上篇　揭开太空的神秘面纱

第一章　太空起源

1．万物伊始，宇宙初成

宇宙

空间、时间、物质--都是在137亿年前的一个“大爆炸”中诞生的。那时的宇宙是一个无比奇异的地方。那里还没有行星、恒星或星系，有的只是一团基本粒子，充斥其中。此外，整个宇宙还没有一个针孔大，而且难以置信地热。这个宇宙立刻开始膨胀，从这个出人意料的怪异起点，逐渐扩展，直到演化成我们现在看到的样子。

现代科学还不能描述或解释大爆炸之后10-43秒内发生了什么事情。这个时间间隔：10-43秒，被称为普朗克时间，是以德国科学家麦克斯·卡尔·恩斯特·普朗克的名字命名的。普朗克首先引入了这样一个概念：能量不是连续可变的，而是由具有特定能量的“单元”或者“量子”构成。量子理论是现代大部分物理学的基石，它从最小的尺度上处理宇宙问题，而且被列为20世纪理论科学的两个伟大成就之一。另一个是爱因斯坦的广义相对论，处理极大尺度--天文尺度上的物理学。

尽管在它们各自的领域里这些理论都被实验和观测完美地验证了，但是调和这两个理论的努力却遇到了很大的困难。特别是，它们对时间的处理方法根本不同。在爱因斯坦的理论中，时间是一个维度，是连续的，所以我们从一个时刻平滑地过渡到下一个时刻，而在量子理论中，普朗克时间就代表着一个基本的极限：时间具有一定意义的最小单元，同时这也是在理论上能够测量出的最小时间单元。如果我们制造出最为精确的钟表，会发现它会不规律地从一个普朗克时间跳到下一个普朗克时间。

试图调和这两种截然对立的时间观念是21世纪物理学面临的主要挑战。近年来在“弦理论”和“膜理论”方面进行了这种尝试。就现在来说，量子物理主宰着紧邻大爆炸之后的灼热致密的微小宇宙阶段。我们对宇宙的科学研究就从大爆炸之后10-43秒开始。

大爆炸的概念与直觉相反，我们的常识似乎更易接受一个静态无穷的宇宙观念。但是确有科学理由让人相信大爆炸这个奇异的事件。如果我们接受大爆炸，就有可能看清整个事件的进展过程，从第一个普朗克时间开始，直到我们生活在地球上的现在。

自然界中的力

夸克的这种性质的起因与把夸克约束在一起的力的不同寻常的性质有关。这种力被称为强核力不是无缘无故的，它只在极小的尺度内才占主导地位，所以我们需要使用非常强大的粒子加速器才能使质子分裂。不像我们在大尺度环境中所熟悉的力--例如引力或异性电荷之间的吸引力那样，强力随距离的增加而增加。换句话说，如果我们能够分开两个夸克，会发现分离的距离越大，两者之间拉回的力就越大。最终，当夸克分开到一定程度，造成这种形变所注入的能量是如此之大，以至于能量转化为质量，产生两个新的夸克。这样猛然间我们获得了2对夸克，而不是事先希望的把夸克单独隔离开。这个过程意味着我们在实验中从未产生过独立的夸克。在日常世界中，夸克只作为其他粒子的组分而存在，例如质子和中子中各含有3个夸克。

在刚刚大爆炸后极端高温的宇宙中，夸克具备足够的能量自由地运动。因此，通过理解最大尺度上的宇宙过程，可以增加我们对最小尺度上的粒子的了解。每个粒子在宇宙初期获得的能量比我们在粒子加速器中所能制造的高得多。即使我们建造一个和太阳系一样尺寸的加速器也不可能产生如此巨大的能量。

值得注意的是，当前我们通过粒子物理对微观世界的研究，和通过宇宙学对极大尺度的宏观世界的认识是紧密交织在一起的。为了了解整个宇宙，我们要依靠对于基本粒子的认识，而我们进行此项研究的最好的实验室就是处于萌芽期的宇宙。一个充满了高能基本粒子的炙热空间，是我们想象到的新生宇宙的最早景象。

引力，宇宙的力

通常认为，在天文距离上唯一起作用的力是万有引力。对一个物体，无论是恒星、行星、一个人还是一片云，引力的强度取决于它里面包含多少物质。注意质量和重量是不同的。质量表示存在多少物质，而重量表示由于重力产生的力的大小。所以一个在地球轨道上的宇航员处于失重状态，但并没有失去质量。可以把引力定义为：使质量产生重量的力。例如，月亮是太阳大家庭中较小的一个成员，其引力小到无法保持住大气。地球质量比月球大得多，把物体吸引住的能力也强得多，所以幸运的是它保持了我们呼吸所需的大气层。类似地，早期宇宙中物质密集的区域比稀疏的区域有更大的引力，可以把周围的物质吸引过来，而这又进一步增强了它的引力。所以这一过程一直在加速，就像常说的那样：富者愈富，贫者愈贫。

在这些比较致密的区域中也存在局部的密度差异，所以有同类的过程发生。质量越大，引力越强，从周围吸引的物质聚集得越多。使用计算机能够重构当时的情景，从而建立一个比较好的模型来反映早期宇宙是如何演化成现在宇宙的大尺度结构的。

不论这种结构在哪里形成，都必须考虑两种对立的因素：从大爆炸开始的空间的膨胀和引力作用下的局部物质的收缩。一旦天体在形成过程中积累了足够的质量，它就能抵御总体的膨胀而收缩到一起。

一个星系团的始祖最开始时是很小的，其体积随着宇宙的膨胀而增加，并持续地从周围把物质吸纳过来。随着可以积累的物质的耗尽，它增长得越来越慢，直至停止扩张，这个原始的星系群达到了它最大的范围，并有能力凝聚到它最终的大小。引力随距离的增大而变弱，所以在宇宙演化的这个阶段，收缩仅可能发生在很小的尺度上。这样，还仅仅是气体团的原始星系开始形成。

光的产生

在暴胀这一灾变时期后的30万年里没有什么大的变化发生。支配宇宙演化的物理环境几乎保持不变。宇宙成为一个变动不那么剧烈的地方。随着温度的降低，质子和中子的速度也减慢了。但就像我们将要看到的那样，物质和辐射依然混合在一起。从我们的观点看，这一时期的宇宙和今天看到的最初的恒星宇宙间的最大差异是，在这极早期阶段，宇宙是完全不透明的。

包括可见光在内的电磁波也可以看成是光子流。光子是一种没有质量的粒子，以每秒30万千米的速度运动。在量子力学（可能是现代科学中经过最好验证的理论）的奇妙世界中，我们不再能够明确地区分“波”和“粒子”，而要接受任何物质都会表现出介于两者之间的“波粒二象性”。就像我们传统上认为是粒子的那些实体--例如电子和质子--一样，光在某些时刻也表现得像一个粒子，叫做“光子”，而在其他时候像一个波。

每个光子都携带一份确定的能量，能量大小由光的颜色决定，所以确实可以说电磁波是一个光子流。现在让我们追踪其中一个光子的轨迹。它可能产生于极早期宇宙中的一次质子和反质子的碰撞。在这种非常密集的环境中，这个光子走不了多远就会碰上一个电子并被吸收掉，而电子则获得了能量。其后，光子可能又被发射出去，但这时和它原来的方向已是毫无关系了。这个过程在不断地重复，其结果是光子在任何方向上都走得很慢。

但是当宇宙在大爆炸后30万年，恰好冷却到3000度时，一个突然的变化发生了。在这个临界时刻之前，电子这种组成普通原子物质的最轻，因而也是运动最快的粒子，运动得太快，以至于较重的原子核无法将其捕获。但到了3000度的温度时，它们就再也无法逃脱原子核的捕捉了，最初的中性原子产生了。从原子的尺度上看，被捕获的电子在一个很远的距离上环绕原子核，但如果与原子间的距离相比，电子离原子核是极近的。这样，新形成的原子之间的空间变得空旷了，光子突然能够不受阻碍地运动很长的距离。换句话说，物质和辐射分离开来，在大爆炸后30万年，宇宙变得透明了。

光的屏障

我们已经知道在微波背景辐射产生之前宇宙是不透明的，光线无法在里面传到远方。就像在地球上没法看到云层里面一样，我们也没法看到这一时刻以前的情况。这个类比不完全准确，因为云朵自身不发光。太阳是一个更好的例子。从外面看，太阳有一个确切的表面：光球，但实际上我们看到的仅仅是物质开始变得透明的那个边界。光球内，气体是如此炽热、明亮和密集，光子无法不受碰撞地穿透出去，就像紧接着大爆炸后的那段时间一样；光球之外，气体变得透明了，光子能够自由地穿越，就像宇宙刚刚变得透明的那一时刻--宇宙微波背景产生的时刻。

要看透云层，我们有一个替代方案：无线电波可以轻易地穿过云层，所以可以得到云层之外或者云朵里面的信息。这种技巧在宇宙微波背景这里不起作用。30万年是对所有电磁辐射的限制，似乎是难以克服的障碍。那么我们怎么能够在前面如此自信地描述在这一时刻之前的那些情况呢？此时我们需要依靠理论。这些理论中有许多曾成功地预言了微波背景辐射是什么样子，这样我们就能够将理论和实际的宇宙微波背景作比较，得出合适的结论。

但更为理想的当然是我们希望能够越过这个障碍看到过去。为了达到这个目标出现了不少想法。比如去探测那些在微波背景辐射时代之前就幸存下来、未曾变化的高能粒子。现在已经开始寻找这种以微小的、几乎无质量的中微子或其他怪异的物质形态出现的粒子。但真正能够探测到并确定其来源的中微子望远镜，还有待建造。

光谱

艾萨克·牛顿爵士首次将一束阳光穿过一只玻璃棱镜，证明了阳光是由从红色（长波长）到紫色（短波长）的各种波长的光线的混合。他把阳光通过小孔和棱镜，射出后形成一条彩色光带，这是首个有意制成的光谱。牛顿并未做进一步的实验，可能因为那时棱镜的玻璃质量欠佳，无疑更为可能的是还有其他的事情正等待他去考虑。下一个真正的进展来自英国科学家W.H．渥拉斯顿。1801年，渥拉斯顿在屏上用一道狭缝代替了小孔，得到了里面横跨着许多暗线的带状太阳光谱。渥拉斯顿认为这些线仅是各种颜色之间的分界，从而与一项重大发现失之交臂。十多年后，德国光学家约瑟夫·夫琅禾费做到了这点。

像渥拉斯顿一样，夫琅禾费获得了太阳光谱。他把暗线描画下来，发现它们的位置和强度是不变的。例如在光谱黄色的部分有两条非常明显的暗线。这些线条是如何形成的？1858年古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生给出了答案，同时奠定了现代光谱学的基础。

就像望远镜收集光线一样，光谱仪把光分解成彩虹样的光谱。观察发光的固体或者液体的光谱，你可以看到彩虹似的连续谱带；而低压气体的光谱却大不一样，与一条彩带不同，只能看到分立的亮线，即发射光谱。基尔霍夫和本生发现，每条谱线都是某种特定元素或者元素组合的标志，而且不会重复。例如钠会产生2条明亮的黄线以及其他亮线。有些元素的光谱比较复杂，比如铁有数千条谱线。而他们伟大的洞察力在于，发现太阳光谱中的暗线和实验室里发光气体光谱中的亮线是一一对应的。现在知道每条谱线都产生于气体原子外层电子某个特定的状态跃迁。如果气体很热，电子的能级降低时就会放出能量，我们就能看到发射线；如果气体较冷并且背景光是像阳光那样的连续谱的话，我们就会看到一条暗线，因为电子在相同的频率上吸收了能量，并跃迁到上面的能级。在太阳光谱黄色部分里的那一对特殊的暗线就是相对较冷的钠蒸汽存在的明确迹象。通过对这些夫琅禾费线的研究，可以得到被称为“反变层”的太阳内层大气中所有气态元素的丰度。

被称作夫琅禾费线的这些暗线还可以提供运动的信息，继而间接地告诉我们天体的距离。注意一下救护车鸣笛的声音。与静止时相比，当汽车朝我们开来时，每秒钟内有更多数量的声波进入耳朵，其效果是波长变短了，所以声调听上去越来越高；而当汽车经过后驶离我们时，每秒钟进入耳朵的声波数减少，波长增大，所以音调变低。奥地利科学家多普勒首先对这种现象做出了解释，后来这种现象被称为“多普勒效应”。对光来说也存在同样的现象。对于一个正在靠近的源，波长的缩短令光线变蓝；对于正在退行的源，光线变红。这种颜色变化极其微弱，难于察觉。但是会在夫琅禾费线中有所反映。如果所有的谱线都向红端，即长波长端移动，那么光源就正在远离我们。红移越大，退行速度就越大。

现在回到太阳光谱。太阳的明亮表面，即光球，产生连续光谱。其上的是一层压力低得多的大气（色球层），所以预计应该产生发射光谱。事情也确实如此，然而在一个明亮的彩虹背景的映衬下，这些谱线被“反转”了，看上去不是亮的，而是暗的。但是它们的位置和强度不受影响。日光光谱黄色部分的两条暗线对应着钠的发射线，所以我们断定太阳上存在钠。

2．全面的认识“宇宙”

宇宙的诞生

广阔宇宙从何而来，这是一个从古至今都吸引人研究的问题。远古时期，我国就流传着盘古开天辟地的故事；西方则创造了一个“上帝”。《圣经》中是这样记载的，上帝用说话的方式要来了天地万物、光明和黑暗。因为在古代的时候，人们一遇到解释不了的一些奇怪自然现象的时候，可能就会编出一些神话用事，借助神灵的威力，这一点也是能够理解的。

时间过去了几千年，历史前进到了现在，关于宇宙的模型也有了好几个蕴藏着科学内涵的说法，其中影响最大的就是“大爆炸宇宙学”，它也可以解释许多的观测事实。这个理论的内涵就是，认为“我们的宇宙”——“观测到的宇宙”曾经有过一段从热到冷的演化史。在这一段时间里，宇宙体系在持续膨胀着，物质密度也可能会从密到疏进行演化。事实上，这一由热至冷、由密至疏的过程就像一次庞大规模的爆炸。

它的具体操作过程，能够这样来理解：宇宙早期，如同一个“原始火球”，它具有100亿度以上的高温和很大的密度。就是由于高温，“原始火球”非常不稳定，大概是在200亿年前，它爆炸了，于是整个体系迅速膨胀着。宇宙之中实际上充满了中子、质子、电子、光子和中微子等这些基本形态的物质。膨胀始终在继续，但温度能够快速地降下来。

只要短短几分钟，温度就可以下降10亿度左右，这时中子就会失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么和质子结合成重氢、氦等元素，宇宙中的化学元素就是从此时开始形成的；等温度下降至1OO万度后，早期形成化学元素的过程暂时结束；降至几千度时，爆炸产生的强烈辐射继续衰退，宇宙间遍布气态物质。最后，气体慢慢凝聚成气云，接着演化成各不相同的恒星体系，直到我们今天看到的宇宙。

在现实中，有人模仿按比例尺画地图的样子，把过去的近200亿年的宇宙演化历程浓缩到一年中，得出一个非常直观和有趣的“宇宙日历”：1月10日，大爆炸，宇宙诞生；5月1日，浩瀚的银河系诞生；9月9日，太阳系问世；9月14日，地球形成。9月24日，地球上原始生命出现；11月12日，绿色植物破土而出；12月26日，更高级的哺乳动物来到了这个世界。12月31日0时22分30秒，原始人类站在地球上；23分46秒，北京猿人开始用火；23分59秒，中国历史延续到春秋……宋代；24分，全球进入了迄今仍在继续的现代化社会……从上述列表中我们能够看出；人类历史其实就是宇宙岁月中非常短暂的一瞬间。

