宇宙的物质组成从何而来

伤我心太深

从原初物质到我们人类，这一漫长的过程中充满了侥幸。这个链条上的每一个环节都不仅仅是可能性极小，而且在物理学上也是极端敏感的。改变这一过程中的任何一部分，宇宙就会变得非常不同，而我们也可能就不会存在了。

“宇宙”意思是“一切物质及其存在形式的总体”。那么，宇宙是由哪些物质组成？它们又是以什么形式存在的呢？  

宇宙是由什么物质组成的？一个脱口而出的答案是：由那些亮晶晶的星星组成的。但在最近几十年中，科学家越来越发现这个答案是不正确的。天文学家认为，组成恒星、行星、星系——当然还有我们——的物质，或者叫普通物质，只占宇宙总质量的不到5％。他们估计，另外25％，可能是由尚未发现的粒子组成的暗物质。剩下的70％呢？天文学家认为那可能是暗能量——让宇宙加速膨胀的力量。暗物质和暗能量的本质是什么？科学家正在用加速器和望远镜寻找这些问题的答案，如果找到了，其意义肯定是宇宙级的。



浩瀚的宇宙


“宇宙”在《现在汉语词典》中，被解释为：“一切物质及其存在形式的总体”。那么，宇宙是由哪些物质组成？它们又是以什么形式存在的呢？




一、看得见的正常物质



无数颗星星在茫无涯际的宇宙中运动着。我们看得见的星星，绝大多数是恒星。看上去它们好象是冷的，但实际上每颗恒星都是一个火热的太阳。汹涌的热浪不断地从这些大火球吐出来，射向广漠的宇宙空间。它们的热度非常高，表面温度至少有摄氏三千度。即使是最坚硬的金属，一接触它们的表面就会熔解，甚至化为气体。可是，当你看到静静的夜空中闪烁着寒光的小星星的时候，说不定还会把它们当作萤火虫呢。

许多红色的星星很大很大，有的可以装得下八十万万个太阳。这些星星是由非常稀薄的气体状态的物质组成的。最稀薄的，密度只有地球上空气的几万分之一，比我们用抽气机造成的“真空”还要稀薄得多。



也有一些恒星非常小，有的比地球还小。可是这种星星的物质，密度特别大，火柴头那么大的一点点就抵得上十多个成年人的重量。用白金造成同样大的一个球，重量才抵得上它的二百万分之一。人到这种星星上面休想站得起来，因为它的引力是这样大，人的骨胳早就被自己的体重压碎了。这样的小星星发出强烈的眩目的白光，它的表面温度高达摄氏三万度到五万度。

还有数量众多的中等的恒星，这些恒星象太阳一样，体积不太大，密度不太小（太阳的密度是水的一点四倍），表面温度也不十分高，只有几千度。

恒星有各种各样的，但是全都是灼热的庞大的气体球，全都是发光发热的。

这些星星里，想来会有不少不发光的行星绕着它们转的吧。固然，今天凭地球上最大的望远镜，还不能直接看见别的恒星世界的行星，但是有什么理由能说太阳系的构成是宇宙中独一无二的呢？太阳可以有行星，为什么别的恒星就不能有呢？




从这颗星星到那颗星星的距离，每秒钟能飞十六点七公里的宇宙船得走几万年。

得走几万年，多么辽阔的宇宙空间啊！尽管恒星都很大，差不多每一颗都能装下几百万个地球（只有极少数比地球小），可是在辽阔的宇宙空间里，这些恒星不过象大海里的水滴，也许还要小。

还有难于计算的由尘埃和气体组成的星云，浮游在星星和星星之间，浮游在宇宙空间里，阻碍星光的通过。这些星云有的厚到几万亿公里，本身并不发光，如果在附近有恒星，它就反射出光亮，叫做亮星云。否则它就是暗黑的，叫做暗星云。



