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宇宙原来如此有趣:一部宇宙137亿年的演化简史

浩瀚宇宙总是如此神秘、如此令人陶醉，让人心神向往。它不断激发人们无穷的遐思，不断催促人类探索的脚步！从托勒密到哥白尼，从开普勒到牛顿，从爱因斯坦到霍金，这场没有终点的探索接力赛正在如火如荼地进行。本书囊括了宇宙研究的最新成果,从太阳系的起源到探寻第二个地球，从黑洞到星系的尽头，带你踏上宇宙时空之旅，尽情欣赏一个前所未闻的新世界。

让我们将视线转移到太阳系以外。1995年，人类发现了第一颗太阳系外行星。到现在为止，发现的太阳系外行星总数已达到了333颗。虽然其中大多数是巨大的气体行星，但最近也发现了许多质量是地球数倍的系外行星以及大气中含有水的行星。由此可见，在今后的十年中，具备水以及氧气层等生命诞生必备条件的类地行星被发现的可能性也将大大提高。

前言《宇宙原来如此有趣》：第一部分最新天文学入门

随着宇宙开发技术的进步，人类的脚步踏上了月球，航天飞机的发明使得人类飞往宇宙不再困难。不过，航天飞机飞行时的离地高度约为350km，差不多等于从东京到名古屋的距离。如果将地球比作直径为30cm的西瓜，那么航天飞机仅仅就悬浮在距离这个西瓜8mm的上空，同样按照这个比例来看，月亮可以看作是距离西瓜9m左右的一个苹果。想到我们人类在40年前就已在月球上留下了足迹，你或许会觉得感慨万分，但如果与距离我们最近的恒星——太阳相比，人类登月便会显得微不足道。因为太阳完全可以看作是一座距离西瓜约3.5km远、直径为西瓜109倍、高10层（30米左右）的大楼！

第一节宇宙日历—宇宙的历史

第二节地球与太阳系

第三节母亲星——太阳

第四节 “一个月”形成的月亮

第五节红色行星之谜

第六节太阳系的旅客

第七节太阳系的小朋友们

第八节第十颗行星在哪里

第九节第二个地球

第十节夜空导航仪

第十一节星体里的大人

第十二节星体的诞生与星宝宝

第十三节没能成为星体的星

第十四节星体里的老人

第十五节壮烈的星之死

第十六节一块方糖大小、5亿吨重的星体

第十七节时空的缺口——黑洞

第十八节银河的真面目

第十九节星系的形状和种类

第二十节远去的星系们

第二十一节漂浮在宇宙中的天然望远镜

第二十二节泡沫宇宙

第二十三节宇宙的黑暗时代

第二十四节宇宙的灭亡与新生

第二十五节他们在何方？《宇宙原来如此有趣》：第二部分宇宙

宇宙仿佛是一个无边无际的巨大空间。这个巨大的空间里充满了人类对它的好奇与想象。宇宙中离我们最近的便是太阳系了，可以说太阳系是人类借助探测器所到达的第一块宇宙空间。虽说近，但太阳系包括地球、月亮、行星及行星周围的卫星、小行星、彗星以及边缘领域，还是十分庞大的领域。近几年来，随着观测技术的飞速进步，太阳系的概念也发生了巨大的变化。本节虽然旨在为大家介绍太阳系的最新状况，但在科技发展日新月异的今天，几乎每一分钟科学界都会有新的发现。如果本节中的介绍已经陈旧，还望各位海涵。

