《难以想象的天文奇观》：第3章宇宙的奥秘(2)_【小意达】

------第3章宇宙的奥秘(2)------

于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。这条原理说明，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。现在看来，宇宙学原理是对的。所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。

有限而无边的宇宙

爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响，因而他把注意力放在了天体物理上。他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。

爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出了一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个人们完全意想不到的模型。在这个模型中，宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。以往人们认为，有限就是有边，无限就是无边。爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。

一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是有限的。同时它有明显的四条边，因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面爬，无论朝哪个方向爬，都会很快到达桌面的边缘，所以桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四面八方无限伸展，成为欧氏几何中的平面，3么，这个欧氏平面是无限无边的二维空间。

我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为么球面的面积是4-2，大小是有限的。但是，这个二维球面是无边的，假如有一个小甲虫在它上面爬，永远也不会走到尽头。所以，篮球面是一个有限无边的二维空间。

按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是均匀各向同性的。爱因斯坦认为，这样的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度应该相同，即应该有相同的曲率。由于有物质存在，四维时空应该是弯曲的。三维空间也应是弯的而不应是平的。爱因斯坦觉得，这样的宇宙很可能是三维超球面。三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。通常的球体是有限有边的，体积是（4/3)，它的边就是二维球面。三维超球面是有限无边的，生活在其中的三维生物（例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物）无论朝哪个方向前进均碰不到边。假如它一直朝北走，最终会从南边走回来。

宇宙学原理还认为，三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。爱因斯坦觉得其中最简单的情况就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇宙。这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性，就永远保持均匀各向同性。

爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性且不随时间变化的假定下，求解广义相对论的场方程。场方程非常复杂，而且需要知道初始条件（宇宙最初的情况）和边界条件(宇宙边缘处的情况）才能求解。本来，解这样的方程是十分困难的事情，但是爱因斯坦非常聪明，他设想宇宙是有限无边的，没有边自然就不需要边界条件。他又设想宇宙是静态的，现在和过去都一样，初始条件也就不需要了。再加上对称性的限制（要求三维空间均匀各向同性），场方程就变得好解多了。但即使这样还是得不出结果。反复思考后，爱因斯坦终于明白了求不出解的原因：广义相对论可以看做万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙，要想得出静态宇宙，必须修改场方程。于是他在方程中增加了一个“排斥项”，叫做宇宙项。这样，爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向性的、有限的宇宙。间大，于，宇宙是不随时间变化的，是有限无边的。看来，关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。

宇宙的“宇宙模型”之说

几年之后，一个名不见经传的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的，但是，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化，分三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙模型最初发表在一个不太着名的杂志上。后来，西欧一些数学家、物理学家得到类似的宇宙模型。爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后，十分兴奋，他认为自己的模型不好，应该放弃，弗利德曼模型才是正确的宇宙模型。

同时，爱因斯坦宣称，自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的，场方程不应该含有宇宙项，而应该是原来的老样子。但是，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼再也收不回去了。后人没有理睬爱因斯坦的意见，继续讨论宇宙项的意义。今天，广义相对论的场方程有两种，一种不含宇宙项，另一种含宇宙项，都在专家们的应用和研究中。

早在1910年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多普勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，即光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。许多人都有过这样的感受：迎面而来的火车其鸣笛声特别尖锐刺耳，远离我们而去的火车其鸣笛声则明显迟钝。这就是声波的多普勒效应，迎面而来的声源发出的声波，我们感到其频率升高，远离我们而去的声源发出的声波，我们则感至U其频率降低。

如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应，那么大多数星系都在远离我们，只有个别星系向我们靠近。随之进行的研究表明，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们的本星系团中我们银河系所在的星系团被称为本星系团。本星系团中的星系，多数红移，少数紫移；而其他星系团中的星系就全是红移。

1929年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出一条经验规律，河外星系（即我们银河系之外的其他银河系）的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比，所以，上述定律又表述为河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比：式中V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律被称为哈勃定律，比例常数被称为哈勃常数。按照哈勃定律，所有的河外星系都在远离我们，而且，离我们越远的河外星系，逃离得越快。

哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以这样解释：本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动，因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。

哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不过，如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢？一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节；另一个可能是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，所以大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律终于被大量实验观测证实。