这样就可以知道，宇宙里的发光的星星，还有亮星云、暗星云等，这些都是宇宙中的正常物质。

大约一千万万颗以上的恒星组成一个铁饼形状的东西，我们把它叫做银河系，太阳也在其中。从地球上望出去，银河就象一个环，套在地球周围。这是一个美丽的环，当它一半没在地平线下，另一半横过天空的时候，人们就说，这是一条天河，它把多情的织女和牛郎隔开了。

哪里知道，这条天河淹没了一千万万颗以上的星星啊！一千万万，你一口气数下去，得数一千多年！

这就是整个宇宙吗？不，这还只是构成宇宙的一个微不足道的小点点。



宇宙里有千千万万个象银河系一样的恒星系，这些恒星系大都有一千万万颗以上的恒星。




我们肉眼能看到仙女座里的一个恒星系。每当初冬晚上八九点钟的时候，差不多在天空正中有一个纺锤形的小光斑，就是这个恒星系。它距离我们那样远，光线从它那里到地球上得走二百二十万年。在每一个恒星系里，光线从这一头到那一头也得走几万以至十几万年。不要忘记，光线是宇宙中最快的使者，若是宇宙飞船，不知道要走多少万万年呢。

我们已经发现数以亿计的恒星系。可是不要以为我们已经看透整个宇宙了。要知道数以亿计的恒星系仍然只是茫茫宇宙的一个极小部分。随着望远镜制造技术的不断提高，新的仪器的不断发明，我们将会看到更远的世界。



所有的星星和恒星系全都在飞快地运动着。太阳也带着地球和其他行星以每秒十九公里的速度飞奔。同时，太阳系也参加银河系的自转运动。在运动中，太阳系每秒钟要走二百五十公里。


整个宇宙仍然是在运动着、发展着。

在婴儿期，我们的宇宙拥有的唯一元素是氢，这是一种最简单的元素——靠它几乎不足以形成什么有趣的东西，如行星或人类。随着宇宙逐渐冷却，每个单一质子都会得到一个带负电荷的电子并成为氢原子，宇宙中大约 92% 的原子是氢。剩下的大多聚合成了氦以及极少量的锂和其它轻元素。在那个时候，由于过份寒冷，其它元素无法形成，宇宙进入了一个持续 3.8 亿年的黑暗时代。

随着宇宙的扩张和冷却，引力开始发生作用。星系结合起来，很快第一颗恒星开始发光。最初，光仅由恒星的体重决定：当一颗恒星在它自身的重量下坍缩时，氢堆积在一起，这会导致它变热，这就如同你把油灰攥在手心。凭借它自己，引力只能让这些恒星保持发光数百万年，但这已足以让这些恒星的核心变热，并使核聚变炼金术开始。

哈勃空间望远镜拍摄的侏儒星云，这是一团船底座 η 核合成过程中产生的物质云。这颗恒星已近生命终点，正在吐出云团。在一百万年间，它会成为一颗超新星，并在一次极为壮观的高能爆发中向宇宙空间抛射物质。 ESA/NASA

实际上，这些聚变反应以许多令人震惊的方式发生着。聚变不是两个原子核的简单联合。在大多数恒星内，氢原子核无法靠近到足以发生聚合。一对氢原子核靠得越近，正电荷的互相排斥就越强烈。但是因为原子核是一种量子物体，因此它们不需要通过靠得足够近的方式来发生聚变，而只需要靠近到适当的程度。然后一种被称为量子隧穿的效应就会接管。此刻两个原子核几乎接近到足以发生聚变，而一下刻它们就突然结合在一起了。这就好比原子核没有足够的能量来打开门走过去，但是它们偶然会用瞬间移动来穿越墙体。

但是即便是这种量子魔法也不足以使一颗恒星成功。因为不仅仅是要发生聚变，还需要产生足够稳定的物质。由两个质子聚合成的氦-2（包含两个质子，但不包含中子），是极端不稳定的，它常会分解回两个单独的质子。但是存在有万分之一的机会，其中一个质子会转变为中子，使原子变成氘，一种稳定的氢同位素。氘和氢可以聚合成稳定的氦，并释放出巨大的能量，开启神奇的恒星创世序幕。

