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    品 牌：磨铁数盟

    ISBN：9787505738584

    作 者：康斯特

    宇宙简史

    加工、传播自负法律后果。

    本书仅供个人学习之用，请勿用于商业用途。如对本书有兴趣，请购买正版书籍。任何对本书籍的修改、目 录

    第一章 宇宙是什么

    认识宇宙

    暗能量与反物质

    宇宙中的基本粒子

    基本粒子的特性

    第二章 宇宙中的星系

    星系

    银河系

    星际空间

    第三章 浩如烟海的恒星

    恒星

    恒星的归宿

    第四章 我们所处的太阳系

    太阳系综述

    太阳

    主要行星和卫星

    小行星带

    彗星

    第五章 定义宇宙的理论

    宇宙在膨胀吗？

    宇宙中的对称性

    宇宙的非线性

    时间的起点和方向

    第六章 关于未知的宇宙

    黑洞

    黑洞？白洞？

    虫洞

    地外行星系统

    探寻地外生命

    发现平行世界第一章 宇宙是什么

    认识宇宙

    我们常说人类身处宇宙之中，那么，什么是宇宙呢？“宇宙”是个很大的概念，如果我们用搜索引擎来

    搜索这个词，能够得到很多答案。字典中对这个词的解释是：包括一切事物的无限空间和时间。宇宙就是

    一切空间、时间和物质组成的一个整体，其中包括所有的物质和它们的表现形式。

    在远古时期，原始人类在具备了思维能力后，看到天上日升月落、星象运行的情况，意识到昼夜交替

    的现象。他们便会思考这一切是如何发生的，思考他们所看到的天上的这些事物究竟是什么。因此，即使

    在当时“宇宙”这个词还没有被创造出来，但原始人类必定已经对此有了模糊的概念，并产生了对其一探究

    竟的好奇心。

    宇宙包含无比广阔的空间，其中存在着各种天体和其他宇宙物质。宇宙是如何起源的呢？这是一个复

    杂的问题。宇宙中的物质和它们的各种表现形式一直在不断地运动和发展着。从古至今，科学家们都在追

    寻宇宙的起源，想要了解宇宙究竟是怎样形成的。现在，大多数科学家认为，宇宙起源于137亿年前的一次

    大爆炸。宇宙中的所有物质和能量本来是聚集在极其微小的一个点上的，这个点因为巨大的压力而产生了

    爆炸。与大爆炸有关的一些原理就是物理学家们所说的量子物理。这场大爆炸使宇宙空间不断向外扩张，物质充满了整个空间。这些物质形成了宇宙中的所有星系和星球，也促使了生命的诞生。

    一、宇宙是什么样子的相对于整个宇宙来说，人类只是极其微不足道的渺小尘埃，甚至是尘埃中的尘埃。但人类的好奇心并

    没有局限在自己眼前，而是早已伸向宇宙深处。

    在望远镜还没被发明出来以前，人类只能通过肉眼看到眼前可见的一小部分宇宙。16世纪以前，人们

    都认为自己脚下的土地就是整个宇宙的中心，一切日月星辰都围绕着这个中心分布。16世纪初期，波兰天

    文学家哥白尼提出了日心说，认为地球并不是宇宙的中心，而是与其他行星一样，都是围绕着太阳旋转

    的。这在当时是一种激进的言论，在社会上引起了轩然大波。宗教界批判哥白尼的说法违背了《圣经》，而意大利思想家乔尔丹诺·布鲁诺却支持日心说，并在此基础上发展出宇宙无限说，认为宇宙是广阔无垠

    的，没有中心，也没有边界；地球只是围绕太阳旋转的一颗行星，而像太阳这样的恒星在宇宙中有无数

    颗；所有星体都会诞生和死亡，只有无限的宇宙是永恒存在的。布鲁诺四处宣扬他的宇宙无限说，惹怒了

    罗马教廷。他最终被宗教裁判机构以“异端”的罪名烧死在罗马鲜花广场上。

    十年后，望远镜刚刚诞生不久，意大利天文学家伽利略就用望远镜进行观测，发现宇宙中有无数肉眼

    看不到的星星，因此证实了布鲁诺的说法。但布鲁诺提出的“无限”只是空间概念上的无限，并不包含时间

    概念上的无限。

    1990年以前，人类只能在地面观测宇宙。1990年4月24日，以著名天文学家、美国芝加哥大学天文学博

    士爱德温·哈勃命名的太空空间望远镜——哈勃望远镜，在美国肯尼迪航天中心通过“发现者”号航天飞机发

    射升空，从此人类可以直接观测太空空间。这弥补了地面观测的不足。

    哈勃望远镜在发射升空后进行了深空探索，将观测到的星系区域选取一小块放大，然后在选取的区域

    中再选取一小块放大，就这样不断选取不断放大，而每一次放大所得的图片都显示出密密麻麻的星系，由

    此可见宇宙的浩瀚无边和深不可测。

    目前，科学家们主要依据宇宙的背景辐射来对宇宙进行观测。我们知道宇宙膨胀的，无论是光还是声

    音，在介质中传播都需要一定的时间。我们把时间向宇宙诞生的初期反推就会发现，当宇宙的规模还很小

    的时候，它内部的密度仍然是很大的，其中的电子会发生游离，就像水蒸发变为水蒸气那样。在碰到电子

    的时候光会发生偏移和散射，无法沿直线前进。这就像光在通过水蒸气时也会发生散射，所以在雾气中我

    们会看不清对面的东西。在宇宙形成的早期，因为宇宙内部充满游离态的电子，光无法自由通过，所以这

    时的宇宙是不透明的。随着宇宙不断向外膨胀，其温度也随之降低，当宇宙的年龄到了约10万年时，其温

    度已经下降到3000摄氏度。这时，电子与质子发生了结合，不再对光产生阻碍，宇宙开始变得透明了。所

    以，我们目前能够看到的宇宙，都是其诞生10万年以后的景象了。宇宙中的光从诞生之日起，已经行走了

    137亿年。宇宙在这漫长的岁月中发生的所有故事，都能从这些光里一窥究竟。

    到了1992年，美国的NASA通过一颗人造卫星第一次看到了全天宇宙的模样。这颗卫星从不同的角度测

    量了宇宙中古老的光子的强度，组成了120亿年前宇宙的图景。科学家们凭借这个观测结果第一次证实了宇

    宙早期的形状是扁平的，从宇宙诞生之日就在不停地膨胀，温度也在不断地下降。

    英国著名的物理学家、研究宇宙问题的权威史蒂芬·霍金教授曾经在剑桥大学的一次演讲中说，根据他

    和他的团队的研究，我们所处的宇宙很可能具有一个美妙的几何结构，与超现实主义的艺术作品有些相

    似。他还举例说，这种形状就像是荷兰艺术家埃舍尔的作品一样令人不可思议又令人非常着迷。霍金教授

    的这个说法可能会让很多喜爱埃舍尔作品的人心生喜悦，但是，考虑到霍金教授以及他的团队用来研究宇

    宙形状的依据是弦理论，而这一理论目前还是一种未经证实的理论，所以他的说法也只能作为一种参考。

    进行这个研究的团队将首次试图利用数学模型来解决宇宙中的空间缠绕问题。在过去，这种方法从未

    被考虑过进行这类研究。如果科学家们能够建立起这个模型，我们就可以利用它来解释宇宙大爆炸后，一

    个能够自我支撑的空间是怎么形成的。在这个空间里，引力和量子力学也将能够实现统一。参与这项研究

    的一位科学家说，运用弦理论搭建宇宙的模型，是一种从未尝试过的全新途径。

    宇宙的形状如果从语言角度来描述，可以说它是一个多重曲面镶嵌在一起的整体。这个整体拥有无限

    重复的扭曲的面，每个曲面之间又紧密相连。这个结构与埃舍尔的作品“圆形极限”十分类似。这一类艺术

    品都反复出现了镶嵌在一起的周期性的图案，让我们得以在有限的面积中得到一种无限和递增的观感。而

    且，尽管这些艺术作品都是二维的平面图案，但是体现出了空间的曲面结构。

    在一些超现实主义的艺术作品中，经常有一些环环相扣、反复出现的图案，这些图案首尾相连，从中心出发一直延展到边缘，给人的感觉仿佛是无限延伸的。这些图案在二维的平面上看起来是以固定的系数

    一直在无限地缩小着的。但是如果把它们放到一个双曲空间中，每个图案的大小将不发生变化，每个图案

    都是相同的。因为在空间中无法进行平铺，所以在一个多维空间中我们能够看到一个扭曲的图形，以一个

    固定的频率如波浪般起伏。

    二、宇宙由什么组成

    宇宙都是由哪些物质组成的呢？显而易见的答案是，宇宙是由天空中闪亮的星星组成的。但是随着时

    间的推移，科学家们不断地发现了一些证据，这些证据推翻了这个传统的答案。科学家们认为，组成我们

    日常能够见到的所有事物、星体以及星系的“普通”物质，在宇宙的全部质量中只占不到5%!据科学家们估

    算，还有26%是由我们没有发现的粒子所组成的暗物质。剩下的近70%就更加神秘，他们推测，这可能就是

    造成宇宙不断向外膨胀的能量——暗能量。我们目前还无法了解暗物质和暗能量究竟是什么，科学家利用

    空间望远镜和粒子加速器展开研究，想要找到关于它们的答案。

    在茫茫宇宙中，有不计其数的星体。绝大多数我们能够在太空中看到的星体都是恒星，它们在孤寂的

    夜空中发出的光芒看起来似乎是冰冷的，但是实际上，恒星都和我们的太阳一样，是炎热的火球。它们不

    断地向宇宙空间释放热量。恒星的表面温度非常高，至少能够达到3000摄氏度。任何金属碰到恒星表面的

    火焰都会瞬间熔解甚至直接气化。但是，我们从距离它们十分遥远的地球上看，这些发着幽光的星球就好

    像是夜空中的萤火虫一样。

    在这些恒星中，有一些恒星的体积非常大，甚至相当于太阳体积的80亿倍。它们是由气体组成的，密

    度很小。其中密度最小的星球，只相当于地球大气密度的几万分之一。这个密度比我们在一个密闭空间里

    用抽气机造成的“真空”还要更小一些。同时还存在另一种恒星，它们的体积甚至还不如地球大，但是密度

    非常高，引力也非常大。如果人类能够到达这种星球上，不但无法站立起来，甚至会直接被自己的重量压

    碎了。这些小型恒星发出的光十分明亮，表面温度也很高，能够达到30000～50000摄氏度。

    还有许多恒星，它们和太阳差不多大，在恒星中属于中等体型。这些恒星的密度适中，表面温度能够

    达到几千摄氏度。恒星有各种各样的表现形式，但是保持一致的是，它们全部是由气体组成的星球，十分

    灼热，并且能够发出耀眼的光芒。

    通常来说，这些恒星的周围也有像地球这样自身无法发光发热的行星。但是，就算我们用如今最先进

    的空间望远镜，也无法直接观测到其他星系中的行星，因为它们无法发光，而且体积实在是太小了。但我

    们能够确定，不但太阳系具有行星，其他恒星系统也具有行星。

    每一颗恒星之间的距离，以我们目前掌握的空间技术，都要走上几万年。所以，在宇宙的尺度上，我

    们通常用光在一个固定时刻行走的距离来作为距离单位，比如光天、光年等。所以，尽管从我们自身的角

    度来说，恒星是如此巨大，但是把它们放在宇宙中，就好像是大海中的水滴一样，甚至比水滴还要小。

    在恒星与恒星之间，还存在很多宇宙尘埃和气体，这些气体有时会组成星云。这些星云的厚度有时会

    达到数亿乃至数万亿千米，它们在宇宙中飘浮着，影响光线的通过。这些星云本身不会发光，它们有些会

    反射附近的恒星发出的光，能够让我们直接观察到，我们称之为亮星云。还有一些星云所处的宇宙空间是

    黯淡无光的，就成了暗星云。宇宙中的各种星体和星云以及它们组成的星系，是最常见的物质。

    晴朗的夜晚我们能在夜空中看到银河。实际上，银河是由1000亿颗恒星组成的类似铁饼状的星系系

    统，我们称之为银河系。太阳系就是银河系中最普通的一个恒星系。从地球上向外看，银河系是一个美丽

    的光环。它几乎布满了我们的整个夜空，但是在宇宙中，银河系也只不过是成千上万个星系中的一个。

    在宇宙中，有无数个恒星系，它们像我们的银河系一样，都是由1000亿颗以上的恒星组成的。我们在

    地球上通过肉眼能够直接看到的一个星系来自仙女座。在北半球的初冬的上半夜，我们可以在天空的正中

    看到一个纺锤形光点，这就是一个星系。这个星系距离地球220万光年。在星系中，光年是最普遍的距离尺

    度。在每个星系中，从一端到另一端都需要行走数万乃至数十万光年。

    到目前为止，人类已经发现了数以亿计的星系。但是，这离我们发现宇宙的真实模样还有遥远的距

    离。我们所能观测到的宇宙，只占宇宙极其微小的一部分。随着技术的发展和科学的进步，我们在未来将

    能够看到更加寥廓的宇宙。宇宙中的所有星球都是在时刻不停地运动着的。我们的地球每天在自转，同时围绕着太阳进行公转。

    太阳带着太阳系中的行星围绕着银河系的中心旋转。宇宙是时刻变化着的，就像我们之前说的，还在不断

    地向外膨胀。过去，人们曾经有三种猜测：一种是脉动说，认为宇宙膨胀到一定程度就会反向收缩，收缩

    到原点后又会再次爆炸，再次膨胀，然后再次收缩；一种说法认为宇宙是不会膨胀也不会收缩的，永远保

    持现在的样子；还有一种说法认为宇宙自大爆炸开始就会无休止地膨胀下去，直到解体。根据科学家们的

    观测和研究，最终证实最后一种猜测是最恰当的。

    50亿年前，宇宙膨胀呈现出逐渐减慢的趋势，然而从50亿年这一界限开始，膨胀速度却突然加快。这

    就说明，在50亿年的时候，有一种神秘力量突然介入宇宙，加快了宇宙的膨胀速度，这种力量就是暗能

    量。它直到现在还在起作用，使得宇宙没有任何停止膨胀的迹象。因此，宇宙很有可能将会永远膨胀下

    去。

    三、宇宙起源

    比利时物理学家勒梅特是第一个提出宇宙大爆炸理论的科学家，他计算出宇宙正在膨胀，并推想宇宙

    从前的体积必定比现在更小，宇宙的初始状态或许就是一颗球形的宇宙原子，而宇宙的形成就来源于宇宙

    原子的大爆炸。

    从1942年开始，美国宇宙学家伽莫夫就酝酿并创建了宇宙大爆炸的理论模型。到了1948年，他的研究

    成果已经基本成熟，于是发表论文详细阐述了宇宙大爆炸理论。他将宇宙大爆炸的进程分为以下几个阶

    段：

    第一阶段是创生阶段。首先是宇宙诞生的起点，也就是137亿年前大爆炸的奇点，此时的宇宙具有极高

    的温度、压力和密度；接下来是普朗克时期，也就是大爆炸之后的10-34 秒，此时宇宙的温度降到1032 开，密度降到每立方米1093 千克；然后到了大统一时期，也就是10-35 秒，此时宇宙温度继续降到1028 开，引

    力、电磁作用力、弱作用力、强作用力这四大基本作用力统一为一体；接着进入强子时期，也就是10-6

    秒，此时宇宙温度为1014 开；然后是轻子时期，也就是10-2 秒，此时宇宙温度为1012 开；此后，电磁作用

    力、弱作用力和强作用力逐渐分离，各种粒子开始出现，而原子尚未形成。

    第二阶段是氢、氦等简单元素产生的阶段。首先是辐射时期，也就是1～10秒，此时宇宙温度为1010 ～

    109 开；接着是氦形成时期，也就是3分钟，此时宇宙温度为109 开，直径为1光年左右，有将近30%的氢反

    应形成氦；然后是粒子丰度趋于稳定时期，也就是30分钟，此时宇宙温度降低到108 开，粒子停止转化，丰

    度变得稳定；接着是物质时期，也就是1000～2000年，此时宇宙温度降低到105 开；到10万年，宇宙温度降

    低到约5000开，物质开始从背景辐射中透明出来。

    第三阶段是星系、星体和生命诞生的阶段。到1亿年，宇宙温度降低到100开，此时星系开始形成；到

    10亿年，宇宙温度降低到12开，此时类星体、恒星、行星以及生命开始诞生；到100亿年，宇宙温度降低到

    3开，星系温度大约为105 开，我们当前就处于这一时期。为了证明宇宙大爆炸学说，很多科学家从各个角

    度提出了不同的证据。

    第一个证据是通过观测计算出的宇宙年龄与大爆炸理论测算出的数值相符，科学家至今尚未发现比这

    一数值年龄更大的天体。

    第二个证据是宇宙各处氢元素的丰度与大爆炸理论测算出的数值相符。我们知道，在氦形成时期，有

    将近30%的氢反应形成氦。科学家对当前宇宙的各个角落进行观测和计算，发现所有数值都与这个比例相

    符。

    第三个证据就是宇宙微波背景辐射，这也是大爆炸学说最关键的证据。美国贝尔电话实验室的两位工

    程师彭齐亚斯和威尔逊在工作中偶然用天线接收到强烈的噪声，而且无论将天线朝向哪个方向，噪声都无

    法停止下来，即使排除了一切干扰因素，噪声依然存在。他们最终确认，这种噪声处于微波波段大约3开等

    效温度的位置，是一种来自空间且在各个方向性质均等的噪声。他们将这一发现公布出去，很快便受到了

    美国物理学家迪克的重视。迪克认为，根据宇宙大爆炸理论，爆炸后产生的能量逐渐冷却，到现在为止应

    该存在着一个能量遗迹，他一直在寻找这个遗迹，而彭齐亚斯和威尔逊的发现恰好证实了这个遗迹的存

    在。这个遗迹也就是微波背景辐射。后来，人们在深入宇宙空间进行探索时，无数次地验证了微波背景辐射，发现整个宇宙空间都充斥着微波背景辐射，因此也就证明了宇宙大爆炸学说。

