宇宙是由什么物質(zhì)組成的?一個(gè)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(xué)家越來越發(fā)現(xiàn)這個(gè)答案是不正確的.天文學(xué)家認(rèn)為,組成恒星、行星、星系——當(dāng)然還有我們——的物質(zhì),或者叫普通物質(zhì),只占宇宙總質(zhì)量的不到5％.他們估計(jì),另外25％,可能是由尚未發(fā)現(xiàn)的粒子組成的暗物質(zhì).剩下的70％呢?天文學(xué)家認(rèn)為那可能是暗能量——讓宇宙加速膨脹的力量.暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么?科學(xué)家正在用加速器和望遠(yuǎn)鏡尋找這些問題的答案,如果找到了,其意義肯定是宇宙級(jí)的.
“宇宙”在《現(xiàn)在漢語詞典》中,被解釋為：“一切物質(zhì)及其存在形式的總體”.那么,宇宙是由哪些物質(zhì)組成?它們又是以什么形式存在的呢?
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(yùn)動(dòng)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(shí)際上每顆恒星都是一個(gè)火熱的太陽.洶涌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(jiān)硬的金屬,一接觸它們的表面就會(huì)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(shí)候,說不定還會(huì)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(gè)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(jī)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,火柴頭那么大的一點(diǎn)點(diǎn)就抵得上十多個(gè)成年人的重量.用白金造成同樣大的一個(gè)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?yàn)樗囊κ沁@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(qiáng)烈的眩目的白光,它的表面溫度高達(dá)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?。ㄌ柕拿芏仁撬囊稽c(diǎn)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.
這些星星里,想來會(huì)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(yuǎn)鏡,還不能直接看見別的恒星世界的行星,但是有什么理由能說太陽系的構(gòu)成是宇宙中獨(dú)一無二的呢?太陽可以有行星,為什么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(diǎn)七公里的宇宙船得走幾萬年.
得走幾萬年,多么遼闊的宇宙空間啊!盡管恒星都很大,差不多每一顆都能裝下幾百萬個(gè)地球（只有極少數(shù)比地球小）,可是在遼闊的宇宙空間里,這些恒星不過象大海里的水滴,也許還要小.
還有難于計(jì)算的由塵埃和氣體組成的星云,浮游在星星和星星之間,浮游在宇宙空間里,阻礙星光的通過.這些星云有的厚到幾萬億公里,本身并不發(fā)光,如果在附近有恒星,它就反射出光亮,叫做亮星云.否則它就是暗黑的,叫做暗星云.
這樣就可以知道,宇宙里的發(fā)光的星星,還有亮星云、暗星云等,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(gè)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(gè)環(huán),套在地球周圍.這是一個(gè)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(shí)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(gè)宇宙嗎?不,這還只是構(gòu)成宇宙的一個(gè)微不足道的小點(diǎn)點(diǎn).
宇宙里有千千萬萬個(gè)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锏囊粋€(gè)恒星系.每當(dāng)初冬晚上八九點(diǎn)鐘的時(shí)候,差不多在天空正中有一個(gè)紡錘形的小光斑,就是這個(gè)恒星系.它距離我們那樣遠(yuǎn),光線從它那里到地球上得走二百二十萬年.在每一個(gè)恒星系里,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(jì)的恒星系.可是不要以為我們已經(jīng)看透整個(gè)宇宙了.要知道數(shù)以億計(jì)的恒星系仍然只是茫茫宇宙的一個(gè)極小部分.隨著望遠(yuǎn)鏡制造技術(shù)的不斷提高,新的儀器的不斷發(fā)明,我們將會(huì)看到更遠(yuǎn)的世界.
所有的星星和恒星系全都在飛快地運(yùn)動(dòng)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(shí),太陽系也參加銀河系的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).在運(yùn)動(dòng)中,太陽系每秒鐘要走二百五十公里.
整個(gè)宇宙仍然是在運(yùn)動(dòng)著、發(fā)展著.
二、看不見的暗物質(zhì)
孤立地看,這種觀點(diǎn)似乎很對(duì),但考慮一下恒星和星系為什么旋轉(zhuǎn)得這么快,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(huì)使人感到頭暈?zāi)垦?但它有足夠的力量把整個(gè)銀河系撕裂開來.銀河系是靠物質(zhì)引力維系在一起的,仔細(xì)分析,維系銀河系的物質(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)在暗地里施加一個(gè)額外的力把銀河系成員“勒”在一起.另外,星系團(tuán)里的星系也在快速旋轉(zhuǎn),那又是什么力量使整個(gè)星系團(tuán)內(nèi)的星系維系在一起呢?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)是什么?是正常物質(zhì)嗎?不是.因?yàn)橛钪嬷械囊磺形镔|(zhì)都是大爆炸后幾分鐘內(nèi),大爆炸的“湯”凝結(jié)成質(zhì)子和中子,它們緊密地?cái)D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后,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(cè)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(jìn)行核聚變.這種不允許進(jìn)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(gè)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(duì)電磁力和束縛質(zhì)子和中子的強(qiáng)核力不敏感.由于它們不進(jìn)行核聚變,所以彼此通過時(shí)不發(fā)生碰撞.