第一节太阳系最前沿（1）

第一节太阳系最前沿（2）

第一节太阳系最前沿（3）

第一节太阳系最前沿（4）

第一节太阳系最前沿（5）

第二节太阳系起源论的最前沿（1）

第二节太阳系起源论的最前沿（2）

第二节太阳系起源论的最前沿（3）

第二节太阳系起源论的最前沿（4）

第二节太阳系起源论的最前沿（5）

第二节太阳系起源论的最前沿（6）

第二节太阳系起源论的最前沿（7）

第三节系外行星最前沿（1）

第三节系外行星最前沿（2）

第三节系外行星最前沿（3）

第三节系外行星最前沿（4）

第三节系外行星最前沿（5）

第四节高能量的最前沿（1）

第四节高能量的最前沿（2）【了解宇宙如何运行】1--8集（超高清3D影像）

【了解宇宙如何运行】第1集时长: 44:11

【了解宇宙如何运行】第2集时长: 44:13

【了解宇宙如何运行】第3集时长: 44:12

【了解宇宙如何运行】第4集时长: 44:14

【了解宇宙如何运行】第5集时长: 44:10

【了解宇宙如何运行】第6集时长: 44:13

【了解宇宙如何运行】第7集时长: 44:12

【了解宇宙如何运行】第8集时长: 44:11

宇宙中最怪异的东西

1、星系吞食

和地球上的生命一样，星系也会相互吞食并随着时间演化。美国弗吉尼亚大学2003年9月27日发布消息说，由该校和马萨诸塞大学研究人员组成的一个小组，首次在红外波段上对人马座矮星系进行了完整的测绘分析。在他们得出的模拟照片上，银河系是一个带有螺旋形分支的蓝色扁平圆盘，人马座矮星系中的大量恒星组成了一条暗红色带状物，形似很多聚集在一起的面条。从银河系下部缠绕到上部，然后又向下穿入银河系圆盘。

人马座矮星系质量仅为银河系的1/1OOOO，它被银河系鲸吞的真相此前一直被恒星和宇宙尘埃所遮蔽。天文学家们在新观测中将重点集中于一类名叫M巨星的恒星。M巨星在红外波段上比较明亮，大量存在于人马座矮星系，在银河系外部却十分少见。因此，通过观测M巨星就可以知道人马座矮星系的遭遇。

科学家通过观测证实，银河系外层的许多恒星和星团，都是它凭借强大的引力从人马座矮星系攫取来的。负责这项研究的弗吉尼亚大学马耶夫斯基教授说，上述结果生动地证明银河系如何通过吃掉更小的邻居而成长。观测还显示，人马座矮星系这道大餐已被银河系津津有味地吃了快20亿年，在银河系持续而缓慢的咀嚼下，它已到了濒临灭亡的临界阶段。

天文学家们根据人马座矮星系被银河系吞食形成的残迹形状推算，银河系中的暗物质可能呈球状分布。这也许意味着银河系本身不同寻常，或者暗物质的特性比传统模型所假定的更加丰富。

无独有偶，2007年2月下旬，科学家们发现，仙女座星云能够吞食整个星系。天文学家们在银河系这个邻居的一些区域发现了“大餐”之后的遗迹。

根据天文学家马克·费德尔的计算机模型显示，大约7亿年前M31(仙女座星云的正式名称)星系吞食了一个矮星系，这个矮星系包含有星云本身质量1／50大小的一些恒星。

利用科克天文台DEIMOS专用摄谱仪获得的观测资料，以及利用加拿大、法国和美国在夏威夷和国家基特·皮克天文台的设备获得的观测资料让科学家们在仙女座星云边缘发现了星团，科学家们认为，这就是被吞食掉的星系的残余部分。

利用天文望远镜展开研究的天文学家们将自己比作罪案现场的刑侦专家。哈佛一史密森天体物理学中心的波林·巴姆比说：“21亿年前矮星系M32闯入了仙女座星云。它几乎是沿着极轴方向进入的，损失了超过一半的质量。”

这还不是最后的结果。天文学家称，经过50亿～100亿年仙女座星云将和我们银河系相撞。科学家们认为这一次两个星系将是合二为一。

此外，在2009年11月23日，美国《连线》杂志网站报道，天文学家通过对半人马座A星系新红外照片进行分析，发现了其数百万年前所吞食的一个星系苍白的气体“尸骨”

科学家认为，数百万年前半人马座A星系和一个星系碰撞，半人马座A将其吞食。由于星际尘埃的遮挡，该星系的平行四边形残骸无法被观测到欧洲南方天文台的天文学家借助近红外线光谱处理新技术，得以观察到被吞食星系的剩余物。

半人马座A离地球约1100万光年，是较近地球的个活跃星系半人马座A中心有一个大型黑洞，比银河系中心的黑洞大50倍，相信是在数百万年以前，星系相互碰撞所产生的半人马座A和其他比较小的星系碰撞，产生星球和供给黑洞活力的高能量气体该黑洞是宇宙中最活跃的无线电波源，因此天文学家将各式天文望远镜对准了半人马座A。出乎天文学家意料的是，他们发现了一个被半人马座A吞食的星系留下的残骸。

2、类星体

类星体,又称为似星体、魁霎或类星射龟源。与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一道并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。1960年,美国天文学家桑德奇用一台5米口径的光学望远镜找到了剑桥射电源第三星表上第48号天体(3C48)的光学对映体。他发现3C48的光谱中,在一个奇怪的位置上有一些又宽又亮的发射线。1963年,美国天文学家马丁·施密特发现在3C273的光谱中具有与3C48类似的现象,通过仔细研究,他发现这些发射线实际上是人们早已熟知的氢的发射线。只不过朝红光的方向移动了相当长的一段距离,也就是说它们具有非常大的红移。由于在光学望远镜中观察,类星体与普通的恒星看上去似乎没有区别,因此得名类星体。