宇宙的形成果真是这样的吗？现在，没有人能够给出肯定的答复，可是比起其他宇宙模型的观点来，大爆炸宇宙学是的确可以很好地解释人们知道的神奇的宇宙现象，以下我们就来看看这些事实：据现在观测到的宇宙间所有的天体年龄都没有发现超过或者等于200亿年的，原因就是它们都诞生在宇宙温度快速下降之后，太阳只不过是50亿年前的产物。

相关观测还发现，很多星系的光谱事实上都有“红移”现象。天文学家们了解，若发光体朝着离开我们的方向运动之时，人们接收到的光谱线就会移到红色的这一端。星系光谱的红移也就意味着它们是在远离我们而去，或者说它们正在退行。所谓退行，其实就是说明宇宙正在膨胀，这就像一个气球上的各点，在吹气球的时候各点的距离会因气球胀大而增大是一个道理。在1929年的时候，美国天文学家哈勃（EdwinPowellHubble，1889~1953）了解到星系退行的速度和离人类的距离是成正比的，也就是说距离越远，退行速度也越快。人们把这个规律称作“哈勃定律”。

而第三个事实就是，天文学家们得出结论，在各不相同的天体上，氦的含量都很大，比例也差不多一样，大概占30%。如果单靠恒星本身的核反应机制是不足以说明为什么会有这么多氦的，而“大爆炸”早期的高温，却可以很好地解释这一点。

另外一点，大爆炸理论的提出人之一，原苏联科学家伽莫夫（1909~1968）曾经预言，今天的宇宙很冷，只有绝对温度几度。在1965年的时候，这个预言被证明了，美国的科学家发现了漫布于整个空间的“微波背景辐射”，它的温度大概是3K，它们研究得出的这个结果在定性上和定量上都和大爆炸宇宙理论相符合。

但是，大爆炸理论也是有局限性的，宇宙中还有很多疑问解答不了。如，让天文学家们着迷了17年之久的宇宙膨胀。这种“砰”然一声后的自我膨胀将会有一个什么结果呢？是膨胀到一定程度时，天体间的引力使它停止，然后收缩、升温又回到“原始火球”，再爆炸？还是出现一个在扩张和崩溃之间实现临界平衡的宇宙？或者最终导致一个具有“负曲线”和无限未来的宇宙呢？又如，上面理论的提出和观测到的事实都是建立在“我们看到的宇宙”，也就是“总星系”中的，这就是所谓狭义的宇宙，是“我们的宇宙”。除此之外，那个更为广阔的空间又是何种模样？这又是一个疑问了。

时间的开始

让我们回到紧邻大爆炸之后宇宙的那个起始点。通常我们脑海中会闪现出这样一幅场景：在一个广阔的空间里宇宙突然地爆发了，但这是完全错误的。大爆炸的真实情景是：空间、物质以及更为关键的时间，都是在这里同时产生的。空间不是从虚无中产生的，在创世之前并没有虚无。在大爆炸之前时间也还没有开始，甚至谈论大爆炸前的某个时刻也是没有意义的。即使莎士比亚或者爱因斯坦也无法用通常的语言来描绘这一情景，虽然他们拥有非凡的智慧。

这也意味着当我们今天考察宇宙时，询问“大爆炸”是在哪里发生的这个问题是没有意义的。空间自身也是随着大爆炸产生的。因此，在大爆炸刚发生后的时刻，我们现在所见的整个宇宙蜷缩在一个极小的区域，比一个原子核还要小。大爆炸发生在每一个地方，这里没有“爆心”。

对这点的一个很好的直观描述是埃舍尔的一幅着名画作，虽然它的名称比较乏味：三维空间的分割。想象你站在任何一个位于网格交叉点的立方体上，每一个接到立方体上的直杆都延伸出去。在你的视野中所有的东西都从你这里延展出去，所以很自然地会首先感觉到自己正是位于一个特殊的地点：扩展的中心，但随后你就能意识到无论你位于网格的哪一点，看到的直杆向外扩展的景象都是一样的，事实上并没有一个中心。宇宙的情况与此非常类似：每一个星系群看起来都在远离我们而去。如果有一个观测者在这些遥远的星星上回望我们，他也会看到同样的景象，也可能同样地以为自己位于扩张的中心。

另一个经常被提到，而且乍看起来很有道理的问题是“宇宙有多大”。这里我们又遇到了一个大问题，就是有两类可能的答案：宇宙是有限的，还是无限的？如果是有限的，那么它的外面是什么？实际上这个问题是没有意义的。因为空间自身仅存在于宇宙之中，所以从字面上来说根本就没有“宇宙的外面”。另一方面，当我们提到宇宙是无限的时候，实际指的是它的大小是无法限定的。我们无法用日常的语言来解释“无限”，而且我们知道爱因斯坦也做不到--因为帕特里克曾经问过他！

还需要记住，我们要把时间看作是坐标中的一维。也就是说，不能简单地问“宇宙有多大”，因为答案会随时间变化。我们可以问“宇宙现在有多大”，但随后我们会看到，相对论的一个结果就是不可能定义一个普遍适用于整个宇宙的叫做“现在”的时刻。

谈论具有有限大小的宇宙立即会使人联想到边界。如果我们走得足够远，会撞到一堵砖墙吗？答案是否定的。宇宙具有数学家们所说的“有限而无界”的性质。一个有用的类比是一只在圆球上漫步的蚂蚁。要是它在这个弯曲的表面上一直朝着一个方向前行，就永远也不会遇到障碍，能够游荡无穷的距离。所以虽然球的尺寸是有限的，但蚂蚁觉察不出来。类似地，如果我们登上一艘无比先进的飞船沿着直线航行，我们也永远不可能到达宇宙的边界，但这并不意味着宇宙是无限的。随后我们还会看到空间也可以被看作是弯曲的。

让我们把自己限定在能够做出科学回答的问题上，即能够通过和观测结果对比来回答的问题。我们可以确定地说可观测的宇宙（顾名思义，即发出的光线有可能到达我们的那部分宇宙）在尺寸上是有限的。因为我们目前最好的估计是宇宙的年龄为137亿年，这样可观测宇宙的边缘（从那里发出的光刚刚到达我们）离我们有137亿光年远，而且还在以每年1光年的速度扩展。实际上后面还要谈到为什么我们永远不可能看到这么远。宇宙一定比我们能看到的要大，这是我们能够确定回答的全部。

宇宙的尺度

说一个目标在离我们137亿光年之外当然很准确，但我们能真正地去理解宇宙的这种尺度吗？我们很容易感受例如从伦敦到纽约的距离，甚至从地球到月球的距离（约38万千米），这几乎是10倍于地球上的环境。有很多人在他们的一生中曾经乘飞机飞行过比这还长的距离，事实上有些航空公司会给予那些乘坐航班累计超过160万千米的乘客以某种特权。但你如何去想象1.5亿千米--从地球到太阳的距离？当我们考虑最近的恒星，离我们4.2光年（约40万亿千米）时，这个距离是很难想象的。而星系更遥远得多。银河系最近的邻居仙女座星系距离我们有200万光年之远。

在尺度的另一个极端，想象一个原子的大小同样地困难，任何普通的显微镜都无法看到单独的原子。有这样一种说法：从量级上看，人正处于从原子到恒星的尺度范围的中间。有趣的是，这也正是物理规律最为复杂的地方。在原子世界，我们应用量子物理学；在宇宙尺度，应用相对论。在这两个极端之间，我们对如何调和这些理论的困惑暴露无遗。牛津科学家罗杰·彭罗斯坚定地写下了他的信念：我们对基本物理原理所缺失的理解力，也是我们对人类意识所缺失的理解力。当我们思考所谓的人择原理--归纳起来就是宇宙的演化必然保证我们能够存在并认识它--时，这个观点尤为重要。

另一个有用的问题是，宇宙中有多少原子？一种估计给出的总数高达1079个原子，即1后面跟着79个0。

传统上我们把原子看成由三类比较基本的粒子组成：质子（带单位正电荷），中子（不带电）和质量小得多的电子（带单位负电荷）。顺带说一下，在原子层次精确定义什么是电荷远非那么简单。可以把电荷看作是粒子的属性之一，就像大小和质量一样。电荷总是以固定的粒度出现，我们称之为单位电荷。

根据经典模型，原子就像一个小型太阳系，电子环绕中央的原子核旋转，由质子和中子组成的复合的原子核带有正电荷，并且和环绕的电子的总负电荷严格抵消。在我们的太阳系中，行星被引力保持在环绕太阳的轨道上；在原子中，是带负电荷的电子和带正电荷的原子核之间的电磁吸引力使得电子环绕原子核旋转。

过去，我们注意到这个简洁的模型可以解释很多基本的化学现象，比如，为什么原子的外层电子容易参与化学反应：因为它们离核较远，吸引力的约束较小。所以最简单的原子--氢原子，只有由一个质子构成的原子核和一个电子组成，整个原子是电中性的：正1加负1等于零。所有原子都具有相同数目的电子和质子。每种元素内这种粒子的数量是唯一的，称为原子序数。比如氦原子有2个质子和2个电子，所以它的原子序数是2。而碳原子的序数是6。重元素含有数目众多的电子和质子。地球上最重的自然元素--铀的原子序数是92。

在20世纪早期，把质子和中子看成坚实颗粒的观点甚为流行。但这个图景今天已经变得不那么清晰了。面对很多甚小系统的奇怪行为时，把它们看作由波动而非颗粒构成能够更好地进行解释。这个理论叫做波粒二象性。此外实验显示，电子看起来确实是不可分割，而质子和中子事实上并不是最基本的。它们能被分解成更小的颗粒，叫夸克。夸克现在被认为是最基本的。没有人曾经看到过夸克，但我们知道它们一定存在，因为在粒子加速器中检测到了。人们建造了粒子加速器，以不可思议的高速度把质子打碎，从而探测到夸克。在这些实验中质子似乎破碎了，所以科学家断定质子不是最基本的。自然界不喜欢形单影只的夸克，所以它总是成双或成三地出现。

宇宙的同谋论

让我们暂时回到现在。想象两个从地球上看去处于相反方向上的距离我们90亿光年的星系，它们之间的距离是180亿光年。泛泛而言，在最大的尺度上，它们身处的宇宙区域看起来是一样的。其中一个可能位于星系团的中心深处，就像我们附近的室女座星系团，另一个可能孤立得多；但是在第一个星系团附近会有孤立的星系，而在第二个星系的附近则不可避免地存在着星系团。所以每个区域都有相同比例的相同类型的星系，而且本地的温度也是一样的。

这就产生出一个被称为“宇宙同谋”的问题。宇宙年龄目前最好的估计是137亿年，不到180亿年，所以光还没有足够的时间从一个星系传到另一个星系。而根据相对论，光是宇宙中最快的东西。如果连光都没有时间穿过两个区域中间的空间，其他任何事情也不可能发生，没有任何东西能够从一个区域传递到另一个，所以两个区域之间的任何差异都无法消除。但是，无论我们朝哪个方向看，宇宙似乎都一样，有同样类型的星系，几乎按照一样的模式分布，好像它们曾经互相商量过一样。这个事实变得令人不解，被称作“宇宙同谋”。

为什么这会成为一个问题？难道宇宙在各个方向上看起来一样不是很自然的事情吗？也许有某个现在还不为人所知的规律在支配大爆炸的物理变化，保证只有几乎是均匀的宇宙才能产生。但是现在我们还没发现有任何物理理论能够预言这一现象的迹象，所以至少需要考虑如下的可能，就是宇宙诞生之时不同区域之间可能存在巨大的温度差异，比如在早期宇宙中，一半的温度可能是另一半温度的两倍。那么这样如何产生我们现在观察到的宇宙的均匀性呢？热量没有时间流动到宇宙中冷的部分，甚至没有时间在两个区域之间以光速发送一个消息。在这种环境下，原始的不平衡不可能被修正；而实际上，这些互相远离毫无关联的区域却是非常相似的。

我们的两个星系现在是互相远离。但是宇宙在非常年轻时要小得多，而在两边的物体有可能互相接触从而交换热量，达到今日所见的均匀性。现在的问题是，这个早期阶段的宇宙到底有多大？出乎意料地，答案相当简单。

到目前为止我们只讨论过一种能够在天文距离上起作用的力，就是万有引力。它本质上是一种把物体拉到一起的吸引力。引力本身会减缓膨胀的速度。我们可以尝试从现在反推出宇宙的大小随时间是如何变化的，而我们发现宇宙同谋的问题一直到早期宇宙都存在。换句话说，宇宙从来没有小到过能够让光从一侧运动到另一侧的程度。所以从来没有小到能够使得温度差被平坦掉的程度。这个推论是建立在引力是唯一影响膨胀速度的力的基础上的，所以如果我们要解决同谋问题，就必须放弃这个观点。

宇宙的多维性

宇宙空间究竟有几维？

神秘的宇宙和人类的经验世界如此不同，我们所能感受的三维世界也许只是宇宙中多维空间的一个小岛。近日，东京大学上演了一场爆棚演讲。主讲人哈佛大学理论物理学教授丽萨·兰道尔的到场，让所有听众躁动起来——不仅因为她的美貌，更因为她给人们呈现了一个超乎想象的多维世界。

第五维空间在哪里？

哈佛大学理论物理学教授丽萨·兰道尔，是近年来理论物理学界的佼佼者。1999年，她和同事拉曼·桑卓姆发表了轰动一时的两篇论文，至今，这两篇论文的引用率在理论物理学界仍排名第一。根据论文建立的模型，她假设了宇宙中存在着超越我们所处的四维（长、宽、高组成的三维空间＋时间）时空之外的第五维或更多维的宇宙空间。这一理论也恰好解释了，困扰科学界多年的引力相比其他3个基本力羸弱不堪的原因。

科学家发现，宇宙基本由4种力相互作用而成。它们是引力、电磁力、强力和弱力。引力源于物体质量的相互吸引，两个有质量的物体间存在引力；电磁力是由粒子的电荷产生的，一个粒子可以带正电荷，或者带负电荷，同性电荷相斥，异性电荷相吸；强力主要是把夸克结合在一起的力；弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应，像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。（注：人们普遍认为，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子由电子、质子、中子等基本粒子组成，而基本粒子则由更基本的亚粒子组成。这种亚粒子也就是人们常说的“夸克”。）

令人不可思议的是，这4种基本力的相对强度以及作用范围都有巨大区别。从相对强度上来说，假定以电磁力为一个单位强度，则强力要比这个单位大100倍，弱力只有这个单位的1／1000，引力小到几乎可以忽略不计：在微观世界中，它只有电磁力的1／1040（10的40次方）！从范围上看，引力主要体现在宏观世界，其他3种基本力主要在微观世界起作用。

也许你并不觉得引力微不足道，至少当我们从高处坠落时，那可不是闹着玩的。但是同电磁力比起来，它的确相当“虚弱”，比如，整个地球产生的引力作用在一根针上，只不过是让它在桌子上安静地躺着，我们拿起一小块磁铁便能将它轻松吸起。奇特的是，引力在宇宙中却能左右巨大星系的运转。