宇宙到底有限还是无限

现在，我们又回到前面的话题，宇宙到底有限还是无限？有边还是无边？对此，我们从广义相对论、宇宙大爆炸模型和天文观测的角度来探讨这一问题。

满足宇宙学原理（三维空间均匀各向同性）的宇宙肯定是无边的。但是否有限，却要分三种情况来讨论。如果三维空间的曲率是正的，目卩么宇宙将是有限无边的。不过，它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙，这个宇宙是动态的，随时间变化不断地脉动，不可能静止。这个宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸、膨胀。此奇点的物质密度无限大、温度无限高、空间曲率无限大、四维时空曲率也无限大。在膨胀过程中宇宙的温度逐渐降低，物质密度、空间曲率和时空曲率都逐渐减小。体积膨胀到一个最大值后，将转为收缩。在收缩过程中，温度重新升高，物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大，最后到达一个新奇点。许多人认为，这个宇宙在到达新奇点之后将重新开始膨胀。显然，这个宇宙的体积是有限的，这是一个脉动的、有限无边的宇宙。

如果三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的（宇宙中有物质存在，四维时空是弯曲的），那么这个宇宙一开始就具有无限大的三维体积，这个初始的无限大三维体积是奇异的（即“无穷大”的奇点）。大爆炸就从这个“无穷大”奇点开始，爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点，而是发生在初始三维空间的每一点，即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上。这个“无穷大”奇点，温度无限高、密度无限大、时空曲率也无限大（三维空间曲率为零）。爆炸发生后，整个“奇点”开始膨胀，成为正常的非奇异时空，温度、密度和时空曲率都逐渐降低，这个过程将永远地进行下去。这是一幅不大容易理解的景象：一个无穷大的体积在不断地膨胀。显然，这种宇宙是无限的，它是一个无限无边的宇宙。

三维空间曲率为负的情况与三维空间曲率为零的情况比较相似。宇宙一开始就有无穷大的三维体积，这个初始体积也是奇异的，即三维“无穷大”奇点。它的温度、密度无限高，三维、四维曲率都无限大。大爆炸发生在整个，爆炸，限大的远膨胀去，度、度曲都将逐渐降下来。这也是一个无限的宇宙，确切地说是无限无边的宇宙。

那么，我们的宇宙到底属于上述三种情况的哪一种呢？我们宇宙的空间曲率到底为正、为负还是为零呢？这个问题要由观测来决定。

广义相对论的研究表明，宇宙中的物质存在一个临界密度pc，大约是每立方米三个核子（质子或中子）。如果我们宇宙中物质的密度，则三维空间曲率为正，宇宙是有限无边的；如果，则三维空间曲率为负，宇宙是无限无边的。因此，观测宇宙中物质的平均密度，可以判定我们的宇宙究竟属于哪究有限是限。

此外，还有另一个判据，目卩就是减速因子。河外星系的红移反映的膨胀是减速膨胀，也就是说，河外星系远离我们的速度在不断减小。从减速的快慢，也可以判定宇宙的类型。如果减速因子？三维空间曲率将是正的，宇宙膨胀到一定程度将收缩；如果，三维空间曲率为零，宇宙将永远膨胀下去；如果，三维空间曲率将是负的，宇宙也将永远膨胀下去。

下表列出了有关的情况：

我们有了两个判据，可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了。观测结果表明，我们宇宙的空间曲率为负，是无限无边的宇宙，将永远膨胀下去！

不幸的是，减速因子观测给出了相反的结果1/2这表明我们宇宙空间曲率为正，宇宙是有限无边的，脉动的。膨胀到一定程度会收缩回来。哪一种结论正确呢？有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠，推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了，如果找到这些暗物质，就会发现P实际上是的；另一些人则持相反的看法；还有一些人认为，两种观测方式虽然结论相反，但得到的空间曲率都与零相差不大，可能宇宙的空间曲率就是零。然而，要统一大家的认识，还需要进一步的实验观测和理论推敲。今天，我们仍然不能肯定宇宙究竟是有限还是无限，只能肯定宇宙无边，而且现在正在膨胀！此外，还知道膨胀开始于100亿~200亿年以前，这就是说，我们的宇宙起源于100亿~200亿年以前。

