| 宇宙是由什麼物質(zhì)組成的？ |
●一、看得見的正常物質(zhì) 無數(shù)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(shù)是恒星。看上去它們好象是冷的，但實際上每顆恒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(dāng)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(dāng)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(tài)的物質(zhì)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。 也有一些恒星非常小，有的比地球還小。可是這種星星的物質(zhì)，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(fā)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(shù)量眾多的中等的恒星，這些恒星象太陽一樣，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。 恒星有各種各樣的，但是全都是灼熱的龐大的氣體球，全都是發(fā)光發(fā)熱的。 這些星星裏，想來會有不少不發(fā)光的行星繞著它們轉(zhuǎn)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恒星世界的行星，但是有什麼理由能說太陽系的構(gòu)成是宇宙中獨一無二的呢？太陽可以有行星，為什麼別的恒星就不能有呢？ 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！儘管恒星都很大，差不多每一顆都能裝下幾百萬個地球（只有極少數(shù)比地球小），可是在遼闊的宇宙空間裏，這些恒星不過象大海裏的水滴，也許還要小。 還有難於計算的由塵埃和氣體組成的星雲(yún)，浮游在星星和星星之間，浮游在宇宙空間裏，阻礙星光的通過。這些星雲(yún)有的厚到幾萬億公里，本身並不發(fā)光，如果在附近有恒星，它就反射出光亮，叫做亮星雲(yún)。否則它就是暗黑的，叫做暗星雲(yún)。 這樣就可以知道，宇宙裏的發(fā)光的星星，還有亮星雲(yún)、暗星雲(yún)等，這些都是宇宙中的正常物質(zhì)。 大約一千萬萬顆以上的恒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(huán)，套在地球周圍。這是一個美麗的環(huán)，當(dāng)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。 哪里知道，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(shù)下去，得數(shù)一千多年！ 這就是整個宇宙嗎？不，這還只是構(gòu)成宇宙的一個微不足道的小點點。 宇宙裏有千千萬萬個象銀河系一樣的恒星系，這些恒星系大都有一千萬萬顆以上的恒星。 我們?nèi)庋勰芸吹较膳Y的一個恒星系。每當(dāng)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，就是這個恒星系。它距離我們那樣遠，光線從它那裏到地球上得走二百二十萬年。在每一個恒星系裏，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(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)以億計的恒星系。可是不要以為我們已經(jīng)看透整個宇宙了。要知道數(shù)以億計的恒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(shù)的不斷提高，新的儀器的不斷發(fā)明，我們將會看到更遠的世界。 所有的星星和恒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(zhuǎn)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(fā)展著。 ●二、看不見的暗物質(zhì) 宇宙中有什麼物質(zhì)？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占極小一部分，宇宙中大部分物質(zhì)是看不見的。這些看不見的物質(zhì)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(zhì)”的奇異物質(zhì)，這種看不見的物質(zhì)構(gòu)成了90%（注意這個數(shù)字不正確！）的宇宙。恒星、行星、人類以及原子、分子等正常物質(zhì)只占剩餘的小部分。 孤立地看，這種觀點似乎很對，但考慮一下恒星和星系為什麼旋轉(zhuǎn)得這麼快，問題就來了。例如銀河系每2億年就要旋轉(zhuǎn)一次。這樣巨大的旋轉(zhuǎn)速度雖不會使人感到頭暈?zāi)垦＃凶銐虻牧α堪颜麄€銀河系撕裂開來。銀河系是靠物質(zhì)引力維繫在一起的，仔細分析，維繫銀河系的物質(zhì)引力太弱，不能“勒住”高速旋轉(zhuǎn)的銀河系這匹“野馬”，除非有很多看不見的暗物質(zhì)在暗地裏施加一個額外的力把銀河系成員“勒”在一起。另外，星系團裏的星系也在快速旋轉(zhuǎn)，那又是什麼力量使整個星系團內(nèi)的星系維繫在一起呢？也是許多看不見的暗物質(zhì)嗎？現(xiàn)在看來正是！ 這種看不見的暗物質(zhì)是什麼？是正常物質(zhì)嗎？不是。因為宇宙中的一切物質(zhì)都是大爆炸後幾分鐘內(nèi)，大爆炸的“湯”凝結(jié)成質(zhì)子和中子，它們緊密地擠在一起，其中一些質(zhì)子和中子聚合成重核，例如氦。如果原子核中質(zhì)子和中子擠得更緊，它們將聚合成更多的重核。例如恒星和星系際氣體中的氦、硼和氖。然而聚合成為重原子核後，就變成了正常物質(zhì)。 而正常物質(zhì)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(zhì)性質(zhì)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(zhì)一種可能就是“冷的暗物質(zhì)”，它們是大質(zhì)量亞原子粒子，其質(zhì)量是質(zhì)子的許多倍。單個的大質(zhì)量亞原子叫做“弱作用大質(zhì)量粒子”，它影響正常物質(zhì)，相互之間由弱核力和引力作用，對電磁力和束縛質(zhì)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(fā)生碰撞。 天體物理學(xué)家認為，“弱作用大質(zhì)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(zhì)、強作用暗物質(zhì)、湮滅暗物質(zhì)、衰變暗物質(zhì)以及模糊暗物質(zhì)等。