从氢到其它元素，每一步转变都依赖于罕见的天体与量子过程。从原初物质到我们人类，充满了侥幸。

对于小型恒星来说，氢是它们唯一的燃料；燃料耗尽后，它们就陷入黑暗。但当首批恒星中最大的把它们的氢转变成氦后，它们的燃烧方式就不同了。当这些大恒星停止氢聚变后，它们的内部压力开始下降，引力使它们再次坍缩，而它们的核心温度就会再次升高。当它们核心的温度达到一亿 K 时，氦开始聚变为铍（一种原子核中拥有 4 个质子的元素），而铍和氦聚合为碳（6 个质子）。地球生命的元素中心开始在炽热的恒星心脏处形成，尽管这些碳还需要经历漫长的旅程才能成为我们的一部分。碳聚变成为氮和氧（分别拥有 7 个和 8 个质子），又产生了两个生命必须的元素，而从它们开始，经历一连串的聚变反应后，最终形成铁（26 个质子）。

将铁聚变为更重的元素不能产生更多的能量，而较轻的元素聚变则然——铁如果聚变，它会吸收能量，但这实际上是件好事。假如元素会无止境地聚变成较重元素，那第一批恒星就会无休止地聚变下去，直到变成中子星，那是一种巨大的不可分化的原子核物质球体。因为铁的聚变实际上会冷却恒星的核心，所以聚变的链条关闭了。聚变停止后，第一批大质量恒星最终在它们自身的重量下坍缩，引起的便是超新星爆发。这些恒星的外层富含碳、氮和氧，它们被抛入星际空间，而只有它们的核发生了再次坍缩，成为了中子星。

长久以来人们一直以为恒星的聚变和超新星足以产生我们周围的所有元素。但是现在我们知道，其它还有一些奇特的过程在此间扮演了关键的角色。最近的研究显示，那些稀有的重金属，如金，其大部分是在两颗中子星的碰撞过程中产生的。地球上所有的金子似乎都是由这样的一次碰撞产生的。

从氢到其它元素，每一步转变都依赖于罕见的天体与量子过程。从原初物质到我们人类，充满了侥幸。在这个链条上的每一个环节都不仅仅是可能性极小，而且在物理学上也是极端敏感的。假如结合质子的强互作用力再高仅仅 2 个百分点，那氦-2 就会变得稳定。聚变发生得会更为容易，因此第一代的炽热高密度恒星就不会出现。改变这一过程中的任何一部分，宇宙就会变得非常不同，而我们也可能就不会存在了。

这就是有时候会被人提及的所谓“精准宇宙”理念，这一理论认为，生命的存在依赖于象恒星核聚变这样的现象以正确的方式发生。它引发了关于宇宙起源的神学争论，当然另外一些人持的观点则完全相反。不论怎样，有一件事是清楚的：是我们让宇宙变得显而易见。我们所有及所见的一切都是氢，它们在引力和时间的钳锅中诞生。

Brian Koberlein 是罗彻斯特技术学院的天体物理学家和物理学教授。他在名为《一时一宇宙（One Universe at a Time）》的博客上写关于天文学和天体物理学的文章。他的推特账号是 @BrianKoberlein。

作者：Brian Koberlein
翻译：老孙
原载：Nautil.us

宇宙是由什么物质组成的？

二、看不见的暗物质

宇宙中充满着暗物质


宇宙中有什么物质？在21世纪之前，这是一个令人费解的问题。10年前，人们只知道宇宙中有太阳、月亮、星星、像银河系一样的星系以及由许多星系组成的星系团。实际上，这些看得见的天体在辽阔的宇宙中只占极小一部分，宇宙中大部分物质是看不见的。这些看不见的物质是什么？20世纪90年代中期才有人提出，这是一种叫做“冷的暗物质”的奇异物质，这种看不见的物质构成了90%（注意这个数字不正确！）的宇宙。恒星、行星、人类以及原子、分子等正常物质只占剩余的小部分。



