，那又是什麼力量使整個星系團內的星系維繫在一起呢？也是許多看不見的暗物質嗎？現在看來正是！

  這種看不見的暗物質是什麼？是正常物質嗎？不是。因為宇宙中的一切物質都是大爆炸後幾分鐘內，大爆炸的「湯」凝結成質子和中子，它們緊密地擠在一起，其中一些質子和中子聚合成重核，例如氦。如果原子核中質子和中子擠得更緊，它們將聚合成更多的重核。例如恆星和星系際氣體中的氦、硼和氖。然而聚合成為重原子核后，就變成了正常物質。

  而正常物質在萬有引力作用下，將往星系中央集中。這與觀測是不符的。所以，不管看不見的暗物質性質如何，它們都不能進行核聚變。這種不允許進行核聚變的暗物質一種可能就是「冷的暗物質」，它們是大質量亞原子粒子，其質量是質子的許多倍。單個的大質量亞原子叫做「弱作用大質量粒子」，它影響正常物質，相互之間由弱核力和引力作用，對電磁力和束縛質子和中子的強核力不敏感。由於它們不進行核聚變，所以彼此通過時不發生碰撞。

  天體物理學家認為，「弱作用大質量粒子」是可以做工作的最簡單的粒子，除此以外，還有溫暖暗物質、強作用暗物質、湮滅暗物質、衰變暗物質以及模糊暗物質等。但理論家不喜歡引進許多自由參

  數，多數人不肯接納冷的暗物質以外的暗物質。

  還有一些人認為，宇宙中大多數物質可能存在於100萬個太陽質量的巨大黑洞里，這些黑洞可能是大爆炸后一剎那誕生的。現在，空間飛行器已在星系中央找到了大質量黑洞，而且它們具備暗物質的一些基本特徵，因此這很可能是暗物質的一種棲身之所。

  「威爾金森微波各向異性探測器」的觀測表明，宇宙中除有正常物質和暗物質外，還有暗能。正常物質佔4.4%，暗物質約佔23%，暗能約佔73%。暗能是一種特殊的宇宙物質，它能產生負引力，使宇宙加速膨脹。這種特殊物質是怎樣產生的？目前還沒有肯定的答案。

  三、神奇的反物質

  反物質的原子由帶負電的原子核與帶正電的電子組成

  宇宙大爆炸學說認為宇宙產生之初會同時產生反物質，按照該學說，宇宙是從大約150億年前溫度和密度極高的物質狀態中「爆炸」產生，並且不斷膨脹，發生著溫度從熱到冷、物質密度由密到疏的演化過程，在這一過程中，同時形成了諸如電子、質子、中子等粒子，以及它們的反粒子（反電子、反質子、反中子等），粒子與反粒子接觸會產生能量巨大的「湮滅」，由於粒子數稍多於反粒子，因此，由剩餘的粒子組成了目前的物質世界。

  如果找不到構成反物質的反粒子，那麼神秘大爆炸與反物質的關係也只是一個科學假設而已，更何況，否定反物質存在的人也很多，例如美國著名宇宙學家施拉姆就說過：「大多數理論家的直覺是不存在反物質的，這意味著，如果你找到它，那將是個偉大的發現，證明這些理論家都是錯誤的。但最大的可能是，這意味著你永遠也找不到它。」

  所幸的是，早在1928年，英國年輕的物理學家、諾貝爾獎獲得者狄拉克就運用嚴格的理論，描述了電子性能的方程式，並且，計算所得結果都有4個解；2個正能解，2個負能解。正能解能與實驗觀察很好的符合，於是，狄拉克獨創性地指出，負能態是存在的，真空就是一個充滿負能態的電子海洋，負能態完全被電子佔據。根據「泡利不相容原理」，正能態電子不能躍遷到負能態上去，因此，正能態電子是非常穩定的。同時，負能態電子與正能態電子相遇會同時「湮滅」、轉化為光子。

  愛因斯坦也曾建立過一個物質總能公式，根據這個公式，物質的總能量也有正負兩個值，這個結論與狄拉克所得結論是一致的。

  到1932年，有科學家開始在實驗室里觀察到反電子的存在；1955年，美國加利福尼亞州立大學伯克萊分校用高能質子去轟擊銅，結果製造出了反質子；1956年，又有科學家製造出反中子；緊接著，反中微子、反介子、反原子……陸續登場，基本粒子的大家族中湧現出一大批新成員，為原子核物理學譜寫了一幅頗為有趣的新篇章。

  1997年，科學家宣布在銀河系中心發現了反物質。

  反物質到此為止已隆重登場，由於物質與反物質相遇會產生能量巨大的爆炸（1克物質與反物質相遇，能產生5×107千瓦小時的能量），類似於原子彈的爆炸並有放射性物質存在，這就可以解釋人們在各地發現「神秘大爆炸」的情況。

  宇宙大爆炸

  在討論並證實了反物質的存在之後，我們更關心的是，真的有一個與物質世界相對應的「反物質世界」嗎？如果有，它是個什麼樣的？

  我們不禁聯想到美國電影《費城實驗》，它講的是1943年12月，美國海軍在費城進行了一項秘密實驗，用來做實驗的一艘驅逐艦在強磁場所產生的綠色煙霧中突然消失了。軍方在停止實驗后，卻驚奇地發現它們的驅逐艦在眨眼之間已經駛到遠在470千米開外的諾福克碼頭。

  這真是一個奇異的世界。可是要是我們走進反物質世界，那才真正是一個奇妙的世界呢！所有的物質定理都要翻個個兒，在反物質世界里，力的作用方向恰好相反，你如想提起反物質物體，不得不把物體向下按；反物質做成的釘子，要對準牆用力向外拔它，它才會鑽進牆裡。我們的基礎理論彷彿一夜之間變了個樣，誰也不敢想象在這樣的世界里究竟會發生什麼或者正在發生什麼。

  在現實生活中，究竟有沒有這樣一個奇妙的世界呢？科學家根據廣義相對論引力場方程推出：宇宙中的黑洞是連接兩個分離時空區的隧道，假如反物質世界處於另一時空，那麼黑洞就可能是反物質世界的通道。當然，對於黑洞內部，我們仍然一無所知，但是，黑洞內部最大的可能就是一個反物質世界。

  反物質的發現不僅僅能為我們解釋數起神秘大爆炸原因，還會為宇宙的起源提供突破性的線索，從某程度上說，宇宙、真空和反物質是有其統一的一面的。

  反物質的發現還被認為是人類的最終能量，是宇宙飛船最理想的燃料。科學家們認為，反物質是無止盡能量的來源。在宇宙中有一種奇怪的天體叫做類星體；它釋放的能量高達1045克爾格/秒，比銀河系所有恆星釋放的總能量還要多得多，但它的體積卻很小，直徑不到1光年。

  打個比方，假如在銀河系銀心處有一個類星體，那麼太陽早就黯然無光了。目前我們所知的恆星的能量來源是氫核反應，可是氫核反應決不能釋放出像類星體那樣劇烈的反應，那是什麼樣的反應才能如此劇烈呢？惟一的解釋就是反物質的湮滅反應。

  到底暗物質和暗能量的本質是什麼？科學家正在尋找這些問題的答案，如果找到了，其意義肯定是宇宙級的。