天體物理學(xué)家認(rèn)為,“弱作用大質(zhì)量粒子”是可以做工作的最簡(jiǎn)單的粒子,除此以外,還有溫暖暗物質(zhì)、強(qiáng)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(jìn)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(rèn)為,宇宙中大多數(shù)物質(zhì)可能存在于100萬個(gè)太陽質(zhì)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(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)的一些基本特征,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(cè)器”的觀測(cè)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(fù)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)
反物質(zhì)的原子由帶負(fù)電的原子核與帶正電的電子組成
宇宙大爆炸學(xué)說認(rèn)為宇宙產(chǎn)生之初會(huì)同時(shí)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,并且不斷膨脹,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(shí)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(huì)產(chǎn)生能量巨大的“湮滅”,由于粒子數(shù)稍多于反粒子,因此,由剩余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,那么神秘大爆炸與反物質(zhì)的關(guān)系也只是一個(gè)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(gè)偉大的發(fā)現(xiàn),證明這些理論家都是錯(cuò)誤的.但最大的可能是,這意味著你永遠(yuǎn)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(jiǎng)獲得者狄拉克就運(yùn)用嚴(yán)格的理論,描述了電子性能的方程式,并且,計(jì)算所得結(jié)果都有4個(gè)解；2個(gè)正能解,2個(gè)負(fù)能解.正能解能與實(shí)驗(yàn)觀察很好的符合,于是,狄拉克獨(dú)創(chuàng)性地指出,負(fù)能態(tài)是存在的,真空就是一個(gè)充滿負(fù)能態(tài)的電子海洋,負(fù)能態(tài)完全被電子占據(jù).根據(jù)“泡利不相容原理”,正能態(tài)電子不能躍遷到負(fù)能態(tài)上去,因此,正能態(tài)電子是非常穩(wěn)定的.同時(shí),負(fù)能態(tài)電子與正能態(tài)電子相遇會(huì)同時(shí)“湮滅”、轉(zhuǎn)化為光子.
愛因斯坦也曾建立過一個(gè)物質(zhì)總能公式,根據(jù)這個(gè)公式,物質(zhì)的總能量也有正負(fù)兩個(gè)值,這個(gè)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(shí)驗(yàn)室里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)果制造出了反質(zhì)子；1956年,又有科學(xué)家制造出反中子；緊接著,反中微子、反介子、反原子……陸續(xù)登場(chǎng),基本粒子的大家族中涌現(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)家宣布在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì).
反物質(zhì)到此為止已隆重登場(chǎng),由于物質(zhì)與反物質(zhì)相遇會(huì)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(shí)的能量）,類似于原子彈的爆炸并有放射性物質(zhì)存在,這就可以解釋人們?cè)诟鞯匕l(fā)現(xiàn)“神秘大爆炸”的情況.
在討論并證實(shí)了反物質(zhì)的存在之后,我們更關(guān)心的是,真的有一個(gè)與物質(zhì)世界相對(duì)應(yīng)的“反物質(zhì)世界”嗎?如果有,它是個(gè)什么樣的?
我們不禁聯(lián)想到美國電影《費(fèi)城實(shí)驗(yàn)》,它講的是1943年12月,美國海軍在費(fèi)城進(jìn)行了一項(xiàng)秘密實(shí)驗(yàn),用來做實(shí)驗(yàn)的一艘驅(qū)逐艦在強(qiáng)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的綠色煙霧中突然消失了.軍方在停止實(shí)驗(yàn)后,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(yuǎn)在470千米開外的諾?？舜a頭.
這真是一個(gè)奇異的世界.可是要是我們走進(jìn)反物質(zhì)世界,那才真正是一個(gè)奇妙的世界呢!所有的物質(zhì)定理都要翻個(gè)個(gè)兒,在反物質(zhì)世界里,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(duì)準(zhǔn)墻用力向外拔它,它才會(huì)鉆進(jìn)墻里.我們的基礎(chǔ)理論仿佛一夜之間變了個(gè)樣,誰也不敢想象在這樣的世界里究竟會(huì)發(fā)生什么或者正在發(fā)生什么.
在現(xiàn)實(shí)生活中,究竟有沒有這樣一個(gè)奇妙的世界呢?科學(xué)家根據(jù)廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程推出：宇宙中的黑洞是連接兩個(gè)分離時(shí)空區(qū)的隧道,假如反物質(zhì)世界處于另一時(shí)空,那么黑洞就可能是反物質(zhì)世界的通道.當(dāng)然,對(duì)于黑洞內(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(gè)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(huì)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(rèn)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(rèn)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(dá)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(gè)比方,假如在銀河系銀心處有一個(gè)類星體,那么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),那是什么樣的反應(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)是什么?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(jí)的.