    那么，大爆炸究竟是怎样形成的？宇宙诞生之前是什么样子的呢？

    宇宙大爆炸与我们所熟知的压力型爆炸不同，它是一种真空能量的释放，也就是说，宇宙是从真空中

    诞生的，这种真空是一种“沸腾的真空”。“沸腾的真空”这一说法是英国物理学家狄拉克在1930年提出的，他

    认为，真空中充斥着正负电子对，当具备了一定条件，也就是“真空极化”时，负能粒子会转变为正能粒

    子。因此，真空中蕴含着巨大的能量。

    普朗克时期便是真空能量释放的时期，10-34 秒之后，连续的时间和空间才真正形成，在此之前，时间

    和空间是量子化、不连续的，是一种时空混沌的状态，所以，“宇宙诞生之前”这种带有经典时空概念(连

    续时空概念)的说法无法成立，“宇宙诞生之前是什么样子的”这一问题也是不成立的。

    暗能量与反物质

    宇宙中所有的物质都在飞速运动，如此巨大的银河系，围绕旋转一圈只需要两亿年的时间。科学研究

    证明，银河系内部的引力是无法与如此巨大的速度带来的力量保持平衡的，如果没有外力作用，银河系将

    会因为自身的高速旋转而被撕裂，但是事实上并没有，所以科学家们认为，有一些看不见的物质对银河系

    施加了一个外力，是这个外力把银河系的物质凝聚在了一起。同时我们发现，星系团中的星系也在快速运

    动，我们可以认为，是暗物质对这些星系发生了作用。

    在万有引力定律中，正常的物质在引力作用下，会向星系中央聚集，但是我们观测到的结果却并非如

    此。这些看不见的暗物质对普通物质起着巨大的作用。但是，这些暗物质之间无法发生核聚变，所以它们

    在通过彼此时不会产生碰撞，也无法释放出可见的能量。这些物质可能是质量巨大的亚原子粒子，它们的

    质量是质子的许多倍。这些亚原子粒子被称为弱作用大质量粒子，它们能够对物质产生影响，彼此通过引

    力发生作用，对电磁力则并不敏感。

    我们通常所说的物质，是由带正电的原子核与带负电的电子组成的。而有一种物质与我们所知的正好

    相反，它们由带负电的原子核与带正电的电子组成，所以也被称为反物质。这些反物质在与正常物质碰撞

    时，会发生物质的湮灭。在过去，反物质只是人们提出的一种假设。直到1997年，科学家们才宣布，在银

    河系的中心发现了反物质。

    一、发现暗能量从1998年人类第一次意识到宇宙在膨胀，科学家们就发现宇宙中有一种难以解释的存在。宇宙的命

    运，似乎与这些神秘的存在息息相关。因为无法直接观测到，所以科学家们将它称为暗能量。

    为了对宇宙进行更好的观测，很多主要的天文研究中心都设立在人迹罕至、远离光污染和其他干扰因

    素的山顶或者荒漠中。在这些研究中心里，有人类能建造的最为发达的各种科学仪器和保障设施，以及巨

    大的天文望远镜。智利帕拉纳尔天文台，是一座备受全世界天文学家青睐的天文观测机构。这座天文台的

    望远镜系统通过一套巨大的发电机驱动，这台发电机的功率高达2M瓦。科学家们使用如此先进的设备，是

    为了找到一种基本粒子——光子。宇宙中的光子携带着丰富的信息来到地球，它们有些来自地球附近，还

    有一些来自遥远的宇宙深处。通过对这些基本粒子的研究，科学家们能够了解恒星、星系乃至宇宙的演化

    过程。

    但是，人类对宇宙的了解越深入，就越感到自己的渺小。宇宙是如此包容和博大，任何我们试图了解

    它而做出的努力，都显得微不足道。从古希腊时期开始，人类就已经开始了对宇宙的探索和研究。那时，人类还不具备对宇宙进行深入观测的设备，只能靠肉眼观察夜空中的星星。他们根据观察到的现象，创立

    了许多学说。在古希腊人看来，地球的基本构成元素分为四种，分别是空气、土、水和火。后来，古希腊

    思想家亚里士多德进一步阐述了这一理论。他认为，宇宙是由两部分组成的，一部分是脚下的地球，一部

    分是天空中的星。其中，地球是由前述四种基本元素组成的，而天空中的恒星和行星则是由被一种称为第

    五元素的神秘元素——以太构成的。在他看来，恒星和行星组成的世界是恒定的，万古不变的。同时，古

    希腊人认为，地球是宇宙的中心。宇宙中的各种天体围绕地球运动，形成一个个同心圆。由此出发，很多

    新的科学发现诞生了。人们逐渐发现，地球并不是宇宙的中心，而是一颗围绕太阳运行的普通行星。太阳

    也只是一颗普通恒星，位于银河系中。银河系属于更为巨大的天体结构——本星系群，而本星系又是星系

    团的一个微小的组成部分。众多星系团构成超星系团，而宇宙是由众多超星系团组成的。简而言之，宇宙

    的尺度，远远超出了人类的想象。

    用各种先进的观测设备捕捉到的光子被用来研究宇宙的基本特性，但是研究越深入，人们就越感到自

    己的无知。于是，在试图对宇宙进行更深入的解释时，科学家们再一次提出了第五元素的概念。

    过去，当人们谈起宇宙时，总是使用大致的、模棱两可的表述，但是现在，科学家已经能够详细了解

    宇宙的整体结构和密度。哈勃使用造父变星测量出了星系与地球之间的距离。现在，科学家又开始了对濒死恒星的研究。恒星内部的核聚变将氢元素消耗殆尽后，恒星便进入了生命的尾声。恒星会开始膨胀，气

    体外壳逐渐消失，最后只剩下一个致密的核，体积与地球相似，这就是白矮星。有些白矮星会继续吸引其

    他天体的物质，当达到临界点时发生爆炸，形成了1A型超新星。因为这种超新星的爆炸方式是相同的，而

    且具有极高的亮度，所以能够用来测量极远处的星系与地球之间的距离和远离地球的速率。科学家们正在

    不断收集1A型超新星的观测数据，借此寻找宇宙受引力影响的起点。

    当科学家发现一颗1A型超新星，就会对它的红移水平进行测量。红移的程度越高，说明越接近宇宙大

    爆炸的初始阶段。科学家们用它与地球之间的距离与它的表面亮度进行对比，发现这些超新星的实际亮度

    与理论亮度存在差异，看起来要暗一些，这说明它发出的光是穿过了极远的距离才到达地球的。通过这些

    研究，科学家们得出结论，认为宇宙目前的膨胀速度，比宇宙大爆炸发生不久之后的膨胀速度要快。宇宙

    之所以具有今天这样大的规模，说明膨胀速率在提高。

    我们虽然已经知道宇宙中占绝大多数的是暗能量，但是对这种暗能量还没有足够的了解。想要解决这

    个问题，可能还要求助于爱因斯坦的理论，也就是宇宙常数。爱因斯坦认为，宇宙中不但存在引力，同时

    还存在斥力。暗能量好比沸腾的水表面的气泡，随机地凭空出现又消失。暗能量似乎能够从真空中突然出

    现，引发一些突如其来的能量大爆炸。宇宙本身就起源于这种爆炸，在宇宙诞生一段时间之后，这些随机

    产生的爆炸带来的压力促使宇宙向外膨胀。宇宙的规模越大，其中的暗能量数量就越大，这就使得宇宙的

    膨胀速度越来越快。

    还有一种理论，试图用第五元素的概念来解释暗能量。第五元素虽然十分接近于真空，但是随着时间

    的推移，这种元素会发生变化。关于暗能量的理论还有很多，其中的一种理论将暗能量与暗物质归结到一

    起，提出了暗流体的概念。这一理论在极大程度上改变了引力的作用机制。另一种理论认为，暗能量虽然

    现在的表现形式为斥力，但是可能会在未来转变为引力。到那时，宇宙会在这种引力作用下停止膨胀，并

    且开始向内收缩，最终坍塌。宇宙中的所有物质将会挤成一团，缩小到和质子一样大。

    还有一些科学家认为，通过对1A型超新星研究得到的红移结果，并不能作为宇宙正在加速膨胀的证

    据。这种极大尺度的观测和计算，可能受到很多不确定因素的影响。从哥白尼创立了日心说，证明地球是

    围绕太阳旋转的一颗普通行星开始，科学家们就认为，人类的生存环境在宇宙中是普通、常见的。所以，科学家们同样认为，从地球观察到的宇宙是普适的，在宇宙的其他地方能够看到的现象，与我们能够看到

    的一样。根据这个理念，我们对宇宙的结构做出了推断。因为观测到了遥远空间射向地球的光的温度均

    匀，结合宇宙的膨胀现象，我们就推断宇宙的膨胀是均匀的。这一理论通过观察到的均匀分布的星系和形

    体团得到了进一步证明。但是是否存在一种可能，那就是尽管人类已经观测到了相当大的宇宙空间，但是

    从宇宙的尺度上来说，这些只是极小的一部分呢？好比一只昆虫在平原上极目远眺，所见之处尽是平坦的

    土地，但是它并不知道，其他地方还有海洋和高山。

    在我们所处的这个宇宙之外，可能存在其他宇宙。这些宇宙的分布是不均匀的，呈泡状结构。如果地

    球位于一个泡状宇宙的中心地带，那么在地球上对宇宙进行观察时，泡状宇宙边缘的超新星看起来就是加

    速远离地球的。但是到目前为止，人们还没有发现相关的证据。主流观点仍然认为，宇宙是在加速膨胀

    的。研究人员通过对深空星系的观察和测量，进一步证明了这一观点。还有一个证据是，科学家在计算出

    了星系的总引力后能够得出星系坍缩的速度，但是事实上星系并没有发生坍缩，这说明星系中存在一股很

    大的斥力，也就是说仍然受到暗能量的作用。

    暗能量是现代宇宙学的一个重要发现。但是从宇宙的长远发展来看，在很久以后，可能人类再也无法

    感受到暗能量在宇宙中的存在了。目前，银河系与室女座超星系团仍然有着相当远的距离，但是终有一天

    银河系将被拉扯进这个星系团里。到了那时，银河系与其他星系会合并为更大的超级星系。如果宇宙仍然

    在加速向外膨胀，那么现在天幕上能够观测到的众多星系与星系团将以光速消失。到了那时，因为没有了

    观测依据，人类将不会获得更多关于时空演变的知识，也不会有比现在更宽广的科学视野。现在，科学家

    们从宇宙中一点点地搜集光子，想要获得关于宇宙中的暗能量的更多信息，但是这些神秘的物质正在离我

    们远去。

    二、暗物质的组成和分布

    1932年，来自美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基最早提出了有关暗物质的证据，并且认

    定了暗物质是真实存在的。他在对螺旋星系的旋转速度进行观测时，发现星系旋臂的外侧比预期的旋转速

    度要快，所以他认为，在星系外侧一定有一个巨大的质能。正是因为这一质能的存在，才让星系外侧的物质能够在强大的离心力作用下仍然没有离开星系。他发现，这些星系团中的星系运动速度是如此之快，如

    果在星系团外部没有一个力约束着它，那么它的质量需要达到目前通过观测计算出的数值的100倍，才有可

    能通过自身的引力来束缚住自己。

    起初，暗物质仅仅作为一个猜想被提出，但是在接下来的几十年里，科学家们通过数据和事实证明了

    暗物质的确存在。到了20世纪80年代，虽然人们仍然不了解暗物质的性质，但是已经能够基本认定，宇宙

    中的暗物质大约占宇宙总能量密度的20%。

    关于暗物质是否存在，科学家们直到1978年才通过测量物质绕着星系的运行速度提出可信的证据。我

    们在计算太阳的质量时，是通过日地距离以及地球围绕太阳进行公转的速度来测算的。按照这一方法，如

    果我们知道了一个物体距离星系中心的距离，并且知道它围绕星系运转的速度，就能计算出整个星系的质

    量。在使用这样的方法进行计算时，得出的星系质量比我们能够观测的星系中所有星体的总质量要大得

    多。

    尽管科学家们对暗物质进行了许多观测，但是直到2011年，人们还是无法了解它的全部成分。关于暗

    物质的早期理论主要认为暗物质就是无法观测到的一般物质，比如生命走到尽头的恒星以及黑洞等。这些

    星体通常属于大质量致密天体，但是直到现在，人们仍然没有找到足够多的这种天体来解释暗物质造成的

    影响。

    在很长一段时间里，只存在于假说中的基本暗性粒子被认为是最有可能的暗物质粒子。这种粒子的寿

    命很长，而且具有温度低和无碰撞等特性。由于这种粒子的温度很低，所以在脱耦时属于非相对论粒子，并且能够在引力的作用下迅速结合在一起。它们的寿命与当今宇宙的年龄一样，或者比宇宙的年龄更大。

    因为这些粒子是在一个比哈勃视界还要小的范围内开始结合的，因此与整个宇宙的尺度相比，这个范

    围显得非常小。最先形成的暗物质聚集体或者暗晕与银河系相比要小得多，而且质量也更小。宇宙开始向

    外膨胀，哈勃视界也随之增大，早期的暗物质聚合体会渐渐合并成更大的规模，这些尺度较大的结构经过

    互相合并，变得越来越大。这样造成的结果是形成各种形状的暗物质聚合体，具有不同的质量，与观测保

    持一致。

    但是对相对论粒子来说，发生的情况正好相反。比如中微子在引力作用下结合成一团时，因为本身具

    有过快的速度，因此不能组成我们观测到的结构。从这一点来看，中微子对暗物质密度的形成起到的作用

    可以忽略不计。对太阳的中微子质量测量得出的结果与这个结论是一致的。

    暗物质粒子的无碰撞特性是指暗物质之间或暗物质与普通物质之间存在的相互作用十分微小，甚至可

    以被忽略。它们单纯靠引力把彼此约束在身边，在整个暗物质晕中做轨道运动，该轨道很宽并且具有很小

    的偏心率。

    英国科学家里斯认为，暗物质有几种可能的存在方式。一种可能是之前提到过的小质量的恒星；一种

    可能是超大质量恒星在很久之前坍缩形成的相当于太阳质量200万倍的超大黑洞；还有一种可能是一些特殊

    的粒子，比如我们提到过的中微子、轴子，以及其他一些科学家们认为可能存在的粒子。

    粒子物理学家伊利斯认为，星系团和矮星系的暗物质晕中的暗物质最有可能的组成部分是S粒子。这种

    粒子来自超对称理论，该理论称，所有粒子的基本粒子都存在和它对应的粒子，比如光子对应着光微子。

    伊利斯认为组成暗物质的粒子可能是光微子、中微子、希格斯微子和引力粒子。同时科学家也认为，这些

    粒子可能组成了星系团之间的广袤空间中的冷暗物质。暗物质之间也存在引力，星系团中的数十亿颗恒星

    就是在暗物质的引力作用下形成了各个星系。

    到目前为止，人类能够在实验室环境中发现的唯一的暗物质粒子就是中微子，这种粒子的质量几乎为

    零，而且在全部暗物质中占的比例非常小。科学家们认为，余下的大多数暗物质粒子是由大质量弱相互作

    用粒子构成的，这些粒子比质子的能量大10～1000倍。当两个暗物质粒子相撞时，就会发生湮灭现象，并

    释放出γ射线。

    当一个星体的生命发展到某个阶段时，温度开始降低，无法向外释放能够被观测到的能量信号，所以

    不能被人类观测到，这时就表现为暗物质。这些暗物质也被称作重子物质。还有一种暗物质，是由中性稳

    定粒子构成的，它们具有静止质量。这种粒子形成的星体无法向外释放电磁信号。这种暗物质就被称为非重子物质。

    还有人认为低温无碰撞物质是暗物质可能的组成部分。一个原因是，通过模型计算出的这种物质的结

    构与实际观测的结果是一致的。另一个原因是，大质量弱相互作用粒子能够对这些物质在宇宙中的丰度做

    出合理的解释。当粒子间具有弱相互作用时，宇宙诞生的最初一瞬间，这些粒子之间会形成热平衡。在这

    之后，它们彼此碰撞并发生湮灭，平衡被打破了。通过对离子间相互作用的截面来计算，这些物质在宇宙

    占全部能量密度的20%～30%，这一结果与观测事实是相符的。还有一个原因是，在低温无碰撞物质的理论

    中，预测了一些有很大可能组成暗物质的其他粒子。

    还有一种可能组成暗物质的粒子是中性子。这是一种通过超对称模型得出的粒子。这一理论是超引力

    和超弦理论的基础，在这个理论中，每个已知的费米子都需要和一个玻色子伴随存在，同时，每一个玻色

    子也伴随着一个费米子。如果宇宙从诞生之日就保持着超对称的形态，那么这些伴随粒子也将保持相同的

    质量不变。但是，宇宙在早期发展过程中不再保持超对称，导致伴随粒子的质量发生了改变。而且绝大多

    数超对称的伴随粒子十分不稳定，当宇宙的形态发生变化之后就随之衰变。但是，其中质量最小的伴随粒

    子没有发生衰变。在最基本的理论模型中，这些粒子表现为电中性，并且彼此之间呈弱相互作用。所以这

    种粒子也有很大的可能是大质量弱相互作用粒子。如果中性子组成了暗物质，那么当地球穿过太阳系中的

    暗物质时，位于地表以下的探测器能够搜寻到这种粒子。还有一点需要注意的是，这个探测结果无法证明

    大质量弱相互作用粒子就是暗物质的主要组成部分，在目前的实验环境中无法确定这些粒子在暗物质中所

    占的比重是大还是小。

    另外一种可能构成暗物质的粒子是轴子。这是一种中性粒子，质量非常小。在宇宙的大统一理论中，轴子起到了十分关键的作用。在两个轴子之间，存在十分微弱的相互作用力，所以轴子无法保持热平衡，并且无法对它在宇宙中的丰度进行合理的解释。宇宙中的轴子处在低温玻色子凝聚状态。目前，科学家们

