大爆炸宇宙通史-完全版-第10部分

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系一个非常正常的旋涡星系很相似。在讨论其他星系之前，有必要详细地了解一下银河系。我们知道它是旋涡状的，其中心距离我们26000光年。整个系统的总直径超过10万光年，看上去像一个双凸透镜（或两个背靠背叠在一起的煎蛋）。沿着这个系统的平面望去，可以看到许多星星几乎排在一条线上，形成了从太古时代起就被称为银河的横跨夜空的壮丽的光带。中心核球（煎蛋蛋黄）的直径约2万光年。平面之外离开星系盘，在我们称之为银晕的地方有巨大密集的球状星团和许多流浪的恒星。

银心不易看到，因为中间有太多遮蔽的物质。但是射电波和X射线则不受阻碍。银河系中心位于人马座的繁星之后，其精确位置是人马座A*（读作人马座A星），是一个很强的射电源。在中心区有盘绕的尘埃云和能量巨大的恒星组成的星团。在很靠近真正的中心的地方有一个260万倍太阳质量的黑洞。其证据来自星表编号为S21、质量是太阳15倍的一颗恒星。长期的跟踪研究发现它在围绕着一个中心天体以15。2年的周期运动。它离中心天体最近的距离只有17光时（光速×小时），已经贴近黑洞“事件边际”的边缘。在那个界限之内，任何东西都无法逃出。它绕行的速度是惊人的每秒5000千米。从它运动的方式可以推断出中心天体的质量。这一质量是如此巨大而又局限在如此狭小的体积内，除了黑洞，别无可能。

星系在旋转。太阳大约要用2。25亿年转完一周。这一周期通常叫做宇宙年。在一个宇宙年前，地球上最高级的生命形式是两栖动物，甚至恐龙都还没有出现。设想一下一个宇宙年之后的地球是什么样子将是十分有趣的。我们在离星系主平面不远处运动，并刚刚离开其中一条旋臂猎户臂。所以我们现在位于一个相对空旷的区域。

正文　旋涡星系

2010…1…28　21：14：52　本章字数：629

旋涡星系

许多星系是螺旋状的，除了唯一一个令人困惑的反例之外，所有的旋臂都由于星系的旋转而呈现拖尾状。现在认为旋臂是由回荡在系统内的压力波造成的，里面的某些区域里星际物质的密度比平均值要高，这将引发恒星的形成。最容易看到的恒星质量很大，以宇宙学的标准来看，在它最终爆炸成超新星前的寿命是较短的。但它们明亮的光芒使得旋臂变得明显。当压力波扫过后，激烈的恒星形成过程停顿了，这个旋臂变得不那么突出。而扫荡的压力波又会造就一条新的旋臂。如果这种图景是正确的，那么在几千万年的时间里，我们的银河系仍会有旋臂，只是这些旋臂是由另外的恒星构成的。

支配星系旋臂的物理学规律可用一个日常的问题来类比，就是交通拥堵。想象一下M25伦敦的环路上的交通，所有汽车都以几乎相同的速度前进，但是如果道路较挤，一辆车稍微减速就会让它后面的车排起队来。这正是聚集在环绕星系核心的旋臂上的气体或尘埃的情况。每辆具体的汽车只会在有限的时段里成为拥堵的一员，而之后仍会在环路上继续前行。但拥堵会持续下去，只是换成了后面跟上来的车辆。

通过多普勒效应，我们已经测量出很多星系的旋转。如果一个旋涡星系正在旋转，那么在一侧的所有物质将朝向我们运动，而另一侧的所有物质将远离我们（当然要排除星系自身的整体运动）。这种运动将表现在谱线的位置上，所以可以据此测量出旋转的速率。而星系旋转的一个奇怪的特征还具有更深刻的意义。

正文　神秘的暗物质

2010…1…28　21：14：56　本章字数：1012

神秘的暗物质

在我们太阳系中，行星绕日公转的速度随着它们到太阳距离的增加而减少，因为离太阳越远，引力越弱。顺理成章地，同样的规律也应该体现在旋转的星系上。靠近中心的星的运动应该比远离中心的星的运动快得多。然而天文学家惊奇地发现，不是这么回事。远处恒星的宇宙年比预计的要短，所以旋臂不会很快地卷绕起来。星系的情况似乎介于太阳系和一个刚体之间。刚体的情况像一个旋转的自行车轮子，在车轴附近的一块泥点的移动比在车圈上的移动慢得多，但两者用同样的时间走完一周。