宇宙巨壁和宇宙巨洞

20世纪70年代以前，人们普遍认为大尺度宇宙物质分布是均匀的，星系团均匀地散布在宇宙空间。然而，近年来天文研究的进步改变了人们的认识。人们发现，宇宙在大尺度范围内也是有结构的。

20世纪50年代，沃库勒首先提出包括我们银河系所属的本星系群在内的本超星系团。近年来，已先后发现十几个超星系团。星系团像一些珠子，被一些孤立的星系串在一起，形成超星系团。最大的超星系团的长度超过10亿光年。1978年，在发现A1367超星系团的同时发现了一个巨洞，其中几乎没有星系。不久，又在牧夫座发现一个直径达2.5亿光年的巨洞，巨洞里有一些暗的矮星系。巨洞和超星系团的存在表明，宇宙的结构好像肥皂泡沫那样由许多巨洞组成。星系、星系团和超星系团位于“泡沫巨洞”的“壁”上，把巨洞隔离开来。1986年，美国天文学家的研究结果表明，这些星系似乎拥挤在一条杂乱相连的不规则的环形周界上，像是附着在巨大的泡沫壁上，周界的跨度约50兆秒差距。后来他们的研究又得到进一步的发展。他们指出：宇宙存在着尺度约达50兆秒差距的低密度的宇宙巨洞及高密度的星系巨壁，在他们所研究的天区存在一个星系巨壁，壁10兆距，60兆距，度5兆距。

星系巨壁（也称宇宙长城或宇宙巨壁）和宇宙巨洞是怎样产生的呢？人们认为应从宇宙早期找原因，在宇宙诞生后不长时期内，虽然宇宙是均匀的，但各种尺度的密度起伏仍然是存在的，有的起伏被抑制了，有的起伏得以发现，被引力放大成现在所观测到的大尺度结构。

暗物质之谜

不少天文学家认为宇宙中有90%以上的物质是以暗物质形式隐蔽着的。有什么事实和现象表明宇宙中存在暗物质？

早在20世纪30年代，荷兰天文学家奥尔特就注意到，为了说明恒星来回穿越银道面的运动，银河系圆盘中必须有占银河系总质量的的暗物质存在。20世纪70年代，一些天文学家的研究证明星系的主要质量并不集中在星系的核心，而是均匀地分布在整个星系中。这就暗示人们，在星系晕中一定存在着大量看不见的暗物质。这些暗物质是些什么呢？
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------第4章宇宙的奥秘(3)------

科学家们认为，暗物质中有少量是所谓的重子物质，如极暗的褐矮星，质量为木星30~80倍的大行星，恒星残骸、小黑洞、星系际物质等。它们与可见物质一样，虽然也是由质子、中子和电子等组成的物质，但很难用一般光学望远镜观测到它们。相对而言，绝大部分暗物质是非重子物质，它们都是些具有特异性能的、质量很小的基本粒子，如中微子、轴子及探讨中的引力微子、希格斯微子、光微子等。

怎样才能探测到这些暗物质呢？科学家做了许多努力。对于重子暗物质，他们重点探测存在于星系晕中的暗天体，它们被叫做大质量致密晕天体。1993年，由美澳等国天文学家组成的三个天文研究小组开始了寻找致密晕天体的研究工作。截至1996年，他们报告说已找到7个这样的天体。它们的质量从1/10个太阳质量到1个太阳质量不等。有的天文学家认为这些天体可能是白矮星、红矮星、褐矮星、木星大小的天体、中子星以及小黑洞，也有人认为银河系中50%的暗物质可能是核燃料耗尽的死星。

关于非重子物质，人们现在尚未观测到这些幽灵般的粒子存在的证据。

近年来对中微子质量的测量取得了一些新结果。1994年美国物理学家怀特领导的物理学小组测量出中微子质量在0.5~5电子伏（1电子伏等1.7827X10-36千克)，在每一立方米的空间中约有350亿个中微子。如果是这样的话，那么宇宙中全部中微子的总质量要比所有已知星系质量的总和还要大。

到目前为止，宇宙中暗物质的问题仍是未解之谜。

宇宙中的“反物质”

我们都知道，目前人类观测到的世界是由物质构成的，而物质又是由原子构成的。原子的中心是原子核，原子核是由质子和中子组成的，电子在围绕原子转。原子核里的质子带正电荷，电子带负电荷，它们携带的电量相等。从它们的质量比较上看，质子是电子的1840倍，形成了强烈的不对称性。因此，20世纪初有一些科学家就提出疑问，两者相差这么悬殊，会不会存在另外一种粒子，这种粒子与基本粒子电量相等而电荷相反？