    已经建造了用来探测轴子的探测器，研究工作正在展开。

    一些科学家开展了一项名为“低温暗物质搜寻计划”的科研项目，旨在发现低温暗物质粒子。来自美国

    明尼苏达大学的科学家安吉拉·雷塞特尔参加了这项研究，她认为，我们周围有一股暗物质粒子，时刻都在

    发生着相互作用。雷塞特尔在最新发表的论文中说，她和她的团队成员在最近的实验中发现了两起事件，可能是暗物质对探测器撞击造成的。

    但是目前科学家们尚无法确定这两起事件中观测到的信号是由什么粒子造成的，可能是暗物质粒子也

    可能是其他粒子，因为这两个信号实在是太小了。据参与研究的科学家说，他们实现建立的模型对这种情

    况有准确的预测，认为可能会出现疑似暗物质的假信号。这个“低温暗物质搜寻计划”在未来将继续进行，希望能够发现更多有实际意义的事件和信号。

    还有一些科学家通过粒子加速器来尝试在地球上搜寻暗物质。利用强大的粒子加速器，我们能够把粒

    子加速到接近光速，并让它们彼此碰撞。通过这样的高速对撞，科学家渴望找到新的粒子，比如暗物质粒

    子。

    但是，即便科学家们已经使用功能最强大的粒子加速器来进行实验，到目前为止也没有发现更多暗物

    质存在的迹象。人们可能会追问造成这一现象的原因，在宇宙中占据大多数的物质为什么无法被观测到？

    美国科学家萨拉表示，可能是因为人类目前为止制造的加速器仍然不够强大。因为科学家们不能确定暗物

    质的粒子到底有怎样的体积和密度，需要使用多大的能量才足以观测到它们的痕迹。也许，利用加速器无

    法发现暗物质。萨拉认为，可能科学家并未意识到一个残酷的事实，那就是我们无法人为地制造或者观测

    到暗物质粒子。

    到2006年初，人类对暗物质的研究取得了新的进展。剑桥大学天文研究所的科学家们有史以来第一次

    确定了一些暗物质的物理性质。同一年，美国科学家在使用钱德拉X射线望远镜观测一个星系团时，意外地

    观测到了两个星系发生碰撞的过程。这样的大规模碰撞具有强大的威力，把普通的宇宙物质与暗物质撞开

    了，借此我们能够直接观测到暗物质，这为暗物质的存在提供了直接证据。

    2007年，科学家公布了史上第一份暗物质分布图。70多名研究人员历经4年的不懈努力，终于制作出了

    一幅三维图像。在这份图中，科学家们描绘了以地球的视角出发观察天空时，8个满月在天空所占空域范围

    内的暗物质分布轮廓。科学家们使用引力透镜的原理绘制出了这张图。一位来自马赛天文物理实验室的科

    学家也参加了暗物质分布图的研究和制作，据他说，这张图表现出的图景在过去的25亿年间基本没有发生过改变，能够认为这片宇宙中的暗物质就呈现出这样的形态。

    2007年，约翰斯·霍普金斯大学的天文学家们在《天体物理学杂志》上发表文章，称他们在用哈勃望远

    镜进行观测时，在距离地球相当遥远的星系团中发现了形成环状的暗物质。科学家们认为，这一结果是目

    前能够确定暗物质真实存在的最关键的证据。参与了这项研究的天文学家詹姆斯·杰认为，这是有史以来第

    一次直接观测到这种环状分布的暗物质，它与这个星系团内部的其他物质具有完全不同的结构。这个结果

    能够让天文学家们更好地认识普通物质与暗物质之间存在的区别，以及研究引力对暗物质能够造成怎样的

    影响。

    科学家们于2009年在位于美国明尼苏达州的Souden煤矿里发现了暗物质。这一发现是暗物质最有力的

    实物证据。同时，其他科学家们也在通过实验来搜寻暗物质留下的痕迹。当暗物质之间发生碰撞时，能够

    被观测到，粒子的碰撞能够发出γ射线，这一现象被称为物质湮灭。美国的费米太空望远镜就是旨在通过这

    一现象来观测暗物质的，但是到目前为止还没有发现。

    意大利科学家在暗物质的研究方面也进行了一些探索。2011年，他们对暗物质的研究与其他类似的研

    究发生了矛盾。探测结果表明，距离银河系大约16万光年的大麦哲伦星系可能正是由于暗物质的帮助，才

    没有被银河系的引力撕碎。

    到了2013年，对暗物质和暗能量的探寻以及对宇宙的起源和进化的研究，成了21世纪的天文学和物理

    学的发展方向。华裔物理学家、诺贝尔奖获得者李政道博士曾经说过，对于20世纪末和21世纪初的物理学

    界来说，暗物质是一团最大的疑云，对它的研究代表着物理学将发生一次新的革命。

    2013年4月3日，日内瓦的欧洲核子研究中心传出了关于暗物质的好消息。诺贝尔奖获得者丁肇中教授

    宣布，他带领的科学家团队在经过长达18年的研究后产生了第一个实验结果，这将是人类在探寻暗物质道

    路上的一个重要里程碑。利用阿尔法磁谱仪，丁肇中团队发现了40万个正电子。正电子是一种反物质，它

    和暗物质是有区别的。但是这些正电子有可能来自同一个地方，那就是脉冲星或者是暗物质。这个实验结

    果让人类对物理学和天文学有了全新的认识和理解，让人们对这个研究项目的下一个结果有了更多的期

    待，因为这一结果可能会确定暗物质的真实存在。

    半个月之后，美国物理学会发表研究报告，表示他们通过实验发现了大质量弱相互作用粒子的较强信

    号，这意味着他们可能发现了暗物质，概率达到99.8%。一年之后的4月18日，来自中国的丁肇中团队在日

    内瓦召开了成果发布会，公布了最新研究成果，认为暗物质可能是宇宙射线中存在的大量正电子的来源。

    在之前的研究中，科学家们认为暗物质具有6个特征，而这一实验结果已经确认了其中的5个。

    在距离地球38亿光年的地方，有一个被称作子弹星系团的暗物质星系团。科学家们可以通过对这个星

    系团的研究来分析暗物质对其他物质造成的不可见的影响。这个子弹星系团是两个星系团发生碰撞造成的

    结果，普通的宇宙物质在碰撞中损失了能量，运动的速度变得缓慢。但是与此同时，暗物质之间彼此穿

    过，产生的相互作用几乎可以忽略不计。

    科学家们利用大视场太空望远镜，能够发现亮度低于14星等的矮星，这些矮星的质量还不到太阳的一

    半。根据太阳在银河系中的位置，我们能够计算出这些M型矮星的数量，进而得出这些矮星的质量能够达

    到银河系尚未被观测到的质量的一半。而且因为这些矮星能够持续发光几万年，所以科学家们推测，银河

    系中有很多类似的恒星在生命结束后留下无法被观测到的残骸，它们的质量就相当于理论上计算出的暗物

    质的质量。

    美国的一些科学家应用了一种最新的理论，认为在地球与月球之间存在着大量未知的暗物质。这种理

    论能够解释一些航天器的异常现象。人类发射的太空探测器脱离地球轨道进入太空的加速过程中，几乎所

    有的探测器都发生过一些怪异的现象，如飞行的速率会无端发生变化。按照万有引力定律，这些现象是不

    应该发生的。一些科学家就此推测，这些异常现象代表着我们现在掌握的物理定律是存在问题的，万有引

    力定律和爱因斯坦的广义相对论都有缺陷。

    德国科学家约尔格·迪特里希和他的团队在一个名为“阿伯尔222223”的超级星系团中发现了暗物质成

    分。这个星系团距离地球27亿光年，其中的丝状物中含有暗物质。丝状物的引力让光产生了偏移，利用这

    种偏移，迪特里希团队的科学家计算出了星系团中的丝状物具有的质量。由普通物质发出的X射线能够得

    出，这些物质组成了这些丝状物的一部分，但是只占其中10%的质量。余下的大部分物质，有极大的可能性是暗物质。迪特里希认为，这些丝状物构成了宇宙中的暗物质网络，将星系团彼此连接在一起。

    当今流行的暗物质理论认为，暗物质或许是一种大质量弱相互作用粒子，这些粒子的质量比组成普通

    物质的粒子质量更大。并且因为它们无法参与电磁力作用，所以运动的速度很慢。这些大质量弱相互作用

    粒子可能存在一些反粒子。当两个这样的粒子发生碰撞时，就会发生湮灭现象，并且释放出γ射线。这个理

    论能够解释为什么银河的核心地区发出了令人出乎意料的γ射线。美国宇航局的费米太空望远镜发现了这一

    现象。费米太空望远镜属于美国宇航局，是一台γ射线望远镜，主要被用来观测银河系中的高能粒子活跃

    区。美国科学家霍普和他的团队在使用费米太空望远镜对银河系中心进行观测时，发现了一些高能死亡信

    号。

    霍普团队是在分析了费米望远镜两年多的观测数据之后发现这些信号的，这些信号由一些暗物质粒子

    的碰撞产生。发生碰撞的暗物质粒子的质量大约是质子的9倍。霍普认为，这些粒子的质量比科学家们之前

    推测的结果要轻，但是人们同样认为，这些暗物质粒子的质量不是固定的，而是在一个范围内存在区别。

    这些信号是从银河系中心的一个直径约为100光年的区域发出的，这里被霍普认为是暗物质的理想聚集地，所以受到了严密的关注。在银河系的这个区域中的暗物质密度比边缘地带的暗物质密度大10万倍。所以我

    们也可以这样认为：银河系的中心存在大量暗物质，它们彼此相撞，并释放出能量。尽管美国费米实验室

    的科学家克雷格·霍甘并未参加这个研究项目，但是他依然感到十分兴奋。他认为，这项研究开创了历史，第一个利用简单的粒子模型把与暗物质有关的证据都联系在了一起。尽管还没有取得足够的数据，但是仍

    然值得我们深入研究。

    迈克尔·特纳是来自芝加哥大学的科学家，他是暗物质研究领域的专家。他认为，相干锗中微子技术等

    深埋地下的探测器可能为霍普的研究提供一定的帮助。在霍普开展研究的同时，还有其他一些暗物质的实

    验也在同步进行，而且都很有希望取得成果。特纳表示，目前是研究暗物质的黄金时期，所有的探测器都

    在进行正确的观测，相信科学家即将解决关于暗物质的很多疑问。他还表示，对大质量弱相互作用粒子的

    研究将成为物理学发展的未来。通过利用大型粒子对撞机来批量制造大质量弱相互作用粒子，我们将逐渐

    弄清楚暗物质的真面目。

    科学家们使用大口径天文望远镜对一些矮星系进行研究后，通过对观测结果进行分析，证明在这些矮

    星系外有很多大质量暗晕。科学家们通过大量的观测和多达7000次的计算得出结论，这些矮星系具有的暗

    物质质量相当于普通物质的400多倍。除此之外，我们还能够发现，星系中的粒子都在进行高速运动，且温

    度很高，能够达到10000摄氏度。科学家们还发现，普通物质与暗物质之间存在着很大的差别。尽管这些物

    质具有很高的温度，但是奇怪的是这样的高温并没有带来辐射。据这一研究的领导者杰里·吉尔莫推测，暗

    物质可能并非由质子和中子组成。在这之前，科学家们曾经认为组成暗物质的粒子运动速度十分缓慢，而

    且这些粒子的温度不高。

    科学家们表示，通过对暗物质的观测和研究，他们发现宇宙中最小的暗物质聚集体也有1000光年的规

    模，这样一个暗物质片段能够达到太阳质量的30倍之多。科学家们还提出了暗物质的密度假设，如果说地

    球上每立方厘米空间内有1000多个粒子，那么同样的空间能容纳的暗物质粒子只是这一数量的三分之一左

    右。研究表明，在宇宙中，一些暗物质和它们相邻的星系有着密切的关系。这些星系通常只有少量恒星，但是整个星系的质量却远大于其中的恒星的质量。

    但是在更小的尺度上，不一致的情况就出现了。这种情况在几年前已经开始显现，并且因为这种不一

    致，让一些科学家提出了质疑，他们认为现行的理论可能存在错误。多数科学家认为，这种不一致可能是

    因为我们对暗物质提出了不正确的假设，但是理论的模型本身可能并没有错误。因为从大尺度上来说，引

    力是最主要的因素，所有的计算都是在万有引力定律和广义相对论的范畴内进行的。但是当尺度变小时，计算中就必须包含高温高密物质的流体力学。而且，在一个大的尺度上，具有微小的涨落幅度，我们能够

    精确地计算出这些涨落。但是当尺度缩小到星系的范围时，普通物质与辐射之间有相当复杂的作用。这些

    星系中的暗晕的数量与质量是成反比的，所以我们应该能够看到由于这些暗物质晕的影响而造成的引力透

    镜效果。但是在实际观测中，我们没有发现这种现象。而且在其他星系中，围绕星系的暗物质与星系合并

    在一起之后，会让本来较薄的星系盘增厚。

    在星系的核心区，暗物质晕的密度应该出现大幅的增长，就是说，离星系的中心越近，暗物质的密度

    上升得越剧烈，但是这和我们实际观测到的很多星系的中心区发生的情况并不相符。科学家们在引力透镜

    的相关研究中发现，星系团中心的密度比根据大质量暗物质模型计算得出的结果要低。在普通的螺旋星系

    中，中心区的暗物质密度要比之前预估的更小。在一些表面亮度较低的星系中，也存在着类似的情况。根据流体力学模拟的星系盘，它的尺度与实际观测的结果相比要小得多。很多表面亮度较高的星系中都存在

    棒状结构，要想保持这个结构的稳定，那么星系的核心密度就要比通过模型得出的值更小。

    三、何为反物质

    反物质在物理学上的定义，是指由具有负电荷的原子核构成的物质。反质子和反中子共同组成反原子

    核。这些反原子核与带正电的正电子组成了反原子，这些反原子形成的物质，就是反物质。

    尽管各种物质在自然界中存在着各式各样的表现形式，但是从微观的角度观察，实际上都是由质子、中子和电子组成的。这些构成一切物质的基础就被称为基本粒子，意思是说世间万物都是由这些粒子构成

    的。通常来说电子都是带负电的，但是早在20世纪30年代，就有科学家发现了带正电的电子。人们从这时

    开始对反物质有了初步的了解。到20世纪50年代，人们又相继发现了反质子和反中子，并且意识到，所有

    常见的基本粒子都存在一个与之相对应的反粒子。

    反物质的性质与普通物质呈相反状态。当物质和反物质相撞，就会发生湮灭并且相互抵消。这个过程

    会产生巨大的能量，比氢弹释放能量的效率还要大。美国科学家使用大型原子对撞机进行了实验，通过对

    金原子进行对撞，得到了反氦原子。这个反原子是由反质子和反中子组成的。

    宇宙中存在反物质这一事实，在很长时间里为科幻题材作家提供了丰富的想象空间。因为反物质能够

    与物质相撞并发出巨大的能量，因此科幻作家认为，反物质能够成为我们离开太阳系，进行星际旅行的上

    佳燃料。在传统的航天领域，为了摆脱地球的引力进入太空，航天器需要大量的化学燃料。以航天飞机为

    例，每次发射都要耗费相当于航天飞机自身重量15倍的燃料。但是如果能够利用反物质与物质碰撞发生湮

    灭产生的能量来推进，那么一枚硬币大小的反物质，就足以将航天飞机送入近地轨道了。

    因为我们所处的世界是由物质组成的，所以即便自然界中存在反物质，也非常容易和物质相遇并且湮

    灭。所以为了能够更好地研究反物质，科学家们需要在实验环境中制造出反物质粒子，并且尽可能让这些粒子停留的时间长一些，以便能够研究其特性。

    早在1925年，人们就已经发现在同一个状态里只能存在一个电子，也就是泡利不相容原理。根据这一

    原理，如果电子的负能级已经被填满，那么正能级的电子就不会与之发生冲突了。同时，如果想要对实验

    中没有观察到负能电子的现象进行合理的解释，就要假设占满了负能级的电子造成的总效果是零。也就是

    说，这个电子的海洋里所有能够被观察到的量的数值都是零，无论是质量还是动量都是如此，就像真空状

    态一样。根据这一假设能够得出一个有趣的推论，如果这个充满电子的负能级区域是真空状态，那么如果

    失去一个电子，就等同于出现了一个反电子。这个反电子具有与电子完全相反的特性，电子是带负电的，反电子就是带正电的。

    如果一个粒子带有正能量，那么在运动时与别的粒子相撞后，运动速度会减慢。但是如果一个粒子带

    有负能量，那么它的运动速度会逐渐加快，甚至超过光速。但是，我们是通过与负能量粒子的反向运动来

    对负质量物质进行观测的，这种运动是带有正质量的反物质的运动，所以速度仍然比光速要低。物质具有

    负质量时，其表现形式为反物质，反物质与负质量物质的运动方向是相反的。也可以说，负质量物质在时

    间维度的反演就是反物质。因为时间是一维的，当它反演时，方向也会相反，这时负质量会转变为正质

    量。

    根据已知的物理定律，两个具有正质量的粒子之间存在万有引力，所以我们可以认为，在分别具有正

    质量和负质量的两个粒子之间存在斥力。因为带有正质量的物质互相吸引，导致物体收缩，并且具有复杂

    的结构。但是负质量物质和正质量物质之间互相排斥，导致了膨胀。宇宙现在正处于一个膨胀的过程中，这说明宇宙中带负质量的物质数量多于正质量物质。虽然我们只能观测到负质量物质的反演，也就是反物

    质，并且我们无法直接观测到斥力。但是我们知道宇宙正在膨胀，这就说明了物质之间的斥力是确实存在

    的。

    很多年来，虽然科学家们从理论上确定了反物质的存在，但是发现它只是最近几十年的事情。科学家

    们首先是通过宇宙中存在的高能粒子——γ射线，在银河系的上方发现了一些反物质的痕迹，后来又通过实

    验批量制造出了反物质粒子。这说明人类在研究反物质的道路上正在逐步深入，并取得了重大的进展。

    1997年，美国科学家利用发射到太空的γ射线探测卫星发现了一个反物质源，该反物质源位于银河系上

    方，正在向外源源不断地释放出反物质。这些反物质形成了一个“喷泉”，喷涌的高度达到2940光年。

    美国的奋进号航天飞机在执行一次太空任务时，在国际空间站上安装了一个专门用于收集反物质粒子

    的科学仪器——阿尔法磁谱仪。这个磁谱仪能够记录下反物质粒子对它的撞击，并且进行分析。科学家们

    认为，如果能够在宇宙中找到原子量较大的元素，如反碳等，就意味着可能存在由反物质组成的天体甚至

    恒星。物质与反物质之间是否存在对称性，也能通过这一发现加以证明。事实证明，较重的反物质粒子是

    存在的。2000年，欧洲核子研究中心再次发布消息，称他们在实验室中已经制造出了大约5万个反氢原子。

    这一成果标志着人类具有了大批量制造反物质的能力。

    我们如果认为宇宙中的物质和反物质的数量是相等的，那么在宇宙空间中应该存在大规模的反星系

    区。在那些区域中，宇宙射线是由反质子与反α粒子组成的。来自那片宇宙空间的射线会进入我们的正物质

    星系。因为宇宙空间是十分稀薄的，很多地方都很空旷，每立方米可能只有一个质子这样大的密度，所以

    反物质粒子能够畅通无阻地进行长距离旅行。如此一来，通过位于地球轨道上的太空探测器就能捕捉到它

    们。之前发射的阿尔法磁谱仪就是根据这一理念设计建造的。

    在实际观测中，不只是能够捕捉到原始射线粒子，还能够探测到一些次级粒子。这些次级粒子是原始

    粒子在旅途中与其他粒子发生碰撞而产生的。我们在宇宙中发现反质子，并不一定表明在宇宙深处存在反

    物质区域，因为这些反质子可能是原始粒子造成的次级粒子。但是反原子核就不同了，因为它是由一系列

    反核子组成的复杂结构，所以无法通过碰撞产生。如果我们能够在宇宙中发现反α粒子，哪怕只有一个，也

    能证明远方存在反物质天体。阿尔法磁谱仪十分敏感且精确，如果反α粒子进入了磁谱仪，就能够被分辨出

    来，并且能够测定它的质量和所带的电荷。2011年，新的阿尔法磁谱仪进入了太空轨道，并且源源不断地

    把探测结果传回地球，科学家们正随时对这些结果保持着关注。

    如果我们能够通过阿尔法磁谱仪的观测结果证明宇宙中真的存在大型反物质天体，那么这一结果必定

    会被载入史册。因为它不仅能够证实反物质的存在，而且还将对已知的物理学理论提出挑战。在宇宙诞生

    的初期，正反粒子一定是彼此混合在一起的。在今天我们掌握的物理理论中，还不存在一种作用力能够将两种粒子彻底分开。所以，如果我们能够证明存在大型的被分离出去的反物质天体，那么物理学理论将会

    发生新的突破。

    我们通过大量的事实能够确定，人类所处的空间的基本组成是物质，而非反物质。同样的，在人类已

    经能够探索的宇宙空间中的宇宙射线，也是物质的。这可以由一系列证据佐证：人类目前为止发射的所有

    航天器都没有发生湮灭，阿波罗登月计划的成员们也可以登上月球并安全返回。太空探测器最远的已经到

    达太阳系的边界，到目前为止，人类在太阳系中尚未发现任何由反物质构成的天体。范围扩大到整个银河

    系，其根本属性仍然是物质。

    在河外星系中，如果存在由反物质构成的星系或天体，那么从地球上应该也能够观察到物质与反物质

    相互作用时释放出的γ射线。从这一点可以推断出，如果宇宙中有大量反物质存在，那么它们和物质产生的

    湮灭现象应该能够达到相当大的规模。这种湮灭会造成宇宙中物质的大量消失。

    在中国西藏的羊八井地区，中国和意大利正在共同建造一个粒子探测阵列实验站。该实验站为地毯

    式，面积达1万平方米，能够接收来自宇宙空间的各种高能射线，还可以搜寻反物质粒子。之前，中意科学

    家已经在该地区联合设置了一些箱式探测器，并且已经接收到了正电子和μ子等高能粒子。本次新建的探测

    阵列由平面探测器组成，像地毯一样铺设在地面上。这样的探测阵列拥有更大的面积，而且探测器之间紧

    密结合，能够更好地接收宇宙射线，避免了信息损失。这一工作从铺设到调试完备需要花费两年的时间，建成后将成为世界上海拔最高的实验站。

    人类想要获得太阳系之外的物质标本，唯一的来源就是来自宇宙的高能射线。科学家们从很久以前就

    开始对宇宙射线进行研究。宇宙大爆炸的理论被提出之后，科学家们又开始试图从这些高能射线中寻找反

    物质的踪迹。但是到目前为止，这些对反物质的搜寻工作还没有取得成果。

    在奋进号将阿尔法磁谱仪送入太空的同时，在地球上，科学家们也在实验室环境中努力寻找着反物质

    粒子。在欧洲核子研究中心，科学家们通过大型粒子对撞机来对粒子进行加速，能够成功地“制造”出反物

    质粒子，并且能够使之停留一段时间，以便开展研究。欧洲核子研究中心使用的大型强子对撞机，是当今

    世界能量最大的粒子对撞机。这台设备就是为了通过高能粒子来研究宇宙起源而建造的，目的是发现和解

    释当今物理学中可能存在但是还没有被证实的一些现象。

    这是一台特殊的设备，能够使反粒子的运行速度变慢。科学家利用强磁场，成功地束缚住了反质子，并且利用它来制造反氢原子。当磁场消失时，反氢原子失去束缚，就会与装置内壁发生碰撞并解体。利用

