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宇宙构造(科普)

一、可见宇宙--天体与天体系统
在我们可见的宇宙中,众所周知,包括了各种天体及其所处的天体系统行星,天体即恒星,行星,小行星彗星等,而天体系统指太阳系,银河系河外星系总星系等。我们知道,月亮绕着地球转,地球绕着太阳转一样,八大行星绕着太阳公转,而太阳系则绕着银河系转,而银河系同样也在宇宙中旋转着,运动着。整个宇宙像一个旋转的巨大陀螺。这些天体构成了我们的可见宇宙,史蒂芬?霍金在《时间简史》一书中说,在我们能观察到的宇宙里,大约有10 的80次方个粒子,其他一些科学家还估计出,可见宇宙的质量10的48次方吨。
宇宙的这个质量不是直接称出来的,而是借助引力理论推算出来的。因为我们可以从太阳行星的引力,算出太阳质量的下限,而银河系包含的恒星,以1000亿颗的下降计算,又可得到星系质量的下限。而宇宙中以100亿个星系的下限计算,就可得出整个宇宙的质量。这样算出的方才所说的天体及天体系统所构成的可见宇宙的质量总和,就是10 的21次方个 太阳质量,即约10的 48次方吨。

二、未知宇宙—暗物质与暗能量
好了。说到这里,以上基本是我们所熟悉的宇宙。不过,这并不是今天所要讲的重点。因为今天我们要说的重点是宇宙的构造,而不是上述这些天文学知识。
重点来了,根据科学家们的技术,方才所说的这一庞大的宇宙质量总和,也就是我们已知的宇宙,竟然只是整个宇宙总体能量密度的不到5%!另外95%以上都是未知的。这是怎么回事呢?
图上普通中发光物质占了宇宙总能量的0.4%,其他的普通物质占了3.7%,暗物质占了近23%,另外的73%是占主导的暗能量。 
那么什么是暗物质与暗能量呢?我先用比较简单的解说吧。暗物质代表宇宙中一种未知的能够增强物质间引力的物质。而暗能量,则代表了一种未知的斥力。(比如黑洞之类的就是暗物质)像普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。

1暗物质
我们先来看一下暗物质的发现过程吧。其实,科学是一个很有意思的探索过程。哥白尼推翻了长达两千年之久的宇宙观,把人类从宇宙的中心驱逐了出去。哥白尼之后,人类发现了银河系,又花了好长时间,人类才被迫接受银河系只不过是宇宙中亿万个星系中的一个而已。我们的认知版图在一步步地扩大,现在,通常我们的认知,就是现在这个宇宙,这个唯一的宇宙,英文叫universe,暗示了宇宙的唯一。宇宙就是由其间的各种星系组成似乎成了所有人的共识。然而,当人们在观察遥远星系时,发现一件奇怪的事。那就是,按照万有引力的公式,星系外围的恒星由于离庞大的星系质量中心比较远,引力削减的程度与距离的平方成反比,理应转得比较慢才是。
但事实上,却不是这样。外围恒星的转速,大大快于人们的预期。就好像整个星系的质量陡然间增加了好几倍。后来,随着天文设备的不断完善,人们继续观察,发现所有的星系竟然都是这样!所有的星系都被神秘的暗物质晕包围,越在外围,似乎暗物质越多。因而,方才所说的暗物质质量,实际上无法说起,因为它在天文观测上的表现,基本上就在这些绕转速度上。但是,又是实实在在存在的。
暗物质就存在于我们的身边!它无声无息地穿透我们的身体,弥漫在我们的空气中。它的能量密度是普通物质密度的四-五倍,但我们却根本不知道它是什么。目前,科学界上有很多候选的暗物质粒子,包括方才所说的黑洞,特别是质量黑洞,还有中微子。但是,宇宙学家们把黑洞、中微子之类的物质全加起来,仍然不够神秘的暗物质之手的一个大拇指。
候选的暗物质有以下这些 
§ 强相互作用暗物质(SIDM) 
§ 温暗物质(WDM) 
§ 斥暗物质(RDM) 
§ 模糊暗物质(FDM) 
§ 自湮灭暗物质(SADM) 
§ 衰变暗物质(DDM) 
§ 大质量黑洞(BH)