绝大多数类星体都有非常大的红移。类星体3C273的红移值为0.158,远远超过了一般恒星的红移值。有不少类星体的红移值超过了1,有的甚至达到4以上。根据哈勃定律,它们的距离远在几亿到几十亿光年之外。

观测发现,有的类星体在几天到几周之内,光度就有显著变化。因为辐射在星体内部的传播速度不可能快于光速,因此可以判定这些类星体的大小最多只有几光日到几光周,大的也不过几光年,远远小于一般星系的尺度。

奚星体最初是在射电波段发现的,然而它在光学波段、紫外波段、x射线波段都有很强的辐射,射电波段的辐射只是很小的一部分。

根据以上事实可以想到,既然类星体距离我们如此遥远,而亮度看上去又与银河系里普通的恒星差别不大,那么它们一定具有相当大的辐射功率。计算表明,类星体的辐射功率远远超过了普通星系,有的竟达到银河系辐射总功率的数万倍。而它们的大小又远比星系小,这就提出了能量疑难,也就是说:类星体如此巨大的能量从何而来?它们的能量机制是什么?

在类星体发现后的20余年时间里。人们众说纷纭,陆续提出了各种模型,试图解释类星体的能源疑难。比较有代表性的有以下几种:

●黑洞假说:类星体的中心是一个巨大的黑洞,它不断地吞噬周围的物质,并且辐射出能量。

●白洞假说:与黑洞不断吞噬物质相反,白洞不断地辐射出能量和物质。

●反物质假说:认为类星体的能量来源于宇宙中正反物质的湮灭。

●巨型脉冲星假说:认为类星体是巨型脉冲星,由于磁力线的扭结造成能量的喷发。

●近距离天体假说:认为类星体是在银河秒边缘高速向外运动的天体,其巨大的红移是由和地球相对运动的多普勒效应引起的。

●超新星连环爆炸假说:认为在初始宇宙的恒星都是些大质量的短寿类型,所以超新星现象很常见,而在星系核心的恒星密度极大,所以在极小的空间内经常有超新星爆炸。

●恒星碰撞爆炸:认为在初始宇宙中星系核的密度极大,所以常发生恒星碰撞爆炸。

对类星体的进一步观测发现了一些新的现象。光谱中不同元素的谱线红移值并不相同,发射线和吸收线的红移值也不尽相同。在一些类星体中还发现了超光速运动的现象,例如在1972年,美国天文学家发现类星体3C120的膨胀速度达到了4倍光速。人们起初认为这对相对论提出了巨大的挑战,但最近的研究表明,这些现象只是“视超光速”想象,起因于类星体发出的与观测者视线方向夹角很小的亚光速喷流。

类星体与平静的星系核不同之处在于,类星体是年轻的、活跃的星系核。由类星体具有较大的红移值、距离很遥远这些事实可以推想。我们所看到的类星体实际上是它们许多年以前的样子,而类星体本身很可能是星系演化早期普遍经历的一个阶段。随着星系核心附近燃料逐渐耗尽,类星体将会演化成普通的旋涡星系和椭圆星系。

3　暗物质

科学家相信，宇宙中的大部分物质都是暗物质，但是利用当前的技术，既无法看到也无法探测到暗物质。暗物质的候选者，从极轻的中微子到看不到的黑洞。成员颇多。但仍有科学家质疑暗物质的存在，认为这种神秘现象有可能通过对引力的更好理解来解决。

21世纪初的最大科学之谜是暗物质和暗能量，它们的存在向全世界年轻的科学家提出了挑战。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前只知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质能量的5倍以上。

暗能量更是奇怪。以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量；而暗能量却可以使物质的质量全部消失。完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。

大约65年前，人类第一次发现了暗物质存在的证据。当时。弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了20世纪80年代，占宇宙密度大约20％的暗物质已被广为接受了。2006年，美国天文学家利用钱德拉×射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测，无意间观测到星系碰撞的过程。星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。

2009年12月21日，科学家在美国明尼苏达州北部一个深750米的废弃铁矿中发现了暗物质，这是迄今为止最有力的有关暗物质的证据。暗物质被认为占宇宙质量的90％。

茫茫宇宙中，恒星间相互作用，做着各种各样的、规则的轨道运动，而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此，人们设想，在宇宙中也许存着我们看不见的物质。

现已知道，宇宙的大结构呈泡沫状。星系聚集成星系长城。即“泡沫”的“连接纤维”，而纤维之间是巨大的宇宙空洞，即“大泡泡”，直径达1亿～3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”，这么大的空洞是不能维持的，就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。