    这种强磁场，科学家能将反物质粒子束缚住1000秒，虽然这个时间在日常生活中微不足道，但是在原子尺

    度，它几乎就等同于原子的一生。接下来，科学家们将利用激光或微波对反物质粒子进行照射，以对它的

    内部结构进行分析，并且研究它和物质粒子的反应有何不同。

    质子位于原子核的中心部分，电子围绕着质子旋转，二者组成原子。科学家们利用激光束对反质子进

    行照射，来测算它的质量，比较它与一般质子的异同。目前，科学家们对质子质量的测量已经可以精确到

    小数点后9位，在这个尺度上，质子与反质子的质量仍然是相同的。从这一点上来说，质子与反质子即便存

    在一定程度上的区别，这种区别也是极小的。或许，正是这些极其微小的差异，造成了组成世界的基础是

    物质而不是反物质。

    参与这项研究的科学家罗布·汤普森教授认为，所有研究人员都付出了不懈的努力。尽管此次实验发现

    的反物质粒子数量很少，只是反物质世界的冰山一角。但是这个发现仍然意义重大，因为这代表了人类对

    反物质研究的突破，能够使我们在未来更好地了解宇宙，进一步探寻宇宙的起源。

    对于这项研究成果，英国物理学家查尔顿教授发表了自己的看法。他认为，我们现在必须对反物质加

    以了解。因为我们认知的宇宙中全是普通物质，但是我们还要弄清楚宇宙的真实面貌，否则可能处于危险

    中而自己却毫无察觉。在宇宙中，氢元素是最重要的元素，因此能够发现反氢原子，意义十分重大。

    氢原子是结构最简单的原子，由一个质子和一个电子组成。我们之前提到，欧洲核子研究中心在1995

    年就已经成功制造出反氢原子。但是那时的技术水平有限，这些反物质粒子能够存在的时间只有几微秒，之后就和周围的氢原子相撞并湮灭了。这一次，科学家们在得到了反氢原子之后，利用磁场技术，成功地

    让这些粒子停留了一段时间。在这段时间里，科学家们能够对反氢原子进行更加深入的研究。这个研究成

    果能够带动整个反物质领域的研究向前发展，是物理学领域的重大突破。2011年5月，中国科学家宣布，他们和美国科学家在一个合作研究项目中制造出了反氦4，这是人类到

    目前为止发现的质量最大的反物质粒子。同年6月，欧洲核子研究中心又传出了好消息，科学家在这里将反

    氢原子维持的时间提高到了超过15分钟。在自然界中，存在着反物质的能动效应。中国的上海光机所利用

    激光装置和高压气体靶共同作用，利用它们生成的大量高能电子与高分子材料相互作用，并且产生高强度

    的γ射线。这些γ射线继续与原子核发生作用，形成正负电子对。科学家利用正负电子在磁场中具有不同偏

    转的特性，成功地在实验中获得了正电子。

    在对反物质的研究上，科学家们正在不断加大投入，建造更为精密和有效的科学实验装置。在欧洲核

    子研究中心，有一台大型强子对撞机。这台对撞机的隧道有27千米长，科学家通过它对原子进行加速，使

    原子在超高速下进行高能撞击。原子在这样的高能撞击下，会发射出大量的基本粒子。通过对这些粒子的

    观测，科学家们正在寻找夸克级别的物质与反物质粒子的差异。对现代宇宙学来讲，解释物质与反物质的

    不对称性，是一项十分重要的工作。对这个问题的研究会让我们了解，在宇宙形成之初，究竟是哪种力量

    造成了物质和反物质的分离，进而形成了我们如今看到的世界。我们对反物质的研究还在继续，很多未解

    之谜还等待着我们去揭晓答案。

    四、我们能利用反物质吗

    在1898年，英国的一位物理学家就提出了所有物质都存在镜像的理论，也就是反物质。那么对现有的

    天体和星系来说，有与之相反的镜像宇宙吗？受限于当时的科技水平，这个理论无法得到有效的验证，也

    没有任何实验观测依据。所以，宇宙中存在与现在的星系对应的反物质星系成了一个假说，只停留在理论

    层面上。

    到了1997年，一些科学家宣布在银河系中心的上方发现了一个反物质喷泉。这一发现在整个物理学界

    造成了强烈的震动，科学家们再次燃起了寻找反物质的热情。1998年，华裔物理学家丁肇中在全球范围内

    发起了寻找反物质的号召，让反物质研究领域再次成了全世界科学家们关注的对象。

    尽管很多科学家都认为反物质在自然界中是真实存在的，但是却无法给出确实的证据。同时，也有很

    多科学家对反物质理论不以为然，美国科学家施拉姆就是其中之一。他表示，很多人凭直觉认定反物质并

    不存在，所以如果能够发现反物质，这将会是一个伟大的成果，它能够证明那些不相信这一理论的人是错

    的；但是还有一种最大的可能，那就是根本就找不到。

    丁肇中认为，如果宇宙中真的存在反物质，那么这些反物质与普通物质相撞时，将会释放出巨大的能

    量。他发起的寻找反物质与暗物质的行动已经开展了很多年，并且取得了一系列研究成果。但是他依然表

    现得十分谨慎。他曾表示，以历史的发展历程来看，人们需要做好准备面对一些出乎意料的事情。可能我

    们目前的所有发现，与想要研究的事情完全没有关系。

    德国的一位地外物理学家乔治·维登斯波恩特和他的团队举行发布会，宣布他们有了一项新的研究成

    果。维登斯波恩特在发布会上说，如果一颗普通恒星在它的引力核心作用下被撕成两半，就会被称为低质

    量X射线双星。科学家们经过计算，认为这样的低质量X射线双星每秒钟能够向宇宙空间释放1041个正电

    子。在科学家们此前预测的反物质中，这些正电子所占的比重很大，所以基本能够否定其他的关于反物质

    的不同理论。维登斯波恩特表示，在经过初步统计之后，他的团队认为，反物质的一半甚至全部都来自X射

    线双星。科学家们已经见到过反物质的消亡，现在他们渴望能够见证反物质的“出生”。还有一位名为斯奇

    纳的科学家也参加了这项研究，他认为，尽管目前我们无法确定是因为先有黑洞才产生了中子星与其他物

    质，还是因为先出现了中子星，后来才产生了黑洞，但是关于二者的讨论是十分有趣的事情。而且我们现

    在无法准确地判断出哪个X射线双星中包含的是黑洞，哪个包含的又是中子星。

    反物质能够在普通的物质中产生，这说明我们周围就存在反物质。这些反物质可能存在于很多粒子之

    中。一种当今流行的夸克理论说，一个夸克和一个反夸克组成的束缚态形成了一个介子，夸克无法单独存

    在，只能存在于其他粒子内部。有很多科学家对夸克理论不以为然，认为自然界中不存在真实的夸克。但

    是因为很多实验结果都符合夸克理论做出的预言，所以在相当一部分科学家中，这一理论十分流行。

    反物质粒子和普通粒子相遇时，会马上与粒子发生湮灭现象，并且立刻消失，同时生成能量，那就是γ

    射线。科学家们曾经设想过各种原因，来解释为什么人类观测到的宇宙中物质占绝大多数，是否存在一个

    由反物质组成的世界，以及对反物质怎样加以利用等问题。根据科学家们的推测，在宇宙形成的早期，物

    质和反物质曾经共存，后来反物质出现了衰减，才逐渐形成了如今的不对称现象。维登斯波恩特认为，所有的基本粒子都存在与自己对应的反粒子。反粒子与粒子的结构完全相同，只

    是具有的电荷是相反的。因为电荷相反，所以它们具有完全相反的性质。因为我们生活的空间的主要成分

    是普通物质，所以即使反物质出现在我们身边，存在的时间也是以微秒计算的。所以在实验室环境中制造

    出的反物质粒子停留时间都很短，科学家想方设法延长它们停留的时间。

    2008年，美国科学家进行了一个实验，使用激光直接照射黄金，使黄金中的电子在电离作用下分裂得

    更快。在这个过程中，标靶黄金的原子核与电子发生作用，生成了正电子。因为激光能够把能量集中在很

    小的空间和很短的时间内，所以能够在实验中大量且迅速地生成正电子。

    受到这个实验的启发，科学家们能够在实验室环境中批量制造反物质粒子。这带来了反物质研究的新

    变革。物理学中的一些天体物理研究，如对黑洞和γ射线爆发现象的研究都发生了积极的变化。通过研究反

    物质，人们还能明白为什么在宇宙大爆炸发生时，反物质没有立即湮灭，而且能够留存至今。

    作为这次实验的领导者，美国科学家陈慧表示，她的团队在实验中朝只有一毫米大小的标靶黄金发射

    低脉冲激光，获得了比其他实验多得多的反物质粒子。通过分析，她的团队得出结论，使用低脉冲激光是

    造成如此多的正电子的主要原因。

    此次实验的设计者斯科特·维尔克斯说，他们在之前的实验中使用的标靶都是和纸一样薄的物质，但是

    他在对实验条件进行模拟的时候发现，尺寸为1毫米的黄金生成的正电子数量将会更多，并且通过最后的实

    验证明了这一点，这让实验参与者都感到十分兴奋。

    在之后的实验中，通过向黄金发射低脉冲激光，电子开始加速分裂，并且和黄金的原子核发生作用生

    成正电子。这个过程产生了巨大的能量，与爱因斯坦相对论中的物质与能量关系的描述完全相符。同样参

    与了这个实验的美国科学家彼得·比尔斯多佛认为，这次实验能够得到的反物质数量非常大。这样科学家们

    就能够通过这样的实验来对反物质进行更加深入的研究，并且可能最终发现宇宙的秘密——为什么我们能

    够观测的物质数量远远多于反物质。

    以陈慧为代表的美国利沃莫尔实验室的科学家们并不是首次利用激光制造反物质的研究人员。早在十

    年前，研究人员在使用Nova激光进行实验时，就生成了反物质，但是没有准确的记录。现在，通过不断改

    进标靶物质和使用更为灵敏的探测器，一次实验能够检测到的反物质粒子就多达一百多万个。科学家们根

    据这个数据进行推测，认为实际生成的正电子数量可能达到一千亿个。在与电子相遇并湮灭之前，研究团

    队发现，正电子的活动方式与电子十分接近，只是电荷不同。这也是科学家们发现它们的原因。他们使用

    了一台电子探测器，能够检测到带有不同电荷的粒子。比尔斯多佛表示，这次实验正在开启一个崭新的时

    代。人类已经来到了一个新世界。这些科学家将在未来建设一个反物质研究中心，并且利用激光批量制造

    反物质，就像一座工厂一样。

    我们能够计算出，只要有一克反物质与物质碰撞并发生湮灭，它们释放的能量就等于当今地球上已经

    建成的最大的几个水电站发出的能量。所以科学家们预言，如果我们能够利用反物质，那么人类在6周内登

    上火星将变得完全可行。现在，人类还走在研究反物质的路上，反物质的巨大资源究竟是否能为人类所利

    用，还是一个未解之谜。

    宇宙中的基本粒子

    一、什么是基本粒子

    基本粒子是目前已知的组成物质的最小单位，但是科学家们已经意识到，基本粒子也可能并不是单一

    的粒子，结构也很复杂。和组成物质的原子与分子相比，基本粒子的尺寸要小得多，以至于即便使用放大

    倍数最高的电子显微镜也无法观察到。其中质子和中子只有原子体积的十万分之一，轻子和夸克则更小，只有质子的万分之一。按照作用力的不同，可以将这些粒子分为三类，分别是强子、轻子和传播子。

    所谓强子，就是对参与强力作用的所有粒子的统称。强子是由夸克组成的。2007年，科学家们在美国

    的费米实验室发现了预言中的顶夸克。目前发现的所有基本粒子中，绝大多数都是强子。还有一些反物质

    基本粒子如反夸克已经被发现了，目前还在研究如何对它们加以利用。轻子，顾名思义，只能参与弱相互作用、电磁力和引力作用。轻子可以被分为六大类，包括电子、电

    子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。其中，电子、μ子和τ子带有电荷，而全部中微子都不带电

    荷。1975年，科学家们发现了无法参与强相互作用的τ子。这种粒子虽然属于轻子，但是具有很大的质量，它比电子重3600倍，比质子重1.8倍，所以又被称为重轻子。

    基本粒子中还有一种是传播子。其中，传递强作用的被称作胶子。胶子是于1979年在三喷注现象中间

    接被发现的。因为它们能够形成一个胶子球，在色禁闭现象中不能被直接观测到。传递弱作用的传播子是

    重矢量的玻色子，其中包括W+，W-和Z0。它们的质量很大，为质子的80～90倍。

    这些粒子的另一种重要的量是它们的质量。粒子物理的规范理论认为，规范粒子的质量应该为零。但

    是在某种条件下，规范被破坏了，这就让轻子、夸克和玻色子等粒子具有了质量。目前我们发现的基本粒

    子质量范围分布很广。其中，光子和胶子的质量为零，电子的质量很小，π介子的质量是电子的280倍。质

    子和中子的质量更大，相当于电子的2000倍。科学家们已经找到了六种夸克，根据质量的不同分为下夸克

    至顶夸克，其中顶夸克是人类目前发现的质量最大的粒子。与之相对的，中微子具有很小的质量，只有电

    子质量的七万分之一，十分接近于零。

    粒子第三个重要的特征量是它们的寿命。所有粒子中，因为电子、质子和中微子十分稳定，所以被称

    为长寿粒子。但是绝大部分粒子并不稳定，会产生衰变。中子在衰变时会转变为一个质子、一个电子和一

    个中微子。π介子在衰变中会生成一个μ子和一个中微子。粒子的寿命被称为半衰期，指的是强度达到最初

    的一半的时间。目前已知最为稳定的粒子是质子，它的半衰期长达1033年。

    粒子的另一个特性是对称性。如果存在一种粒子，就必定存在它的反粒子。科学家们于1932年发现了

    正电子，这种粒子与电子的质量和性质完全相同，但是带正电。接下来，科学家们又发现了反质子，它的

    质量与质子完全相同，但是带有负电荷。之后相继发现了反夸克和反轻子等反物质粒子。一种粒子和它的

    反粒子相遇时会发生湮灭，变为光子并且释放出能量。反过来，当两个高能粒子发生碰撞时，会生成一对

    粒子与反粒子，这时能量转化为质量。

    粒子还具有自旋的属性。如果粒子的自旋是一个整数，它就是玻色子；如果是半整数，则被称为费米

    子。同时根据波粒二象性理论，粒子也同时具有粒子性与波动性。

    描述基本粒子的结构和相互作用以及运动规律的理论就是量子场论。在量子场论中，每种基本粒子都

    有一种相应的量子场。这些量子场之间的耦合作用就是粒子相互作用的体现，这些相互作用直接的传递是

    通过规范场量子进行的。

    从20世纪30年代至今，通过大量的实验，基本粒子理论得到了长足的发展。科学家们对粒子结构的研

    究已经到达了一个很深的层次，并且认为强子由层子与反层子组成。同时还深入认识了真空环境，尤其是

    真空的自发破缺。粒子的相互作用研究发展成了能够描述电磁相互作用的量子电动力学，出现了弱电统一

    理论，用来解释粒子之间的弱相互作用和电磁作用。还有量子色动力学，能够用来解释粒子间的强相互作

    用。这些理论都属于量子规范场理论，而且大部分都被实验结果证实了，所以能够让人们更好地了解粒子

    间相互作用的规律。

    对基本粒子的研究理论目前仍然处于发展中，在很多方面还没有取得令人满意的结果。在这一理论

    中，还有两个哲学问题需要人们解决。一个是层次结构问题，另一个是相互作用的统一问题。物质的结构

    为原子层次时，能够把原子分为原子核和电子。原子的结构为原子核层次时，能够再把原子核分为质子和

    中子。但是到了基本粒子的层次，这种情况发生了改变。因为对于强子来说，它虽然由层子和反层子组

    成，但是却无法将层子和反层子从强子内部分离出来。因为层子是带色的，所以这种情况被称为色禁闭。

    所以在基本粒子这个层次上，物质可分不再是原来的概念，可分不代表能够将各个组成部分单独分割开

    来。层子和反层子虽然是强子的组成部分，但是却无法从强子中被分割出来。人们直到现在还没有搞清楚

    出现色禁闭现象的真正原因。到20世纪80年代，科学家们已经发现了36种层子和反层子，以及12种轻子和

    反轻子。同时还发现了很多在粒子间相互传导的规范场粒子和Higgs粒子。科学家们开始试图研究这些粒子

    的基本结构，并且提出了很多理论模型。但是到目前为止，虽然存在很多相差甚远的模型，但是尚未通过

    实验来证实究竟哪个模型才是正确的。

    当人们统一了弱电理论之后，又继续寻求在强作用、弱作用和电磁作用之间实现统一，并且建立很多

    统一的模型理论。在这些理论中，科学家们认为质子虽然极其稳定，但是最终也会衰变，但是这一点目前还未通过实验得到证实。如果我们探索力的统一理论，一个最无法忽视的力就是引力。但是引力与强弱作

    用力和电磁作用力之间存在很大的区别，因为引力和时间、空间有直接的联系，引力之间的传递通过引力

    子进行，引力子与其他作用力的传递粒子的自旋不同，具有一个有量纲的耦合常数，因此会无穷散发，而

    无法重整化。同时，因为爱因斯坦提出的引力方程具有非线性性质，这就使得引力理论的量子化和重整化

    充满困难。因此现在只能初步认为，引力场是一种规范场，也就是说，引力与强作用力、弱作用力和电磁

    作用力理论上是能够统一的。但是因为这个问题仍然十分复杂，因此人们还没有掌握影响大统一理论的关

    键因素。

    二、最微小的基本粒子

    在自然界中到底有没有一种最基本的粒子，是组成其他粒子的最小单位呢？对电子来说，它有两种电

    荷和自旋状态，可能的存在状态有22种。如果想知道一个电子是哪种电子，要使用2个二进制数，所以每个

    单独的电子含有2bit信息。对光子来说，它的自旋有两个方向，一个是平行于物质的运动方向的，一个是反

    平行于物质运动方向的，因此具有21个可能存在的态，每个单独的光子包含1bit的信息。如果一个孤立系统

    完全由光子组成，并且内部的左旋光子和右旋光子数量相等且混合均匀，那么这个系统含有0bit信息。在基

    本粒子中，一个粒子包含的最少信息应为1bit，因为不确定性原理的制约，所以在基本粒子中具有最小信息

    量的粒子是光子。

    在一个孤立的不可逆体系中，分为无限多个和外界无作用的平衡系统。因为熵和质量的增加，我们能

    够推测出，这个孤立的不可逆体系在经过足够长的时间之后，系统内的熵将会达到最大值，此时系统的信

    息达到最小值。根据不确定性原理，我们能够在系统的最深层次找到具有最小信息容量的微观信息。在这

    个处于最深层的结构中，系统的信息为0时，这个系统的单子粒子必将存在一个含有最小信息的基本粒子。

    在物理学发展到18世纪时，在很多理论中光都被解释成由无数粒子组成的一种物质。因为这种理论无

    法解释光的折射和衍射等实验现象，包括笛卡尔、胡克和惠更斯等科学家都提出了光具有波动性的观点。

    但是在当时，牛顿的思想仍然具有绝对的统治力，因此关于光的主要理论仍然认为光是一种微粒。到了19

    世纪初期，托马斯·杨和菲涅尔通过实验清楚地表明光的衍射特性，因此到1850年前后，物理学家已经接受

    了光的波动理论。1865年，麦克斯韦提出一种预言，认为光是某种形式的电磁波，并且于1888年完成了证

    明电磁波存在的实验。这时，光的粒子说看起来被彻底否定了。

    但是，麦克斯韦提出的光是一种电磁波的理论也无法解释光具有的一切性质。比如，在电磁理论中，光波具有的能量与频率无关，只和波场的光强度有关。但是后来进行的很多实验，包括光电效应实验都表