如果星系里的恒星像行星环绕太阳那样简单地围绕着一个中心质量旋转，就无法解释这种奇怪的现象。唯一可能的答案是这个系统的质量并不是集中在中心或中心附近，而是分布在整个星系盘和星系的外侧。最有可能的解释是存在分布在整个星系晕内的暗物质。暗物质完全不可见，只有万有引力才能泄露它们的所在。

暗物质是否就是普通的物质？比如大量非常暗弱的低质量恒星，除非它们按照宇宙标准来看聚集得很近，否则我们将无法看到。当然恒星的数量是很多的，最新的估计是在可视宇宙中恒星的总数达到7×1022个，但似乎它们的总质量也无法与暗物质总量相匹配。

这些质量是否有可能被禁锢在黑洞中了？我们可以计算现已掌握的这类质量，发现还是远远对不上。史蒂芬·霍金曾预言存在地球质量级别的黑洞，但还从未发现过。曾经看起来更有希望的一种方案涉及中微子没有电荷的快速粒子；不易检测但数量极其丰富，在驱动恒星的反应中大量产生。每秒钟有数千个中微子穿过我们的身体，如果中微子具有一点质量，那么就可以为暗物质提供一种解释。与几年前相比，现在我们对此有了更深入的了解：尽管中微子不是完全没有质量，但它的质量远不够解决这一问题。

我们还剩下两种选择。一是暗物质可能是由现在还未知的基本粒子构成，每个质量很小，但数量足够多，可以解释这种差异。这种假设的粒子叫做弱相互作用重粒子，即WIMP。而粒子物理学已经对它们应该是什么样子给出了具体的预言。另一种解释是暗物质由普通物质构成，以暗弱而大质量天体的形式存在，例如行星，或棕矮星一类的小恒星。对这类称为大质量致密晕族天体，即MACHO的探测已经在进行，据信它们潜伏在大质量星系的星系晕中。探测已经取得了一些积极的结果，现在我们在等待发现一个经过的WIMP。然而事情并未就此完结。

正文　为什么有暗能量

2010…1…28　21：14：58　本章字数：979

为什么有暗能量

根据最新的估计，可视宇宙即我们可以看到的所有的东西：星系，恒星，行星等仅占宇宙中能量的4％，另有23％是以暗物质的形式存在。而剩余的73％要归于所谓的“暗能量”。

直到宇宙史上的这个阶段大爆炸后约70亿年时，在引力的影响下膨胀变慢了。引力是唯一能在天文距离上造成显着差别的力，而且这是一种将物质拉到一起的吸引力。我们或许可以预料，引力的强度将决定宇宙的终极命运。

在我们讨论的这个时代，宇宙在膨胀。而且直到今天它仍在膨胀。但是这个膨胀会永远持续下去吗？还是说在至少800亿年后星系会掉转头来再次冲到一起形成一次大坍塌？所有这些都取决于宇宙中物质的平均密度，用希腊字母　表示。如果　大于1，引力占据上风，在时间终结之时会有一次大坍塌；如果　等于1，那么膨胀会逐渐减慢但永远不会完全停止，这被称为一个平坦的宇宙。如果　低于这个临界值，膨胀将变慢，但将一直持续下去。在讨论暴胀时说过，我们掌握的证据似乎说明宇宙是平坦的。但是对一种特殊类型的超新星：Ia型超新星的观测提醒我们，事情可能复杂得多。

让我们通过这些超新星回顾一下位于大爆炸和今天的中间点的关键时代。为什么这种类型的爆炸如此特别？因为这些爆炸的极大光度即内禀亮度都是相同的，所以可以作为标准烛光使用，让我们能够测量距离。我们将超新星爆炸时在天空中的视亮度和它的内禀亮度相比较，其差值就表示距离有多远。看起来更亮的超新星一定是距离我们更近。

为什么这些超新星都具有相同的内禀亮度？据认为这类超新星产生于一颗普通恒星的白矮星伴星的彻底毁灭。较小而致密的矮星从它的较大的伙伴那里吸积了过多的物质，最终它自身变得不稳定。这颗矮星在一次巨大的热核爆炸中把自己炸成了碎片。由于这种爆炸总是发生在同样的临界质量下，爆炸的光度在每种情况下都是一样的。