1978年8月，欧洲一些物理学家成功地分离了300个反质子并储存了长达85个小时。1978年，美国新墨西哥州州立大学的科学家把一个有60层楼高的巨大氢气球放到离地面35千米的高空，气球飞行了8个小时后，他们宣布捕获了28个反质子。从此，人们开始相信，每种粒子都有相应的反粒子。目前，科学家利用高能加速器已制造出了反核和反核。

既然有反粒子的存在，人们很自然地联想到反氢分子、反元素、反，反物质世界。有人进一步提出假说：宇宙是由等量的物质和反物质构成的。

如果真有反物质世界，目卩么，它只有不与物质会合才能存在。可物质和反物质怎样才能不会合呢？怎样才能判断出宇宙中哪些天体是物质，哪些是反物质呢？为什么我们所知道的世界中反物质会这么少？这些都是留待人们去解开的谜团。

宇宙的尽头在哪儿

宇宙是无限的吗？如何理解这种无限呢？宇宙是有限的吗？那么宇宙的尽头又在哪里呢？类似这种问题长久以来一直困扰着人类。随着科学的发展，人类认识宇宙的范围越来越大，那么现在我们是否能够找到宇宙的尽头呢？科学家们都在进行着各自的探索。

当观测天体的时候，人们发现它的谱线不是在标准波长的位置上。所有谱线的波长都加长了，这表明谱线向红端移动，这种现象叫做谱线红移，它是由多普勒效应引起的。当天体或观测者运动时，天体发出的光和电波的波长就会发生。天向着观测运动，B：不断缩短，波长就会变短；天体背离观测者运动，距离不断加长，就会观测到波长加长的现象。天体谱线红移表明天体背离我们向远方运动。

如果我们用“Z”表示红移的程度，目卩么在地球上观测时，红移为“Z”的天体发出的光和电波波长就变成原波长的倍。例如在红移为4的天体中，氢原子发出的波长为1216埃的紫外线，而在地球上观测到的波长却是6080埃的红光，变成了眼睛可以观察到的可见光了。

按照多普勒效应，背离速度越大，红移也就越大。于是就可以根据红移求出天体离开我门的速度。

如果用光谱分析法分析来自天体的光，就能够检出氢(氧、碳等原子发出的特定的、经过红移之后的波长。由此可以计算出这些特定波长发生红移的程度。按照多普勒效应，天体红移意味着宇宙在膨胀，广义相对论的引力场方程也有“膨胀的宇宙学”的解，于是形成了“宇宙膨胀论”。还有一些人提出了其他形式的宇宙论，如“稳恒态宇宙论”等。这些宇宙论也都主张宇宙膨胀。采用把红移换算成距离的方法，求得天体到地球的距离，随着所采用的宇宙模型不同而各不相同。

确定了宇宙模型，还应当利用观测求出用哈勃常数表示的现在宇宙膨胀速度和用“减速参量”表示的宇宙膨胀减速率。按照宇宙诞生之后就急速膨胀的宇宙模型，假定哈勃常数为50千米/100万秒差距（1秒差距约为3.26光年），“减速参量”为0.5，可以计算出宇宙的年龄为130亿年，即地球到宇宙的“尽头”的距离从理论上来说应是130亿光年。

1988年8月美国约翰斯·霍普金斯大学的钱伯斯和宇宙望远镜科学研究所的乔治斯·麦里发现了编号为4G41.17的天体，随后美国基特山顶的国立天文台对它进行了摄影和光谱观测。

对氢原子和碳原子发射光谱测定的结果表明4G41.17就是红移为3.8的天体，根据前面的模型，这天离地是11年。以0902+34的天离地最近，它到地球的距离是115亿光年。专家们认为4G41.17便是目前所能够的宇宙的难以想象的天文C二“尽头”。

此外，还要考虑到光和电波以每秒约30万千米的速度传播。离地球117亿光年的4G41.17发出的光和电波经过了117亿年才达到地球。因此我们看到的是117亿年前的4G41.17的雄姿。这样我们不仅观测到了“远方的宇宙”，而且也观测到了“昔日的宇宙”。