对此，兰道尔的理论模型给出了解释：“我们假设引力存在于与我们所处的三维时空不同的另一张膜上，而引力膜和我们所在的膜之间，被第五维空间或更多维空间隔开。其他3种基本力被限制在我们的膜上，而引力则在宇宙中均匀分布。对我们这样的三维空间来说，它的强大力量从宇宙中多维空间中‘泄漏’出来后被大大弱化了。”

若果真如此，那么五维或多维空间究竟在哪儿？它们又如何不同于我们的三维空间世界？

为什么会有多维空间？

事实上，是否存在多维空间的猜想，早在1920年就被爱因斯坦的“粉丝”德国数学家卡鲁扎提出过，后来经过瑞典理论物理学家克莱茵的改进，成为“第五维度”的思想，并被后人统称为卡鲁扎－克莱恩理论（或KK理论）。遗憾的是，这个理论最终未能自圆其说，只能不了了之。

后来，相对论和量子理论——这两大现代物理理论基石相继诞生，有趣的是，二者之间不能通用且充满矛盾。

爱因斯坦的广义相对论是关于引力的理论，他认为空间是有形状的，当没有任何物质或能量存在时，空间是平直光滑的，当一个大质量物体进入空间后，平直的空间就发生了弯曲凹陷。这就像在一条绷紧的床单上放一个保龄球，床单马上就凹陷下去，而所谓的引力就是通过这样的空间弯曲而体现的。为什么地球会绕着太阳运行？因为地球滚入了太阳周边弯曲空间的一道“沟谷”。而如果物体质量太小，空间弯曲几乎为零，也就感受不到引力的作用。因此，人和人之间，甚至建筑物等普通物体之间的引力作用可以忽略不计。

但相对论的空间几何形状变化，解释不了其他3种基本力——电磁力、强力和弱力的作用原理。在微观世界里，空间根本就不是平滑的，无数的粒子在永不停息地剧烈运动，可见，广义相对论的平滑空间前提在这里讲不通。

而量子理论却能解释这3种力的行为：量子理论认为，宇宙中所有的物质最终由数百种不同的基本粒子组成，而力则是由粒子的交换而来的。但粒子交换也不能解释引力现象，因为在微观世界里，粒子的自身质量不仅小到几乎没有，还总在杂乱无章地运动，它们之间的引力又从何谈起呢？

相对论和量子理论的尖锐矛盾，使科学家不得不另辟蹊径。上世纪60年代，一个崭新的理论——超弦理论出现了。超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，这根细细的线被科学家形象地称为“弦”。依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同振动模式，弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。振动较剧烈的粒子质量较大，振动较轻柔的粒子质量较小。而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙，就像一支伟大的交响曲。不过，弦的运动是十分复杂的，以至于三维空间已经无法容纳它的运动模式。

在今天的超弦理论中，科学家已经计算出十维空间结构（还有些方法甚至计算出了二十六维）。而空间的维数越高，越能容纳更多的运动形式。由此，宇宙的时空维数是高维的，三维空间仅仅是一种最简单的情形。

三维以上的空间是隐匿的？

如果真有十维空间，我们为什么只能察觉到三个维度呢？除了时间维度之外，另外六个又在哪里？

一些科学家认为：计算出来的空间维度不一定和经验维度相同。或许另外六个维度的空间以某种方式隐匿起来，人在日常生活中难以察觉。记得获得1979年诺贝尔物理学奖的美国物理学家格拉肖曾抱怨过：“我总是被那些搞超弦理论的人打扰，因为他们从不谈一些和真实世界有关的事。”

对这个问题，兰道尔倒是泰然处之，她最近提出了一个“放松原则”：想太多不如什么都不想！“看看我们的宇宙，它一路走来，始终如一。当宇宙处于大爆炸前的初始状态时，存在多少维度都有可能。大爆炸发生后，宇宙在不断地膨胀，它会自然而然地、随时充填需要的维度，直到稳定下来。”根据兰道尔的计算，在宇宙膨胀过程中，三维和七维的宇宙处于相对稳定的状态。因此，“宇宙在演化过程中，自然会呈现出稳定的三维和七维形式。三维空间存在的范围是最大的，这也就是为什么我们只能察觉到今天这个三维空间构成的世界。”

当然，“如果这还满足不了你的好奇心，你也可以把多维宇宙想像成一次买房的经历。当你选择房子的时候，你不仅会看房子的空间大小，还要看它的结构、质量、地理位置、升值潜力等各种因素，这些因素就好比宇宙的其他空间形式。”

3．正确认识宇宙的膨胀

宇宙大爆炸说

在现实中，人们是依据什么推测出曾经可能有过宇宙大爆炸呢？这主要就是依赖天文学的观测与研究。我们的太阳不过是银河系中的一两千亿个恒星中的一个。就如我们银河系同类的恒星系——数不计数的河外星系。在观测的过程中，我们发现了那些遥远的星系都在远离我们而去，距离我们越遥远的星系，飞离的速度也就越快，所以就形成了现在膨胀的宇宙。

针对这一点，人们开始思考，假如把这些向四面八方远离中的星系运动反过来看，它们可能当初是从同一源头发射出去的，是否在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？以后，人们接着又观测到了布满宇宙的微波背景辐射，这说明大概在137亿年前宇宙大爆炸所产生的余波尽管是微弱的但的确是有的。这一发现对宇宙大爆炸论是个重要的支持。

对于现代宇宙学来说，宇宙大爆炸论是它的重要流派，它可以很到位地解释宇宙中的某些基本问题。尽管宇宙大爆炸理论在20世纪40年代才提出，但是20年代以来就有了萌芽。在20年代的时候，很多天文学者都观测到一个现象，不少河外星系的光谱线和地球上同种元素的光谱线对比，都会有不同地波长变化，也就是红移现象。

直到1929年，美国的天文学家哈勃发表结论总结：星系谱线红移星与星系和地球之间的距离成正比的规律。在他的这一理论中，他指出：假如认为谱线红移是多普勒效应的结果，那么就表示河外星系都在离开我们向远方行走，并且距离越远的星系飞离我们的速度越快。总结来说，这就像是一幅宇宙膨胀的图像。

时间来到了1932年，勒梅特第一次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍苏联著名天体物理学家伽莫夫首次把广义相对论加入到宇宙理论中，他提出了热大爆炸宇宙学模型：最开始的时候，宇宙源自高温、高密度的原始物质，刚开始的温度甚至达到几十亿度，但随后温度开始持续下降，于是宇宙就开始膨胀。

就宇宙的形成来说，大爆炸理论是其中比较有影响力的一种说法，这一理论起源于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，不过始终都少为人知。直至40年代伽莫夫等人又郑重地提出了宇宙大爆炸理论。这个理论的观点是，宇宙在远古时期曾处于一种超高温和超密度的状态，人们将这个状态形象地称之为“原始火球”。

这里所说的“原始火球”实际只是一个非常小的点，如今的宇宙也一直在继续膨胀，也就是无限大，也许在宇宙爆炸的能量散发至最大限度之时，它就会变成一个原始火焰也就是无限小的点以后，火球爆炸，宇宙就持续膨胀，物质密度惭渐变稀，温度也逐渐降低，直到现在的状态。从这一理论中，就能够说明河外天体的谱线红移现象，同时还可能圆满地解释多数天体物理学问题。在50年代初期，很多人才开始广泛关注这一理论。

到了60年代，科学家彭齐亚斯和威尔逊又找到了宇宙大爆炸理论的最新的证据，他们了解到了宇宙背景辐射，此后他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，据此为宇宙大爆炸理论找到了关键的依据。两位科学家在测定银晕气体射电强度时，在大约7.35cm波长处，意外地探测到一个微波噪声。并且无论天线转到什么，不管白天黑夜、春夏秋冬，这种神秘的噪声在什么时候都能保持稳定。大约相当于三K摄氏度的黑体发出的辐射。这个意外发现使天文学家们格外激动，这跟他们的预料：当年宇宙大爆炸后，到现在一定会留下点什么，每一个阶段的平衡状态，都必须有一个相应的等效温度，作为时间前进的声响。这两位科学家最后也凭借这一点斩获1978年的诺贝尔物理学奖。

可以说，在科学家霍金身上，20世纪科学的智慧和毅力得淋漓尽致的体现。他对于宇宙起源后10~43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释：宇宙的起源，最早是比原子更小的奇点，然后就是大爆炸。在大爆炸之后聚集的能量形成了一些基本粒子，这种粒子在强大的能量的作用下，慢慢形成了宇宙中的各种物质。

至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。但是，现代的宇宙大爆炸理论依然缺乏大量实验的支持，并且我们还不知道宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

宇宙的疯狂暴胀

现在流行的解决方案在一定程度上增加了大爆炸理论的复杂度。大多数宇宙学家们现在相信曾有一个异常短暂的快速膨胀期，称为暴胀。在大爆炸后10-35秒到10-32秒之间，宇宙扩展了几十亿倍。在暴胀阶段的最后，膨胀回到了一个比较稳定的速度，和今天观测到的一致。

如果没有暴胀时期，我们所看到的宇宙中相对侧的区域就既没有时间来交换热量，也没有可能达到充分的平衡。假设的这种快速膨胀使我们能够认为宇宙开始时要小得多，从而可以在加速膨胀开始之前达到温度均衡。剩余的少量不均匀性被尺度上的巨大增加所消除。这个迷人的快速暴胀带来的一个结果就是我们所观测到的区域只是整个宇宙的极小的一部分。即，我们只能观察到实际上是我们周围局部的一点变化，而这注定是非常有限的。用一个日常的比喻，我们知道地球从珠穆朗玛峰峰顶到最深的海沟的底部有很大的高度变化。暴胀的等价效果就是把你脚尖下的一小块地方扩展到整个地球这么大，或者等效地把我们缩小到比最小的病毒还小很多的地步，那么在我们能够到达和探索的范围里，高度的变化将是微乎其微的。对于宇宙中的温度起伏，暴胀也带来了同样的效果。

但是为什么在婴儿期宇宙膨胀速度会如此突然地急剧增加？看起来需要引入一种新型的力，它和引力起的作用相反，来对这种巨大的加速负责。科学家已经开始研究这种力应该具备什么样的属性，但还没有得出明确的结论。就我们所知，暴胀发生前的宇宙环境并没有任何特别之处，故而这种加速力的突然出现和消失显得多少有些随意。但是它的存在确实使我们能够处理宇宙同谋的问题。

引入暴胀之后还能为我们解决哪些问题呢？暴胀还能解释我们今天观察到的宇宙中的另两种现象。没有暴胀，那么这两种现象根本无从解释。首先，根据粒子物理的标准理论，一种被称作“磁单极子”的粒子应该能够偶尔被探测到。但实际上，我们从未探测到磁单极子。这无疑需要某种解释。暴胀理论使我们能够争辩，因为这种粒子分布得太稀疏了，所以探测不到并不令人惊讶。比如，为了辩论我们假设在大爆炸中产生了100万亿个这种粒子，那么我们会感到奇怪为什么一个都没有发现。但是如果同样数目的粒子被散布在比暴胀之前大几十亿倍的宇宙中，那么在我们可观测的宇宙范围内找不到这种粒子就很有可能了。暴胀的力度是如此之大，就在它起作用的短暂时间里，它所产生的宇宙也比传统大爆炸理论所预计的大了不知道多少倍。暴胀为这些失踪的粒子提供了一个解释：它们被过度稀释了。

宇宙膨胀越大越冷

在第一个普朗克时间之后，微小而炽热的宇宙不可思议地开始膨胀，也开始逐渐冷却下来。宇宙是一个沸腾的夸克的海洋，每个夸克携带着巨大的能量以极高的速度在运动，结果是当时没有我们现在看到的这些原子和分子的形态，因为这些复杂的结构是不可能抵御极高温度的分裂力的。夸克的能量太高，无法被捕获和限制在质子和中子内。事实上在宇宙的婴儿期，夸克可以自由飞驰直到与一个邻居相撞。除了夸克，这种早期的亚原子粒子的浆汁中还含有反夸克--除了带有相反的电荷，和夸克完全相同。现在人们相信每种粒子都有对应的反粒子，除了所带电荷外其他特性完全一致。电子对应的反物质粒子是正电子，带有正电荷，其他方面和电子相同。在科幻小说里反物质的概念很常见，它们是无数极为先进的星际飞船发动机的基础，所有这些都来自一个实验事实：当一个粒子和对应的反粒子相撞时，两个粒子都会湮灭，同时释放出巨大的能量。如果在原始宇宙中一个夸克与一个反夸克相遇，它们就会消失，同时发出辐射闪光。反向的进程也会发生，足够高能的辐射（当然是在宇宙演化的早期阶段的能量水平）可以同时产生一对粒子，包含粒子和它的反粒子。这个时期的宇宙充满了辐射，辐射产生粒子对，粒子又极快地在互相碰撞中湮灭，并把能量转移回背景辐射。

贯穿整个时期，宇宙持续地膨胀和冷却。经过第一个1微秒（仅仅10万亿亿亿亿个普朗克时间），当温度降低到约10万亿度的临界值以下时，夸克的运动速度降低到能够被它们之间的相互引力（强力）所捕获的程度。三个一组夸克聚集到一起形成了我们熟悉的质子和中子，总称重子；而反夸克聚集成反质子和反中子，总称反重子。如果重子和反重子的数量是相等的，那么极有可能它们之间的碰撞会使得重子全部湮灭。而当宇宙膨胀时，辐射的能量被稀释，不再能够产生新的粒子，这样宇宙中的物质就不可能留存到现在。

仅仅由于从一开始就存在的一点微弱的不平衡挽救了物质，使得我们今天得以存在，使我们能够在这里思考很久以前发生过什么。出于我们至今尚未知晓的原因，每十亿个反重子会对应十亿零一个重子，所以在最初的混战结束后，几乎所有的反重子都消失了，留下的残余的质子和中子形成了今天的原子核。

平坦宇宙

看似荒唐的暴胀观点的第三根支柱，可能也是最有说服力的一个，涉及宇宙的几何学。大多数人都很熟悉我们在学校可能还有点不情愿学习的欧几里得几何学，我们被告知三角形内角和等于180度。但事情并不总是这样。比如想象画一条线，从北极出发沿格林尼治子午线到赤道，再沿赤道向东转过90度，最后沿子午线穿过俄罗斯回到北极完成一个三角形。那么我们就经过了2个90度的转角，90+90=180度。而我们还需要加上两条子午线之间的那个顶角。欧几里得几何学仅适用于平面。

而宇宙中的几何学又会是一种什么样的形式呢？事情要复杂得多，因为我们面对的是一个四维空间（三个熟知的空间坐标，加上时间），而非一个二维的表面。让我们考虑最大的尺度，而忽略物质造成的局部畸变。宇宙有无数种可能的几何学，而我们的宇宙似乎精心地选择了一个特殊的类型。观测表明（见第三章中宇宙微波背景辐射），我们生活在一个平坦的宇宙中，在这里，欧几里得几何学即使在最大的尺度上也成立。为什么事情会这样？要达到一个平坦的宇宙，宇宙中必须具有确切数量的物质，差异仅在几个原子之间。换句话说，要是我们的宇宙中少了或多了几个原子，那么它的几何特性就会变得远非平坦。

重申一下，我们所掌握的观测事实，固然可以归因于支配大爆炸自身的早期物理学的某些特殊性质，而暴胀理论指出了另一条途径，并获得了更加令人满意的解释。它们之间的分歧在于暴胀可以得出一个比简单大爆炸大得多的宇宙。