孤立地看，这种观点似乎很对，但考虑一下恒星和星系为什么旋转得这么快，问题就来了。例如银河系每2亿年就要旋转一次。这样巨大的旋转速度虽不会使人感到头晕目眩，但它有足够的力量把整个银河系撕裂开来。银河系是靠物质引力维系在一起的，仔细分析，维系银河系的物质引力太弱，不能“勒住”高速旋转的银河系这匹“野马”，除非有很多看不见的暗物质在暗地里施加一个额外的力把银河系成员“勒”在一起。另外，星系团里的星系也在快速旋转，那又是什么力量使整个星系团内的星系维系在一起呢？也是许多看不见的暗物质吗？现在看来正是！

这种看不见的暗物质是什么？是正常物质吗？不是。因为宇宙中的一切物质都是大爆炸后几分钟内，大爆炸的“汤”凝结成质子和中子，它们紧密地挤在一起，其中一些质子和中子聚合成重核，例如氦。如果原子核中质子和中子挤得更紧，它们将聚合成更多的重核。例如恒星和星系际气体中的氦、硼和氖。然而聚合成为重原子核后，就变成了正常物质。



而正常物质在万有引力作用下，将往星系中央集中。这与观测是不符的。所以，不管看不见的暗物质性质如何，它们都不能进行核聚变。这种不允许进行核聚变的暗物质一种可能就是“冷的暗物质”，它们是大质量亚原子粒子，其质量是质子的许多倍。单个的大质量亚原子叫做“弱作用大质量粒子”，它影响正常物质，相互之间由弱核力和引力作用，对电磁力和束缚质子和中子的强核力不敏感。由于它们不进行核聚变，所以彼此通过时不发生碰撞。

天体物理学家认为，“弱作用大质量粒子”是可以做工作的最简单的粒子，除此以外，还有温暖暗物质、强作用暗物质、湮灭暗物质、衰变暗物质以及模糊暗物质等。但理论家不喜欢引进许多自由参数，多数人不肯接纳冷的暗物质以外的暗物质。



还有一些人认为，宇宙中大多数物质可能存在于100万个太阳质量的巨大黑洞里，这些黑洞可能是大爆炸后一刹那诞生的。现在，空间飞行器已在星系中央找到了大质量黑洞，而且它们具备暗物质的一些基本特征，因此这很可能是暗物质的一种栖身之所。

“威尔金森微波各向异性探测器”的观测表明，宇宙中除有正常物质和暗物质外，还有暗能。正常物质占4.4%，暗物质约占23%，暗能约占73%。暗能是一种特殊的宇宙物质，它能产生负引力，使宇宙加速膨胀。这种特殊物质是怎样产生的？目前还没有肯定的答案。


三、神奇的反物质



反物质的原子由带负电的原子核与带正电的电子组成

宇宙大爆炸学说认为宇宙产生之初会同时产生反物质，按照该学说，宇宙是从大约150亿年前温度和密度极高的物质状态中“爆炸”产生，并且不断膨胀，发生着温度从热到冷、物质密度由密到疏的演化过程，在这一过程中，同时形成了诸如电子、质子、中子等粒子，以及它们的反粒子（反电子、反质子、反中子等），粒子与反粒子接触会产生能量巨大的“湮灭”，由于粒子数稍多于反粒子，因此，由剩余的粒子组成了目前的物质世界。



如果找不到构成反物质的反粒子，那么神秘大爆炸与反物质的关系也只是一个科学假设而已，更何况，否定反物质存在的人也很多，例如美国著名宇宙学家施拉姆就说过：“大多数理论家的直觉是不存在反物质的，这意味着，如果你找到它，那将是个伟大的发现，证明这些理论家都是错误的。但最大的可能是，这意味着你永远也找不到它。”