    明，光的能量与强度无关，而是和频率密切相关。还有一些光化学实验证明，只有在光的频率超过某个值

    时才会发生光化学反应，但是在这个阈值之下，单纯提高光照强度毫无作用。

    同时，因为普朗克提出的量子理论的假说，使得之前的物理学家们在长达40年的时间里进行黑体辐射

    方面的研究无疾而终。普朗克认为，在所有的系统中，如果发射或吸收的电磁波的频率为v，那么电磁波具

    有的能量都是E=hν(能量=普朗克常数×频率)的整数倍。根据这一理论，爱因斯坦提出了光量子假说。爱

    因斯坦于1905年到1917年之间提出了光子的概念。在那个时期的经典电磁理论中，光被认为是一种电磁

    波，但是这个理论无法解释实验中出现的光电效应现象。当时提出了其他一切理论，根据麦克斯韦方程将

    物质吸收和放射光的能量量子化了。爱因斯坦提出了另外一种理论，那就是光本身为量子化，组成光的量

    子就是光子。

    麦克斯韦提出的经典电磁理论认为，电磁场具有连续能量，而且能量的值为任意大小，但是由于物质

    在发射或吸收电磁波时，为量子化能量，所以很多科学家都在试图找到物质中存在的某种约束，这种约束

    使得电磁波的能量只能是量子化的。但是爱因斯坦的光量子理论的先进之处在于，他认为电磁场中的能量

    本身就是量子化的。爱因斯坦没有否定麦克斯韦提出的理论，但是他认为，如果能够把麦克斯韦的经典电

    磁场中的能量分配到彼此独立的光量子上，那么就能很好地解释光电效应实验的现象。

    1905年，在普朗克的量子理论基础上，爱因斯坦进一步提出，电磁辐射的本质就是不连续的，不管是

    在能量的发射和接收时，还是在传播过程中都是如此。这种一份一份的辐射被爱因斯坦称为光量子，这就

    是光子。光子理论能够解释光电效应，爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。在1909年和1916

    年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有p=hλ(动量=普朗克常数波

    长)的动量，这使得光子具有了完美的粒子性。到了1926年，康普顿在实验中测得了光子的动量，并因此

    获得1927年的诺贝尔物理学奖。光子不但在能量的发射和吸收时具有粒子性，在发生弹性碰撞时也是如此，因此光子既有能量又有动量。这样一来，光同时具有粒子性和波动性，也就是具有波粒二象性。之

    后，德布罗意又深入发展了这种理论，认为所有微观粒子都具有波粒二象性。

    这个理论的出现使理论物理学获得了长足的发展，也为实验带来了有益的启发。在该理论的指导下，科学家们发现了激光、玻色-爱因斯坦凝聚和量子场论，发展了量子光学和量子计算。按照粒子物理的理论

    模型，电场和磁场都是因为光子的作用而产生的。物理学定律具有一种对称性，这种对称性在时空中的任

    意点上成立，而光子满足这种特性。同时，根据规范场理论，能够得出光子的质量和自旋。

    光子既是电磁场中的量子，能够在电磁作用的传播中作为媒介。当原子内部的电子进行能级跃迁时，如果向上跃迁，将会吸收与能级差相等的光子，反之将释放等量的光子。一个粒子与它的反粒子碰撞时将

    发生湮灭，产生几个光子。光子本身不具有电荷，因此它的反粒子也是它本身。光子的静止质量为0，运动

    速度为光速，并且不以观察者的运动状态为转移。光子保持光速不变的特性，成了狭义相对论理论的一个

    基本原理。

    因为光子和其他基本粒子一样，具有波粒二象性，因此能够表现出波的性质，如干涉现象和衍射现象

    等。光具有的粒子性属性能够具体表现为：在与物质发生相互作用时，无法传递任意值的能量，只能进行

    量子化的能量传递。对我们日常所见的可见光来说，每个光子具有的能量约为4×10-19 焦耳。这个能量虽然

    十分微小，但是已经能够刺激人眼中的感光细胞，并且引发视觉。除了具有能量，光子还有动量。不过因

    为受到量子力学定律的限制，我们无法计算光子的确定动量，我们只能在测算光子的位置或者动量时，得

    到它的对应本征值的概率。

    即便当今最为先进的科学仪器和巨大的望远镜，想要发现光子，仍然是一件十分不容易的事。除了物

    理学领域，光子理论还在其他领域发挥着重要的作用，比如光化学和双光子激发显微技术。光子理论还有

    助于对分子的间距进行测量。在现代实验研究中，光子作为量子计算机的基本元素，在光通信领域和量子

    密码理论中为科学家们提供了巨大的研究价值。

    基本粒子的特性

    一、物质的波粒二象性

    粒子组成的物质都具有波粒二象性。其中，粒子性指的是能够通过计算得到物质的具体位置，波动性

    指的是概率波。我们获取的信息越多，对物质运动的预测就越准确，计算物质的具体位置就变得越简单，这是由物质的粒子性决定的。物质的粒子性能够反映出信息的增加和熵的减少。但是物质的波动性表达的

    意义正好相反，它表示的是物质的信息减少和熵的增加。物质的波粒二象性表明物质受到熵的增减二作

    用，因此每个物体都具有波粒二象性。

    在经典力学理论中，研究的对象总是被严格地定义成一种性质，要么是纯粹的粒子，要么是纯粹的

    波。其中，粒子构成了我们日常所见的各种物质，波的常见形式为光波。这样的定义有时会带来一定的困

    扰，波粒二象性有效地解决了这个问题。爱因斯坦于1905年对光量子提出了光电效应，这使人们认识到光

    同时具有粒子和波动的性质。爱因斯坦在阐述这个现象时表示，有时人们需要使用一套理论来解释粒子的

    行为，但是有时却要用另一种理论，还有可能需要二者共同使用。后来人们遇到了新的问题，这种问题需

    要使用两种互相矛盾的理论来解决，因为单独的一种理论无法用来对光进行解释，只能将两种理论结合在

    一起。到了1924年，法国物理学家德布罗意提出了物质波的假说，他认为所有物质都和光一样具有波粒二

    象性。在这个理论中，电子作为粒子也会发生衍射现象，后来这种现象通过实验被证实了。

    所谓波粒二象性，是指对所有粒子来说，不但能够用粒子的性质来描述，也能够用波的性质来进行描

    述。这也就是说，过去的纯粹的粒子概念与波的概念已经无法对量子范围内的物理现象做出描述。波粒二

    象性建立了一种新的理论基础，在这种理论中所有物质都既能表现出粒子的性质，又表现出波的性质。在

    量子力学中，所有的粒子，包括光子、质子或者电子，都可以用薛定谔方程之类的微分方程来解释。这个

    方程的解就是波函数，能够对粒子的状态进行描述。这个函数可以叠加，像波一样可以彼此干涉。同时，这个函数能够作为粒子出现在某一位置的概率的解释。这样一来，就能用同一种解释来描述物质的粒子性

    和波动性。

    我们在平时无法觉察到物体具有波动性的原因，在于这些物体的质量都太大了，使得它们具有的德布罗意波长比起我们能够观察到的极限还要小得多，所以波动的尺度超出了日常生活的经验。与之相反，经

    典力学可以对自然现象进行合理的解释，这是因为二者的观察尺度是不同的。对于基本粒子来说，它们的

    质量和大小只能在量子力学的范围内进行讨论，所以与我们日常见到的情况完全不同。

    当我们掌握的信息量越大，就越能容易预测物质的运动变化，就越容易计算物质确定的位置，这正是

    物质的粒子性。物质的粒子性正反映物质的信息在增加，熵在减少，而波动性则相反，是反映物质的信息

    在减少，熵在增加。物质的波粒二象性正是物质的熵增减二作用，每一物体都具有波粒二象性，每一物体

    都受到熵增减二作用。

    二、波的类型

    概率波，又被称为德布罗意波，指的是空间中某一点在某一时刻可能出现的概率。这个概率的大小取

    决于波动的规律。因为爱因斯坦提出了光子具有波粒二象性，德布罗意于1924年提出假说，认为不只是光

    子才具有波粒二象性，而是包括电子、质子和中子等在内的所有微观粒子都具有波粒二象性。他将所有微

    观粒子都代入光子的动量与波长的关系式p=hλ，认为具有质量m和速度v的运动粒子也具有波动性，这种波

    的波长等于普朗克恒量h跟粒子动量mv的比，即λ=h(mv)。这个关系式就是德布罗意公式。

    假设一个电子是自由电子，那么它的波函数为行波。也就是说，这个电子在空间中的任意一点出现的

    概率都是相同的。这个电子如果是在氢原子中而且处于基态，那么它就可以出现在空间中的任意一点，但

    是最有可能出现在波尔半径处。这个意思是说，在量子力学理论中，物质不存在确定的位置，在宏观角度

    表现出的位置实际上仅仅体现了概率波函数的平均值。如果没有测量，那么它可以出现在任意位置，但是

    当开始测量时，它的实际位置就是它的波函数的本征值。在其他可观测量方面也存在一个分布情况，当我

    们观测时能够得到一个本征值。概率波在宏观尺度中呈现出的是概率波函数的平均期望值，而它的不确定

    性失效可忽略不计。

    在量子力学理论中，物体的位置与动量无法同时被测量，因此我们无法知道一个物体的准确位置和动

    量。如果测量出的位置十分准确，那么动量就将十分不准确。这个原理被称为不确定性原理。在哲学中，如果一个值不能被观测，则相当于不存在，因此在量子力学中，位置和动量同时能够准确测得的粒子也不

    存在。

    机械波，指的是振动在介质内的传播。电磁波，指的是周期性的电磁场向外传播。物质波与这两种波

    都不相同。德布罗意提出物质波的概念之后，科学家们想出了很多方法对它进行解释。到1926年，德国物

    理学家玻恩提出了一种解释，这个解释后来被实验所证实，因此成为公认的解释。这个解释认为，物质波

    在某一点的强度与在这一点上找到它表示的粒子的概率是成正比的。根据这一解释，物质波就是一种概率

    波。

    1927年，美国物理学家克林顿·戴维森与雷斯特·革末在实验中使用电子对镍结晶进行发射，并发现它的

    衍射图谱符合布拉格定律。在德布罗意提出的物质波假说被物理学界接受之前，科学家们认为只有在波中

    才能发生衍射现象。后来通过实验证明，基本粒子也具有和波一样的性质。

    三、不确定性原理

    物质波具有的基本原理是不确定性原理，这也是量子力学理论中的基本原理。德国物理学家海森堡于

    1927年提出了这一原理。它的内容是，我们无法同时精确地测定一个粒子的位置和速度，粒子所具有的位

    置不确定性，一定大于或等于普朗克常数除以2π。不确定性原理作为量子理论中最重要的一个原理，在宇

    宙研究中引入了概率的概念。这个原理能够说明，任何一个微观粒子的成对物理共轭量，其中包括位置和

    动量，方位角和动量矩以及时间和能量等，都无法同时测得一个准确的数值。当其中一个量的测量越准确

    时，另一个量就越不确定。当然，即便我们不对粒子的量进行测量，这个原理依然起作用。量子力学理论

    是海森堡和薛定谔等人在20世纪20年代以不确定性原理为基础，把经典力学在微观尺度重新表达形成的一

    套全新的理论。在这个理论中，粒子的位置和速度无法同时被精确地测量，而是呈现出量子态，在这个状

    态中位置和速度是结合在一起被考量的。

    在日常生活中，我们经常能够遇到一些共轭关系，就像物理学中的共轭量一样。就像我们在制定一部

    法律时，常常希望它既不会冤枉一个好人，也不会让坏人被纵容。当然，一部完全符合要求的法律是不存

    在的。通常来说，宁可纵容坏人也不冤枉好人的法律比起宁枉勿纵的法律要更好。但是如果一部法律既冤枉好人又纵容坏人，那么就是一部恶法。不确定性原理十分深入地影响了人们的世界观，这就使得半个世

    纪之后这个原理仍然存在争议，一些哲学家并不认可这一理论。在这个理论中，我们无法对未来发生的事

    件做出准确的预言，也就是说观察者不能对将来加以确定。但是从另一个角度来说，宇宙当前的状态是确

    定的，未来也将是确定的。我们可以进行大胆的设想，宇宙中存在一些智慧生物，能够决定事情发展的规

    律，但是这些生物不会干扰宇宙的测量。对人类来说，这样的假设没有什么意义，因为我们在对宇宙进行

    观察时确实无法预知未来。所以，采用奥卡姆剃刀原理是一种合适的做法，这个原理中，所有无法被观测

    的特征都被剔除掉了。

    通常来说，量子力学不会对某次观测单独做出一个确定的预测，而是会预测出所有可能的结果，之后

    告诉我们每种结果可能发生的概率。这就是说，如果对一大批具有相似特征的系统进行同样的测量，并且

    测量的起始是相同的，那么将会有一定的概率得到答案为A的结果，也会有一定概率得到答案为B的结果。

    通过测量，我们能够对答案A和答案B出现的概率做出预测，但是无法明确地给出一个特定的结果。因此，量子力学带来了一些偶然性和不可预见的必然性。爱因斯坦为量子力学理论的发展做出了很大的贡献，还

    因此获得了诺贝尔物理学奖，但是他本人非常反对这一理论。他从来都对宇宙是由概率控制这样的理论嗤

    之以鼻，他的著名论断是：上帝不掷骰子。但是仍然有一大批科学家对量子力学是持欢迎态度的，因为它

    能够精准地匹配很多实验的结果，所以它确实是一个非常成功的理论。现代科学的很多先进技术，都是以

    量子力学理论为基础的。我们日常使用的计算机之类的电子设备中的晶体管和集成电路就应用了这一理

    论，同样以之为基础的还有现代化学和生物学。

    在不确定性原理中，从某种程度上讲，甚至是对宿命论的肯定，因为一种十分微小的观测也可能改变

    观测对象的状态，让观测对象进入另一个状态量中。在没有对它进行干扰之前，它会根据自身作用达到某

    种状态，这个状态是我们无法确定的，其实质是对于我们的观测来说的。但是外界的干扰使它开启了新的

    发展之路，将会进入一个新的状态，这种改变对于该对象而言是确定的。这个新的状态会对其他对象产生

    影响，进而影响宇宙中的所有物质。我们可以简单地举例，当你打喷嚏的时候，使面前的气流发生强烈的

    扰动，这个扰动通过气流之间的作用力进行传播，最终到达地球的另一端，并且让那里的一片云达到降水

    状态，导致了一场雨。如果你没有打喷嚏，那片云依然会有同样的运动状态，但是不会降雨。这也就是我

    们所说的蝴蝶效应，即一只蝴蝶在太平洋的这边扇动一下翅膀，就会在另一边引发一次台风。

    法国科学家拉普拉斯在看到了以牛顿的万有引力理论为首的诸多科学理论的成功后，在19世纪初提出

    了一种理论，那就是宇宙的未来是已经被决定了的。他认为，宇宙中存在一种定律，使人类能够通过观测

    宇宙当前的状态，对宇宙在未来发生的任意事件做出精准的预言。这就是说，如果我们现在看到了太阳系

    中各个天体的状态，就能通过牛顿的万有引力定律来预测其他时刻太阳系中的情形。拉普拉斯进一步假

    设，还存在另外一些定律，通过这些定律能够控制所有的事物，甚至包括控制人类本身。

    但是想要使用物理学定律来对宇宙的未来进行预测是十分可笑的，这样的预测实际上可以理解为一种

    无限递归。想要让递归过程终止，就需要知道未来某一时刻的确定状态，但是算法会陷入递归，并且因为

    无法满足终止的条件而无法完成整个计算的过程。所以，未来从根本上说是不可知的。

    许多科学家都对这样的假设进行抵制，因为这否定了其他力量的存在。到20世纪初期，宿命论还是一

    种科学的假设，但是后来出现了一些必须被否定的征兆。英国科学家瑞利和詹姆斯通过计算得出，像恒星

    这样发光发热的物体，将以一种无限的频率向外辐射能量。根据当时的物理学定律，发热体将向四周的所

    有频段上同等发射电磁波。这些波包括可见光和X射线等。而且，如果波具有一个无限的频谱，那么发热体

    释放的总能量也将是无限的。

    出现这样的结果显然是十分荒谬的，为了杜绝这种结果，1900年，德国科学家普朗克提出光和X射线等

    波向外辐射时的速率不是任意的，而是需要以量子的形式进行辐射的。而且，它发射的每个量子的能量都

    是确定的，波的频率越高具有的能量就越大。因此，如果波的频率足够高，那么向外辐射量子需要耗费的

    能量就会超过得到的能量。如此一来，高频辐射开始减少，物体消耗能量的速率也变为有限了。

    虽然普朗克的量子理论能够对发热体的能量发射速率进行很好的解释，但是直到德国科学家海森堡于

    1926年提出不确定性原理后，人们才意识到它对宿命论的意义。因为如果想要对一个粒子的位置和速度进

    行精确的预测，就必须在当下对它的位置和速度进行精确的测量。一个最简单的方法是使用光来照射这个

    粒子，因为遇到粒子后光会发生散射，因此可以确定它的位置。但是我们无法让粒子的位置小于光的波

    长，所以有必要使用短波长的光来进行测量。根据普朗克的量子理论，使用的光不能任意少，至少需要一

    个光子。但是这个光子会对观测对象粒子产生干扰，并且以无法预测的方式改变粒子的速度。对位置的测量越准确，需要使用的光的波长就要越短，此时光子的能量就越强，对粒子的干扰也越大。也就是说，对

    粒子位置的测量越精确，测得的速度就越不准确，反之也是如此。海森堡提出，这个粒子的不确定性与粒

    子质量的关系需要符合普朗克常数。这种不确定性与粒子的种类无关，也与测量的方法无关，因此，不确

    定性原理是宇宙中无法回避的一种普遍性质。拉普拉斯提出的宿命论的宇宙思想在不确定性原理面前彻底

    失去了生命力，因为如果我们无法对宇宙当前状态进行精确的测量，那么对未来将要发生的事做出精准的

    预测也就无从谈起了。

    四、互补原理

    1928年，丹麦物理学家波尔提出了互补性原理。这个理论认为，所有事物都存在很多侧面，对一个确

    定的对象来说，如果承认它具有某一个侧面，就要否定它的另一个侧面，从这个意义上来说，它们彼此互

    斥。同时，那些被否定的侧面无法彻底否定，因为在某些时刻仍然要使用它们，因此，从这个意义上来说

    它们彼此互补。如果讨论彼此互斥又互补的两面哪方面更重要，其实是没有意义的。只有将所有的方面和

    条件都考虑周全，才能并且一定能够对一件事物进行全面和准确的描述。

    波尔的原话是：“一些经典概念的应用不可避免地排除另一些经典概念的应用，而这‘另一些经典概

    念’在另一条件下又是描述现象不可或缺的；必须而且只需将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起，才

    能而且定能形成对现象的详尽无遗的描述。”

