阿尔法磁谱仪的宇宙暗能量反物质并存

骑UFO看外星人

阿尔法磁谱仪的诞生

阿尔法磁潜仪(AMS)由STS－134飞往国际空间站时带人运行轨道，虽然听起来像是另一个仪器，但实际与国际空间站的关系密不可分。这项研究由美国能源部发起，16个国家出资，由诺贝尔得主丁肇中教授领导，全球600多位物理学家将能分享这台粒子物理学探测仪产生的数据。

美国航空航天局的AMS项目经理特伦特·马丁说：“这种合作目前在空间科学界开始变得更为常见，但AMS是截止到目前建造空间科技探测仪出资最为多样化的，美国航空航天局希望国际空间站、国家实验室会鼓励在空间科学界的这种多方合作模式。”

阿尔法磁谱仪

阿尔法磁谱仪

寻找反物质、黑暗物质和宇宙射线在宇宙中的传播奥秘，这些仅仅是整个故事当中很小的一部分。为了充分理解科学的发展方向，就得考察科学发展的历史。对于AMS项目来说，它的实施也是这样。美国航空航天局与AMS的努力开始于1994年，当时美国航空航天局在得克萨斯州休斯敦的约翰逊太空中心进行了一项可行性研究，探讨这样一个脆弱的仪器是否能够在太空飞行而且获得有用数据。

美国航空航天局的AMS项目副经理理肯·波尔维格提到，面对危险的太空环境必须克服许多困难，他说：“这些类型的实验所使用的探测器，其最典型的使用环境是在地表以下，那里的温度从冬到夏变化不会超过2℃，而且岩矿千年不动。”

对于AMS项目所涉及的硬件的研究，自1995年项同正式批准后就已认真开始了。美国航空航天局与AMS项日达成的初步共识之一，就是质量、体积和动力方面必须有所限制，比如说，AMS合作项目考虑的轻量化永久磁铁大约为2吨，地面类似的电磁铁重约10000吨。

美国航空航天局和AMS项同组共同努力，计划推出二个版本的AMS以达到规定的质量要求。第一种版本的独特支撑结构USS－01于1997年完成，并于1998年6月由STS－91发射，携带4172千克的AMS工程评估版本。STS－91的任务顺利完成，因为考虑到空间站到2001年才能准备好接待AMS，所以科学家决定做一些改进。AMS计划越来越复杂，包括升级为更强大的低温超导超流态氦冷磁：这些变化把AMS的重量增至6918千克，因此又必须试验称为USS－02的第二种版本的支撑结构。

另一个重要共识是确定如何将数据从AMS传回地面，为此研制了数码数据录制系统，执行STS－91使命时用它来为AMS合作项目捕获数槲。这是AMS总体目标的一次初步尝试，但得到的数据使得测量的敏感度得到了提高。

工程师们持续研究程序和验证要求，并进入试验阶段，一干就是好几年。2001年12月，美国航空航天局用STS－108发射了一台原型同步加速器辅射探测仪，这次飞行试验验证了AMS探测仪的性能。AMS复杂性的升格也意味着数据通道从近70000个增至300000个。为了解决这个问题，美国航空航天局研制了一个新型数码数据录制系统，于2011年2月用STS－133发射升空。这为AMS随STS－134的发射做好了准备。

在宣布国际空间站将持续运行至2020年以后，AMS合作项目将现有的低温磁更换为永久磁，其寿命无限。整个AMS被拆开，更换了磁铁，然后安装完备并进行了试验。从概念到实施只花了7个月时间，延长了AMS运行的可能期限。

马丁赞扬美国航空航天局员工和承包商做出的努力，称赞他们为AMS项目的顺利实施做出的重大贡献。这些人中的一部分将继续支持AMS环轨运行和收集数据。

AMS将是目前太空在轨飞行器中最先进的探测仪，它会增进我们对反物质和暗物质的整体认识，为物理学家提供一种强有力的工具。随着科学家寻求宇宙起源的答案，该调查也将促进现代物理学科的成长。