下面通过一个三维情形的类比来帮助我们理解四维空间。任何一个站在保龄球上的人，当他掉下来时马上就会意识到这是一个球面。那么对于一个很大的球，比如我们幸福地生活其上的地球，又会如何呢。即便不是一目了然，我们也很容易发现自己是站在一个曲面上。超出我们印象的是，远在古希腊时期人们就已经知道地球是个球体，他们甚至还成功地测量出了它的直径。而看到一艘船消失在地平线下提醒人们地球表面是弯曲的。现在想象我们正在一个比地球大上万亿倍的球面上，那么所有的实验都会显示这是一个真正的平面。球面的曲率是如此之小，根本测量不出来。出行的船只似乎永远也走不到地平线下。

宇宙暴胀之后

经过暴胀之后的宇宙就像上面最后的球面一样，因为它膨胀到了如此巨大的地步，我们所能观察到的宇宙仅仅是整体的极其微小的一部分，所以只能够测量出它的局部性质。因此可以得出这样的结论，即我们看到的宇宙是平坦的。在这个巨大的宇宙中我们无法获知自己观测范围之外的几何学是什么样子的。不管在宇宙中可能存在多少种几何学，暴胀说明了为什么我们看到的宇宙是平坦的。

上面的三个问题被暴胀设想利落地解决了，其代价是引入了一个我们知之甚少的、神秘的、暂时的加速，也许当我们对大爆炸本身有了更为深入的了解之后会有其他的答案，但在目前阶段暴胀不失为一个很好的解释。

在暴胀之后，宇宙以一个较低的速度继续膨胀和冷却。大爆炸后3秒，温度降低到约10亿开。宇宙中3/4的物质是氢，其余几乎都是氦。氦原子有2个电子，环绕着由2个质子和2个中子组成的原子核。

大爆炸理论预言每有10个质子，即10个氢原子核，就会相应地产生1个氦原子核。现在氢和氦的比例依然是10比1。这可能是对大爆炸理论最为简明有力的验证。恒星将氢转化为氦，所以我们可以预料氦的比例会有所提高。如果我们在宇宙某处发现了一个孤立的物体，其中氦的含量比预计的低，那就必须开始彻底地重新考虑我们的理论。到目前为止还没有发现这种情形。

所以我们是否相信大爆炸？它的主要竞争对手--稳恒态理论看上去已经寿终正寝了。现在，大爆炸占据了舞台。必须记住，理论是无法证明的。我们只能够尽力使其与所有的已知事实相符。带有暴胀的大爆炸理论看起来满足这个要求。但是，任何时候都有可能冒出新的发现，使我们看到原有理论的致命裂痕。不过在一个新的牛顿或者另一个爱因斯坦变出另一套更好的理论之前，我们还要和大爆炸待在一起。

大爆炸的回声

电子捕获进程对于宇宙的温度相当敏感，一旦温度降低到上述临界值之下，捕获过程就以惊人的速度发生。由于暴胀的原因，宇宙温度在整个空间范围内几乎完全一样，这意味着这一过程几乎在整个宇宙内同时发生，其结果是光线可以不受阻碍地穿越宇宙，使我们在134亿年后仍然能够看到这幅我们宇宙演化的特殊时刻的快照。这种观察过去某个特定时刻的景象的能力是天文学所独有的。通常当我们试图观察比较遥远的宇宙区域时，视线会被邻近的星系所遮挡，它们发出的光线还是比较近期的。宇宙变得透明这个不可思议的事件现在可以不受遮挡地观测到，我们称之为宇宙微波背景，或CMB。

无论有意无意，我们的很多读者都曾亲身感受过这种伴随大爆炸的“大火球”熄灭时的微弱回声。把电视天线拔掉或者调谐到没有频道的地方，你会看到黑白的天电干扰。这种干扰中的1%来自宇宙微波背景。在它最初发出134亿年后，仍能干扰你的电视图像。

现在，这种微波辐射的频率等效为一个平均温度仅比绝对零度高2.7K的发射机。如果这个辐射真是大爆炸自己的回声，那为什么会如此之冷？其原因是很直接的。这些辐射在发出时，宇宙的温度是3000度，在它传向我们的过程中，它所穿过的空间一直在膨胀，使得光的波长越来越长，于是表观温度越来越低。这是我们首次遇到这种叫做红移的现象，它具有极端的重要性。

宇宙微波背景的发现为大爆炸理论的若干预言提供了强有力的支持。例如，发出的辐射与一个黑体的特征相符合。黑体是一个假设能吸收所有进入它的辐射的物体，如果被加热，则它的辐射能谱中任意频率上的强度只取决于它的温度。在实际应用中，我们可以据此得知发射体的性质。例如，它应该与外界的影响相隔绝。在大爆炸和30万年后的透明期之间的那个炽热、高密度和不透明的宇宙正是这样的一个发射体。理论和观测结果之间符合得是如此之好，在大多数数据曲线上，表示预测值的线宽要大于测量的不确定量。这在科学上是很少见的情况，在观测天文学中更是独一无二。

最初，辐射似乎是绝对均匀的，与方向无关。即使把我们自己的星系所发出的微波辐射造成的前景辉光减去，在宇宙微波背景上较亮的天区看上去也和其他部分几无二致。但我们今日看到的宇宙却是明显“结块”的。星系组成星系团，星系团又构成超星系团，而它们之间隔着巨大的距离。这些地方正由诸如英澳2度视场巡天计划和斯隆（Sloan）巡天计划进行详尽的检查，而且已经延伸到距离地球10亿光年之遥的地方。无论从这些观测结果中我们绘制出怎样的宇宙画像，毋庸置疑的是它绝不是均匀的，所以很清楚有什么地方搞错了。在看上去均匀的早期宇宙里，一定隐藏着生成我们今天看到的不均匀结构的原因。

宇宙背景辐射是当今天体物理学最集中研究的对象，它还能告诉我们很多东西。它标志着宇宙中最早结构的景象。最近对于宇宙微波背景更为细致的研究揭示出小于万分之一度的温度起伏。这个差异很微小，但正是形成我们今天看到的周围结构的起因。通过温度来测量物质密度差异的想法听上去有些奇怪，却有充分的理由。就像宇宙背景探测（COBE）卫星显示的那样，在发出宇宙微波背景时的物质密度不是绝对均匀的。在比平均值更为密集的区域内，引力会吸引更多的物质，这种挤压会把这个区域略微地加热，这就是我们去探测并测量到的温度起伏。

如果没有这些涨落来让引力发挥作用，那么从一个在产生宇宙微波背景时完全均匀的宇宙中形成现在看到的这种非均匀的、有疏有密的宇宙的历程就不可能完成。但是，空间中涨落的尺度也十分重要。对宇宙微波背景的观测得到的全天图中可以看出，每个蓝色（略冷）和红色（略热）的区域大小是很相似的，平均起来是1度宽，就是满月视角的两倍。根据以上事实经过缜密思考，宇宙学家们确定宇宙是平坦的。其理由是，我们的理论能够预言早期宇宙中涨落的实际物理尺寸，将期望值与实际值相比较，可以告诉我们光线自从源头发出后被弯折了多少，这取决于宇宙中物质的数量：物质越多，光线弯曲得越厉害。在封闭宇宙中，光线弯曲较显着，造成涨落区域看上去比预计的要大；而在开放的宇宙中，物质较少，所以涨落区看上去会小很多。事实上，将仿真结果与实际情况比较后发现宇宙恰恰含有临界数量的物质，因而是平坦的。

这种讨论既让宇宙学家们兴奋也令他们沮丧。兴奋的是，对微波背景的研究不仅能够告诉我们辐射发出的那个极早时刻的情况，还能揭示此后宇宙的整个历史。但问题是要想对早期宇宙得出确切的结论，就必须排除后期各种因素的影响，而这是很难做到的。

4．宇宙的昏暗时代

这种聚合是什么样子的？我们什么都看不到，因为正处在被第15任皇家天文学家马丁·里斯所称的“黑暗年代”。这个时代紧接着产生微波背景辐射的时刻，当时还没有任何恒星在宇宙中发光。

当然那里还充斥着在宇宙开始透明时产生的、还没有多久的回声。这种辐射（此时应称为宇宙电磁背景辐射，而非微波背景辐射）在3000度时开始出现，这个温度和乙炔焊焰的温度差不多。因而在此期间实际上存在着逐渐变暗、逐渐变红的弥漫的辉光。所以宇宙并未彻底黑暗过，只是昏暗而已。

随着宇宙的冷却，在愈来愈微弱的辉光中，物质的引力收缩将最终形成星系。于是一个剧烈的变化发生了，大量的恒星爆发，昏暗的宇宙忽然被照亮，宇宙中充满了耀眼的光芒。这一刻来得有多突然还有争议，但无论如何，我们已经进入了开始形成最早的恒星的新纪元。

在大爆炸中，实际上只有3种元素被创造出来：氢、氦和少量的锂，其他元素的含量可以忽略。我们已知的所有其他元素都是在恒星内部形成的。人们常说：我们是星尘，这是十分贴切的。我们太阳和太阳系的物质很可能已经经历过两次恒星形成的循环。其后可以看到，很多恒星在其火爆的生命史中将氢和氦转化成较重的元素。例如金元素的出现就清晰地表明它是来自超新星的爆炸。相比之下，第一批恒星在形成时只含有最轻的3种元素。

要形成星系，气体团必须收缩。而气体要收缩，温度必须降低。在现在的宇宙中，气团收缩释放的能量可以被碳和氧原子发出的辐射带走。但在我们描述的这个时代，除了通过氢分子外没有其他的途径进行冷却。而氢分子冷却过程的效率是很低的。其结果是，只有大团的气体才能收缩，而从中形成的恒星也特别巨大。第一批恒星的质量可能有太阳质量的数百倍。既然储存了这么多燃料，那么这些巨无霸的发光时间一定比太阳寿命长很多吧？恰恰相反，这些早期恒星来也匆匆，去也匆匆，仅能存在几百万年。相比之下，太阳的整个活跃期可达90亿年。

5．恒星能量的源泉

要理解这点，就要考虑恒星中心深处的情形。只有一颗恒星允许我们做近距离研究，那就是太阳。太阳，像所有普通恒星一样，是个白热的大气体球，是可以吞没100万个地球这么大的球体。它的表面温度有5600℃，而在核心产生能量的地方，温度高达1500万摄氏度。我们无法看到太阳内部较深的地方，但可以检测它的构成。我们建立的数学模型可以做到符合观测结果，所以才确信对于核心温度的预测。占太阳质量70％的物质是氢，这也是它的燃料，和原始恒星的情况一样。

我们知道氢是最简单的原子，由一个质子和一个环绕的电子组成。恒星内部是如此之热，电子被从原子核边剥离走，剩下不完整的原子称为“电离”。在恒星核心，压力和温度都极端地高，这些原子核的速度是如此之大，当它们互相碰撞时核反应就会发生。氢原子核结合成次轻的元素，即氦原子核。大家公认这一过程是间接而曲折地发生的，其最终效果是4个氢原子核结合成1个氦原子核。这个过程除了产生我们看到的恒星发出的光芒外，同时还产生另一个叫做中微子的副产品，这种奇特的粒子以后还要谈到。在形成氦的过程中要损失点质量，同时释放出很多能量。正是这些释放出的能量使得恒星发光。而对太阳来说，每秒钟要损失400万吨的质量。现在太阳的质量已经比你刚开始阅读这段话时少了许多。氢燃料不可能永远地提供下去，但目前还没有危险。太阳大约在50亿年前诞生，以恒星的标准来看正值壮年。当所有的氢耗尽后，太阳并不是简单地暗淡下去，而是会发生另一段故事，这在以后的章节中会讲到。

所以至少在太阳中，能量来源于在4个氢原子核结合成为1个略轻的氦原子核时损失的质量。自然界中最着名的公式E＝mc2告诉我们质量（m）等效于能量（E），而换算系数c2是光速的平方，非常大。所以很小的一点质量消耗就会产生出巨大的能量，而太阳每秒钟要损失400万吨的物质并转化成能量！

这些消失的质量从何而来？氢原子是最简单的原子，只有1个电子环绕1个质子。所以4个氢核中的每个都是1个单独的质子；氦核则由2个质子和2个中子组成。但是，中子比质子稍微重一点，所以如果把这些粒子的质量直接加起来就会发现，1个氦核比4个氢核要重，质量反而增加了！但实际上，尽管氦原子核由重一些的粒子构成，然而其总质量却确实比4个质子要小。要记住这一领域是由量子力学和其关联效应所主宰的，答案也就在这里。如果我们测量单个质子的质量，那么它确实比中子轻。但这些亚原子粒子不是自由的。在氦原子核中它们被强核力束缚在一起，无法自由运动。在亚原子粒子形成这种束缚时会释放出能量，我们测量到的结果就是质量的降低。

为什么产生的原子核要有2个质子和2个中子？如果2个单独的质子之间能形成稳定的约束关系，那么天体物理学家们对于核反应的研究就会变得简单得多。因为那样的话两个质子迎头相撞就能结合成这种“轻氦核”，并释放出电磁波。然而，两个质子带有相同的正电荷，电磁力使它们互相排斥，而它们之间的作用力不足以将它们约束在一起。因此，与这种简单的结合质子的方式所不同的是，在太阳和其他恒星内部，这一过程相当错综复杂而且惊人地缓慢。

由于无法把两个质子简单地结合到一块，我们必须绕过这一阻碍形成更复杂的原子核的状态。在下面的讨论中只需要考虑原子核，而非整个原子。因为在恒星内部这样的高温下，环绕原子核并组成原子的电子早已因能量过高而无法捕获。唯一起作用的是弱核力，它会造成质子自发地衰变成中子，并释放出1个正电子和1个中微子。新产生的中子可以被一个经过的质子捕获，形成一个氘核。氘实际上就是重的氢，等于1个中子加上1个质子。弱力真是名副其实，这一步骤会耗费很长时间。在太阳中心，一个质子可能平均要等上50亿年才会形成一个氘核，而此后的一切就进行得快多了。

在平均1秒左右的时间里，氘核就会抓获另一个质子结合成一种有2个质子和1个中子的稳定的原子核，即氦-3，氦的一种较轻的形式。经过约50万年，这个原子核会撞上另外一个，形成我们更为熟悉的有2个质子和2个中子的氦核，同时释放出2个质子，它们会参与到下一个循环中。这个步骤要把两个带正电的原子核结合到一起，难度较大因而较为缓慢。只在极近的距离内才起作用的强力把两个原子核吸引到一起，而电磁力又抵抗强力使它们互相远离。最后原子核会靠近到使强力发挥作用的地步。这样我们最终获得了辐射形式的能量，一个正电子--它会和它的反粒子结合释放出能量--及一个中微子。

中微子是以高速运动的微小粒子，几乎不与其他粒子发生作用。所以在从太阳中心发出后相对不受周围气体的阻碍。它们中的一些会到达地球，被我们建造的大型探测器所发现。许多年以来都有这样一个问题，就是我们预计每一次产生氦核的碰撞过程中都会产生一个中微子，而探测到的中微子太少。不过中微子有一个惊人的本领，就是在途中改变“味道”或者类型。粒子物理学家发现存在3种中微子，而且它们能够随着时间互相转化。原来的实验都只对其中一个特定类型的中微子敏感，而无法探测到其他类型。总之，这些实验告诉我们，在太阳中心，这一比地球上进行的任何实验都高得多的温度下所发生的反应，我们对它的认识是基本正确的。这些实验也首次提供了可靠的证据，证明中微子具有有限（虽然很小）的质量。因为如果它们像以前认为的那样不具有质量，那么就不可能从一种粒子类型转化成另一种类型。