我们的宇宙尽管在膨胀，但高速运动中的各个星系并不散开。如果仅有可见物质，它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。

我们知道，太阳系质量的99.86％集中在太阳系的中心即太阳上，所以离太阳近的行星受到太阳的引力，比离太阳远的行星大。因此，离太阳近的行星绕太阳运行的速度比离太阳远的行星快，以便产生更大的离心加速度来平衡较大的太阳引力。但在星系中心，虽然也集中了更多的恒星，还有黑洞，可是，离星系中心近的恒星的运动速度，并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心，在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。天体的亮度反映天体的质量，所以天文学家常常用星系的亮度来推算星系的质量，也可通过引力来推算星系的质量。可是。从引力推算出的银河系的质量，是从亮度推算的银河系质量的10倍以上，在外围区域甚至达5DOO倍。因而，在那里必然有大量暗物质存在。

4.引力波

引力波是根据爱因斯坦广义相对论预言的时空结构的变形。引力波以光速传播，但是引力波的强度很微弱，以至于科学家只能探测被强烈宇宙事件制造的引力波

在爱因斯坦的广义相对论里，引力的本质是时空曲率的表现。举例来说，若人站立着，可以感受到地面对足部的压力。从广义相对论的观点，这表示与地面的接触阻止了物体的自由下落，因而加速了物体。既然加速被视为对世界线的弯折，这表示不在自由下落的人体的世界线并不是短程线。另一方面，时空若远离任何质能则几乎是完美平直的。也因此，短程线表现上近似于几何学中的直线，因而小物体可以表现出直线惯性运动。

广义相对论以及其他类似的引力理论是以场方程式来表达，有时可能也用运动方程式表达。也就是说，这些理论是古典相对论性场论，在这之中引力场或多或少都和时空曲率有关。因此在某种程度上，一些区域的质能的快速运动会产生时空的涟漪并向外辐射，呈现为引力波。换个角度说，这是场的更新资讯从一处向另一处传递的表现。

相似于电磁辐射，在广义相对论中引力波以光速前行，并且具有横波的特性。横波表示引力波对于测试粒子运动的影响是发生在与传播方向相垂直的平面。引力波代表了一个二阶张量场(矩阵)的微扰，在量子场论术语中称为--“自旋－2”。

引力波相当微弱，科学家认为，在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级应该顶多只有10-21。以激光干涉引力波天文台的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的1％。从这样的事实中应该可以看出：为什么侦测引力波是十分困难的。

虽然引力辐射并未被清清楚楚地直接测到，然而已有显著的间接证据支持它的存在。最著名的是对于脉冲星双星系统PSRl913+16的观测。这一系统被认为具有二颗中子星，以极其紧密而快速的模式互相环绕对方。该系统还呈现了渐进式的旋近，旋近时率恰好是广义相对论所预期的值。对于这样的观测，最简单(也几乎是广为接受)的解释是：广义相对论一定是为这种系统的引力辐射给出了准确的说明才得以如此。泰勒和赫尔斯因为这些成就共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

科学社群中有部分人一开始对于“引力波是否会如同电磁波一般可以传递能量”感到困惑，这样的困惑来自于一项事实：引力波没有局域能量密度，因此对于应力一能量张量的量值不会造成贡献。不像牛顿引力，爱因斯坦引力不是一项力学理论。引力在广义相对论中不是一种力，它是几何。因此这样的场原来被认为不含能量，一如引力势。然而事实上，这种场确实可以携带能量，如同它可以在远处做出机械功。而这已经用可传输能量的应力一能量伪张量进行证明过，也可看出辐射是如何将能量往外携带到无限远处。

“爱因斯坦在你家”是一个由威斯康星大学密尔沃基分校主办，基于BOINC计算平台的分布式计算项目。该项目计划通过位于美国的激光干涉引力波天文台和位于德国的引力波天文台收集数据，希望从这些收集来的数据中找到能够证实爱因斯坦广义相对论中引力波存在的证据。

科学家渴望从一些难以或无法利用电磁辐射来侦测的天文客体上直接观测到引力波，用之来探测一些现象。举例来说，虽然黑洞不像一般星体那样放出可见的电磁辐射，然而当一个物体掉入黑洞时，引力波会被发射出来。