暗物质与暗能量

暗物质与暗能量

暗物质和暗能量

几年前，美国航空航天局发表了最新的微波宇宙全图，初步分析显示宇宙的年龄为137亿年，误差为1％。第一代的恒星在大爆炸后2亿年开始发光。

宇宙在“婴儿期”的时候，光子和物质结合在一起，满宇宙一片黑暗。一直到了宇宙大爆炸之后约30万年，宇宙开始降温，光子摆脱物质的束缚发散出来，宇宙各处的星球开始发光。随着宇宙的膨胀，这其中的一部分光子转变为微波，现在我们接收的宇宙微波背景辐射是在大爆炸后38万年发射出来的。天文学家测量这些宇宙微波后绘出宇宙微波背景图，之所以被称为“背景图”，是因为我们观察者不论往哪一方向看，皆可侦察到微波的存在。

上面是一张最新的微波宇宙全图，是美国航空航天局的科学家查尔斯·本勒特领导的研究小组与普林斯顿大学科学家大卫·斯佩格尔共同整理出来的，全部资料来自微波各向异性探测卫星的最新发现。微波各向异性探测卫星于2001年6月进入太空，它的运行轨道距离地球约160万千米，主要用于观察宇宙微波背景辐射。其实，美国最早于1989年就发射了探测宇宙微波的卫星，这个卫星被叫做“宇宙背景辐射探测卫星”。由于技术方面的原因，当时这个卫星绘制的微波宇宙只是一张草图，精度确实不够高。因此，美国从1996年开始研制微波各向异性探测卫星，与宇宙背景辐射探测卫星相比，微波各向异性探测卫星有着十分显著的优点，技术上有了巨大的突破。

微波各向异性探测卫星观察了形成于大爆炸后38万年的宇宙微波背景辐射情况。根据科学家的推算，宇宙微波背景辐射目前的平均温度仅有2.73K(绝对温度)，并且在天空各方向存在一些特别微小的变化(只有平均值的十万分之一)，一般认为今日复杂的宇宙结构可能起源于这些微小的温度起伏，这些数据不仅可以提高科学家精确估计恒星形成的时间，更将帮助科学家了解宇宙的特性，并证实了宇宙大爆炸理论。

宇宙微波背景辐射不但可以测定宇宙的年龄，还可以测定宇宙的形状。进一步的探测结果证实，宇宙像银河系一样是扁平的，而且一直在不断地膨胀，“婴儿期”宇宙的大小只有现代宇宙的千分之一。另外，一些科学家根据探测结果分析，宇宙是有限的，像一个大圆盘一样。科学家通过微波宇宙图了解到宇宙中原子占4％，暗物质比例为23％，剩下的73％全部是暗能量。

暗物质

天文学理论认为：宇宙中除了存在常见的各种发光的星体外，还存在着一种既不发光，又不与光发生作用，却具有万有引力的物质，即暗物质。暗物质在宇宙中占23％，它们像胶一样，维系在星系之间，保持着宇宙物质间的秩序。由于这些暗物质不发光，很难让人感受到它的存在，直到20世纪30年代，科学家才从测量星系重量中发现，原来星系间竟隐藏着这样一种暗物质，占了很大分量。但是关于暗物质的一切，人们都知之甚少。事实上，科学家早发现星系的质量似乎比所有恒星、气体和尘埃的可见质量要大得多，那么，肯定还有某种物质尚未被发现，这些物质又究竟是什么?暗物质由于它不发光(包括可见光、无线电波、微波、X射线和γ射线等)，所以人们就无法利用光来观测它。暗物质是由什么组成的?它有什么性质?它在宇宙演化中的作用如何?它和现在已知的各种天体的关系又如何?对此，人们还知之甚少。目前人们搜索暗物质的目标是寻找超对称粒子，若能够成功，其意义不亚于发现反物质。

2006年2月6日，英国《独立报》报道，英国天文学家经过3年的观察和研究发现，宇宙的暗物质其实有很多“有悖常理”的特点，这其中最难以理解的特点就是它竟然是“热”的。因为此前科学家都认为暗物质是冰冷的，是一些死亡、迟钝的宇宙“矿泥”，但是此次研究发现，暗物质其实也有温度，它的温度甚至比太阳表面的温度还高。来年英国剑桥的科学家假设，如果暗物质是由氢原子组成的，那么它的温度就可能达到10000℃，它会放出很耀眼的光芒。但是实际上，尽管暗物质有那么高的温度，却放不出光来。对于这一点，科学家感到很费解。