6．宇宙的大小和结构

宇宙星空

从量天尺看宇宙的大小

要想聊宇宙航行这一话题，首先必须要了解宇宙。宇宙是什么？按古人的注解就是空间和时间的总和，假如用现代物理学解释就是四维时空（三维空间加一维时间）。

所谓时空，其实就是在物质的变化和运动中体现出来的。现代宇宙观认为，宇宙是在100~200亿年前的一次大爆炸中诞生的，并且随之诞生了时间、空间和物质。其实，爱因斯坦广义相对论就是研究时间、空间和物质之间相互关系的学说。他得出了这样的结论：物质能够使时空弯曲、且弯曲时空告诉物质怎样运动。

宇宙包容万象，内涵极为丰富，这里无法说清其万一，仅就与宇宙航行密不可分的宇宙的大小、宇宙的结构和宇宙的形状稍作说明。但是，宇宙的大小可以说始终是一个说不清楚的、令人茫然的问题。为了便于大家理解，我们不妨从科学家订立的“量天尺”来看宇宙的大小。

在地球上，人类通常会用“千米”来测量距离和长度，从北京到上海的航线距离是1178千米，地球的半径是6378千米。但是，离开地球到太阳系空间，“千米”这把尺子用起来就非常不方便，比如冥王星到太阳的平均距离是5900224000千米，以彗星活动范围计算太阳系的半径是34410000000000千米，这的确就是个天文数字。在这种情况下，科学家不得不采用另一把尺子来量天，称之为“天文单位”，他的计数方法是以地球到太阳的平均距离149600000千米为1天文单位。这样一算，得出冥王星至太阳的距离是39.44天文单位，另外，如果以彗星的活动范围计算出来的太阳系半径是23万天文单位。

不过，冲出太阳系来到银河系的地盘，“天文单位”这把尺子用起来就没有那么方便了，比如离太阳最近的恒星比邻星的距离大概也有约265600天文单位，而银河系的直径达6324000万天文单位。在这种情况下，科学家只得又启用一把新的量天尺，叫做“光年”，也就是说光行进1年的距离。大家应该都了解，光行进的速度是30万千米/秒，那么，1光年的距离大约是94608亿千米或63240天文单位。按照光年来计算，太阳与比邻星的距离是4.2光年，银河系的直径大约是10万光年。

那么，如果用光年来计算，宇宙的尺度究竟是有多大？现在还没有人能准确地说出来，但是如果从理论上来说，我们假设宇宙是在100~200亿年前的大爆炸中诞生的，空间从零以光速扩展，而光是以球形传播的。那么，今天的宇宙半径尺度应该是100~200亿光年。但现实情况是不是真是这样，还不得而知。

泡沫状结构宇宙

上路开车，必须要先熟悉路况；在江河湖海上航行，必须要先了解航线情况；同样的，宇宙航行也一样要先了解宇宙中物质的分布状况。

据相关研究显示，在宇宙大爆炸中形成的物质，主要是氢和氦，它们一般弥漫在宇宙中。随着宇宙的膨胀和温度的渐渐降低，在重力作用下收缩成一大团一大团氢氦云。重力作用下的持续收缩，大云团慢慢分裂成很小的云团，物质密度渐渐增加，云团因相互之间的重力作用而旋转。就这样，通常持续的分裂——收缩，在氢氦云团的内部，因为物质重力作用的相互挤压，温度不断升高，当温度升高到能使氢发生聚变反应时，它就变成一颗恒星。个别恒星在空中旋转甩出一些物质，并逐渐集合成行星和卫星。我们能够看到的宇宙中的可见物质，就包括这些恒星，及由它演变而来的其他天体，比如黑洞等。天长日久，宇宙中的物质经过发展，就会形成宇宙的这种泡沫状大结构。

那么，如果要是从探测的角度，倒着来说宇宙的泡沫状大结构。太阳是颗单星，但宇宙中的多数恒星往往是两颗、三四颗、十几颗到几十万颗聚集在一起，分别称双星、聚星和星团。因此，恒星并不是均匀在宇宙中分布的。

事实上，所谓单星、双星、聚星和星团也并不是均匀分布的，它们分别聚集在一起形成星系，就算宇宙怎么膨胀都不散开。太阳位于银河纱之中，它共有1000多亿颗恒星，其中还包括大约1000个星团。在宇宙之中，共有1000多亿个像银河系这样的星系，另外还有一些独立的星团和星云。并且星系和独立的星团、星云并不是呈均匀分布的，它们则是分别聚集成星系群或星系团。此外，银河系所在的叫本星系群，半径大约是300万光年。

通常，星系群和星系团也不是均匀分布的，它们又分别聚集成超星系团。本星系群属本超星系团，半径大约是3亿光年。据相关探测表明，超星系团并不是最大的群体。在距离银河系大约2亿光年的地方，有一个非常强大的引力源在牵引着本超星系团。根据分析推测，这个大牵引者极有可能是由很多超星系团组成的超星系团集团。

由上述可知，不均匀分布形成了宇宙的所谓泡沫状大结构。星系集中的地方就是泡沫壁，也就是星系膜或星系纤维，它们形成“星系长城”。而几乎没有星系的地方是泡沫结构中的大泡泡，被称作“宇宙空洞”，宇宙空洞的直径能够达到1~3亿光年。

宇宙中所谓的泡沫状大结构，并不能说明宇宙中的物质分布不均匀。如果就整个宇宙来说，它在每个方向上物质分布的均匀速度达到十万分之一。

7．膨胀或脉动的宇宙

在这一年，一个默默无闻的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的，不过，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化，分三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。后来，西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。著名科学家爱因斯坦知道这些膨胀或脉动的宇宙模型后，很激动。相比之下，他觉得这比自己的模型做得好，应该放弃，而弗利德曼的模型才是准确的宇宙模型。

并且，爱因斯坦还作出声明，称自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是很错误的，场方程不应该包含宇宙项，而更应该是原来的老样子。不过，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人并没有听取爱因斯坦的意见，而是继续讨论宇宙项的意义。因此，现在的广义相对论的场方程分为两种，其中一种不含宇宙项，而另一种含宇宙项，这些都在专家们的应用和研究中。

大约是在1910年左右，有些天文学家就发现很多星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多谱勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，也就是光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。很多人可能都有过这样的感觉：迎面而来的火车，它的鸣叫声特别尖锐刺耳，远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是所谓声波的多普勒效应，面对扑面而来的声源发出的声波，人会感到它的频率增高，而渐渐远离我们的声源发出的声波，人则会感到它的率下降。

假如现在认为所谓星系的红移、紫移，都是多普勒效应，那么大部分星系都是在远离我们，只有个别星系向我们靠近。随后进行的研究中我们发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中（我们银河系所在的星系团称本星系团）。其实本星系团中的星系，大部分红移，小部分紫移；但是其他星系团中的星系就全部是红移了。

在1929年的时候，美国的天文学家哈勃对当时的一些观测数据进行了总结，提出一条经验规律，河外星系（即我们银河系之外的其他银河系）的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。因为多普勒效应的红移量和光源的速度是成正比的，因此，上面所说的定律也可以表述为：河外星系的退行速度和它们离我们的距离成正比：

V＝HD

在这个公式中，V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。根据哈勃定律来分析，全部的河外星系都在逐渐远离我们，并且离我们越遥远的河外星系，离开得速度也会更快。在哈勃定律所反映的规律和宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移也能够这样来说明，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动。所以，一定会有一少部分星系在某些时间内向我们的银河系靠近。不过，此种紫移现象和宇宙整体的膨胀没有关系。

分析一下就可以知道，哈勃定律在很大程度上支持了弗利德曼的宇宙模型。但是，假如查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢？一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节。另外一个可能性就是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，因此大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据也更加精确，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律最终被大量实验观测所确认。

8．探究宇宙的有限和无限

宇宙飞船

宇宙到底是有限还是无限的？到底有没有中心有没有边？到底有没有生老病死有没有年龄？上述这些恐怕是自从有人类的活动以来一直被关心的问题。为了有一个更清晰的答案，让我们先来看看它的组成和结构吧。宇宙中的天体绚丽多彩，太阳系一共有九颗大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除去大行星以外，还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。这些都是离我们地球很近的，最为人们所了解的天体。那么，除了上面我们所提到的这些，浩瀚宇宙空间中还有些什么？

在晴朗的夜晚，人类用肉眼就可以看到天家中有很很多闪闪发亮的星星，他们绝大多数是恒星，恒星就是像太阳一样本身能发光发热的星球。我们银河系内就有1000多亿颗恒星。恒星常常爱好“群居”，有许多是“成双成对”地紧紧靠在一起的，根据一定的规律彼此绕转着，人们把这称作双星。此外，也有些是3、4颗或更多颗恒星聚在一起，称作聚星。

若是有十颗以上，或者是几万颗星聚集在一起，形成一个团星，就称作星团。在银河系中就发现1000多个这样的星团。在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星-变星。它们有的变化很有规律，有的没有什么规律。现在已发现了2万多颗变星。某些时候天空中会显现一颗亮度极高的星，并且会在很短的时间内突然增亮几万倍甚至几百万倍，这称作新星。

另外，也有这样一种亮度增加极快的恒星，会突然增亮几千万倍甚至几亿倍，这称作超新星。除了恒星之外，还有一种云雾似的天体，称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，如有名的猎户座星云。在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，还有些什么呢？是绝对的真空吗？答案是否定的。那里其实充满着很稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和很微弱的星际磁场。伴随着科技的高速发展，人类一定能够发现更多的新天体。

现在，银河系和河外星系随着其测距能力的显著提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立了立体的观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河。它包含两重含义，一是认识了银河的形状，二是知道了河外天体的存在。其实，银河系就是太阳所属的一个巨大的恒星集团，大约包含1011颗恒星。这种恒星集团称作星系。

在银河系中，多数恒星分布呈扁平的盘状。盘的直径是25kpc（千秒差距，1秒差距＝3.26光年＝3.09亿亿米），厚度约为2kpc。盘的中心有一球状隆起，称作为核球。盘的外部由几条旋臂构成。太阳位于其中一条旋臂上，距离银心约7kpc。银盘上下有球状的延展区，其中恒星分布较稀疏，称作银晕。通常，晕的总质量大约占整体的10%，直径大约是30kpc。我们每天见到的太阳，就它的光度、质量和位置讲，都不过是银河系中很普通的一员。

另外更为重要的是，并不是天穹中所有发光体都是银河系的一部分。假设有一个类似银河系的恒星集团，处于500kpc的距离上（银河自身大小为30kpc）。其表观亮度与2pc远处一颗类似太阳的恒星是一样的。所以，对天穹上的一个光点，必须测量它的距离，才能弄清楚它到底是银河系内的恒星还是银河系外的另一个星系。

其实，天穹上的大部分光点是银河系的恒星，不过也有很大量的发光体是和银河系类似的巨大恒星集团，历史上曾被误认为是星云，我们称作河外星系，现在已知道存在1000亿个以上的星系，著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙结构中的一个层次，从宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的层次。星系的质量差别很大。银河系的质量约为1011M⊙（太阳质量单位）。在明亮的星系中，这是典型的大小。质量很小的星系太暗，不易看到。小星系的质量可低达106M⊙。星系的典型尺度为几十千秒差距。如果对视星等在23等以内的星系作统计，星系总数在109以上。自20世纪60年代之后，天文学家又找到另外一种在银河系以外如恒星一样呈现为一个光点的天体，不过其实它的光度和质量又与星系一样，我们称作类星体。如今，已经发现的这种天体有上千个。

假设我们把观测的尺度放大一些，那么宇宙可看成由大量星系构成的“介质”，而恒星只是星系内部细致结构的表现。这样，为了了解宇宙结构，需关心星系在空间的分布规律。星系的空间分布不是无规的，它也有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。大约只有10%星系属于这种大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。但能够肯定的是，星系团所代表的是宇宙结构中比星系更大的一个新层次。通常这层次的尺度大小会有数百万秒的差距，它的平均质量一般是整个星系平均质量的100倍。

现在，人们通常会把10Mpc以上的结构称作宇宙的大尺度结构（现在观测到的宇宙的大小是104Mpc）。迄今为止大尺度上的观测事实并不是很准确的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到星系的“空洞”区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构称作超星系团。它的一般尺度是几十兆秒差距。如果由演化理论的角度来思考，尺度大到某种程度，就不应该再有结构存在。

那么，这个分析是不是符合客观事实，以及这尺度多大，都是很关键的，并需要有大尺度观测来回答的问题。今天对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结构现象存在，可以说正是人们热烈争论中的焦点。总而言之，如果把星系看成宇宙物质的基本单元，那么星系的分布状况就是宇宙结构的表现。分析一下，直到50Mpc的尺度为止，星系的分布表现出有层次的结构。以上这些观点，就是我们对宇宙面貌的基本认识。

9．了解一下宇宙的命运史

把宇宙当作一个整体来认真研究的宇宙哲学，可能对于我们这些生活在地球上的平凡人而言，还是一门崭新的科学，而在这门博大精深的科学中，我们对宇宙的最终命运之谜了解得最少。不过，人类现在已经发现了几条能够揭示宇宙命运的线索，这其中有一些线索能够给人带来希望，但另一些线索却让人感觉沮丧。

两条线索

好消息告诉我们，在短时间内人类是不会被宇宙“扫地出门”。宇宙非常至少能够把现在这种适于生命存在的状态再维持l000亿年。这相当于地球历史的2O培，或者相当于智人（现代人的学名）历史的5O0万倍。假如人类在公元1000亿年的新年到来之前就突然灭亡，并且不能放焰火庆祝新年的来临，那一定不能说是宇宙本身的错。

坏消息告诉我们，这世界上没有什么东西是能够永远存在的。宇宙可能不会消失，可是随着时间推移，它可能会让人觉得越来越“不舒服”，并且最终变得不再适于生命存在。计算这种情况何时会出现以及将会怎样出现确实是一门令人心情抑郁的科学，但是我们也不得不承认这项研究本身也有一种冷酷的魅力。从天文学家埃德温·哈勃1929年发现宇宙正在膨胀以来，经典的“创世大爆炸”理论经过了几十年的不断修改。根据这一理论，宇宙的最终命运将取决于两种相反力量之间的“拔河比赛”的结果。一种力量是宇宙的膨胀，在已经过去的10O多亿年的时间内，宇宙的扩张始终在使星系之间的距离拉大。还有一种力量就是这些星系与宇宙中全部其他物质间的万有引力：它好像一个制动器，可以使宇宙扩张的速度渐渐放慢。

其实，这个问题很简单，就像万有引力足够使扩张最终停止，那么宇宙就注定会发生坍缩，并最终变成一个大火球——同创业大爆炸相当，不过过程正好相反的“大崩坠”。假如万有引力不足以阻止宇宙的待续膨胀，那么它最终将变成一个令人感到“不快”的黑暗和寒冷的世界。恒星是通过使氢原子核（主要是氢和氦）发生聚变反应形成较重的原子核来产生能量的。如果恒星内部储存的氢和氦全部消耗完毕之时，而日渐衰老的恒星上燃烧的火焰会因为没有新的原子来替代将近消亡的原子而熄灭。与此同时，宇宙会慢慢衰变为一个一团漆黑的空间。