    波尔提出的这一理论是来源于对波粒二象性的思考的。因为波和粒子在同一时刻互斥，但是在其他层

    面上是统一的。因为光波与粒子都具有波粒二象性，并且在同一个测量中，波动性与粒子性不会同时出

    现，因此在对微观粒子进行描述时波和粒子互斥。从另一个角度来说，如果两者无法同时出现，就证明在

    实验中无法产生冲突。而且在对微观现象进行描述时，二者必须共同起作用，缺一不可。所以我们可以这

    样说，波与粒子是互补的。

    互补原理还来源于实验使用的仪器和观测对象的互相影响。在经典物理学中，可以对实验条件进行改

    进来削弱实验仪器和对象的相互作用，或者使用一些细致的分析来完全抵消这种影响，因为在理论上一些

    十分微小的影响是可以忽略不计的。所以科学家们能够使用同一个仪器来对物体的不同方面进行测量，并

    且不影响被测物体。在测量了所有方面的性质之后，关于这个物体的整体描述就能够得出了，但是在微观

    尺度下的实验中，实验仪器和被测对象的相互作用无法避免并且是不能被忽略的。因为理论上我们无法准

    确地知道实验的哪个部分是仪器和物体之间的相互作用造成的，所以不能用同一台仪器去测量物体不同方

    面的性质。而不同的实验得出的结果可能是互相矛盾的，因此不能用这些结果形成一个统一的图景。在这

    种情况下，就需要通过互补原理来思考问题，用更为广阔的思维框架统一这些互相矛盾的结果，进而对微

    观现象进行客观而完整的描述。

    想要对我们之前获得的经验进行归纳和总结，就无法继续使用过去的因果概念了，要使用互补性原理

    来取代。因为互补性的思维方式更加宽广，所以能够对因果性原理进行合理的推广。

    海森堡提出的不确定性原理从数学意义上对物体的波粒二象性进行了解释，互补性原理则是在哲学层

    面对波粒二象性进行了总结和概括。不确定性原理和互补原理共同作为量子力学的基础，是哥本哈根解释

    的两个基石。第二章 宇宙中的星系

    星系

    一、什么是星系

    “星系”这个词在英语中的词源来自希腊语，意思是满天繁星。星系从广义来说指的是由无数恒星系和

    星际物质组成的运行系统。就像我们身处的银河系一样，包含约1000亿颗恒星，数不清的星际物质、宇宙

    尘埃和暗物质，并且受到重力的束缚，围绕着银河系的核心缓慢旋转。星系在旋转时有两种方式，一种是

    众多质量小的星球围绕着一个质量巨大的核心运行，还有一种是星球之间具有一个共同的质心，星球们围

    绕着这个质心转动。宇宙中的多数星系都是以第一种方式运行的。

    星系的种类有很多，矮星系中只有几千万颗恒星，椭圆星系则可能有成兆颗恒星。但是它们的共同点

    是都具有一个质量核心，并且绕着它进行运转。一个星系中通常不但包含单独的恒星和星际物质，还包含

    数量众多的双星乃至多星系统，以及星团和星云。在星系之间的广大区域，是极其稀薄的等离子体。这些等离子体具有宇宙的纤维状结构，并且比宇宙

    的平均密度要高。我们将这样的物质称作星系际介质。这些介质通常是氢元素发生电离后形成的，含有等

    量的电子和质子。星系际介质的密度通常能够达到宇宙平均密度的10～100倍，在一些富星系团内能够达到

    平均密度的1000倍以上。

    以地球的观察角度来说，星系际介质通常是被电离的气体。这些介质具有很高的温度。当宇宙中的气

    体从空旷的宇宙空间进入星系际介质时，温度会提高到10开，这个温度能够使氢原子相撞时产生自由电

    子。像这样具有温度的星系际介质被称为温热星系际介质。通过使用数学模型在电脑上模拟这一过程，我

    们可以发现宇宙中大约一半的物质都可能是以这种具有一定温度的低密度状态存在的。气体从温热星系际

    介质进入星系团后，温度会继续升高，达到100开以上。

    在人类能够观测到的宇宙范围内，拥有超过1000亿个星系。这些星系能够形成庞大的星系群或者星系

    团，这些星系团又会形成更大的超星系团。从远处看它们像纤维状的薄片一样，在宇宙中围绕着某个巨大

    的空洞旋转。星系中还存在着许多暗物质。虽然我们对暗物质还没有深入的了解，但是能够推算出在很多星系中这

    些暗物质所占的质量都超过90%。同时，根据我们的观测，大多数星系的核心都有一个超大质量的黑洞，这些黑洞能够解释为什么有些星系的核心非常活跃。我们太阳系所在的银河系，也具有一个隐藏着的黑洞

    核心。

    星系的大小往往具有很大的差距。小型的不规则星系通常直径在6500光年到2.9万光年之间。银河系这

    样的旋涡星系的直径通常在1.6万光年至16万光年之间。椭圆星系的体形较大，最大的椭圆星系的直径能够

    达到49万光年。星系中拥有数千亿颗恒星，具有的质量相当于太阳质量的100倍至1万亿倍。星系内部的恒

    星进行运动，星系本身围绕核心自转，星系作为一个系统在宇宙中也进行运动。在过去，天文学家曾经认

    为，星系的自转沿顺时针方向和沿逆时针方向的概率相同，但是经过观察，我们可以看到沿逆时针方向自

    转的星系数量更多。

    星系在宇宙微波背景上具有红移现象，这就说明在空间方向上这些星系是在逐渐远离我们的。这个现

    象从一个角度上证明了宇宙大爆炸理论，也能说明宇宙正在膨胀。

    从大尺度上来说，星系是基本均匀的。但是从更小的尺度上来看，星系内部十分不均匀。大麦哲伦星

    系与小麦哲伦星系组成了双重星系，这个系统与银河系一起又形成了一个三重星系。

    很少有星系在宇宙中是单独存在的，通常来说星系都被看做视场星系。很多星系和其他星系之间存在

    着重力的相互作用。如果有50个左右的星系在一起形成一个群落，这样的星系群落就被称为星系群。规模

    更大、包含星系更多的群落则被称为星系集团。这样的集团通常以一个巨大的椭圆星系作为核心。这个星

    系的巨大引力会将邻近的星系撕碎，加入自己的星系中。在更大的尺度上，还存在着超星系集团，其中包

    含数万个星系、星系群和星系集团。在这个尺度上，星系仿佛一个薄片，在各个方向都呈现出同性和均

    质。

    二、星系的形成和演化

    星系的形成和演化说法不一，其中的一些理论被普遍接受，另一些还存在争议。关于星系的形成有两

    种不同的理论。其中一种理论认为，星系是和宇宙一起诞生的，始于137亿年前的宇宙大爆炸。还有一种理

    论认为，星系是由宇宙尘埃的结合形成的。该理论认为，宇宙本来具有很多球状星团，这些星团发生碰撞

    并毁灭，留下了很多宇宙尘埃，这些尘埃经过漫长的岁月，就形成了星系。直到今天，关于“星系究竟是如

    何形成的”这一问题还没有出现一个统一的理论。根据宇宙大爆炸理论，宇宙中最古老的星系应该形成于爆炸发生后的10亿年左右。宇宙刚出现的时

    候，经历了能量的巨大爆发，随着宇宙温度的降低和膨胀，引力的作用越来越明显。这个时期的宇宙进入

    了一个能量暴涨的阶段。随着这个暴涨的过程，原始能量中的微小涨落被放大了，在宇宙空间形成了一些

    沟状的结构，在这些沟里就形成了最早的星系团。

    宇宙的暴涨持续时间很短，转瞬即逝。之后，宇宙的膨胀速度又恢复到了正常水平，和今天的水平类

    似。宇宙诞生的第一秒钟，在宇宙温度降低和膨胀作用的双重影响下，一些能量密度较大的区域中，出现

    了大量的质子、中子和电子。100秒之后，这些质子和中子彼此结合，形成了氦原子核。在接下来不到2分

    钟的时间里，构成所有物质的成分都出现了。从这时起又经过了30万年，宇宙的温度继续下降，氢原子核

    和氦原子核已经能够俘获电子，并且形成氢原子和氦原子。这些原子通过引力聚集起来，形成纤维状的宇

    宙物质云。

    在宇宙大爆炸发生之后的10亿年，这些原子云结合成更为致密的云团。原始星系就在这些云团中逐渐

    形成了。这时，宇宙的尺度还不是太大，原始星系之间的距离很小，所以相互之间具有很强的作用。一些

    规模较大但是密度很小的云团中，逐渐凝聚出更小的云，其他部分会被别的云撕碎并吸引过去。由于引力

    不断吸引氢原子和氦原子，原始星系的质量不断增大，引力也随之增大，就会吸引更多气体云。随着时间

    的推移，每个云团的运动和彼此之间的相互作用终于使整个原始星系开始了自转。在巨大的引力下，云团

    开始坍缩。自转速度快一些的星系形成了盘状，慢一些的形成了椭圆状。

    这些原始星系从宇宙中吸引了大量物质之后，恒星就在其中逐渐形成了。这时候，宇宙看起来已经与

    今天的样貌有些相似。星系在宇宙中的气体云中成群结队地出现，仿佛地球的海洋上点缀着的群岛。很多

    星系组成巨大的星系团，在星系际介质的包围下，形成长达数亿光年的纤维状结构。这些星系群在大尺度

    空间下，形成一个球形。在宇宙中，星系的分布呈现出网状。从更大的尺度上来看，星系的中央是类似气泡的空白区，整体上

    形成的是类似神经网络一样的结构，这就是宇宙的大尺度分布。人类所在的银河系，是一个星系群中的一

    分子。这个星系群的规模不大，其中最大的两个星系分别是银河系和仙女座星系。星系群中的其他矮星系

    是这两个大星系的卫星星系。

    三、星系的种类

    在对星系的观测中，我们通常是以能够观察到的星系的形状来进行分类的。宇宙中最常见的星系是椭

    圆星系，这样的星系呈椭圆状，十分明亮。螺旋星系的形状是圆盘状的，具有弯曲的旋臂。还有一些星系

    的形状不规则，造成这种情况的原因多数是附近的星系的引力影响。两个相邻的星系之间产生相互作用

    时，可能造成大量的恒星，形成星爆星系，甚至造成两个星系合并在一起，最终形成一个更大的星系。还

    有一些小型的星系，不具备稳定的结构，这就是不规则星系。下面，我们介绍宇宙中存在的几种主要的星

    系。

    1.椭圆星系

    椭圆星系从外观上来看呈现出正圆形或者椭圆形，核心十分明亮，相对来说边缘比较暗淡。尽管同属

    于一个类型，但是椭圆星系在质量上存在很大的差别，根据哈勃星系分类法，椭圆星系能够被分为从E0到

    E7的八个次型。其中，E0型接近于正圆形，而E7型是最扁的。通常来说，椭圆星系诞生于宇宙形成的早

    期，其中的恒星大部分已经定型并且开始衰老，尽管也会有新的恒星诞生，但是数量很少。椭圆星系一般

    来说会发出红色或黄色的光，这一点与螺旋星系有很大的差别。螺旋星系的旋臂上有很多表面温度很高的

    年轻恒星，发出淡蓝色的光芒。

    质量最小的矮椭圆星系和球状星团相当，超巨型椭圆星系质量最大，在宇宙中也可能属于最大的恒星

    系统，在质量上大约是太阳的千万倍到百万亿倍，在光度幅度上从绝对星等-9等到-23等。椭圆星系质量光

    度比大约是50～100，而螺旋星系的质量光度比大约是2～15。这说明在产能效率上椭圆星系要比旋涡星系

    低很多。椭圆星系的直径范围在1～150千秒差距。总光谱型为K型，具有红巨星的光谱特征。在颜色上，椭

    圆星系要比旋涡星系发红，这表明其年轻的成员星要比螺旋星系的少，由星族Ⅱ天体组成，星际气体和星

    际尘埃非常少或没有，典型的星族Ⅰ天体蓝巨星在椭圆星系中是不存在的。

    在关于星系是如何形成的这个问题上，一些科学家持有一种观点，他们认为当两个螺旋星系发生碰撞

    和合并时，就会形成椭圆星系。通过天文观测我们能够知道，螺旋星系中的恒星都很年轻，但是在椭圆星

    系中则有完全不同的情况，那里的恒星都已经走向了衰老。这就意味着，螺旋星系是先诞生的，而后发生

    了合并，形成了椭圆星系。有科学家在计算机上模拟了这种理论，得到的结果表明，两个螺旋星系发生碰

    撞后，是有可能形成椭圆星系的。这个过程会形成一个新的星系，呈椭圆形，并且有一个和椭圆星系高度

    类似的星系盘的核心。椭圆星系出现在具有紧密的星系群的星系团中，并且通常靠近星系团的核心。在一

    些椭圆星系中发现了发出蓝色光芒的年轻恒星，这种情况通常被认为是椭圆星系和其他星系发生了合并，并形成了新的恒星。

    加拿大天文学家考门迪经过观测发现，在有些大于普通椭圆星系质量的巨型椭圆星系中心，其亮度分

    布会呈现出异常的现象，并且在星系的中心部分似乎还存在另外一个核。考门迪认为造成这种情况的原因

    可能是巨型椭圆星系将另一个质量较小的椭圆星系吞噬了。这种形态的星系在宇宙形成的早期发生合并的

    现象可能很普遍，发生的频率也很高。较小的星系发生合并，会涉及两个质量不同的星系，对于椭圆星系

    的质量来说是没有限制的。在银河系中，有一个小的星系就正在进行着合并。

    椭圆星系的质量和尺度的范围非常广泛，一个小型的椭圆星系的质量可能仅为107倍太阳的质量，但是

    大型的椭圆星系能够达到接近1013亿倍太阳的质量。与典型的球状星团相比，最小的矮椭圆星系是个不折

    不扣的小个子，但它所拥有的暗物质数量庞大，因此不能将它归入星团一类。矮椭圆星系不一定就是真的

    椭圆星系，从特征上看，它们很像是不规则星系与晚期的螺旋星系，它们常被天文学家称为“矮椭球”，至

    于它们属于哪种星系，目前还存在争议。

    在物理类型上椭圆星系可分为两种，其一是“盒状的”巨大椭圆星系，它的出现是因为一些区域的不规

    则运动比其他区域明显，其二是“盘状的”椭圆星系，它的质量和体积都属于普通大小，亮度低，有着各向

    同性的随机运动，并且能够被星系自转拉平。远古的巨大椭圆星系，有可能孕育了生命，矮星系孕育生命的概率最低，而银河系则处于这两者之

    间。科学家们对于最有可能孕育生命的星系的研究，已经在逐渐缩小勘测的范围。英国达勒姆大学帕拉蒂

    卡·达亚尔在这类研究中，将不同星系与存在生命形式的银河系做了对比，认为宜居星系的重要条件是拥有

    大量行星环绕的恒星，同时恒星的数量较少，这样能够降低超新星数量。在宇宙中对生命体威胁最大的区

    域就是带有大量新生恒星的矮星系，因为在这类星系内会发生定期的超新星爆炸，对整个星系造成灾难。

    超新星的爆炸对附近的星体有可能造成物种的灭绝，近代恒星形成的数量较低，这说明超新星引爆的可能

    性也相应降低。

    经过对银河系内超新星的比例的观测，达亚尔认为，巨型椭圆星系的质量是银河系的两倍多，但不稳

    定，年轻恒星的数量却很少，不足银河系的十分之一。假如在银河系内有一颗行星宜居，巨型椭圆星系所

    拥有的宜居行星就会达到上万颗。

    对这个问题，美国内华达州立大学的一位科学家做了进一步的研究，他说：“我们并非仅需要考虑超新

    星，伽马射线暴同样限制了生命的诞生。科学家们通常认为，地球在过去的5亿年里仅出现过一次伽马射线

    暴，就可能导致了4.4亿年前奥陶纪物种大灭绝，相比之下，同一时间表内活跃矮星系中的类地行星可能已

    经遭受了100次伽马射线暴。”

    2.不规则星系

    不规则星系，指的是具有不规则的形状，内部没有明显的星系核或者旋臂，不具有盘状的对称结构也

    不具有螺旋对称性的星系。在哈勃序列中，起初并不包含不规则星系。因为这些星系虽然也是恒星的群

    落，但是通常没有旋涡或者对称的椭圆状形态。这些星系的外观十分不规则，而且不存在一个明显的星系

    核心。不规则星系的尺度通常较小，直径在0.65万光年到2.9万光年之间。在天空中可以被观察到的所有星系中，不规则星系的数量大约为5%。

    这些星系可以用Irr来表示。按照星系分类的标准，不规则星系还可以进一步细分为IrrⅠ型和IrrⅡ型两

    种。Ⅰ型不规则星系是具有一般特征的不规则星系，其中的一部分呈棒状结构，并且这一结构也是不规则

    的。这些星系都属于矮星系，质量相当于太阳质量的1亿倍到10亿倍。当然，也存在一些较大的星系，能够

    达到太阳质量的100亿倍。这些星系的体积非常小，组成星系的星族与螺旋星系十分接近。Ⅱ型不规则星系

    则可能是正在发生爆炸或者爆炸刚刚结束的星系，还有一些是受附近的星系的引力干扰发生扭曲，形成不

    规则星系。所以这两种类型的星系具有完全不同的起源，不能混为一谈。

    在距离我们不到1000万光年的地方，有一个名为NGC2366的不规则星系。它的内部有两个星团，其中

    正要形成新生的恒星。其中一个星团位于下方，年龄仅为200万年，处于一片宇宙尘埃和气体云中，是刚刚

    诞生的幼年星团。还有一个星团位于该星系顶端，年龄稍大，大约为400万～500万年。这个星团中的恒星

    发出了强烈的能量辐射，把星团中的气体几乎吹了个干净。和太阳相比，这两个星团中正在形成的恒星的

    质量都很大，所以寿命会很短。其中最明亮的一颗恒星呈现出明亮的蓝色，质量相当于太阳的30～60倍。

    这样的大型恒星，会发生十分剧烈的亮度变化。通过哈勃望远镜对这个星团进行长期观测的结果表明，在

    三年的时间里，这颗蓝色恒星的亮度增加了40倍，是这个星系中最明亮的恒星。

    3.螺旋星系

    在人类已经观测到的星系中，要数螺旋星系的数量最多、外观最美丽。它们是由恒星和大量的宇宙尘

    埃和星际气体云组成的，是一种具有旋臂的扁平状星系。螺旋星系具有旋涡状的结构，在哈勃星系分类标

    准中，用S来表示。科学家是于1845年对猎犬座星系M51进行观测时发现螺旋星系具有螺旋结构的。

    这类星系之所以被称为螺旋星系，是因为星系盘上从核球向外具有呈对数的螺旋结构，而且具有由恒

    星组成的旋臂。有些螺旋星系的旋臂因为具有丛生的絮结，所以分辨起来会有些困难。但是根据旋臂这个

    特征，可以和具有星系盘结构但是没有旋臂的透镜星系区分开来。在螺旋星系的星系盘外，经常会包裹着

    庞大的球形星系晕。这些星系晕中主要的组成部分是Ⅱ星族恒星，同样的恒星还会出现在围绕星系核运动的球状星团内。

    无论在形态结构上还是在恒星成分上，螺旋星系都和椭圆星系存在区别，只是螺旋星系的核部有个椭

    圆形的外观。大量的蓝巨星、疏散星团和气体星云存在于螺旋星系的旋臂内，其中最有代表性的就是仙女

    座星系M31，它距离银河系非常近，就像一片薄薄的云彩飘在空中，我们用肉眼就能隐约发现它。

    通过使用哈勃太空望远镜进行观测，天文学家们发现，现在看起来十分美丽的螺旋星系，在诞生的早

    期都曾经是丑小鸭。科学家们通过分析认为，在宇宙中刚形成星系时，螺旋星系的模样和如今有很大区

    别，呈现出一种丑陋且畸形的形状，后来才随着时间的推移进化为螺旋状。

    在60亿年前，我们的银河系也呈现出一种奇异的形状，后来这些具有奇怪外表的星系相互碰撞合并，形成了如今的螺旋星系。科学家们通常认为，从80亿年前开始，星系的碰撞就已经不再频繁出现了，但是

