原创连载——现代宇宙概貌

佐助

作者介绍

孟新河
南开大学物理科学学院教授
博士生导师。
岁岁年年花相似，但万物之灵的人却不同；科技发展日新月异，人类的知识含量也相应不断膨胀，但我们对宇宙的整体认识还有很大欠缺，不但不知今天占宇宙物质主要部分之一的暗物质为何物，更被控制宇宙将来命运的所谓神秘暗能量深深迷惑。
在今后的日子里，我们拟用通俗语言描写现代宇宙的方方面面，同时我们也会讨论探求发展中的宇宙学奥秘使用的一些科学手段及一些指导思想，以期能为更好的科普作品提供些有用素材，提升全民科学素养。

小时候想象的宇宙
今天我们对宇宙的认识已远非史前、几世纪前神话、传说、神学、玄学、宗教、哲学和科幻所能刻画，它是基于坚实的地下、地面和空间大量科学设备所获得的可靠数据支撑，以数理逻辑为基础，经大量严谨计算和推演才得到的目前人类对我们外部世界的认知，且随科学技术进步、实验技能提升而不断完善。今天要描述的宇宙整体图像主要基于欧美几个大实验项目的结果（欧空局的PLANCK卫星观测，欧美超新星观测，欧美主导的数字巡天项目等等）。

欧空局的PLANCK卫星

普朗克望远镜共观测到银河系的大约1万个“寒冷核心”。这一区域由温度极低的气体和尘埃构成，一些“寒冷核心”的温度只比绝对零度高出7度
具有讽刺意义的是今天我们的宇宙中占主导成分的反而是我们不清楚的暗能量和暗物质，我们日常所见鲜花飞机，牛排骏马，包括你我，不到宇宙物质总含量的百分之五。

事实上，你眼睛所能看见、人类所知道的，其实都只有在这小小的圈圈里头
那么什么是暗物质、暗能量又有什么特性是当今科学的两大难题或形象地称为“二十一世纪人类头顶上空中的“两朵乌云”或两大突破契机”；宇宙的整体空间几何上接近平坦，另一版本的“世界是平的”。对定量化的现代天体物理宇宙学来说，我们怎么利用科学设备进行观测，知道它（我们可观测的宇宙几何）是平坦的呢？

平坦宇宙（Flat universe）是指宇宙所拥有的物质足以使其膨胀速度减缓，但又不发生坍缩的现象
这里说的宇宙整体不是指天津到北京大小，也不是中国到美国距离远近；既不是地球到月球、地球到火星的探索旅行路程长短，也非太阳系大小，而是将如包含太阳系的银河系一样的星系作为质点而进行的全天空扫描得到的整体图像。
平面欧几里得几何是一套公理化的逻辑体系：任何一个三角形其三个内角之和为一百八十度；如若不满足，则非欧几里得几何。如果曲面上三角形的三内角之和大于一百八十度，则曲面为球面（凸曲面）；如三角形的三内角之和小于一百八十度，则对应曲面为马鞍面（凹曲面）。

宇宙微波背景辐射是宇宙演化的极早期宇宙热大爆炸所产生的能量留存到今天的微小残余，其能量对应的波长在微波段（如我们家用微波炉一样）。

PLANCK装置观测的宇宙微波背景辐射
从六十年代由美国贝尔实验室的两位射电天线工程师发现以来，人类进行了地面和空间多次观测，地面有极地（南极）和我国在建的西藏阿里观测站；空间有高空气球和卫星观测设备，著名的有美国早期主导的COBE和九十年代的WMAP，2015年才结束任务的欧空局主导的PLANCK装置。每个项目都有几百到上千科学家的团队日夜奋战。利用近三十年的大量观测数据经过大型计算推演得到：我们的宇宙空间几何是平直的！

西藏阿里观测站
宇宙几何平直与暗物质，暗能量又有什么关系呢？
内容综合于网络

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暗物质之所以暗:一是人类及其工具本身有感知极限，二是大量物质处在非型变区域，物质如果自身不发生型态三维变化，它就不会产能量自发运动，它被动的只能转移能量，因此不被发现，被发现的只能是有型态三维变化之物。