我们有两种方法计算包含超新星的星系的距离：通过谱线的红移和超新星的峰值光度。但在什么地方出了问题，使得超新星看上去比它们本应具有的亮度要暗，所以似乎比预计的遥远。这也正是天文学家们期待的最后一件事情。只有一种可能的解释，现在宇宙膨胀的速度一定比以前要快。宇宙的膨胀正在加速而非减速，这种使宇宙膨胀加速的能量我们称之为暗能量。

正文　第五种力

2010…1…28　21：15：00　本章字数：605

第五种力

这是怎么回事？在整个物理学史上，有四种力被认为是足以解释物质之间的所有可能的相互作用：电磁力（造成异性电荷之间的吸引力）、强核力（将原子核约束在一起）、弱核力（造成放射性衰变）和引力（在整个宇宙范围内起作用的吸引力）。引力是四种力中最弱的，但在天文学家们关心的领域里它是最重要的。因为这是唯一在很远的距离上仍起作用的力（虽然电磁力也能产生长程作用，但因为物质平均起来是电中性的，所以这种力被抵消了）。而一个加速中的宇宙需要一种先前未曾显示出效应的第五种力。

对于起这种作用的力已经有了许多理论性的假设，基本上大多数都是才一提出即遭抛弃。它把我们带入了奇异的真空力和虚粒子的世界。我们自然而然地把真空想象成不存在任何物质的地方，但是量子物理学告诉我们，这种想法过于简单了。任何真空都充满了沸腾起伏的大量的“虚粒子”。它们总是以粒子和反粒子的形式成对出现。这些带有相反电荷的虚粒子在互相碰撞湮灭之前只能存在不到10…43秒的短暂时间。这一过程可以描述为真空首先借来用以产生粒子的能量，然后在宇宙的其他部分觉察到之前，通过湮灭将能量返还。但在虚粒子短暂的存在期内对其周围却会产生影响。实际上在实验室中发现在某些情况下它们会产生斥力。这可能正是我们寻找的东西。而且，真空的体积越大，力就越强。所以我们预计随着宇宙的膨胀力会变大恰如我们观测到的。

正文　宇宙剪切

2010…1…28　21：15：02　本章字数：939

宇宙剪切

暗能量存在的进一步证据来自意想不到的一个方面。通过观察几十万个星爱因斯坦在黑板前。1923年12月6日系的形状，天文学家能够测量出自光线从每个星系发出后宇宙的膨胀。这种方于荷兰莱顿。法被叫做宇宙剪切，它依赖于光线路经质量时产生的弯曲。这种效应最壮观的例子是爱因斯坦环。来自遥远星系的光在从近邻系统的旁边经过时被严重扭曲，扩散成一个环形。近邻的系统位于中心。星系的图像也常常被扭曲和拉伸成弧状。除了这些极端的例子，我们看到的每个星系的图像都存在某种程度的畸变，畸变的大小反映出光线在到达观测者之前经过的质量总量。对大多数星系而言这种效应很微弱，只表现为星系在天空中位置上的小小偏移。这就存在一个问题，我们只能看到星系发生偏移后的景象，而要测量出途经的质量及计算出膨胀的大小，我们需要与一个从星系发出后未经任何畸变的光线作比较。对任何特定的星系，这都是不可能的。然而通过天文学家设计的对庞大数量星系的巡查，可以对很多星系作统计平均来提取出这类信息。其结论是明白无误的：光线从星系到我们之间所走过的路径需要用一个加速的膨胀来解释。

不过这里又冒出一个漏洞。在发现宇宙加速膨胀之前，粒子物理学家们找到了一大堆理由来解释由他们的许多理论所预言的这种效应为什么在宇宙中没有表现出来。实际上我们处于这样一种境地，就是能够解释为什么要么根本没有互斥力，要么存在一种极强的排斥效应。不幸的是，我们观测到的只是一种非常弱的力（尽管在宇宙范围内累积起来这种效应非常显着），而且与预言差距甚大。实际上，天文观测结果与最好的理论模型之间的差别高达10120倍。这是有史以来在科学上理论和实验之间最大的误差。但是，这就是我们已知的最佳解释。

而情况可能更为复杂。我们曾假设互斥力是不随时间变化的，这个假设只是出于不要把事情弄复杂的愿望，而无其他确实的理由。（要知道科学家们常常引用奥卡姆的剃刀原则：当其他方面都相同时，最简单的