5、真空能

真空能是一种存在于空间中的背景能量，即使在没有物质的空间(称为自由空间)依然存在。真空能量导致了多数基本力的存在。它的效应可以在各式各样的实验中观测到，例如光的自发放射、伽马辐射、卡西米尔效应、范德瓦耳斯尔力、兰姆位移等等。另外它也被认为与物理宇宙学中的宇宙常数项有关。这里，另一个名词大家有必要了解：零点能量。零点能量(可简称零点能)是量子力学所描述的物理系统会有的最低能量，此时系统所处的态称为基态；所有量子力学系统都有零点能量。这个词汇起源于量子谐振子处在基态时，量子数为零的考量。

在量子场论中，这个词汇和真空能是等义词，指的空无一物的空间仍有此一定能量存在，对一些系统可以造成扰动，并且导致一些量子电动力学会出现的现象，它的效应可在纳米尺度的元件直接观测得到。

在宇宙论中，真空能量被视为宇宙常数的来源，和造就了宇宙加速膨胀的暗能量相关。

因为零点能量是系统可能持有的最低能量，因此此项能量无法自系统移除。尽管如此，零点能量的概念以及自真空汲取“免费能量”的可能性引起了业余发明者的注目——许多“永动机”或称“免费能量装置”等的提案都运用这项概念来解释。这项热潮以及相伴的趣味理论诠释促成了大众文化中“零点能量”概念的成长，常出现在科幻书刊、游戏、电影等处。

要证明零点能量存在，量子场论中最简单的实验证据是卡西米尔效应。此效应是在1948年由荷兰物理学家亨得里克·卡西米尔所提出，其考虑了一对接地、电中性金属板之间的量子化电磁场。可以在二块板子间测量到一个很小的力，这种力称为卡西米尔力，可直接归因于板子间电磁场的零点能量变化所造成。

卡西米尔效应一开始被视作不易探测，因为它的效应只能在极小距离被看到，然而此效应在纳米科技中的重要性日渐增加。不仅是特殊设计的纳米尺度装置可轻易又精准地测量到卡西米尔效应，在微小装置的设计以及制造中，此效应的影响也逐渐需要被考虑进去，它会对纳米装置施加不小的力及应力，使得装置被弯折、扭转和断裂。

其他的实验证据包括有原子或核子的光(光子)自发放射、原子能阶的兰姆位移、电子旋磁比的异常值等等。

零点能量研究领域是在于如何用它来产生推进。美国航空航天局与英国航天公司二个单位都有相关研究计划，不过要做出可用的技术仍有相当遥远的路要走。要在此领域中取得任何的成功，就必须能做到对量子真空制造出斥力效应。

卡西米尔效应使得零点能量成为一个没有争议、且科学界普遍接受的现象。然而“零点能量”一词却已经与一些具有争议性的领域牵扯上关系：设计与发明出所谓的“免费能量”装置，概念上与过去永动机有某种程度上的相似，在发展的成功度也相类似。

6、迷你黑洞

如果关于引力的一个新的激进理论“膜理论”是对的，那么会有数千个微小的黑洞分散在我们的太阳系。这些小黑洞都只有原子核的大小。和它们的大个同胞不同，这些迷你黑洞是大爆炸产生的，并且对时空的影响不同，因为它们和第五维时空密切相关。

迷你黑洞与潜伏在太空中的大型黑洞有何不同?牛津大学物理系的奇氧姆·艾瑟威尔解释说：“最简单的黑洞是中心有奇点。而且被'黑洞表面’环绕能天体。一旦有东西与黑洞之间距离小于“黑洞表面”的半径，它就会被黑洞吸进去，再也无法逃逸出去。即使光也元法逃出黑洞魔爪，因此美国物理学家约翰·阿奇巴德-惠勒在1967年把这些天体命名为'黑洞’。”

奇戴姆表示希望通过研究黑洞，可以得出一个公式化的量子引力理论，把爱因斯坦的广义相对论与量子力学嫁接在一起。大型强子对撞机是质子与质子相撞。这些质子由更小的成分构成，即所谓的“部分子”。事实上它们才是大型强子对撞机里正在相撞的粒子。大型强子对撞机里的二个相撞质子(例如夸克和胶子)的施瓦氏半径，至少比普朗克长度小15个等级。普朗克长度是可以在常规宇宙中获得的物体的最小间距或大小。奇戴姆评论说：“这意味着在常规物理模型中，二个质子相撞根本不会产生黑洞。然而有模型称，在非常小的距离内引力会变得异常大。如果这种猜测属实，大型强子对撞机里二个相撞质子的施瓦氏半径会变得足够大，因此二个质子彼此穿过对方并非没有可能。蛔果真是这样，我们或许可以生成一个微型黑洞。”