一个结局

由上述分析来说，每一种结局看起来都像在预示生命的死亡。假如宇宙的最终命运是熊熊大火，“大崩坠”就能熔化一切，甚至亚原子粒子也难逃厄运。另一方面，假如宇宙以无边的寒冷和黑暗而告终的话，宇宙中的生命形式就有可能存在很长一段时间——例如，智慧生命可以通过从洞中提取引力能来获得能源从而维持自己的生存。不过，在全部的物体都已经衰退到几乎相同温度（略高于绝对零度）的情况下，再想办法来保持生存，就好比是要用—池死水来推动水磨一样难办。

但是，人类的最终命运到现在还不能判定，原因就是我们还无法判断扩张和有行引力这两者究竟谁能取得最后的胜利。很多天文学观测的结果支持前者，但是目前仍然存在着许多不确定的因素。其中之一是令人大伤脑筋的“暗物质”问题。科学家们对星系运动方式的研究显示，星系中蕴藏着极大的非星系内部引力。从上述分析中，说明人类可以看到的恒星和星云不过只占宇宙物质总量的1%至10%。还有很多物质是看不到的，并且这些物质是不发光的。

现在，还无人能知道宇宙中这些暗物质究竟是什么。但一种可能性是它是由弱相互作用大质量粒子（wIMp）构成的。在我们能够确定暗物质的成分并用数学方法对其进行计算之前，以我们目前能够看到的一切为基础对宇宙的未来进行预测是绝对靠不住的，这就像是首先在乡村俱乐部对几个打高尔夫球的人进行民意测验，然后根据测验结果来预测全国大选的结果一样缺乏可信性。同时，讽刺文学作家和宿命论者对于这种“火或冰”的结局也感到了一种带有苦涩意味的满足，这充分反映出人类，思维意识的精髓：没有人可以活着脱离中活的苦海。而这正是使我对这一宇宙的最终命运产生怀疑的原因。人类在用科学方法研究宇宙哲学的过程中总出了很多重要经验：很多时候，宇宙的发展变化并不会跟着人业已确立的思维方式——来认识宇宙，人类需要转变新的思维方式。

在20世纪里诞生的概念，像爱因斯坦的弯曲空间、海森伯格的不确定原理等使我们的思维方式发生了重大改变，同时人们也认识到每时每刻都有数以万亿计的亚原子粒子在我们的身体里快速运动但却并未造成任何损害，这些都是现代宇宙哲学不可或缺的组成部分，所以我认为我们有理由假设在即将到来的新世纪里；人们将敞开大门接受一些更加奇异的概念。所以，我们也许可以从还没有打开的大门下面窥见门后放出的几道光线，但在这道光线的辅助下我们可能就会对宇宙的未来作出进一步的准确预测了

不确定因素

说到和宇宙终结命运有关系的一个不确定因素和膨胀理论有关，根据这一理论，宇宙始于—个像气泡一样的虚无空间，这个空间最初的膨胀速度要比光速快得多，宇宙学家之所以相当重视膨胀理论是因为这一理论解决了一些创世大爆炸理论的早期版本所无法解决的问题，此外，膨胀理论对于研究宇宙的最终命运也有—些启示作用。其中包括：最初推动宇宙高速膨胀的力量（有时根据它在爱因斯坦的广义相对论方程式中的代号用希腊字母入表示）在宇宙像“打嗝”一样膨胀结束之后也许并没有完全消退。它也许还存在于宇宙中，潜伏于虚无的空间，持续推动宇宙不断扩张，就像引导员在幕间休息结束后有礼貌地引导观众回到剧场一样。

科学家们通常对遥远的星系中正在爆发的恒星所做的观测证明，这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。假如果真如此，决定宇宙未来命运的拔河比赛”就不但涉及宇宙的扩张和万有引力的制动作用，而且还和微妙的徘徊不去的膨胀推动力所产生的能够使宇宙无限扩张下去的涡轮增压作用有关。

不过，最能激发起人们兴趣的未知数可能是智慧生命本身在宇宙中所扮演的角色。就像物理学家弗田曼·戴森所说：“如果不将生命和智慧的作用考虑在内，对遥远的未来进行详细的预测是不可能的。”在这里，我们暂且不去评论它的好坏，地球很大的一部分的确已经被—种有实力为了自己的利益而操纵它的生存环境的智能物种所改变。

和这个比较相似，存在于遥远未来的先进文明也许有能力熔化很多恒星甚至整个星系，从而生起一堆巨人的“营火”，或者使宇宙的长期发展朝着对这—文明有利的方向前进。在宇宙逐渐衰亡的没落时期，生活可能会变得很枯燥乏味，不过这种生活也许会持续很长时间。试想一下我们能够看到的宇宙在未来1万亿年时间里可以动用多少天然智能和人工智能资源吧。分析一下，那种极速发展的智慧和以19世纪的热力学知识为基础、认为人类迟早会灭亡的观点到底谁能胜出呢？

因此，就让我们都拭目以待吧，就像爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到忧虑的孩子的信中所说的：“至于谈到世界末日的问题，我的意见是：等着瞧吧！”

10．神秘宇宙“黑洞”的真面目

通常长期的持续观测，天文学家们发现，在宇宙中有一些引力很大却又无法看到任何天体的区域。通常，这种奇异天文现象有以下三个主要特征：

1．这些区域有极强的磁场和引力，不断吞噬很多的星际物质，某些物质在它周围运行轨迹也会同时发生变化，从而形成圆形的气体尘埃环；

2．它们有极大的能量，能够发出很强的各类射线辐射；

3．因为它强大的引力作用，光线在它周围就会发生弯曲变化。

就是这样，通过观测到的大量间接征兆能够证实它的存在，却不管怎样也无法直接看到它。于是一些天文学家想象的认为它是一种恒星塌缩后，质量、密度非常大的暗天体，美国的物理学家惠勒为它取了一个很有意思的名字——“黑洞”。

在今天这个宇航时代里，世界各国都已拥有各种先进的天文观测设备，比如大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜，大型射电天文望远镜，突破了地球大气层包围的哈勃空间望远镜等。现在的天文观测，已经逐渐触及到距地球100亿光年以外的遥远天体，从河外星系到宇宙尘埃都能一览无余，甚至像几万公里外一支小蜡烛那么微弱的光也能观测到，而唯独对“黑洞”却无能为力，确有些不合逻辑。若它真是一种质量、密度极大，磁场、引力很强的“天体”，为何到现在都看不到它的真实面目呢？

原因非常简单，“黑洞”并非是真正的实体星球，而只是宇宙天体运动时产生的各种“磁场漩涡”现象，它的能量、射线辐射主要都是由磁场力作用产生的，因为它的构成物质密度非常稀薄，光线发射极其微弱，因此根本没有办法在远距离用光学仪器观测到它的形状，如果根据它的形态和性质来说，它倒的确可以说一个“黑暗磁场漩涡洞”。

我们假设“黑洞”是一种物质构成密度很大的“天体”，那么，在“黑洞”和物质密度相对较小的宇宙空间两者应该是有分界面的。根据光的反射、折射原理，当光投在两种物质的分界面时会有反射和折射现象的，这一点已经从宇宙中所有不发光天体都能够反光得到证实，无一例外。因此，从“黑洞”无法反射光线这一点说明“黑洞”尽管也有极强的吸引力，可是它的物质构成密度很稀薄，根本达不到反射光线的程度（并不是光线因为被它吸引不能脱离而不能反射）。

当光线和它相逢的时候，只得穿越而过了，看不到明显的光反射和折射现象。所以也就不能通过光学观测直接看到它的形状，而只能选择其他天文观测方式，通过“黑洞”快速旋转运动中产生的极强各类射线辐射来证明它的存在。在1992年的时候，科学家们通过哈勃望远镜上的高速光度计对天鹅座X-1的一批观察数据做分析时，发现了两个快速衰减且消失极快的紫外线脉冲阵列。这种现象与理论预言的物质落进黑洞视界时，释放辐射的特征正好是符合的。谈到光线在“黑洞”附近有可能发生弯曲的现象，是因为光波原本就是一种频率极高的电磁波，光现象本质其实就是一种电磁现象。因此，这种光线在“黑洞”附近因为受其磁场引力作用而产生弯曲现象是非常自然的。

宇宙中的任何天体都是不能独立存在的、任何物质之间都会有千丝万缕的相互内在联系。“黑洞”现象的出现绝对不是偶然的，而是在自然规律内物质循环演变过程中一个重要环节。整个自然界是由不断运动着的物质所组成，绝对静止的物质是不存在的，物质运动必然会产生磁场，天体和磁场是紧密相连的整体，因此只要有天体，它周围就存在磁场。不同类型的物质结构因为运动方向的不同，运动速度的差异，会产生很多大小不一、强弱各异的磁场漩涡，人们通常把这种磁场漩涡称作“黑洞”。通常较大的物质结构产生的磁场漩涡较大，例如星系中心的“黑洞”（银河系中心）；较小的物质结构产生的磁场漩涡也较小，例如恒星之间的“黑洞”（天鹅座X-1）。

在自然界，对物质能量大小起决定性作用的有两个重要因素：一是物质的质量；二是物质的运动速度。因为磁场具有力和能的特征，所以“黑洞”尽管构成物质密度很小，但由于它有很快的旋转运动速度，当组成它的物质凝聚向一个方向作有序运动时，便产生极大的能量和极强的引力。在宇宙中，有一些分散的呈气态的氢、氧类物质和呈固态的硅、铁类尘埃物质，通常受“黑洞”吸引力的作用，在“黑洞”附近运动方向发生变化，向它的中心高速旋进，逐渐形成围绕“黑洞”中心运动的圆形气体尘埃环。“黑洞”尽管无法直观地看到，却能够通过它向外发出的各类射线辐射现象提示它的形态。国外曾经有报道，哈勃望远镜已经拍摄到“黑洞”周围边缘呈现出翘曲状的尘埃圆盘，这些都形象的证明了“黑洞”的漩涡性质与真实形态及漩涡，通常都是呈漏斗状的特点。

事实上，宇宙中各类“黑洞”的运动形态和形成原理就像我们用肉眼能够看到的许多自然涡流现象一样。比如地球上大气运动产生的热带气旋——“台风”，在“台风”外围是急速旋转的气流形成的急风暴雨区域，能量很大，而在空气涡流中心区域——“台风眼”，因为空气稀薄，压力相对很小，对周围产生强大吸引力，所以气流不易进入，反而是风平浪静的区域，从卫星图上能够清晰地看到“台风”的圆形漩涡状云团。另外，还有江河湖海中的水涡流也是圆形漩涡状的，水涡流同样有很大的能量和吸引力，当物体接近时会被吸引进漩涡之中。“黑洞”，其实就和“台风”、“水流漩涡”这样能够直观看到的涡流现象很像，可以说是宇宙中物质运动的产物。它的巨大能量和引力主要来自物质急速运动产生的磁场。

所谓“黑洞”中心，是指那些外界物质不容易进入、有形物质又很少的区域。因此，在“黑洞”的中心都是空白区域。由于它对四周物质的吸引力在每个方向几乎都是均匀的，通常在“黑洞”周围物质运行的轨迹都是圆形漩涡状的。因为“黑洞”物质分布密度都不相同，它的周围通常还会伸出一些旋臂（如可见的星系旋臂），从而造成同方向辐射强弱程度不同的射线脉冲现象（即脉冲星）。

通常情况下，在“黑洞”引力吸积过程中，物质的数量和密度持续在增加，磁场漩涡范围会相应增大，能量和引力显著增强，而且会吸引更多的物质，这样像滚雪球一样不断发展。当“黑洞”周围物质达到相当体积和密度时，对光的反射、折射作用逐渐加强，到了某种程度就发展成为能够通过光学望远镜直接观察到的有形天体——“星云”，正是从恒星级“黑洞”中孕育出新生的天体“星云”。这种初期的有形天体多数是呈环状（环状星云），它的构成物质相对较稀薄，因此，形状是很模糊的。就这样，随着“星云”体积的不断膨胀，于是就有了几十亿年以上向“恒星”发展的演变进程。

总结一下，宇宙中全部天体的存在形式和演变过程，都是由自然规律所决定的，“黑洞”也一样。一旦我们通过表面现象揭示出它的本质和与自然规律的内在有何联系，包括“黑洞”在内的各种神秘天象就很容易解释清楚了。

11．令人好奇的宇宙反物质

反物质：另一半宇宙

大家都知道，我们的这个世界是由物质组成的，而物质则又是由原子、分子等微观粒子所构成的。但是反物质却是相反的，它是由原子、分子的反粒子，也就是反原子和反分子所构成。所以，这里所谓的反物质指的就是具有和物质完全相反的性质。

反物质，这个定义被提出已经很久，不过这首先要从正电子的预言和发现说起。最早在1928年的时候，英国物理学家狄拉克在试图把20世纪最重要的原理——相对论和量子力学结合起来的实践中发现了这一现象，并且预言了正电子的存在。而所有这一切都是由狄拉克所建立的相对论波动方程中得出负能量值的解引起的。在对这个方程求解的过程中，狄拉克一共得出了4个描述电子内部状态的解，用来说明电子应当具有4个内部状态。其中两个状态能够用电子的自旋及自身磁矩的存在加以解释；不过对于方程的另两个附加解的求解过程中得到的负能量值的解得出了奇怪的结论。

由上述可知，假如一个电子真的可以存在于负能状态，那么，它就不可能因为和其他粒子相碰撞而慢慢减速并最终停停止，而是越加速越快，直到它的速度达到光速。不过，从相对论方程的分析中能够清晰地知道，这种性质是实现不了的。所以，狄拉克提出了他非常著名的那个假设。

他做出的假设是这样的：我们日常所说的真空，事实上并非是真空的，而是所有负能级上都有两个电子的一种系统，因此，真空中是可以有无穷数目的电子，而且全部负能级都被电子占满了。按照泡利汀容原理，电子不可能跳跃到某个已被占满的负能级，因此它不得不留在正能级区听之任之一个能级上。所以，一定是处于负能级的电子在受到激发后朝正能级跃迁。在这个过程中，就像电子由正能级跳跃到负能级上的反过程，通常只要是有能量大于能级的光子激发，是非常有可能发生的。

假如它真的发生了，那么这个具有正能量的电子，就会使其跃迁出的负能级位置上出现一个空穴。如何来解释这个空穴呢？以下不妨举例说明，如果我们手上系着几个充满氢气的气球，那么手就会感觉到有一个向上的拉力，若是突然其中一个气球的线断了，我们立马就会感受到向上拉的力减小了，从反面来讲，我们也可以解释为是多了一个向下拉的力。同样的道理，在负能级状态缺少一个电子的空穴行为，就好像在那个地方产生了一个有正能量的带正电的粒子，这个粒子就是我们所说的正电子。

按照上述的推理，人类就是第一次从理论上预言了反粒子的存在。接下来在1932年的时候，卡尔·安德生通过对宇宙射线的威尔逊去层实验发现并证实了正电子的存在。继安德生发现正电子后，1955年张伯莱发现了反质子，1956年又发现了中子。在20世纪60年代左右，又随后发现一系列反粒子，接连发现反粒子使人们联想到是否所有的粒子都有和它相对应的反粒子呢？