    直到40亿年前，这样的事件仍然时有发生。

    有一种获得普遍认同的观点，那就是星系的碰撞和合并将会形成椭圆星系。但是另一种观点与之完全

    相反，一些科学家认为，星系之间发生合并的结果是产生螺旋星系。银河系的形成相对来说比较平静，它

    似乎躲开了一些十分剧烈的撞击。但是距离银河系不远的仙女座星系的命运就比较曲折，它经历了一个漫

    长的进化和改造过程。

    螺旋星系的旋臂是由星系的核心延伸出来的旋涡和短棒组成的区域，这些长且薄的区域类似旋涡。一

    个具有星系核的星系在宇宙中运动时，如果遇到了另一个具有星系核的星系，并且它们具有相近的运动速

    度，就会发生互相吞噬和融合的情况，组成一个大星系。两个星系的星系核碰到一起之后，会形成一个共

    同质心并且围绕着这个质心相互转动，组成一个更大的星系核。这个星系核会向两极发射强大的能量，就

    如一个星系发电机一样。星系核越大，喷射的能量就越大，喷出的粒子流也就更远。当星系核向外喷射粒

    子时，内部的能量会被大量消耗。但是，当它和其他星系发生融合时，能量就会得到补充。星系核的能量

    减小时，会出现两条喷射的粒子流形成的光带。如果星系核的磁轴围绕着自转轴旋转，喷流会发生弯曲，形成星系的旋臂，旋臂中是恒星能够大量诞生的活跃区域。

    科学家们曾经十分不理解旋臂为何能够存在，因为当星系进行自转时，外层的恒星运动速度要大于距

    离核心更近的恒星运动速度。实际上，并不是恒星的运动形成了螺旋臂结构，而是螺旋中的密度波造成了

    恒星的大量出现。因此，虽然螺旋臂因为拥有很多刚诞生的恒星而非常明亮，但是并非是恒星的运动形成

    了螺旋臂。

    螺旋星系的核球十分巨大，它们存在于螺旋星系的中心，身边紧紧围绕着大批恒星。核球的组成部分

    大多是Ⅱ星族的恒星，它们都已经十分衰老，体积很小，温度也很低，呈现出红色。这些恒星的年龄和整

    个星系一样大，都有数十亿年了。只有这些小型的低温恒星能够具有如此漫长的寿命。

    还有一些核球中存在年轻的Ⅰ星族蓝色恒星，它们和红色的年老恒星混合在一起。虽然我们目前无法

    对这种现象做出圆满的解释，但是通常认为这代表了星系的融合。当星系互相碰撞和吞噬时，新的宇宙气

    体云会进入星系中心，并且形成恒星。

    在螺旋星系中，大部分恒星要么是在星系盘面上运行，要么就是围绕星系的核球在常规轨道上运行。

    还有一些形成了星系扁球体，同时围绕核球运行。这些星系扁球体通常都是集中在星系中间的，目前对它

    们的运行轨道仍然存在争议。这些球体的运行方向十分杂乱，有些是顺时针运行，有些是逆时针运行，还

    有一些具有很高的倾斜角，在不规则轨道上运行。这些星系扁球体中的恒星可能原本并不属于这个星系，而是外来者，是因为星系的碰撞和融合才进入这个星系的。比如，银河系正在吞噬人马座的椭圆矮星系，观测显示，银河系的银晕中出现了来自这个星系的恒星。

    与星系盘不同的是，星系的外晕中的星际尘埃可能处于自由状态。如果更深入地进行对比，那么可以

    发现星系晕中都是Ⅱ星族恒星，而且恒星具有的金属元素含量远低于星系盘中的Ⅰ星族恒星。在星系晕中

    存在很多球状星团。

    星系晕中的恒星可能在运行过程中和星系盘发生交叉。离太阳系不远的一些红矮星通常被看做是来自

    星系晕的恒星。因为它们围绕星系运行的轨道十分不规则，所以总是会出现一些看似不正常的运动轨迹。

    下面我们来介绍螺旋星系的几种代表星系：(1)涡状星系

    前面提到的人类发现的首个螺旋星系是涡状星系，也被称为M51。这个星系位于猎犬座，在北方的天

    空中可以观察到它。这个星系距离地球2300万光年，直径约为65000光年。

    1773年，法国天文学家梅西耶发现了涡状星系。1781年，天文学家梅香又发现了它的伴星系，并命名

    为NGC5159。它的螺旋结构是威廉·帕森斯发现的，他使用了一台位于爱尔兰的大口径发射望远镜取得了这

    个发现成果。2005年，天文学家又在该星系内发现了一颗超新星爆发，最大亮度达到14星等。

    (2)向日葵星系

    向日葵星系，同样位于猎犬座，和M51属于同一个星系群，也是一个螺旋星系。1779年，天文学家梅

    香发现了这个星系，后来被梅西耶收入星表中，并编号为M63。这个星系是在19世纪中期被确认为螺旋星

    系的，是第一个被确定结构的星系。

    (3)三角座星系

    三角座星系，也被称为M33。这是一个螺旋星系，和地球之间的距离为314万光年。三角座星系在银河

    系所在的星系群中是第三大的，前两名分别是仙女座和银河系。三角座星系虽然可能受到仙女座的引力影

    响，但是仍然可以称作是一个较大的螺旋星系。这个星系的伴星系是双鱼座矮星系，又被称为LGS3。

    如果天空中的观测环境良好，我们能通过肉眼直接观察到三角座星系。它是为数不多的不凭借其他设

    备就可以观测的星系，但是容易被误认为附近的NGC752。

    2005年，科学家们使用超长基线阵列对三角座星系的角动量和自转进行了估算，计算的结果是三角座

    星系正在向仙女座星系靠近，运动速度约为190±60千米秒。

    (4)仙女座星系

    仙女座星系是银河系所在的星系群中最大的星系。这个星系还被称为M31，距离地球约250万光年。在

    人类肉眼可见的星体中，仙女座星系是体积最大的。通过美国国家航空航天局发射的深空望远镜史匹哲太

    空望远镜，我们能够发现仙女座拥有将近1兆颗恒星，比我们的银河系拥有的恒星数量——约为1000亿颗

    ——要多得多。在2006年，经过重新估算，科学家们认为，银河系的质量大约仅为仙女座星系的一半。

    仙女座星系在适宜的观测条件下可以用肉眼看到，但是这仅限于在偏远的小镇和荒无人烟的地区，远

    离人口集中区和光污染区，才能清晰地看到仙女座星系。在肉眼观测下，仙女座星系显得非常小，因为它

    只有中心区的亮度足够高，但是这个星系的角直径实际上比满月在天空的直径还要大上7倍。

    (5)大螺旋星系

    大螺旋星系，又被称为NGC123。这个巨大的星系的迷人之处在于，它包含着大量美丽的蓝色恒星。这

    些蓝色的星体在星际尘埃和气体云中形成旋涡，而不为人所知的暗物质在旋涡的边缘隐藏着。

    4.棒旋星系作为旋涡星系的核心，棒旋星系有明亮的恒星凝聚成的短棒，这条短棒从星系的中心穿越，而星系的

    旋臂就像从短棒的末端涌到星系中。相比之下，对于一般的螺旋星系来说，恒星是从核心直接涌出的。从

    星系的分类看，为了与正常螺旋星系S相区别，棒旋星系用符号SB表示。

    棒旋星系在全天的亮星系中大约占了15%。而在较暗的星系中，它的比例会提高到25%。从质量、光

    度、光谱以及成员天体的星族类型、气体和尘埃的分布、星系盘和星系晕的结构以及空间分布的特点等方

    面看，棒旋星系与正常的螺旋星系都是相似的。按照哈勃分类法和沃库勒分类法，棒旋星系可分为三类：

    第一类是正常棒旋星系，第二类是透镜型棒旋星系，第三类是不规则棒旋星系。

    所谓正常棒旋星系，最明显的特征就是棒状的结构，旋臂从棒端伸出，一般来说和棒体形成90度。根

    据旋臂的不同，这一类棒旋星系可以被分为三个次型，前两种次型的棒旋星系具有光滑的棒状结构，但是

    第三种次型的棒体和旋臂中，存在一些能够被明显观测到的亮星、亮节或者亮团。

    透镜型棒旋星系没有旋臂，这是和正常棒旋星系之间的显著区别。透镜型棒旋星系的外形看起来与希

    腊字母Θ十分相似。这一类星系的中心区有一个明亮的星系核心，核外是一圈亮度较暗的星系盘。星系的棒

    状结构的两端和星系盘的边缘交汇在一起，但是无法形成旋臂。

    不规则棒旋星系根据其旋臂结构的不规则性分为几种。我们现在还无法确定的是，这一类棒旋星系的

    棒状结构是否同样位于星系的核心区域。这些星系的棒状结构在整个星系中的光度大约为10%～20%，并且

    颜色与旋臂相比显得更红一些。

    棒旋星系在运动方面具有如下几个较为主要的特征：第一，通常来说，棒旋星系具有一个质量很大的

    核心，这个核心具有十分复杂的空间结构，运动的速度很快，并且运动形态也很复杂。第二，在棒状结构

    的内部，以及该结构附近的恒星和星系介质会进行非圆周运动。第三，在棒旋星系的外侧，星系盘是最主

    要的结构，在整个星系中占有很大的质量，星系盘围绕星系进行角差运动。

    根据科学家们的分析和推测，当螺旋星系在引力作用下将大量星际气体云送入星系的中心地带时，就

    会在核心产生一个棒状结构，其中会孕育出许多新的恒星。另外，在大多数星系中都存在一个大质量的黑

    洞，这个黑洞也会吞噬星际气体云。

    棒旋星系中，年龄较大的红色恒星的数量远比蓝色的年轻恒星要多。科学家们认为，当一个星系中央

    出现了棒状结构，就说明该星系已经步入了中年。在宇宙形成的初期，只有不到五分之一的螺旋星系中能

    够发现棒状结构，但是到了现在，已经有超过三分之二的螺旋星系变成了棒旋星系。这个观测结果，与科

    学家之前做出的预测是相符的。5.矮星系

    在宇宙中的众多星系中，矮星系的亮度是最弱的。通常来说，矮星系的绝对星等只有-8等到-16等。一

    些矮星系属于不规则星系，还有一些属于小型的椭圆星系。这两类矮星系的规模都不大，包含的恒星数量

    也很少。椭圆矮星系是所有椭圆星系中体积和质量最小的，还有一些矮星系与球状星团相似，但是直径要

    更大一些，大约为球状星团直径的10倍。

    我们的银河系所处的星系群中，总共有40个星系，其中矮星系的数量就达到了20个。这个现象能够说

    明，在全部星系中，矮星系所占的比例是相当大的。因为矮星系的亮度很低，所以矮星系非常难以被观测

    到，但是它们的数量却比大型星系多出许多。在银河系附近的星系团中也发现了大量矮星系。

    矮星系虽然在整个宇宙的尺度属于小型的天体系统，但是在宇宙的进化过程中，矮星系发挥了十分重

    要的作用。一些天文学家认为，矮星系是宇宙中最先形成的星系形式，较大的星系是由矮星系组成的。到

    目前为止，宇宙中数量最多的星系形式就是矮星系，其中的天体也是宇宙中最多的。这些矮星系是宇宙最

    基本的组成部分。用来模拟宇宙进化的模型显示出了宇宙中矮星系的数量很多，所以在宇宙中的实际数量

    可能比科学家之前预想的要多得多。

    6.活动星系

    除了普通的正常星系以外，还有很多星系存在着剧烈的活动，尤其是这些星系的核心部分，活动相当

    剧烈。因此，这些星系和星系核就被称为活动星系和活动星系核。活动星系包括类星体(QSO)、塞弗特

    星系、射电星系、蝎虎座BL型天体等。绝大多数活动星系和我们银河系的距离都十分遥远。这从某种程度上可以表明，我们观察到的现象发

    生在它们刚诞生不久的时候，因为它们发出的光线需要经过数百万年乃至数亿年才能来到地球。所以这让

    很多天文学家断定，在星系形成的早期，都会经历类似的过程。

    活动星系的最大特点是，在这类星系的中央有一个极小但是亮度极高的核心，这就是活动星系核。活

    动星系核存在着剧烈的活动和爆发。科学家通过观测其各个波段，根据射电、红外、光学以及X射线光度的

    变化，估算出各个辐射区域的大小，长度一般为几十个光分、几个光小时，最长的也仅仅达到光年量级。

    因此，与整个活动星系相比，核活动的区域是极其微小的。然而，虽然核活动的区域非常小，但它释放出

    来的能量却极其大，例如，一颗类星体所释放出来的能量比银河系一生所释放出来的能量总和还要大。

    活动星系还具有强大的非热连续光谱，光谱中的发射型很宽。一些活动星系的光变十分迅速，时标为

    几小时。还有些活动星系中存在喷流等爆发现象。类星体和蝎虎座BL型天体这一类活动星系的辐射，大部

    分源自活动星系核，其他区域几乎不具有能量辐射。活动星系的总数大约相当于所有普通星系总数的1%，能够存活的时间大约为1亿年。人们对这种星系还知之甚少，所以关于活动星系的研究正在成为天文学和天

    体物理研究领域的热点。

    我们在对活动星系核的特征进行总结时，主要的分类依据是观测时使用的手段，与星系核本身的关系

    不大，因此很多活动星系的特征是相互混杂的。但是即便是这样，仍然可以大致分成几类。

    塞弗特星系是人类发现的第一种活动星系，因为它的发现者是美国天文学家卡尔·塞弗特，所以被命名

    为塞弗特星系。这种星系具有一个十分明显的核，是一个螺旋星系。该星系能够发出很强的电离射线，具

    有很宽的谱线。这类星系通常都不发射无线电波，但是能够发射出很强的红外线。根据发出的射线宽度，能够将塞弗特星系分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型塞弗特星系的射线具有很宽的谱线，根据测算能够得出它是由高

    速旋转的氢气云形成的。Ⅱ型塞弗特星系的发射谱线很窄，虽然含有氢气体，但是并未形成高速的气体

    云。

    类星体与塞弗特星系非常相似，但是类星体中心的核的运动更加剧烈。在天空中，这些星系的核心看

    起来就像是恒星一样，所以才被称作类星体。但是使用分光镜进行分析，发现这些发光点并非恒星。从这些星系发射的光谱谱线产生的红移能够知道，它们距离地球都十分遥远，是已知的离我们最为遥远的天体