将大型离子对撞实验的内部追踪系统运送到实验洞并将它嵌入定时发射膛。这些小型黑洞是什么样的?我们应该担心它们吗?事实上它们不会那么黑暗。随着黑色天体不断辐射波谱，它们最终会消失。它们的消失速度与黑洞的质量成反比。迷你黑洞非常热：热得令人难以置信。我们太阳的核心大约有1500万摄氏度，然而它要想赶上迷你黑洞的温度，你必须再这个数字后面添加42个零。这种令人难以置信的高温意味着迷你黑洞会很快消失在它们周围温度更低的太空里。他们的潜在寿命大约是一亿分之一秒的。因此它们产生后会在刹那间消失不见。如果它们果真出现了，它们会立刻变成很名小粒子，利用ATLAS探测器可以发现它们。

但理论归理论，终究要通过实践来验证。2010年12月21日消息。欧洲核子研究中心大型强子对撞机CMS探测器任务团队完成了对高能质子撞击产；生的迷你黑洞的搜寻工作。但是，科学家迄今并未发现迷你黑洞产生证据，而对撞实验产生多种理论模式预测的质量为3.5万亿～4.5万亿电子伏特黑洞的可能性已被排除。据科学家预测。迷你黑洞存在于某些理论模式中，这些理论模式通过假设三维空间之外还存在额外“卷曲”维度，试图将量子力学和相对论这物理学的二大理论统一起来。

这种情况下，相撞的粒子以类似于电磁力、强力和弱力等宇宙中其他三种基本作用力的强度发生引力相互作用。接着，二个撞到一起的粒子可能会形成迷你黑洞。如果确如理论预测的那样，迷你黑洞会瞬间消失，产生由正常物质的亚原子粒子构成的与众不同的喷射物。

7、中微子

中微子是电中性的、实际上无质量的基本粒子，它们可以不受阻碍地穿过数千米的铅。这些幽灵般的粒子来自于恒星内部的燃烧，包括壮年恒星以及死亡恒星的超新星爆炸。中微子探测器被深埋在地下以及海洋中，或者置于大块的冰中，冰块是被称为冰立方的中微子探测器的一部分。

中微子概念的提出要追溯到1930年。这一年，奥地利物理学家泡利提出存在中微子的假设。1956年，柯温和弗雷德里克·莱因斯利用核反应堆产物的β衰变产生反中微子，观测到了中微子诱发的反应，这是第一次从实验上得到中微子存在的证据。

1962年，美国布鲁克海文国家实验室的物理学家利昂·M.莱德曼等人发现了中微子有“味”的属性，证实了μ子中微子和电子中微子是不同的中微子。2000年，美国费米国家实验室宣布发现了τ子中微子存在的证据。

高速中微子在通过介质时，如果其速度大于光在这种介质中的传播速度，会产生蓝色辉光，即切连科夫辐射。萨德伯里中微子天文台就是根据这种效应间接探测中微子。它的主要部分是一个直径12米的球形容器，里面装有1000吨重水，容器壁用丙烯酸树脂制成，厚度为5厘米，容器的周围安装了9600个光电倍增管，用于探测伦科夫辐射的光子。

20世纪60年代以来对太阳中微子的观测发现，实际测量到的中微子流量只有标准太阳模型所假设结果的1／3，这就是著名的太阳中微子问题。萨德伯里中微子天文台之前的中微子探测器大多只能探测到三种中微子中的电子中微子，无法探测到μ子中微子和τ子中微子。2001年6月，萨德伯里中微子天文台的测量结果发表，表明太阳中微子在到达地球途中，在三种不同“味”的中微子之间发生了相互转化，即中微子振荡。这一结果同时表明中微子是有质量的，而不是粒子物理学的标准模型中所预言的零质量粒子，这一结果在2002年得到了日本超级神冈探测器的证实。

针对太阳中微子的缺失问题，人们首先想到的是修改标准太阳模型。如果测量到的中微子流量是准确的，那么要求太阳核心的温度比标准太阳模型中的温度低，而日震观测发现实际温度与标准太阳模型符合得很好。此外，无论怎样调整太阳标准模型都无法符合观测得到的中微子能谱，对模型进行任何调整都会令矛盾增多。

另一种解释是中微子振荡，即中微子在传播到地球途中发生了转换。中微子有三种，分别是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。粒子物理学的标准模型预言，中微子是没有静止质量的粒子。如果三种中微子之间可以相互转换，那么意味着中微子是有质量的，这将对粒子物理学的许多基本观念提出挑战。

1998年，日本的超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据，表明μ子中微子转换成了τ子中微子。2001年，加拿大的萨德伯里中微子天文台发表了测量结果，探测到了太阳发出的全部三种中微子，其中35％是电子中微子。三种中微子的总流量与标准太阳模型的预言符合得很好，解决了先前观测到的太阳中微子缺失问题。