紧接着，人们在其后所进行的一系列实验中发现，除去光子等少数粒子的反粒子是它的本身外，几乎所有粒子都有反粒子。人类自古就相信宇宙是对称的思想，不禁又使人们想到了既然粒子能组成物质，那么反粒子为何不能组成反物质呢？就目前为大众所公认的宇宙起源的大爆炸理论中则很明确地提出了的确是存在反物质的，并且还预言宇宙中应该存在存在等量的物质与反物质。

不过，探索反物质的道路是漫长而又艰难的。从发现第一个反粒子到现在已将近70年，在这中间人们也仅是从实验中获得了一些反粒子，并且最近几年才人工合成了第一反原子——反氢原子。而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，更谈不上反物质了。产生这些困难的原因在于人们发现的反粒都是从宇宙射线路获得的，而宇宙射线到达地球首先要穿过厚达3000千米~4000千米的大气层，因此射线中的绝大部分反粒子在到达地球前都已与大气层中的粒子中和了。所以人们所能探测到的反粒子就极为微少了，并且反粒子都非常不稳定，极易与周围物质粒子发生湮灭。

因此，科学家们的观点是现在我们所处的这个物质世界中是不可能存在反物质的，就算存在也会很快和周围物质相中和。所以，只能把探寻反物质的希望寄予宇宙空间。在宇宙空间深处可能存在一个与物质世界完全相反的空间，在那里会存在大量的反物质，基于这一考虑，许多国家的科学家们数年共同努力下，“阿尔法磁谱议”终于升入太空。经过10天的太空航行后，它将对宇宙中是否存在反物质做初步探测。到2002年的时候，“阿尔法磁谱仪”就会被放置到新组建的“发现号”空间站，从此开始对反物质的大规模探测。

在现实中，如果反物质被探明是真实存在的，那么，这将会是对在此基础上建立起的现有宇宙起源论及相对论量子力学理论的最有力的实验验证。我们都知道根据爱因斯坦质能方程E=mc2，物质减少的质量将会转化为能量。现在的核反应正是利用了这一点，但核反就不能使质能完全转化；而物质与反物质相中和，因其产生出的是零质量的r光子，因此它的质量就会完全转化为能量。1千克铀235完全裂变释放出的能量相当于2000吨优质煤完全燃烧时所放出的化学能。而同等质量的物质与反物质中和放出的能量则是铀235的3200多倍！因此探索反物质对于能源相对短缺的现代社会亦有着重要大意义。如果一旦探测结果证明宇宙中并没有反物质。那么，这就会是对现有理论的一个不对理论物理的基础进行最大的修改。

12．宇宙中的“黑色骑士”

在太阳系中，还存在有来自地球之外的人造天体。这已不是什么奇闻的事情了。

1961年，巴黎天文观测工作者雅克·瓦莱发现了一颗运行方向与其他卫星相反的地球卫星。对于这颗来历不明的卫星，人们将它命为“黑色骑士”。随后，世界上有许多天文学家按瓦莱提供的精确数据，也发现了这颗环绕地球逆向旋转的独特卫星。1981年，前苏联的一家天文台也证实了“黑色骑士”的存在。天文学家发现这个“黑色骑士”的特征如下，它在地球高空的轨道上，循着极大的椭圆轨道运行，体积很小，但十分耀眼，像一个金属球体。

随后，法国学者亚历山大·洛吉尔对“黑色骑士”进行研究得知，黑色骑士可以用与众不同的方式绕地球运行，表明它能够改变重力的影响。对于这种作用，只有外星来的UFO才能做到，因此这颗被称作“黑色骑士”的奇特卫星很有可能与UFO有相联系。

1983年1~11月间，美国发射的红外天文卫星在天空中扫描时，在北部天空的猎户座方向两次发现了一个神秘天体。这两次的观测时隔6个月，进而表明它在空中有稳定的轨道。

1988年12月，前苏联科学家在地面卫星站观测中，他们发现有一颗神秘的巨大的卫星出现在地球轨道上。当时，前苏联科学家还认为是美国“星球大战”中的卫星。不久前苏联方面才知道，美国科学家也在同一时间发现了那颗神秘的卫星。此时，美国人人也认为，它是属于前苏联的。

为了弄清此物，苏美两国高层官员通过外交途径接触和讨论，双方明白那颗卫星是出自第三者。经过一系列的调查，法国、西德、日本或地球上任何有能力发射卫星的国家都没有发射卫星。

于是，前苏联通过卫星和地面站跟踪观测。结果显示，这颗卫星体积异常巨大，具有钻石般的外形，而外围有强磁场保护，内部装有十分先进的探测仪器。它似乎有能力扫描和分析地球上每一样东西，包括所有生物在内。与此同时，这颗卫星还装有强大的发报设备，可以把搜集于的资料传送到遥远的外空中去。

随后，日内瓦召开了记者招待会，会议上前苏联宇航专家莫斯·耶诺华博士公开了此事。他强调说：“这枚卫星是1989年底出现在我们地球轨道上的。它肯定不是来自我们这个地球。”他表示，前苏联将会“出动火箭去调查，希望尽量找出真相”。这件事披露之后，世界上有二百多位科学家表示愿意协助美苏去研究这颗可能是来自外太空某个星球的人造天体。此外，法国天文学家佐治·米拉博士说：“很明显，这颗卫星飞行了很长的途径才来到地球，事实上它的设计也是这样。虽然只是初步估计，但我敢说它至少已制成5万年之久！”

在地球轨道上，不仅运行着完好的外来人造卫星，而且还有爆炸后的外星太空船残骸。前苏联科学家在60年代初期，首次发现一个离地球太2000公里的特殊太空残骸。经多年研究后，他们才确信那是一艘由于内部爆炸而变成10块碎片的外星太空船的残骸，并向报界宣布了这个消息。这一消息宣布之后，引起了世界上人们热切的关注。

后来，莫斯科大学天体物理学家玻希克教授使用精密的电脑对这10片破损的残骸追踪发现，它们原先是一个整体，据推算它们最早是在同一天——1955年12月18日从同一个地点分离，显然这是一次强大的爆炸所致。此外，玻希克教授还说：“我们确信这些物体不是从地球上发射的，因为前苏联在大约二年之后，即1957年10月才将第一枚人造卫星射入太空。”

为了进一步了解这颗卫星的来历，前苏联著名的天体物理研究者克萨耶夫对它进行了深入的研究。他说：“其中两个最大片的残骸直径约为30米，人们可以假定这艘太空船至少长60米，宽30米；从残骸上看，它外面有一些小型圆顶，装设望远镜，碟形天线以供通信之用，此外，它还有舷窗供探视使用。”这位研究者又补充说：“从这艘太空船体积来看，它有好几层，可能有5层。”

前苏联另一位物理学家埃兹赫强调：“经过我们多年搜集到的所有证据显示，那是一艘机件故障的太空船才发生了爆炸。”之后，他还说：“在太空船上还极可能有外星乘员的遗骸。”

前苏联科学家的这一发现使得美国同行也产生了浓厚的兴趣。此时，美国核物理学家及宇航专家斯丹·费德曼说：“如果我们到太空去收回这些残骸，相信我们可以把它们接合起来。”

十分有趣的是，当前苏联要宣布他们发现地外太空飞船残骸的10年前，一位美国天文学家约翰·巴哥贝曾在国内一份著名的科学杂志上发表了一篇文章，文中提到就有10块不明残片像10个小月亮似的围绕地球运行。这位天文学家认为，它们来自一个分裂的庞大母体，而这个不明物体分裂的时间就是1955年12月18日。可见，这篇文章正好与前苏联科学家的研究结果不谋而合，同时巴哥贝也驳斥了炸裂物体的存在只是一种自然现象的可能性。

直到21世纪的曙光降临，我们的科学家还不知道，这颗5万年前被发射升空的人造卫星，它的主人到底是谁？他们发射这颗卫星的目的是什么？但是，事实证明，除来自地球的人造卫星，宇宙中还存在其他人造天体。

13．来自太空的金刚石

我们知道，金刚石一直以来都被人们视为“矿石骄子。”早在5000年前，人们就已经知道有金刚石了，在《圣经·旧约》的《出埃及记》和《以西结书》中，对金刚石那迷人的光泽赞叹不已；印度的古代杰作《吠陀经》、《刺马耶耶》和《摩呵波罗多》，更是对金刚石那奇异的晕色啧啧连声。在希腊语中，“金刚石”一词就是“不可战胜”、“不可摧毁”的意思。由此可见，金刚石一直以来都被视为珠宝中的贵族。

古代人们对金刚石充满着热情的想象力。他们认为，金刚石的非凡性质是一切自然创造物中最完美无缺的表征。一块晶莹的石头竟然有那样出奇的硬度和耐久性，人们感到不可思议，它那闪烁出迷幻异彩的本领尤其令人神往。在世界上，许多民族更是奉它做自己的神灵，并且冠以极其崇荣的头衔“宝石之王”！

金刚石的尊贵之处在哪里？首先，来看一下金刚石的化学成分以及它的出处。这个问题一直是科学界长期争论不休的问题。历史上一些知名科学家几乎都揣测过金刚石那些扑朔迷离的化学成分。但始终都没能找出确切的答案。因此，对于金刚石化学成分的猜测也有很多。

古希腊大哲学家培多克利斯说，金刚石是由土、气、水、火4种元素组成。按照印度科学家的说法，它构成的要素有5种，即土、水、天、气和能。1704年，牛顿对此作了系统的研究，指出金刚石的可燃性。罗蒙诺索夫更预言，金刚石之所以非凡坚硬，主要是因为“它是由紧密联结点组合成的”。1772年，法国化学家拉瓦哥将一颗金刚石加热使之燃烧，结果发现，它燃烧时所产生的气体就是二氧化碳！因此，拉瓦哥指出了金刚石和碳的关系。这种结论令人不可思议，如此高贵的金刚石竟与“低贱”的碳存在着密切的关系。

直到1796年，英国化学家耐特才作出金刚石是纯净的结论。至于金刚石来自何方，在科学界更具争议。最初人们大多认为，金刚石是来自地下的矿石。因为早期的金刚石多采自砂矿床。1870年在南非开普省北部找到世界上第一个原生金刚石矿床，该地就是以当时英国殖民大臣金伯利勋爵的名字来命名，这就是后来的金伯利城。后来，地质学家在矿区发现，金刚石的成矿母岩是一种无论是矿物成分还是性状都与一般的岩石有着很大的不同。于是，在1887年，英国人路易斯最早将金刚石称为金伯利岩。

后来，人们在世界各地相继发现了一些类似金伯利岩的矿物。因为这些在性状和矿物组成等方面与金伯利岩相似的岩体，并认识到金伯利岩是原生金刚石矿床的惟一成岩母矿。这是一种基质不含长石偏碱性超基性岩，主要成分为橄榄石，多具角砾状或斑状结构。因此，金刚石又被称作角砾云母榄岩，岩体通常呈漏差别形的岩筒（又名岩管或火山颈）或脉状岩石。

有关研究人员根据金伯利岩含有的高压矿物推测，金伯利岩浆形成于上地幔，在高压条件下沿着地壳的裂缝向上运移。由于它饱含高压气体（水及二氧化碳等），当上升而压力骤减时，体积迅速膨胀，在地下产生火山爆发。爆发后岩浆胶结碎屑物质充填火山颈，遂形成金伯利岩筒。曾经有人说，金刚石是由金伯利岩浆夺去邻近的碳质岩石的夹杂块形成的。也有人认为，金刚石是由金伯利岩和另一种榴辉岩一起从地壳深处带上来的。但是，现在大多数人确信，金刚石是由金伯利岩本身含量有的游离碳在剧烈上升和发生爆炸而来的。在整个岩浆活动过程中，也就是在高温高压条件下结晶形成。根据上述条件，人们利用极高的温度和压力已经成批量地生产出人造金刚石。

前苏联科学家通过同位素分析方法证明了，金刚石不仅能在150公里以下的地幔生成，也能在地下10公里的地壳里生成。只要岩浆通过地壳上部岩管时，通道出现狭窄的小孔，由于这一缩颈现象，压力会突然从不超过2万大气压猛增到100万大气压。正是在这种情况下，岩浆才会变成金刚石。

70年代末至80年代初，美国科学家在测定美国阿肯色州金刚石的气-液包裹体时，他们竟发现其中含有类石油的烃类物质（即由碳和氢构成的有机化合物），如甲烷、乙烯、甲醇、乙醇等。平均每克金刚石的含油气量约3.3×10-5克。因此，他们认为金刚石的形成与地球深部的烃源有关。

1981年，在日本队召开的国际宝石会议，索尔博士进一步阐述了二者之间的内在联系。他推测地球内部有丰富的烃源，烃气在超基性的金伯利岩浆中易于保存。当金伯利岩浆向上涌溢时，挥发性的烃气就向地表表层扩散，而残熔的碳素则缩在金伯利岩浆中，并因压力、温度的急剧变化而结晶形成金刚石。但是，1988年，人们又有了一个意外的发现，进而使上述观点受到了怀疑。这一发现就是，俄国学者叶罗费巴夫和拉钦夫首次在石质陨石中找到的浅灰色的金刚石细粒。不久，在石质陨石中也发现了金刚石。陨石中为什么会有金刚石呢？这个问题一直都是仁者见仁、智者见智。最初人们认为，这些金刚石是由于陨石中所含有的碳质因与大气摩擦和地面撞击，产生了高温高压而形成结晶的金刚石。

近年来，在美国国家自然史博物馆中，科学家们得到一块来自南极大陆亚兰高地冰盖中的铁陨石，在它的切片中也找到了一个金刚石晶体的包体。他们猜测这块陨石原是小行星的碎片，而其中所含的金刚石晶体，则是在它陨落之前，并且是在好几百万年前小行星带中的两颗小行星发生碰撞时形成的。这种铁陨石之所以具有金刚石包体是因为小行星碰撞时的速度非常大（时速约数万公里），从而产生较大的冲击压力，进而使自然碳转变为金刚石。

美国芝加哥大学的刘易斯和沃特等人开始对1969年坠落在墨西哥等地的4块陨石进行研究，他们意外的发现了无数非常细小的金刚石粉末，其中还含有微量的具有特殊比例的同位素的氙气。经过测定，显示出它们的年龄比太阳系还大，均生成于45亿年以前。这一结论表明，金刚石的生成与陨石相互间的撞击或坠落与地球是没关系的。

从上述来看，这几位科学家将地球内部的高温高压能促进生成金刚石的传统说法已经推翻了。于是，他们大胆提出，自然界的金刚石，大概都是在几十亿年前由于一颗红巨星，即垂死的“恒星”的毁灭过程中形成的。

科学家推断，在那个阶段，富有的氢和高温特别有利于碳气浓缩而形成结晶金刚石。与此同时，红巨星将增援大量气体，而这些气体将膨胀和冷却，使碳这类物质冷凝并结晶。千百年后，在红巨星最后爆炸成超新星时，它将喷射高速离子，包括带电的氙原子，这些氙原子将追上逃越的金刚石颗粒并埋在其中。由此可推断出，在宇宙中形成的金刚石的数量可能是惊人的。

在宇宙中，由于金刚石参与了太阳系的演化，所以在地球和陨石中能找到金刚石的踪迹。于是，人们就会提出这样的疑惑，美丽的金刚石究竟是来自天上还是地下呢？真是令人难以捉摸的迷。