    之一。和塞弗特星系的相同点是，它们既可能保持射电静默，也可能成为射电源。通常情况下，类星体的

    亮度都很高，是普通星系亮度的1000倍左右。

    1963年，科学家首次发现了类星体。从宇宙局部的照片来看，类星体只是一颗普普通通的恒星，但如

    果把这颗类星体放大，就会发现它与恒星是不同的。因为它的外层包裹着云状的气体物质，同时还会发生

    喷流现象。类星体所含的元素与地球上的元素是相同的，但从光谱来看，它们二者的光谱线并不在同一个

    位置上，这是因为红移的影响，只要把地球元素的光谱线乘以红移系数，就与类星体的光谱线重合了。最

    早被确认为红移的类星体是3C273，其红移达到了0.158，距离地球大约20亿光年。

    射电星系正如它的名称所示，无线电波段具有最强的辐射强度。和其他星系的点辐射源不同，这种星

    系从位于星系两侧的巨大辐射瓣中发出射线。星系中通常具有两个辐射源，所以也被称为双源性射电星

    系。这些星系大多是椭圆星系，根据发射的谱线宽度不同，分为宽线射电星系和窄线射电星系。

    蝎虎座BL型天体具有一个非常明亮的星系核，如果进行短时间曝光，和普通的恒星十分相似。这类星

    体具有快速光变，射电辐射的偏振也十分强烈。它发出的射线光谱中，都没有发射线和吸收线，所以只能

    从它的宿主星系发出的光谱中推断出它的红移。

    光学剧变类星体的光度变化十分明显，而且通常是很强的射电源。这类星体和蝎虎座BL型天体有一个

    统称，被称为耀变体。耀变体在很多方面与类星体十分相似，但是不同点在于没有谱线。低电离核发射线

    区的星系核的亮度不强，而且它的核发射线区是低电离的。这样的星系有时也被看做是低光度的Ⅱ型塞弗

    特星系。

    窄线X射线星系能够发出高电离射线，这一点与塞弗特星系相似。但是这类星系的亮度很低。也可以被

    看做是光谱受到星系内尘埃消光的塞弗特星系。

    星爆星系中有很大的恒星形成区，与发出的可见光相比，它的红外线光度更强。这种星系多数是螺旋

    星系，虽然被称为活动星系，但是与星系核的关系目前还不能确定。

    除此之外，活动星系还包括N星系、兹威基星系、高偏振类星体(HPQ)、低光度活跃星系核

    (MAGN)、热星体(Warmer)等。根据星系发出的射线的波段，还能够分为射电静星系核与射电噪星系

    核两种。射电静星系核中包括塞弗特星系等，而射电噪星系核包括耀变体和射电星系。

    四、对星系的探索和发现

    早在1610年，意大利科学家伽利略就自己制造了天文望远镜，并且利用望远镜来观测天空中的明亮光

    带，这个光带就是银河系。通过观测，伽利略发现这个光带由数量众多但是亮度不高的恒星组成。康德曾

    经提到，他利用托马斯·怀特绘制的星图，推测星系可能是由大量的恒星在引力作用下组合在一起形成的。

    它的本质与我们所处的太阳系一样，但是规模更大。这些恒星形成一个盘状，当我们身处这个盘状物的内

    部时，它看起来就像是一条光带。同时康德还认为，天空中星云也可能是星系。

    到了18世纪后期，法国天文学家梅西耶绘制了星表，其中包含103个亮度很高的星云。过了没多久，英

    国天文学家威廉·赫歇尔也发表了一份包含5000个星云的目录。进入19世纪之后，1845年，科学家罗斯使用

    更为先进的望远镜，能够在宇宙中分辨出螺旋星系和椭圆星系，并且在很多星云中发现了独立的光点，初

    步验证了康德的猜想。但是这时的科学家们尚未一致认为星云是距离遥远的独立星系。

    哈勃于1936年制定了哈勃序列，这个方法至今仍在被使用着。哈罗·夏普里建立了一个模型，认为银河

    系是一个扁平的盘状，太阳系距离这个盘状的核心非常遥远。1930年，天文学家罗伯特利用疏散星团分析

    了星际尘埃在银河系盘状的面上对光线的吸收，得出了银河系的实际图景。1944年，亨德里克对氢原子的

    辐射进行了预测，到了1951年，来自星际空间的氢原子辐射就被发现了。通过这种辐射，我们能够对宇宙

    物质和星系进行更深入的研究，因为这些辐射不会被宇宙尘埃干扰，能够反映出星系中的气体移动。这些

    观测结果让科学家做出了转动的假设，并进一步发现了星系中央的棒状结构。在射电望远镜的配合下，科

    学家们陆续追踪到了一些河外星系中的氢原子。1970年，维拉·鲁宾发现星系中能够被观察到的物质总量无

    法解释星系中的气体的移动速度，这个发现导致人们提出了暗物质的理论。20世纪90年代，哈勃太空望远镜升空了。因为没有了大气层的干扰，人们对太空的观测效率大大提高

    了。而且通过哈勃望远镜的观测结果能够确定，很多神秘的天体不只是宇宙中的暗弱天体。著名的哈勃深

    空就说明了这一点。哈勃望远镜对太空中的一个区域进行了长时间连续的曝光，发现在一小块区域就存在

    大量星系和星系团，进而得出宇宙中可能存在的星系总量可能多达1750亿个。科学家们又改进了光谱探测

    技术，能够在不可见光波段对太空进行观察，能够找到哈勃望远镜无法直接观测到的遥远星系。尤其是使

    用这些仪器对太空中被银河系遮蔽的部分进行观测，找到了为数众多的新星系。

    2011年，欧洲宇航局召开新闻发布会，宣称一个研究小组发现了一个古老的星系。这个星系的寿命据

    称已经有135.5亿年，是我们目前能够发现的最古老的星系。这个发现能够帮助我们更好地了解宇宙经历的

    所谓黑暗时代。根据宇宙大爆炸理论，宇宙是由一个奇点发生爆炸形成的，爆炸发生在距今137亿年前。爆

    炸发生后，宇宙开始向外膨胀，温度也逐渐下降，在38万年后，能量凝结成了物质，宇宙中出现了大量弥

    漫的氢元素。这时因为宇宙中没有能够发光的物质，所以此时的宇宙一片黑暗。后来尽管出现了最早的恒

    星和星系，但是它们发出的光被宇宙中的氢气云遮掩，所以仍然很暗。直到宇宙诞生10亿年后，星系开始

    大量出现，它们产生的电磁辐射驱散了氢气云，宇宙才开始逐渐变得明亮起来。这长达10亿年的时间就是

    宇宙的黑暗时代。当今天文学和宇宙学研究的一个重点就是黑暗时代，而在这一时期诞生的星系能够帮助

    我们对这个时代的情况得到更多的了解。

    2012年，一个天文学研究小组使用哈勃望远镜又发现了一个古老星系。这个星系形成于宇宙刚刚诞生

    的2亿年内。这个古老的星系同样能够使我们对宇宙诞生早期的景象和结构获得更多的认识。

    以美国天文学家理查德·埃里斯为首的一些天体物理学家在加州理工学院发现了目前已知的与地球的距

    离最为遥远的星系。这个星系距离我们极其遥远，距离地球约为130亿光年。这个星系尺度很小，直径只有

    2000光年左右。相比之下，我们的银河系的直径有10万光年。

    研究人员使用两个天文望远镜来对这个星系进行观测，并最终发现了它。除了使用这两个巨大的天文

    望远镜外，科学家们还利用了阿贝尔2218星系团的引力透镜作用，找到了这个星系发出的光线。引力透镜

    作用是爱因斯坦发现的。当光线在宇宙中传播时，会在巨大的引力作用下发生扭曲，产生类似透镜的效

    果。通常来说，我们感觉不到这种作用带来的影响，但是如果光线是来自数十亿光年之外，那么就会产生

    非常明显的效果。一位天文物理学家表示，这样遥远并且尺度很小的星系，如果没有引力透镜作用，是根

    本不可能被我们发现的。

    哈佛大学的天体物理学家罗伯特认为，此次发现的最遥远星系对天文学的研究将起到重要的作用，因

    为这个发现能够证实许多科学家过去进行的猜测，还能让人们知道宇宙中究竟是什么时候开始发出光亮

    的。理查德表示，科学家们曾经认为在宇宙诞生的初期形成的星系内包含的恒星和现代的星系中的恒星存

    在巨大区别；但是通过对这一星系的观测我们可以发现，宇宙的黑暗时代形成的恒星与后来诞生的恒星并

    没有多大的差异。

    银河系1784年，威廉·赫歇尔和他的妹妹卡罗琳·赫歇尔用自己制作的望远镜观测北半球上空的恒星。他们把天

    空划分成大约1083个区域，分别数出每个区域中的恒星数量，然后把所有区域的恒星数量加在一起，得到

    的总量约为11万颗恒星。此后，威廉·赫歇尔的儿子约翰·赫歇尔继承了父亲制作的望远镜，把南半球上空的

    恒星总量也数了出来，他将南半球上空划分为2299个区域，计算得出的恒星总量为70万颗。他们把观测到

    的恒星分布绘制下来，最后得到的恒星分布图呈现出当时人类能够目测到的银河系主要恒星的分布情况。

    随着人类对宇宙的探索不断深入，如今我们能够知道的银河系恒星总量已经达到了两千亿颗。

    银河系是一个盘状的、带有旋臂结构的、密集的星系群体，在整个宇宙中，像银河系这样的星系有上

    千亿个，银河系仅仅是其中普普通通的一员。银河系是一个棒旋星系，质量大约是太阳的一万亿倍，直径

    为10万光年，中心厚度为1万光年，银河直径为7000光年。

    银河系具有自转和公转，太阳系随着银河系自转，也会绕着银河系公转。从宇宙中来看，太阳系还以

    21千米秒的速度朝着武仙座方向运动，而银河系则以211千米秒的速度朝着麒麟座方向运动。银河系的自

    转在天文学中被称为角差自转，也就是旋转中各个部分的角速度不一致。

    银河系内恒星种类很多，按照物理性质、化学组成、空间分布和运动特征，我们可以将恒星按五个星

    族划分。在银盘的旋臂上主要分布着最年轻的极端星族Ⅰ恒星，而在银晕里主要分布着最年老的极端星族

    Ⅱ恒星。

    银河系的银心在距离中心位置1～2光年的范围内。英国天文学家林登·贝尔和马丁·内斯于1971年对银河

    系核心部分的红外观测和其他性质进行了分析，他认为银河系中心的能量源应是一个黑洞，并且预言如果

    这种假设正确的话，那么在银河系中心就有可能观测到一个很小的能发出射电辐射的源，这种辐射的性质

    和人们在地面同步加速器中观测到的辐射性质应该是一样的。

    科学家后来发现了人马座A东和人马座A西两个强射电源，人马座A西的中心区有一个被称为人马座A

    的致密区域，有可能是距离我们最近的巨型超重黑洞。银河系中的所有星体或许都是依靠这一黑洞的引力

    才得以维持聚集状态的。

    一、银河系的组成部分

    银河系的银盘主要由四条旋臂、旋臂以外的散落星体以及星际物质构成，每条旋臂上都有上百亿颗年轻恒星。银河系的四条旋臂分别为人马臂、猎户臂、英仙臂和天鹅臂。我们的太阳系就处于猎户臂上，距

    离银心不到3万光年。

    银盘周围弥散着一种弥漫性物质，形成一个直径大约9.8万光年的球状区域，被称为银晕，主要由一些

    老年恒星组成的球状星团构成。

    对于银盘的初始面貌，我们没有足够的认识，这主要是因为太阳位于银盘内。巴德和梅奥尔在20世纪

    40年代曾对仙女座星系的旋臂进行过分析，根据这项研究人们发现了旋臂天体的主要类型，接着对银河系

    内几类天体进行普查，在太阳附近发现了三段平行臂。因为星际的消光作用，利用光学观测还不能发现银

    盘的总体面貌。旋臂是星际气体的集结处，要想知晓旋臂结构，可以通过对星际气体的探测实现，而星际

    尘埃不会对星际气体的21厘米射电谱线产生影响，射电谱线可达整个银河系。经光学和射电观测，发现银

    盘具有旋涡结构。

    银心位于人马座方向，是银河系的中心区域，银心呈明亮的球状，直径约为2万光年，厚度为1万光

    年，大量的恒星聚集在这个区域，这些恒星大多为100亿年以上的老年红色恒星。在银河系的中心区域有一

    个巨大的黑洞，星系核的活动非常剧烈。

    银心与太阳之间充斥着大量的星际尘埃，这样就给观测带来了困难，我们在北半球使用光学望远镜很

    难在可见光波段发现银心。直到射电天文和红外观测技术兴起后，我们才有可能透过星际尘埃捕捉到银心

    的信息。

    最新的观测表明，至少有10万颗白矮星充斥在银河系的核心区域，其中大约70颗较大的白矮星占据了

    更为核心的区域。要想进行进一步的研究，还需要新一代观测设备的支持。

    在银盘周围的一个球形区域内弥漫着银晕，银晕的直径约为9.8万光年，在这里，恒星的密度非常低，只有一些由老年恒星组成的球状星团。有一种观点认为，还有一个巨大的球状射电辐射区就在银晕的外

    面，这就是银冕，它至少能延伸到距离银心100千秒差距或32万光年远。球状星团在银晕中最为明亮。

    二、银河系的伴星系

    大、小麦哲伦星云是银河系的两个伴星系。公元10世纪，阿拉伯航海家在赤道以南的海域航行时，在

    南天夜空中看到了这两个巨大的雾状星云，并将它们命名为好望角云。到了1521年，葡萄牙航海家麦哲伦

    带领船队进行环球航行时，也看到了这两个星云，并且对它们做出了精准的描述。后来，为了纪念麦哲伦

    的科学探索，科学家们将这两个星云以麦哲伦命名，其中较大的一个被称为大麦哲伦星云，较小的一个被

    称为小麦哲伦星云。这两个星云出现在北纬20°以南的地平线上，在南天银河附近，我们能够用肉眼清楚地观察到这两个星

    云。大麦哲伦星云位于剑鱼座和山案座，张角大约为6°，相当于12个月球视直径；小麦哲伦星云位于杜鹃

    座，张角大约为2°，相当于4个月球视直径。大、小麦哲伦星云在天球上相距大约20°。

    1912年，美国天文学家勒维特发现了小麦哲伦星云中造父变星的周期性光变。接下来，丹麦天文学家

    赫茨普龙和美国天文学家沙普利测量了麦哲伦星云与地球的距离。通过计算，科学家们测定大麦哲伦星云

    距离地球约为16万光年，小麦哲伦星云距离地球约为19万光年。在太空中，它们彼此之间相距5万光年。麦

    哲伦星云是人类最早能够确认的河外星系之一。由于它们和银河系之间的距离很近，有利于我们对它们进

    行周密的分析研究。它们是非常重要的天文观测对象，能够为我们提供丰富的天体物理信息。

    大、小麦哲伦星云绕银河系轨道一周需要15亿年。因为这两个星云没有标准固定的形状，所以在南半

    球颇多争议，也使得人们对它们充满了幻想。有天文学家认为，麦哲伦星云似乎与宇宙中的暗物质存在相

    互作用，从而形成了星系弯曲。解释星系弯曲比较困难，简单来讲就是邻近星云的运行对我们生存的银河

    系会产生影响，就像地毯一头鼓动，会形成整个地毯波浪般的扭曲变形。在此影响下，银河系的银盘目前

    已经变成了碗状。

    和银河一样，麦哲伦星云中也包括星际气体和恒星。大麦哲伦星云的质量约为银河系质量的二十分之

    一，从星系分类上来说，该星云属于不规则星系，或矮棒旋星系。小麦哲伦星云同样属于不规则星系，质

    量更小一些，约为银河系的百分之一。在麦哲伦星云中存在着丰富的气体，中性氢质量分别占两个星云总

    质量的9%和32%，这一比例与银河系相比要大很多，这说明它们较银河系的演化程度低得多。它们中包含

    的星际尘埃数量也少于银河系的含量，但是存在很多年轻的Ⅰ星族天体。1987年2月，科学家在大麦哲伦星

    云中发现了超新星SN1987A，这颗超新星的最大亮度能够达到太阳的2.5亿倍，是近400年以来最亮的超新星。麦哲伦星云在接近银河时，由于银河系引力的作用，星云内的恒星和气体就会发生改变。目前，小麦

    哲伦星云已经发生了撕裂，它的恒星将汇入银河系中，大麦哲伦星云在未来也会面临同样的情况。

    2012年，科学家在大麦哲伦星云中发现了一颗异常明亮的气泡。当大质量恒星在生命进程的末端演化

    为超新星时，会发生猛烈的爆炸，产生强烈的辐射，并释放出大量物质。超新星爆发形成的冲击波产生了

    巨大的空洞，这就会形成超级气泡。在大麦哲伦星云中，科学家们已经发现了一些类似的超级气泡，这些

    气泡能够向宇宙空间发射强烈的X射线。

    2013年，科学家们在大麦哲伦星云中发现了新恒星即将诞生的迹象。因为大麦哲伦星云是银河系的伴

    星系，受到了银河系的巨大引力作用，并且被拉长了。星云中的气体云因为挤压和坍缩，形成了新的恒

    星。利用哈勃太空望远镜观测大麦哲伦星云时，可以发现星云中存在一个恒星的诞生区域。目前，科学家

    们已经发现了大麦哲伦星云中已经生成的蜘蛛星云和LHA120-N11扁豆星云。

    三、河外星系

    人类在了解了银河系后，便开始思考：银河系以外是否还有其他星系？从200多年前开始，人类就开始

    在茫茫宇宙中探寻其他可能存在的星系了。法国天文学家梅西耶在对星云编制星表时，认为编号M31的星

    云具有十分重要的研究意义。这个星云位于仙女座，在每年的初冬能够用肉眼观测到，因此也被称作仙女

    座大星云。从1885年开始，在这个星云中，人们陆续观测到了很多新星，因此认为该星云不仅是普通的反

    射宇宙中其他天体光线的气体尘埃，而且是一个由众多恒星组成的天体系统，其内部具有的恒星数量很

    多，这样才能出现如此多的新星。如果我们认为从该星云中发现的新星的亮度，与我们在银河系中观测到

    的新星的亮度是相同的话，那么可以推算出这个星云距离地球十分遥远，甚至超出了我们所在的银河系。

    但是因为当时用新星的亮度估算距离并不准确，所以关于这个星云到底是在银河系内部还是在银河系之

    外，依然存在争议。

    1924年，美国天文学家哈勃通过用望远镜进行观测，确认了北部上空的仙女座大星云并不属于银河

    系。一直以来，人们都误认为其是属于银河系的。事实上，它并不是星云，而是一个河外星系，距离我们

    大约230万光年。此后，哈勃又陆续发现了上百个河外星系，有的距离我们上百万光年，它们所包含的恒星

    总量都达到了106 ～1013 颗。1990年，美国航空航天局发射升空的最大太空望远镜就是以哈勃的名字命名

    的，以此纪念这位科学家的伟大贡献。

    河外星系是与银河系类似的天体系统。这些星系之所以被称为河外星系，是因为它们都在银河系之

    外。也就是说，银河系之外的所有星系都统称为河外星系。包括银河系和所有河外星系，到目前为止发现

    的最大的天体系统，被称为总星系，银河系只是其中普通的一个。河外星系包含数量众多的天体，像分布

    在宇宙中的岛屿一样，所以也被称为宇宙岛。到目前为止，人类已经观测到的河外星系多达100亿个。

    星际空间

    我们居住其中的银河系是如此巨大，其中包含的像太阳一样的恒星就有1000亿颗。但是和整个宇宙相

    比，银河系就像是沧海一粟。宇宙是浩瀚无边的，无数恒星、星系和星系团分布其中，像是海洋中点缀的

    小岛。以我们的银河系为例，虽然其中有超过1000亿颗恒星，但是两颗恒星之间的平均距离能够达到12亿

    光年。在这样广阔的宇宙空间中，除了我们能够直接观察到的各种天体之外，是否还存在其他我们不知道

    的物质呢？

    一、星际物质

    一直到19世纪后期，大多数科学家还都认为，宇宙各天体之间的地带是真空状态，空无一物。但是到

    了20世纪，天文学家们发现了很多证据，证明了宇宙空间里是存在其他物质的。德国天文学家哈特曼于1904年在猎户座的分光双星系统的光谱中，发现了一条吸收钙的光谱。在双星

    系统中，两颗恒星围绕着对方转动，它们的光谱理应具有周期性的多普勒唯一，但是吸收钙的这条光谱是

    没有变化的。没过多久，在其他类似的双星系统中也发现了类似的光谱。在相当长的一段时间里，这种光

    谱被认为是双星系统中的钙元素云。但是到了1928年，美国天文学家斯特鲁维根据观测发现这些固定不变

    的光谱的强度，随着恒星和我们的距离变得越来越远，亮度反而越来越强。这就说明，这些光谱不是由双

    星系统中的钙元素造成的，而是由太阳和这个双星之间的某些物质造成的。

    这是人类有史以来第一次发现了星际物质的存在。后来，人们从这些双星系统的光谱中找到了更多星

    际物质的谱线，证明星际物质中包括氢、钠、钙、铁等元素，这些元素的组成和太阳以及很多恒星的组成

    元素相似。

    但是，虽然一些天文学家已经发现了宇宙空间并非是真空状态，而是存在一些稀薄的气态物质。但是

    通过观测来证明确实存在星际物质，并且认为这是宇宙物质的一种表现形式的，是瑞士籍美国天文学家特

    南普勒。他于1930年在对银河系中的恒星的亮度和温度进行观测时发现，地球上的观测者与宇宙中的天体

    之间，存在一种消光的现象。我们实际能够看到的天体的亮度，比它的实际亮度要低，因此计算出的距离

    比实际距离远。所以这能够说明，宇宙空间不是真空状态，而是到处都存在密度很低而无法被观测到的星

    际物质。消光现象的发现，加速了人们对星际物质的研究进程。

    我们知道，恒星的表面温度决定恒星的颜色和光谱。如果两颗恒星的光谱类型相同，那么它们的颜色

    也应该是相同的。但是，如果两颗同样光谱类型的恒星一个距离近一些，一个远一些，那么离我们稍远的

    恒星看起来就要更加偏红。美国天文学家斯蒂宾于1932年第一次发现了这种现象。他认为，这体现了星际

    物质对光的干扰。星际物质有选择地吸收光，吸收率与光的波长成反比，也就是对红光的吸收率是对紫光

    吸收率的一半，所以距离越远，光看起来就越红。天文学家还发现，在银河系中，星际物质的主要成分是星际气体和尘埃，而且分布十分不均匀。在银

    道面上，星际物质的密度是最大的，但是仍然不超过每立方厘米1个原子。飘浮在星际气体中的尘埃密度则

    更低，只相当于气体分子的十分之一，但是它们仍然能够造成消光现象和红化现象。

    其实，这些星际物质的密度，比我们在地球上的实验室中制造出的真空状态的密度还要低，但是在天

    文观测中，这些看似微不足道的物质也能起到很大的作用，尤其是消光作用，对远距离的天文观测十分不

    利。而且，由于银道面上的星际物质密度很大，所以在这个方向上的消光现象是如此严重，以至于穿过银

    心的光线到达地球时，光照的强度只有原来的百亿分之一。所以在过去，科学家曾经一度认为我们处于银

    河系的中心，而且对整个银河系的尺寸的估算，比实际尺寸大了2倍。这也导致我们直到今天还无法一窥整

    个银河系的全貌。

    二、星际分子

    到了1937年，科学家们从恒星的光谱中发现了一些特殊的化学分子和吸收谱线，十分出人意料。但是

    后来，他们发现了事情的真相。这些分子并不存在于恒星上，而是在星际空间中飘荡。恒星发出的光在经

    过这些物质时，在光谱中留下了一些吸收线，证明了它们存在的痕迹。这是人类历史上首次在宇宙空间中

    发现了分子，这引起了极大的轰动。因为，分子是由原子之间发生碰撞才形成的，但是宇宙物质是如此稀

    薄，温度也低至接近绝对零度。两个原子能够相遇的概率已经足够低了，即便它们能够碰撞并且生成分

    子，这些分子在宇宙中各种高能射线的辐射下，都会再次解体变为原子。所以这些分子能够顽强地生存在

    空间中，是非常难得的事情。

    这样的分子普遍存在于星系的气体云中，这些云的密度太小，分子就不能留下明显的谱线，但是如果

    密度太大，又会影响光线的通过。因此，这一类发现在此后的很长一段时间里都没有再出现。

    后来，射电望远镜的出现带来了新的突破。因为我们之前发现的分子留下的谱线都集中在红外段和无

    线电波段，所以使用射电望远镜对星际物质中的分子进行观察，能够产生很好的效果。

    羟基是由一个氢原子和一个氧原子结合形成的，是一种非常活泼的化合物，在地球环境中极易与其他

    物质反应。但是苏联天文学家什克洛夫斯基认为，因为在宇宙空间里，物质的密度极小，所以羟基能够生

    存很长时间，极有可能被我们发现。到了20世纪50年代，美国天文学家唐斯计算出了空间可能存在的17种

    分子的波长。1963年，美国科学家在使用射电望远镜观测仙后座时，果然发现了羟基分子的谱线。这个发

    现成了人类探测星际分子的开端。

    唐斯等科学家再接再厉，于1968年再次发现了氨 ......