8、系外行星

如太阳系外行星泛指在太阳系以外的行星。自20世纪90年代首次证实系外行星存在,到2011年4月15日,人类已发现543颗系外行星。历史上天文学家一般相信在太阳系以外存在着其他行星,然而它们的普遍程度和性质则是一个谜。直至20世纪90年代人类才首次确认系外行星的存在,而自2002年起每年都有超过20个新发现的系外行星。现时估计不少于10%类似太阳的恒星都有其行星。随着系外行星的发现便令人引申到它们当中是否存在外星生命的问题。

虽然已知的系外行星均附属不同的行星系统,但亦有一些报告显示可能存在一些不围绕任何星体公转,却具有行星质量的物体。因为国际天文联合会并未对这类天体是否属于行星有所定义,而至今亦未证实这类天体存在。

系外行星命名是在母星名字后加上一个小写英文字母。在一个行星系统内首个发现的行星将加上“b”,如飞马座51b,而随后发现的则依次序为飞马座51c,飞马座51d等。不使用“a”的原因是因为可被解释为母星本身。字母的排列只按发现先后决定,因此在格利泽876系统内最新发现的格利泽876d却是系统内已知轨道最小的一个行星。

在飞马座51b于1995年被发现前，系外行星有不同的命名方法。最早被发现的PSRB1257+12行星以大写字母命名，分别为PSR1257+12B及PSR1257+12C。随后发现了一个更为接近母星的行星时，却命名为1257+12A而不是D。一些系外行星也有非正式的外号，例如HD209458 b又称“欧西里斯”。

早在19世纪便有天文学家声称发现系外行星。1855年，在东印度公司马德拉斯天文台工作的W·S·雅各布·发现蛇夫坐70双星系统轨道异常，怀疑当中有类似行星的物体；19世纪90年代，芝加哥大学及美国海军天文台的托马斯·杰弗逊声称轨道异常证明该系统当中有一个公转周期为36年的黑暗物体，但弗雷斯特·雷·莫尔顿随即指出这样的系统极不稳定。在1950年——1960年，斯沃斯莫尔学院的彼得·范·德·坎普声称发现了绕着巴纳德星公转的行星。后来的天文学家普遍认为这些早期观测都是错误的。

加拿大天文学家布鲁斯·坎贝尔等人在1988年的成果是首次获得随后观测确认的发现，他们利用视向速度法发现围绕的行星。然而因为当年技术条件所限，包括发现者本身的天文学界都对结果有所保留。也有人怀疑这些其实是质量介乎于行星和恒星之间的褐矮星。随后不少观测支持仙王座 γ 拥有行星，但也有研究显示相反的证据。最终到了2003年运用改进了的观测技术方能证实。

1991年，安德鲁 ·林恩等人声称运用脉冲星计时法发现了一个围绕PSR1829-10的脉冲星行星。虽然结果受到注目，但林恩及其研究队伍很快便撤回结果。

1992年，美国天文学家亚历山大·沃尔兹森及戴尔·弗雷宣布发现一个围绕脉冲星PSRB1257+12的行星。这项发现迅速被确认，普遍认为这是首次对系外行星的确认。

1995年10月6日，日内瓦大学的米歇尔·麦耶及戴狄尔·魁若兹宣布首次发现一颗普通主序星（飞马座51）的行星，这个发现揭开了当代的系外行星发现的序幕。截止209年10月19日，人类一共发现了403个系外行星，包括一些在早前已被发现但一度被外界否定，却在后期才被证实的，当中很多都是由杰佛瑞·马西的队伍加州大学的里克天文台和凯克天文台发现。

9、宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射(又称3K背景辐射)是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2 725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。

1934年，托尔曼发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随着时间演化而改变；而光子的频率随时问演化(即宇宙学红移)也会有所不同。但是当二者一起考虑时，也就是讨论光谱时(是频率与温度的函数)二者的变化会抵消掉，也就是黑体辐射的形式会保留下来。

1948年，美国物理学家伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼估算出，如果宇宙最初的温度约为10亿摄氏度，则会残留有约5K～10K的黑体辐射。然而这个工作并没有引起重视。1964年，苏联的泽尔多维奇、英国的霍伊尔、泰勒、美国的皮伯斯等人的研究预言，宇宙应当残留有温度为几K的背景辐射，并且在厘米波段上应该是可以观测到的，从而重新引起了学术界对背景辐射的重视。美国的狄克、劳尔、威尔金森等人也开始着手制造一种低噪声的天线来探测这种辐射，然而另外二个美国人无意中先于他们发现了背景辐射。