暗能量

暗能量

暗能量的概念最早是由爱因斯坦提出来的，但后来爱因斯坦把这个概念说成是他科学生涯中的大错误，因为它破坏了广义相对论的优美性。从那以后，暗能量成了科学家争论的话题。

现在，科学家明确了宇宙组成物质的比例是：4％是原子，也就是形成各星球上的物质；23％为不知名的黑色物质，即暗物质；73％为一种神秘的黑色能量，也就是暗能量。科学家一般认为，暗能量不是物质，而更接近能量。根据计算，常规物质和看不见的暗物质加起来并不足以构成整个宇宙。剩余成分就是暗能量。而且，最新证据，这种暗能量可能占宇宙总能量的2／3，它正在把宇宙中的星系及星系中的一切以史无前例的速度相互分离。

暗能量是如何被发现的呢?科学家主要是通过观测类星体后获得的。类星体体积相对较小而能量巨大。质量巨大的类星体会导致经过它们附近的光线等发生弯曲，使成像产生扭曲和变形，这一原理与光学透镜类似，因而被称为“引力透镜”效应。科学家借助设立在英国和美国的一些大型射电望远镜，共对数千个遥远类星体进行了观测，结果惊异地发现平均每700个类星体中就有一个受到“引力透镜”的影响，其射电信号会发生弯曲，最终出现二个以上的“虚像”。科学家于是认为，这也许只有暗能量才能解释。负责这一研究的英国曼彻斯特大学的伊恩·布朗教授说：“宇宙由暗物质所统治，这想法太奇怪了，值得大家去仔细研究验证。”

至于，为什么我们感受不到暗能量，科学家给出了这样的解释：在任何一个给定的空间里，暗能量的量很小，因此它的作用在日常生活中不能被感觉出。但在广漠的宇宙空间中，其效果将非常强大，足以使星系和星系簇分离开。暗能量能使宇宙抵抗着引力而扩大，是推进宇宙膨胀的神秘力量。

最近的科学观测发现，宇宙正处于一种加速的膨胀中，所有遥远的星系都在飘离我们而去，并且飘离的速度越来越快!那么是什么样的力量使宇宙在不可遏制地膨胀?研究表明，这就是澎湃在宇宙所有角落的神秘暗能量。

宇宙被暗能量所控制，而我们却看不到它。科学家的说法是：我们一般人通常把星系之间没有物质的真空地带想象成“什么也没有”，但是，在理想状态下，如果我们从星际空间中把其中存在的稀少的物质粒子全部移走，然后将所有穿过这个区域的辐射也全部屏蔽出去，再把这个区域彻底冷却到绝对零度，这样得到的空洞空间仍然会有某种残余的能量，这就是暗能量。

因此，有些科学家把暗能量称为“真空能”。暗能量可能提供了宇宙四种基本力(引力、电磁力、强力、弱力)之外的一种新的基本力——排斥力。

目前，关于暗能量的来源主要有二种理论：

第一种观点认为，暗能量类似爱因斯坦“宇宙常数”所假设的，是一种从真空中弥漫出来的能量，不会随时间改变，强度固定。

第二种观点认为，暗能量与一种变化的动态能量相关，能量导致目前宇宙加速膨胀。

但大多数科学家主张第一种观点，因为人们发现暗能量有一个奇怪的特性，就是空间无论怎样扩张，其密度总是恒定不变，而不会随着空间的扩大而稀薄。空间每扩大一点，真空中的暗能量也就随之增加一点，空间扩大的地方，就是暗能量产生的地方。与之相比，宇宙空间的物质总量却是基本恒定的，当空间不断扩大，物质的密度就会不断下降，物质在宇宙中越来越稀薄。很明显可以看出，随着宇宙空间的扩张，暗能量在宇宙中所占的比例将会越来越大。它所产生的宇宙斥力也越来越强大，很快就超过宇宙中的万有引力，使宇宙的膨胀速度不断加快，直到最后失控，结果把星系、恒星、行星、原子等一一撕裂，形成一场宇宙大崩裂!最后，时间也将终止。