所幸的是，早在1928年，英国年轻的物理学家、诺贝尔奖获得者狄拉克就运用严格的理论，描述了电子性能的方程式，并且，计算所得结果都有4个解；2个正能解，2个负能解。正能解能与实验观察很好的符合，于是，狄拉克独创性地指出，负能态是存在的，真空就是一个充满负能态的电子海洋，负能态完全被电子占据。根据“泡利不相容原理”，正能态电子不能跃迁到负能态上去，因此，正能态电子是非常稳定的。同时，负能态电子与正能态电子相遇会同时“湮灭”、转化为光子。



爱因斯坦也曾建立过一个物质总能公式，根据这个公式，物质的总能量也有正负两个值，这个结论与狄拉克所得结论是一致的。

到1932年，有科学家开始在实验室里观察到反电子的存在；1955年，美国加利福尼亚州立大学伯克莱分校用高能质子去轰击铜，结果制造出了反质子；1956年，又有科学家制造出反中子；紧接着，反中微子、反介子、反原子……陆续登场，基本粒子的大家族中涌现出一大批新成员，为原子核物理学谱写了一幅颇为有趣的新篇章。

1997年，科学家宣布在银河系中心发现了反物质。


反物质到此为止已隆重登场，由于物质与反物质相遇会产生能量巨大的爆炸（1克物质与反物质相遇，能产生5×107千瓦小时的能量），类似于原子弹的爆炸并有放射性物质存在，这就可以解释人们在各地发现“神秘大爆炸”的情况。


在讨论并证实了反物质的存在之后，我们更关心的是，真的有一个与物质世界相对应的“反物质世界”吗？如果有，它是个什么样的？

我们不禁联想到美国电影《费城实验》，它讲的是1943年12月，美国海军在费城进行了一项秘密实验，用来做实验的一艘驱逐舰在强磁场所产生的绿色烟雾中突然消失了。军方在停止实验后，却惊奇地发现它们的驱逐舰在眨眼之间已经驶到远在470千米开外的诺福克码头。

这真是一个奇异的世界。可是要是我们走进反物质世界，那才真正是一个奇妙的世界呢！所有的物质定理都要翻个个儿，在反物质世界里，力的作用方向恰好相反，你如想提起反物质物体，不得不把物体向下按；反物质做成的钉子，要对准墙用力向外拔它，它才会钻进墙里。我们的基础理论仿佛一夜之间变了个样，谁也不敢想象在这样的世界里究竟会发生什么或者正在发生什么。



在现实生活中，究竟有没有这样一个奇妙的世界呢？科学家根据广义相对论引力场方程推出：宇宙中的黑洞是连接两个分离时空区的隧道，假如反物质世界处于另一时空，那么黑洞就可能是反物质世界的通道。当然，对于黑洞内部，我们仍然一无所知，但是，黑洞内部最大的可能就是一个反物质世界。

反物质的发现不仅仅能为我们解释数起神秘大爆炸原因，还会为宇宙的起源提供突破性的线索，从某程度上说，宇宙、真空和反物质是有其统一的一面的。

反物质的发现还被认为是人类的最终能量，是宇宙飞船最理想的燃料。科学家们认为，反物质是无止尽能量的来源。在宇宙中有一种奇怪的天体叫做类星体；它释放的能量高达1045克尔格/秒，比银河系所有恒星释放的总能量还要多得多，但它的体积却很小，直径不到1光年。




打个比方，假如在银河系银心处有一个类星体，那么太阳早就黯然无光了。目前我们所知的恒星的能量来源是氢核反应，可是氢核反应决不能释放出像类星体那样剧烈的反应，那是什么样的反应才能如此剧烈呢？惟一的解释就是反物质的湮灭反应。


到底暗物质和暗能量的本质是什么？科学家正在寻找这些问题的答案，如果找到了，其意义肯定是宇宙级的。