暗物质的探测工作从来没有停过。人类探测暗物质通常都是在地底很深的洞中,以避免宇宙射线、电磁波等各种杂七杂八的信号干扰,科学上的说法是,为了消除背景噪声,暗物质无处无在,无时无刻不穿透着我们的身体而过。本世纪以来,国际上相继开展了二十多个暗物质探测实验,利用暗物质和探测器的直接碰撞来寻找暗物质。特别是近几年来,意大利DAMA/LIBRA实验,美国CoGeNT和CDMS两个实验,以及德国CRESST实验先后宣称发现了疑似轻质量暗物质的信号。这些信号引起了科学界和公众的强烈兴趣。而在中国,以中国科学家等为主导的大型暗物质探测实验组PandaX(熊猫计划)也在四川的锦屏山地下深处,找寻暗物质的踪影。
暗物质的探测似乎很快就要看见曙光。
然而,就在两个多月前,pandax公布的研究成果,却将一切打回了原形。PandaX合作组首期实验用约120公斤的液态氙作为靶点子来探测,其主要目标是检验其他实验发现的轻质量暗物质疑似事例。在今年5月份开始的暗物质探测数据中,PandaX探测器记录了大约400万个事例。而其中在暗物质可能产生的能区中有大约1万个事例,而在探测器最“安静”的中心——37公斤液氙中只有46个事例。通过和放射源的定标比较,这最后的46个事例全部来自于放射性本底,没有任何暗物质留下的痕迹。
PandaX此次结果结合了低阈能和大曝光量两个优势,对以往实验中所有发现的疑似信号提出了强烈的质疑。
因而,人类的暗物质探测目前可以说,从充满希望的黎明又重新跌入迷茫的黑暗中。
不过,好在目前大家也没奢望暗物质发现后会改变人类什么,反正它和普通物质不产生引力以外的任何作用。当然,这仅是从实用主义的观点进行自我安慰啦。
好了,暗物质先说到这里吧。探索暗物质,并查明其主要成分是一个漫长的过程,但毕竟还能有一丁点的进展。人类还要进一步探测下去,估计暗物质在本世纪内是绝对没问题的。不过,大家也不用对这种物质寄予希望,希望它会改变人类什么,因为它和普通物质不产生引力以外的任何作用。

2、暗能量
继续说今天的主题。刚才说完了暗物质,现在说一下更为神秘的暗能量!刚才说到暗物质,好歹我们人类正在花大力气研究,并且可能会取得一定突破,而暗能量,人类就有些抓瞎了。为什么这么说呢?先说一下暗能量是怎么发现的,我尽量简单说吧。暗能量的发现,关系到宇宙距离的测量。
人们应该怎么分辨星星到底是距离我们很近但是亮度低,还是距离我们很远但亮度高呢?人类通常用超新星爆发作为测量的灯塔,因为超新星爆发的亮度拖尾是恒定的。可以称作宇宙的标准烛光。有了它,人类就可以比较精确地测量星体以及宇宙的距离。
宇宙按道理来说,爆炸后,加速膨胀,然后就应该减速膨胀。就像一个苹果抛到天上,会慢慢落回一样。但实际上,宇宙却在加速膨胀!也就是说,有一股看不见的力,超过我们的万有引力,在把所有的星系快速分开。记得上次说仙女星系和某星系的分离速度快至每秒70公里,可以说是非常之快。
所以,我们的宇宙,实际上占上风统治的不是万有引力,而是一种看不见的斥力大约占了整个能量密度的73%。这不仅是观测结果,并且呢,惊人地符合人们的预期。因为按照宇宙的暴涨理论,宇宙学家一直在纳闷,我们的空间中密度为什么那么小,只占理论值的5%左右而现在,人们知道,这另外的95%,就是暗物质和暗能量。

观测到的一种额外的引力现象和斥力现象,给它们暗物质和暗能量的称呼,只是方便而已.暗物质表现为引力,所以可以马马虎虎归属于物质范围.暗能量表现为斥力,明显不属于物质,所以就给了一个能量的称呼,仅为方便区分.
所以大家不要总想,暗物质和暗能量是不是互相转换化呀这样的问题,这是两种很不同的东西。虽然有关暗能量的猜测,任何可能性都有,但目前为止,暗能量还仅是宇宙加速膨胀力量的代名词而已。不过更有意思的是,这种加速膨胀的速度竟然还有变化。不过更有意思的是,这种加速膨胀的速度竟然还有变化。但不知为什么,大约在70亿年前,宇宙的膨胀速度开始加速,直到今天。
宇宙的神奇一直出乎着我们的想象,以后会讲一下宇宙大爆炸之前的事情以及多重宇宙的部分,可能更能启迪部分人对于哲学甚至神学宗教的遐想。

赏花赏尔赏音乐,算天算地算人间。手握九爻演万物,脚踏大道弄无限!


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