之后还会发生什么?宇宙会再循环聚合吗?一切都不再可知。

反物质

反物质世界

众所周知，我们居住的世界，一切可见的东西，包括宇宙天体都是由原子、分子等微观粒子所构成，科学家称它们为正物质。现代科学实验已经证明，世界上除了正物质外还有与其性质完全相反的反物质。

反物质在哪里

1928年，英国物理学家狄拉克通过实验，从理论上证明世界上存在带正电荷的正电子；1932年，美国物理学家卡尔·安德生通过对宇宙射线间相互作用的过程中，发现并证实了正电子的存在；1955年，美国科学家塞格雷和张伯伦在加利福尼亚大学利用质子同步照射器，射出了高能质子，再用这高能质子轰击铜靶，产生了带负电的反质子，1956年又发现了磁极极性与普通中子相反的反中子，以后又发现以顺时针方向自旋的反中微子；20世纪60年代前后，科学家又相继发现一系列反超子；1979年，美国科学家在35 000米高空捕捉到28个反质子，稍后，又在外层空间发现反物质流；在此后进行的一系列实验中，发现除了光子等少数粒子的反粒子是其本身外，所有粒子都有反粒子；最近几年人们合成了第一个反原7--反氢原子。但对于能构成反物质的其他各类反原子、反分子都还一无所获，产生这些困难的原因在于人们发现的反粒子都是从宇宙射线中获得的，而宇宙射线要到达地球首先要穿过厚达3000千米－4000千米的大气层，射线中的绝大部分反粒子在到达地球前都已经与大气层中的粒子中和了，因而人们所能探测到的反粒子就微乎其微了。而且反粒子都很不稳定，很容易和周围物质粒子发生湮灭。所以，科学家认为，在我们所处的这个物质世界中是不可能存在反物质的，即使存在也会很快和周围物质相中和，但在宇宙空间深处可能存在一个与正物质世界完全相反的反物质世界。

科学家计算出某种类星体爆炸产生的能量，远远超过核爆炸能量的倍数，这说明宇宙中有一种能量超过核能，它会是什么呢?最有可能是反物质与正物质之间的一种特殊过程。另外，科学家认为宇宙中的奇异速度，同样与反物质有关。可能的情形是正物质突然走进反物质，但反物质又不与正物质完全吻合，所以正物质并不化为乌有。由于反物质的时间、空间和能量均为零，所以我们观测到的天文速度就超过了光速。根据爱因斯坦质能方程，物质减少的质量将会转化为能量。现在我们广泛应用的核反应正是利用了这一点，但核反应不能使质能完全转化，而正物质与反物质相中和，因其放出的是零质量的γ光子，所以其质量将会完全转化为能量。

如果我们承认宇宙中存在反物质，承认宇宙中许多事物都具有对称性，那么有没有一个反物质世界与物质世界相对应而存在呢?如果真像宇宙大爆炸理论所描述的那样，在宇宙形成之初产生了等量的物质和反物质，应该有一个反物质世界，否则，反物质到哪里去了?关键是如何分辨哪些天体是由反物质组成的?哪些天体又是由普通物质组成的?在我们居住的宇宙小小角落里，还从来没有人探测到过反星球、反星系。

直接观测反星体十分困难，因为原子和反原子所辐射出的都为光子，这样，即使你看到一个反星球，可是其外貌跟一般星球并无二致。一个间接的办法是观测湮灭γ辐射，因为反粒子和正常粒子一旦相碰湮灭，会化成一阵γ射线暴。若我们近旁(例如银河系内)有反物质存在，由于星球会发生爆炸，其包藏物质被拽人星际空间，成为周围星球相互交换的物质，这样，物质和反物质势必不时发生碰撞，而产生湮灭信号。事实上，天文界一直未观测到这种信号。丁肇中博士认为，反物质可能统治着本星系群外的某些空域，它们是如此遥远，以致其特征性湮灭信号十分暗弱，难分真伪。丁肇中博士说：“宇宙包藏着约10亿个星系团，要排放任何反星系是不可能的。”

反宇宙

“反宇宙”里有反物质吗?