但理論家不喜歡引進許多自由參數(shù)，多數(shù)人不肯接納冷的暗物質(zhì)以外的暗物質(zhì)。 還有一些人認為，宇宙中大多數(shù)物質(zhì)可能存在于100萬個太陽質(zhì)量的巨大黑洞裏，這些黑洞可能是大爆炸後一剎那誕生的。現(xiàn)在，空間飛行器已在星系中央找到了大質(zhì)量黑洞，而且它們具備暗物質(zhì)的一些基本特徵，因此這很可能是暗物質(zhì)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(zhì)和暗物質(zhì)外，還有暗能。正常物質(zhì)占4.4%，暗物質(zhì)約占23%，暗能約占73%。暗能是一種特殊的宇宙物質(zhì)，它能產(chǎn)生負引力，使宇宙加速膨脹。這種特殊物質(zhì)是怎樣產(chǎn)生的？目前還沒有肯定的答案。 ●三、神奇的反物質(zhì) 宇宙大爆炸學(xué)說認為宇宙產(chǎn)生之初會同時產(chǎn)生反物質(zhì)，按照該學(xué)說，宇宙是從大約150億年前溫度和密度極高的物質(zhì)狀態(tài)中“爆炸”產(chǎn)生，並且不斷膨脹，發(fā)生著溫度從熱到冷、物質(zhì)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(zhì)子、中子等粒子，以及它們的反粒子（反電子、反質(zhì)子、反中子等），粒子與反粒子接觸會產(chǎn)生能量巨大的“湮滅”，由於粒子數(shù)稍多於反粒子，因此，由剩餘的粒子組成了目前的物質(zhì)世界。 如果找不到構(gòu)成反物質(zhì)的反粒子，那麼神秘大爆炸與反物質(zhì)的關(guān)係也只是一個科學(xué)假設(shè)而已，更何況，否定反物質(zhì)存在的人也很多，例如美國著名宇宙學(xué)家施拉姆就說過：“大多數(shù)理論家的直覺是不存在反物質(zhì)的，這意味著，如果你找到它，那將是個偉大的發(fā)現(xiàn)，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(xué)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(jié)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(chuàng)性地指出，負能態(tài)是存在的，真空就是一個充滿負能態(tài)的電子海洋，負能態(tài)完全被電子佔據(jù)。根據(jù)“泡利不相容原理”，正能態(tài)電子不能躍遷到負能態(tài)上去，因此，正能態(tài)電子是非常穩(wěn)定的。同時，負能態(tài)電子與正能態(tài)電子相遇會同時“湮滅”、轉(zhuǎn)化為光子。 愛因斯坦也曾建立過一個物質(zhì)總能公式，根據(jù)這個公式，物質(zhì)的總能量也有正負兩個值，這個結(jié)論與狄拉克所得結(jié)論是一致的。 到1932年，有科學(xué)家開始在實驗室裏觀察到反電子的存在；1955年，美國加利福尼亞州立大學(xué)伯克萊分校用高能質(zhì)子去轟擊銅，結(jié)果製造出了反質(zhì)子；1956年，又有科學(xué)家製造出反中子；緊接著，反中微子、反介子、反原子……陸續(xù)登場，基本粒子的大家族中湧現(xiàn)出一大批新成員，為原子核物理學(xué)譜寫了一幅頗為有趣的新篇章。 1997年，科學(xué)家宣佈在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)。 反物質(zhì)到此為止已隆重登場，由於物質(zhì)與反物質(zhì)相遇會產(chǎn)生能量巨大的爆炸（1克物質(zhì)與反物質(zhì)相遇，能產(chǎn)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(zhì)存在，這就可以解釋人們在各地發(fā)現(xiàn)“神秘大爆炸”的情況。 在討論並證實了反物質(zhì)的存在之後，我們更關(guān)心的是，真的有一個與物質(zhì)世界相對應(yīng)的“反物質(zhì)世界”嗎？如果有，它是個什麼樣的？ 我們不禁聯(lián)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(qū)逐艦在強磁場所產(chǎn)生的綠色煙霧中突然消失了。軍方在停止實驗後，卻驚奇地發(fā)現(xiàn)它們的驅(qū)逐艦在眨眼之間已經(jīng)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(zhì)世界，那才真正是一個奇妙的世界呢！所有的物質(zhì)定理都要翻個個兒，在反物質(zhì)世界裏，力的作用方向恰好相反，你如想提起反物質(zhì)物體，不得不把物體向下按；反物質(zhì)做成的釘子，要對準牆用力向外拔它，它才會鑽進牆裏。我們的基礎(chǔ)理論仿佛一夜之間變了個樣，誰也不敢想像在這樣的世界裏究竟會發(fā)生什麼或者正在發(fā)生什麼。 在現(xiàn)實生活中，究竟有沒有這樣一個奇妙的世界呢？科學(xué)家根據(jù)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(qū)的隧道，假如反物質(zhì)世界處於另一時空，那麼黑洞就可能是反物質(zhì)世界的通道。當(dāng)然，對於黑洞內(nèi)部，我們?nèi)匀灰粺o所知，但是，黑洞內(nèi)部最大的可能就是一個反物質(zhì)世界。 反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)不僅僅能為我們解釋數(shù)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(zhì)是有其統(tǒng)一的一面的。 反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)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(xué)家們認為，反物質(zhì)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，比銀河系所有恒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。目前我們所知的恒星的能量來源是氫核反應(yīng)，可是氫核反應(yīng)決不能釋放出像類星體那樣劇烈的反應(yīng)，那是什麼樣的反應(yīng)才能如此劇烈呢？惟一的解釋就是反物質(zhì)的湮滅反應(yīng)。 到底暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什麼？科學(xué)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。（來源：科學(xué)教育研究） |