1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺：彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊架势设了一台喇叭形状的天线，用以接收“回声”卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空方向进行测量。他们发现，在波长为7.35厘米的地方一直有一个各向向性的讯号存在，这个信号既没有周日的变化，也没有季节的变化，因而可以判定与地球的公转和自转无关。

起初他们怀疑这个信号来源于天线系统本身。1965年年初，他们对天线进行了彻底检查，清除了天线上的鸽子窝和乌粪，然而噪声仍然存在。于是他们在《天体物理学报》上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文正式宣布了这个发现。不久狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文，对这个发现给出了正确的解释，即：这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景辐射的发现在近代天文学上具有非常重要的意义，它给了大爆炸理论一个有力的证据，并且与类星体、脉；中星、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。

根据1989年11月升空的宇宙背景探测者测量到的结果，宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度2.2760.010K的黑体辐射谱，证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度，并且还验证，扣除掉这个速度对测量结果带来的影响，以及银河系内物质辐射的干扰，宇宙背景辐射具有高度各向同性，温度涨落的幅度只有大约百万分之五。目前公认的理论认为，这个温度涨落起源于宇宙在形成初期极小尺度上的量子涨落，它随着宇宙的暴涨而放大到宇宙学的尺度上，并且正是由于温度的涨落，造成物质宇宙物质分布的不均匀性，最终得以形成诸如星系团等的一类大尺度结构。

2006年，负责COBE项目的美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特因其对“宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性”而获得诺贝尔物理学奖。

2003年，美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量表明，宇宙的年龄是137±1亿年，在宇宙的组成成分中，4％是一般物质，23％是暗物质，73％是暗能量。宇宙目前的膨胀速度是每秒71千米每百万秒差距，宇宙空间是近乎于平直的，它经历过暴涨的过程，并且会一直膨胀下去。

10　反物质

就像超人还有与其相反的一面，组成通常物质的基本粒子也有相反的一面。例如，电子带有负电荷，而它的反粒子，即正电子带正电荷。物质和反物质碰到一块儿后会碰撞湮灭，同时它们的质量会转变为纯能量。很多设想中的太空船就是靠反物质引擎推动的。

反物质是一种假想的物质形式，在粒子物理学里，反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的。物质与反物质的结合，如同粒子与反粒子结合一般，会导致二者湮灭并释放出高能光子或伽马射线。1932年，美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在，随后又发现了负质子和反中子。2010年11月17日，欧洲研究人员在科学史上首次成功“抓住”微量反物质。2011年5月初，中国科学技术大学与美国科学家合作发现迄今最重的反物质粒子——反氦4。2011年6月5日，欧洲核子研究中心的科研人员宣布已成功抓取反氢原子超过16分钟。

是否存在反物质?现代天文学还拿不出令人信服的证据。否定反物质的人；很多，美国宇宙学家施拉姆说：“大多数理论家直觉不存在反物质。这意味着如果你找到它，那是一个伟大的发现。但更可能的是，这意味着你找不到它。”

天体有巨大的引力，在巨大的引力作用下，会发生各类反应，并发光发热。物极必反，拉普拉斯曾经大胆预言：宇宙中最大的天体有可能是看不见的。当引力随质量增大时，天体会变成一个一无所有的区域，既不发热，也不发光，现在我们称之为黑洞。我们肉眼和天文仪器所能“看”到的只是以恒星或以星系形式存在的宇宙结构，这些物质只占宇宙总体的10％。显而易见，对可见物质的巨大引力的存在表明了暗物质或反物质的存在。

同样的，对应现存的星系结构体系，有相反的反宇宙结构体系存在吗?其实早在1898年，一位英国物理学家就提出：与物质存在一样，有一个镜像对应的反物质存在。1997年，科学家宣布发现了“银心反物质喷泉”，极大地震撼了整个物理学界，使科学家寻找反物质的热情一下子高涨起来。

1998年夏天，美国航空航天局把阿尔法磁谱仪送上了太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。

如果相信宇宙中有等量的物质和我们这个由正物质构成的区域。由于星系际大部分地方很空旷，反原子核可自由地飞行很长距离。这样，放置在地球大气层之外的磁谱仪就能接收到它。这就是“阿尔法磁谱仪”计划的基本想法。处有巨大的反物质区存在，那它肯定是一个里程碑式的成果。它的意义远不仅是证实了宇宙中有反物质天体，更重要的是它对物理学提出了严峻的挑战。在早期宇宙中，正反粒子必是混合的。按现有的物理理论，没有一种已知的作用如果观测证实远处确有已被分离出去的大量反物质，物理学将需要突破性的变化。

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