钱伯斯的观测清楚地表明了，在宇宙诞生13亿年后就有星系形成了。

在宇宙中被称为“黑暗物质”的粒子是很多的，它们占据了宇宙质量的绝大部分。质子和中子等重子统称为基本粒子，在“黑暗物质”密度非常高的地方凝缩起来就形成了星系。这就是星系形成的“背景模型”。根据“背景模型”，宇宙诞生13亿年之后，就有星系形成了。数年前人们观测到了红移为0.5(距地球60亿光年的星系，为了寻找更远的天体，人们又建立了多台直径为4米的大型望远镜，接着又开发了红外线摄像机和CCD(电荷耦合器件）摄像机等新技术。这为发现新的、距地球更远的星系提供了可能性。红移为7，也就是距地球大约125亿光年的星系很可能在不久的将来被观测到。如果发现了那样的星系，就说明宇宙诞生后仅5亿年，星系就形成了。

然而经过各种努力，仍然不能发现比120亿年更早形成的星系，也是宇宙诞生10年生的大量“宇宙尘”使人们无法看见已经形成的星系。

无论如何，人们总是想找到宇宙的“尽头”。随着观测技术进一步提高，观测比4G41.17更远的天体，精密地求出其气体的化学组成将成为可能。这为进一步了解这些天体的形成过程创造了条件，从而也就可以更准确地推算出宇宙的年龄和宇宙早期形成的情况。也许终有一天，人们将找到真正的宇宙的“尽头”！

宇宙中的不明冷暗物质

一个由来自中国科学院高能物理研究所、清华大学中国原子能研究院等9家单位近25名专家组成的合作小组已经成立，他们将在我国开展一项目前世界天体与粒子物理及宇宙科学界高度重视的最热门的课题研究：追踪一种可能是宇宙早期爆炸后遗留至今的弱作用重粒子一超对称粒子。

曾任该项目合作组中方首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员戴长江说：“一旦经过科学的重复证实这种弱作用重粒子确实存在，将极大地支持超对称粒子模型。不管最终结果如何，对这种新粒子的寻找对于粒子物理、天体物理及宇宙学的发展者卩具有重大的科学意义。”

冷暗物质之谜

从原子物理到原子核物理，再到今天的粒子物理，物理学的日臻完善已经能够很好地解释许多诸如复杂的天体运动本质的自然现象。宇宙学模型认为，宇宙大爆炸后经历了超高能、高能、低能过程，对应的物理规律也符合大统一、弱电统一和量子色动力学，宇宙大爆炸及其演化所产生的粒子均遵循这些规律。

然而，在宇宙中还可能存在着一些弱作用冷暗物质粒子，它们的形成及运动规律是现有粒子物理模型所不能解释的，于是科学家们又提出了超对称粒子物。

现代天文观测和爆炸宇宙论的研究表明，宇宙中的物质绝大多数是暗物质，而暗物质中大多数是由冷暗物质粒子组成的非重子暗物质，现在普遍的看法认为，这种冷暗物质粒子在宇宙中的含量超过20%。

戴长江研究员介绍说，尽管目前实验室还不能对这种新物理模型假说提供有力的证据，但超对称粒子物理模型能很好地解释某些宇宙现象是毋庸置疑的，例如，宇宙螺旋星系中星云旋转速度几乎不随星云盘径向的距离改变以及在星系空间气体辐射的X射线观测中发现的气体平均速度大于其逃逸速度都能从中得到解释。

自1985年以来，宇宙中暗物质的研究已成为天体物理、粒子物理和宇宙学的交叉热点，其中对冷暗物质粒子一超对称粒子的观测研究是当今非加速器物理实验最热门的课题之一。

冷暗物质之争

美国、法国、日本等科技大国的物理学家正在夜以继日地观测研究宇宙冷暗物质，如西欧核子中心（LSC)正在建造一个大型超高能粒子加速器，以捕捉和观测宇宙中可能存在的超对称粒子。

与此同时，一个目标相同但采取自然观测以降氏实验成本的科研小组在经过600天的观测后，已经得到了能够证实超对称粒子确实存在的初步证据，这个科研小组由意大利罗马大学牵头，中国科学院高能物理研究所由于在实验方法技巧、数据系统处理、电子插件研制等方面具有优势1992年在法籍华人陶嘉琳女士的促成下成为重要合作单位之。