编者：反宇宙和反物质存在吗?在国外相关机构对普通民众的调查中，约有53％的受访者持肯定意见，47％的受访者认为不存在所谓的反宇宙或反物质，支持者和反对者可谓旗鼓相当。以下刊出的是国外一个著名科普论坛上网友的讨论摘要，讨论者网名无特别意义，故未做翻译。

AveryBailey：反物质存在于它自己的“宇宙”还是少量地存在于我们的宇宙?

svhprum：如果存在多重宇宙，它们之间就不会有什么交流，所以这个问题就得不到答案，没有迹象表明在我们的宇宙有“反物质岛”存在。

Peppercorn：能否排除永远得不到答案的可能呢?

Granpa：形成我们宇宙的物质怎么会与形成反宇宙的反物质分离!

Maffsolo：这个题目我听过不止一次。

Bills：“形成我们宇宙的物质怎么会与形成反宇宙的反物质分离!”分离似乎不可能是个问题，假如它们曾在一起，肯定会相互湮灭。

Syhprum：“形成我们宇宙的物质怎么会与形成反宇宙的反物质分离!”当然，谁要是相信反物质等于反引力，回答这个问题就很容易了。反正我不相信。更正：在我看来，整个宇宙是由物质和反物质构成，正如我前面所说，我相信多重宇宙之间不会有任何交流，电磁辐射与引力子也是如此。

Bills：“我相信多重宇宙之间不会有任何交流”。戴维·德意志(编注：牛津大学教授)完全不同意这一点。例如：在双缝实验中，当单个光子穿过设备时，只要没有观察每个光子的通过，就会发现一种干扰模式，随着时间的推移，会形成一种模式，与通过相同裂缝的连续光所产生的模式无法区分。戴维坚持认为干扰来自其他宇宙的(影)光子，我不大同意这一点，但戴维这个人就是这样，很能说服。

Farsight：证据还是不充分。自从1985年以来，他一直都在倡导多重宇宙的观点，这已经25年了，仍然没有证据支持。

Bills：“证据还是不充分。自从1985年以来，他一直都在倡导多重宇宙的观点，这已经25年了，仍然没有证据支持。”你是说多重宇宙不可信?天哪!!下一步你就要怀疑弦理论了。难道在你心目中就没有神圣的东西?当然，严肃地说，有没有无限的宇宙里面包含着我们的宇宙，我们是无法看到的，或许因为我们的世界受四维时空的限制?

Vereava：反物质是物质反粒子概念的延伸。例如，正电子被看做电子的反粒子，光子与电子碰撞，产生所谓的湮灭。我曾经做过一张图表，这张图表上光子在时间上倒退，暗示它们与电子碰撞，但据我个人的理解，正好相反。光子在时间上“后退”(注意它在空间停留在一个点)与电子碰撞，将其送回到过去(从根本上讲，它翻个筋斗，像双缝实验里那样移动)。然后正电子与另一个光子碰撞(很有希望!)，导致其回转，落在一条更为合适的新路径上。

Bills：我是认为正电子被看做电子的反粒子，我漏掉了什么吗?

Vereava：“我是认为正电子被看做电子的反粒子”。你说得对。我的图表里实际上有正电子，这是我的一个关键性失误。当电子在时间上后退时，它带正电荷(我画成了带负电荷)。这是我们的宇宙，我想竭力说明的就是，反物质只是湮灭的一种结果。你仍然能够看见反物质，哪怕只有几秒。

百科知识：

暗能量是什么？

宇宙物质分布图

流言中的暗能量粒子到底是什么东西呢？我们要先从什么是暗能量说起。

按照最基础的牛顿万有引力的原理，万有引力是一种吸引力，那么宇宙就应该在引力的作用下做减速膨胀甚至坍缩。但是实际的观测却表明，宇宙其实是在做加速膨胀的，物理学家于是猜测有一种我们所不知道的东西在天文学的大尺度上展现出了反引力的特性，这样才能推动宇宙进行加速膨胀。

这个神秘的东西就被称为暗能量。

另一方面，根据2003年美国发射的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量表明，宇宙的密度其实比我们原来观测到的所有的物质总和的密度还要大的多。

暗能量和暗物质是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来推动的。根据“普朗克”探测器收集的数据，科学家对宇宙的组成部分有了新的认识，宇宙中普通物质和暗物质的比例高于此前假设(30%)，而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量则比想象中少，占73%。[1]  [2] 暗能量是宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的“暗能量”。

女王大人

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