该科研小组研制了100千克放射性很低的碘化钠晶体阵列用于在自然界直接寻找相互作用极弱的超对称粒子。为了防止宇宙线的干扰，他们将实验设备安装在意大利格朗萨索国家实验室中，这个实验室位于岩层厚度达1000米的阿尔卑斯山脉下的一个山洞中，可以很好地屏蔽宇宙线。

在对1996-1999年累计达600天的有效实验数据进行分析后，该实验小组获得了3个周期的年调制效应，显着性近4倍标准偏差，种种迹象表明，宇宙中可能存在超对称粒子。他们甚至还估计出了这种超对称粒子的质量和流强上限。

正如美国南卡罗来纳大学的物理学家弗兰克·阿维尼奥内所评说的：“如果这一发现属实，目卩么它无疑是具有诺贝尔奖水平的。”当意中科研小组对外公开他们的发现时，在科学界引起了轩然大。

目前，美国斯坦福大学的物理学家们对外宣称，他们也进行了一项捕获宇宙中弱作用重粒子的实验，“但结果可能与意中科研小组的研究成果相抵触”。在随后举行的第四届宇宙暗物质来源及探测国际研讨会上，意大利罗马大学的科学家代表驳斥了斯坦福大学的结论，认为“两项实验之间存在的实质性区别以及弱作用重粒子的未知属性可能意味着我们也许最终会发现两项实验的结果都是正确的”。

冷暗物质之梦

戴长江研究员这样描述这种未知的超对称粒子：质量至少是质子的50倍，由于和其他物质发生相互作用的概率很低，能够几乎不留痕迹地经过其他物质。

他说：“我们现在要和时间赛跑，和世界上众多的科研机构竞争，一旦证实宇宙中真的存在这种用常规方法观测不到的冷暗物质粒子，对爆炸宇宙学模型和超对称粒子物理模型将是一个强烈的支持，也就把我们对客观规律的认识大大向前推进了一步”。

由于这种冷暗物质粒子具有弱作用的特性，因此要在实验室里记录和捕捉它极其困难。戴长江研究员介绍说，目前，科学界一般用两种方法来探测它，一是间接法，采用地下大型的中微子探测器或空间磁谱仪等规模大、接收度高的设备，通过探测正反超对称粒子湮灭所产生的次级粒子来确认，但此法由于中间过程多，待定参数也多，较难获得准确的观测结果；二是直接法，即直接探测超对称粒子经过实验晶体阵列时留下的极其微弱的作用，此法由于成功的概率很低，因此需要研制相当规模的高灵敏度的探测系统和开发相应的实验技术方法。

据了解，目前意中科研小组已将用于记录超对称粒子弱作用的碘化钠晶体阵列由100千克扩大为250千克，仍由两国合作继续日夜不停地观测。

揭秘宇宙的黑洞

晴朗的夜晚人们常常遥望星空，那些亮晶晶的小星星看起来没有什么个性，它们存在的唯一证明只是它们的光亮。然而还有不发出亮光的星体，它们存在的意义更为重大。

美国宇航局曾经发射了高能的天文观测系统，以研究太空中看不见的光线。

在发回的X射线宇宙照片中，最惊人的一幕是那些从前被认为“消失”了的星体依日放出强烈的宇宙射线，远甚于太阳这样的恒星体。这证明了长久以来一个怪异的设想：宇宙中存在着看不见的“黑洞”。

黑洞的性质不能用常规的观念思考，但是它的原理中学生都能接受。黑洞形成的必要条件就是：一个巨大的物体，集中在一个极小的范围。晚期的恒星恰巧具备了这个条件。当恒星能量衰竭时，高温的火焰不能抵消自身重力，逐渐向内聚合，原子收缩一牛顿法则起作用了：恒星进人白矮星阶段，体积变小，亮度惊人。白矮星进一步内聚，最后突然变成一个点，整个过程不到一秒钟。在我们看来便是，恒星消失了，一个黑洞诞生了。未完待续......欲知下回，请关注微信公众号： xiaoyida_com ，回复 xse95850 获取完整内容！
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本小说内容节选自：育儿健康小说 《难以想象的天文奇观》

作者：玲珑
最后更新于：2016年10月14日
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