第二章　太空元素

1．漂浮太空的行星

行星是如何诞生的呢？根据科学家的说法，就要追溯到太阳诞生的初期。生生不息的星尘和气体像一个扁平的圆盘围绕太阳旋转，它们漫无目的地彼此撞击、聚合，这样过了大约1万年。有些尘粒形成更大的固体物质，经过一个我们现在还不了解的神秘过程，这些物质最终聚合在一起形成大约100英里宽的星子带，在这个区域，重力使得它们相互吸引、碰撞。有一些变成了碎片，而那些大的星体则用它们不断增长的重力捕获附近的太空物质，从而变得更大。这就是行星的诞生，是从小小的星尘经过了漫长的过各所诞生的。

星尘之间碰撞与聚合的过程持续了大约10亿年，直到地球完全形成，虽然我们今天所生活的地球有着巨大的不同。在1995年，科学家们发现了间接证据，证明太阳系外还有围绕恒星转动的行星。这一发现震惊了行星形成领域，使它不再是一个理论家的私人领地。尽管目前我们知道的只有一个“地球”，但很有可能会发现更多的这样的行星。而这次在猎户座发现的新行星，则对行星的形成的传统假说提出了新的课题。也就是说，行星上生命的起源和演化我们掌握了一些新线索。

我们知道，最有希望存在生命的地方就是行星，那行星上的生命到底是怎么开始的呢？对于这个问题，各种各样的假说可谓说是众说纷纭。曾有假说认为，具有“自我复制”能力的分子的出现，是地球上生命诞生的标志。持该假说的科学家认为，在像地球这样的原始行星上，简单分子在阳光照射等作用下聚集为更大的分子，越变越复杂。直至最后，由于某种未知原因形成了一个分子，它能把简单的分子组成一个与自身一样的分子，也就是说具备了“自我复制”的能力。科学家一般认为，最早形成的这个自我复制分子应该是蛋白质或RNA（核糖核酸）分子。它所包含的生命信息，能通过特定分子在蛋白质链或RNA链上排列顺序来记录。但一假说也有提出了不同的看法。

最近，以色列人类基因中心的科学家多隆·兰斯特等人提出了一个新的假说。他们认为，地球上最早诞生的自我复制分子有可能不是蛋白质或RNA，而是脂类分子。他们通过计算机模拟发现，复杂的脂类分子团也具有储存生命信息的能力，能够生长、分裂、自我复制、将信息“遗传”下去，并积累“进化”所需的“变异”。这与我们熟知的生命演化过程极为类似。究竟哪一假说是更为贴切，并没有真正的答案。

探索地球上的生命起源，主要是根据地球上的物质运动和发展中寻找生命物质的，而原始地球所具备的环境和物质的条件为：

1、必须具备地球的环境的一定物质，它们包括生物有机体主要组成元素：碳、氢、氧、氮等。宇宙化学的研究已经证实了这几种元素在天体上、星际空间都是普遍存在的。

2、水是地球上不可缺少的一种介质，生命的存活是离不开水的。有研究表明，地球上的生命最有可能在水中诞生，并且十分之九的时间全部生活在水中，后来虽有部分生物登上陆地，但都离不开水。此外，生物化学研究也发现，有少量生物可以生活在温度很低的液态氨和甲烷中。

3、生命体对温度的要求，温度太高生物有机分子必然运动过剧甚至分解；温度过低，生命过程过分缓慢甚至停顿。如果生命发生在水中，温度大致介于摄氏0度到100度之间。

4、生物能在周围绕的环境的物质交换才能得以生存，所以早期地球必然存在一定数量和质量的大气层。宇宙生物学研究认为，生命不可能发生在没有大气的天体上，而天体要在其周围留住大气必须具备相当大质量。质量太小，引力太小，就不可能有大气。没有大气生命就无就不会有液态水的和液态物质的产生，没有液态物质作为溶剂，生命就无法产生。

5、需要有足够的能量，比如光和热。另外宇宙射线、地热、火山等都可以为生命起源提供能量。

6、要有还原性气体，比如甲烷、硫化氢、氢气等。过去人们总把氧气作为生命发生的条件，现在主为是错的。因为地球原始大气是缺氧的，地球上的生命就发生于缺氧时期。

2．太阳的真面目

在宇宙天体中，太阳是最引人注目的。人们虽然同太阳几乎天天见面，但由于它时刻发射着刺眼的光芒，却很难看清它的真面目。那么，今天就让我们一起来看一看太阳的真面目吧。

太阳距地球大约有1.5亿公里。可不要小看这个数字，它却离我们这个地球很遥远，如果我们乘坐每小时2000公里速度的超音速飞机奔向太阳，也得花8年半的时间才能到达。太阳发出的光，以每秒30公里的速度传播，到达地球也得8分20秒钟。也就是说，我们在地球上任何时候看到的太阳光，都是太阳在8分20秒钟以前发出来的。

太阳的大是难以用语言来形容的，相信只有数字才能真正体现出到底有多大。太阳的直径为150万公里，是地球直径的109倍。如果把地球设想为一个软泥球，那么就需要有130万个这样大小的泥球搓在一起，才能搓成与太阳一般大的球。

或许，有人会问，这么巨大的球体，究竟是什么东西构成的呢？我们可以通过太阳清晨初升时，那一轮红日的样子，以及它散发出的巨大热量，联想到它像一个被烧得火红炽热的铁球。但是让人意想不到的是，太阳从表面到中心全都是由气体构成的。其中，最多的是氢和氮之类的轻质气体。当然，并不是说，其中就没有铁和铜之类的金属。据科学预测，太阳表面的温度就有摄氏6000度，中心温度更高，可达摄氏1500万度左右。在这样惊人的温度之下，任何东西都会被化成气体。据光谱分析，太阳中除了大量的氢，还含有氦、氧、铁等70多种元素。太阳虽然完全是由气体组成的，可是气体在高温高压之下，越到内部被挤压得越紧密，在中心部分气体的密度竟比铁还大13倍。太阳的重量相当于地球的33.3万倍。

我们知道，太阳是由气体构成了，那么，它为什么不向四面八方的宇宙空间逸散呢？这是因为太阳的质量很大很大，而且它本身有着强大的引力，这样就会紧紧地拉住要逃散的气体。其实，太阳在这一点上和地球一样，地球自身有很大的引力，把其周围的大气圈紧紧拉住，而不会散失一样。

太阳空间是什么样子呢？也许有人会答，是一个发光的圆球。其实，人们用肉眼看到的那个发光的圆球，并不是太阳的全貌，而只不过是太阳的一个圈层。人们把太阳发出强光的球形部分叫做“光球”。通常人们所能看到的只是这个光球的表面。在光球的表面，常常会出现一些黑色的斑点，这是光球表面上翻腾着的热气卷起的漩涡，人们称它为“黑子”。这些黑子的大小不一，小的直径也有数百到一千米，大的直径可达10万公里以上，里面可以装上几十个地球。黑子有的是单个的，但一般情况都是成群结队出现的。在这里，我们所说的黑子，其实它并不黑。黑子的温度高达摄氏4000度到5000度，也是很亮的。那么，为什么叫它黑子呢？这是因为光球表面的光比黑子更亮，所以在光球的衬托下，它才显得暗。

在太阳光球表面上，我们还可以看到无数颗像米粒一样大小的亮点，人们称它们为“米粒组织”。它们是光球深处的一个个气团，被加热后膨胀上升到表面形成的，它们很像沸腾着的稀粥表面不断冒出来的气泡。这些“米粒”的直径平均在1200公里左右，相当我国青海省那么大。由此可见，光球的表面并不是很平静，如果说米粒组织是光球这一片火海上汹涌的波涛，那么黑子就是太阳上巨大的风暴。

太阳光球外面的部分是我们用肉眼看不见的。只有当日全食时，光球被月亮遮住了，变成了一个黑色的太阳，我们才能看到紧贴光球的外面，包着一层玫瑰色的色环，厚度大约有1万公里。人们把包在光球外面的这个圈层叫做太阳的“色球层”。色球层相当于太阳的大气部分。如果再仔细观察，就会发现像火海一般的色球层表面，往往会突然向外喷出高达几万公里的红色火焰，其火焰的形状有时像一股股喷泉；有时则呈圆环状；还有的呈圆弧形；也有的像浮云一样漂浮在色球层的上空。我们把这种现象叫做“日珥”，其实它就是温度很高的气团。

在色球层和日珥的外围，还有一层珍珠色的美丽光芒，我们称它为“日冕”。日冕逐渐过渡到星际空间，外边界难以确定，它可向空间延伸百万公里。日冕也没有一定的形状，它的高度和形状都随着光球上黑子出现的多少而变化。日冕也发光，但比太阳本身要暗淡得多，所以通常看不见它，只有在日全食时，才能看到。日冕也叫做太阳白光，是一种稀薄的气体，扩散在太阳周围。这种气体也和光球一样，绝大部分是氢气，掺杂着一些氦气。同样，日冕的温度也很高，大约有100万摄氏度。

太阳是太阳系的中心，但它并不像哥白尼说的那样是静止不动的。太阳除了围绕银河系的中心公转，还不停地自转。但是，由于太阳是个气态球，它的自转不像固态的地球那样整体旋转。人们通过观测太阳黑子的移动，知道太阳赤道附近转得快，越接近两极转得越慢。可见，太阳表面各处自转的周期是不一样的。在赤道上，太阳自转一周需25天（地球日），在纬度45度处则需要28天，在纬度80度处需要34天。

我们知道，太阳表面的温度很高，人类的任何探测器都无法靠近它。我们现在所了解的，只是通过光谱分析所得。所以说，对于今天的我们来说，还没有完全揭开太阳的真面目。

3．我们的家园：地球

在宇宙中有一个我们很熟悉又很陌生的星体，那就是我们美丽的家园——地球。

在科学发展的初期，人们长期信奉上帝造世界的观念，哥白尼、伽利略、牛顿等科学家的发现彻底的推翻了神创论。

1796年，法国的数学家、天文学家拉普拉斯提出行星由围绕自己的轴旋转的气体状星云形成说。星云因旋转因体积而缩小，其赤道部分沿半径方向扩大而呈扁平状，之后从星云形状形成了一个像土星一样的光环。环的性质是不均匀的，物质可以凝聚成凝云，后来又发展成为行星。拉普拉斯的假学说既简单又动人，同时又解释了当时所认为的太阳系的许多特点，他的假学说竟然统治了整个19世纪。

科学家肖梅克在1977年的时候提出：固态物体的撞击是发生在类地行星上所有过程中最基本的。在此基础上提出了宇宙撞击和爆炸的假说。他认为这种撞击是分等级的，第四级的撞击形成月亮这样的卫星。具体过程是：一个撞击体冲击原始地球，引起爆炸，围绕地球形成一个气体、液体、尘埃和“溅”出来的固态物质组成的带，最初是碟状的，因旋转的向心力作用而成球状，失去了部分物质的地球也重新成为球状。相信随着科学的发展，地球起源之谜，总有一天会被解开。

地球的诞生及其演变

我们只知道，地球是由水和岩石组成了，它与其他的星体不同的地方就是它可以孕育生命，它是千千万万种生物赖以生存的地方，是我们在浩瀚的宇宙中惟一的安全的港湾。但是地球是怎样的发展的呢？在浩瀚的宇宙中又是哪种力量造就了这颗神秘的行星呢？

地球为人类提供了水、空气、和食物，地球仿佛就是专门为人类的诞生所打造的。在50亿年前，地球还没有诞生。当时在银河系中，地球目前所在的位置只是一团气体和空气。科学家们称其为分子云，它是由数百颗死亡的恒星的碎片组成的，这团分子云开始慢慢自转，在分子云慢慢缩小后，地球的自转速度加快，同时又在太空中吸收物质能量，使分子云中心温度上升，最后这团缩小后的分子云就演变成了今天的太阳，剩余的分子云由于高速运转，经过气体和灰尘扩散成了一个大圆盘，就变成了地球和其他行星。

有的科学家认为，月球的诞生是由于地球的作用。大约在38亿年前，某星体突然与地球碰撞，许多的飞散的碎片在地球的吸引下，就变成了的月球。

在地球诞生了5亿年之后，地球上有了海洋。在海洋里，各种物质相互作用，产生了有机物，诞生了最原始的生命。大约在20亿年前，海洋中的海藻类大量繁殖，产生的光合作用形成了氧气供给大气。

在海洋里，部分物质下沉，较轻的物质上升，海洋中形成了海岭的两侧运动，大约在19亿年前，生成了超大陆。那个时候的超大陆上还没有真正的生命物种，由于地球磁场和臭氧层形成，生物避免了宇宙射线和紫外线的辐射。大约在5亿年前，生物的种类逐渐增加。

首先是植物，接着是鱼类和两栖动物开始由海洋转向陆地生活。大约在2亿年前，超大陆又进行了一次分裂。由于火山的频繁爆发和地震，适者生存，许多的低级植物开始灭绝，只有高级植物才适应了环境，生存了下来，于是就开始出现了爬行类植物。

就这样，地球上的生物大量的生物灭绝，而后又出现了较高级生物出现。大约在2亿800万年前，恐龙在地球上出现，到了侏罗纪，由于地球气候变暖，许多的恐龙开始大型化。在6500万年前，恐龙灭绝。在恐龙灭绝后，哺乳动物占到了主导地位，不断的进化、繁荣。

有的人认为，大约在500万前，哺乳动物类的部分灵长类动物在非洲进化成了猿人。在1万2000年前的第四纪冰川期，人类就开始各地迁徙扩散。

虽然我们都生活在“地球村”，都知道地球是属于宇宙的一颗行星，但是你对地球的认识有多少呢？

地球的质量

计算地球质量的办法有很多，但是如果我们把地球看成质量均匀，并且忽略其他天体的影响，那么我们就可以通过如下途径计算地球的质量：

方法一、在赤道上，地球对质量为m的物体的引力等于物体的重力与随地球自转的向心力之和，则为5.984×10^24kg。

方法二、在北极，如果不考虑地球自转，结果为5.954×10^24kg。

方法三、把地球看作质量均匀的球体，忽略自转影响，半径取平均值，重力加速度取标准值。则为5.965×10^24kg。

地球的温度

通常人们都认为太阳是温度最高的星体，其实地核的温度比太阳的表面的温度还要高，地核的温度约为6880℃，太阳表面的温度约为6000℃。地球的最高温度爆发在闪电中，一次闪电能释放1000亿焦耳的能量，达到30000℃，这可是太阳表面温度的5倍，但是它的温度始终不能和太阳内核的温度相比，太阳内核温度约为14000000℃。

但是地球也有最冷的地方。在北半球的西伯利亚东部的奥伊米亚康，南半球的南极大陆，都是世界上最冷的地方。

地球的形状

在我们看来的地球都是圆的，但经过科学家的精密测量，发现地球并不是一个规则的球体，它是一个两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体。

地球上会发生的自然灾害

地震、滑坡、台风、海啸、冰雹、旱灾、飙风、洪灾、寒潮、雪灾、酸雨、沙尘暴、荒漠化、暴风潮、龙卷风、泥石流、水土流失、火山爆发、生物灾害、雪崩、暴风雨。

地球的结构

人类对地球的认识特别的晚，直到16世纪哥白尼时代人们才明白地球只是一颗行星。

简单的概括，地球就是由地壳、地幔和地核构成的。

地球不是均匀的，地壳的厚度不相同，海洋处较薄，大洲下较厚。内核和地壳是实体，外核与地幔层为流体，不同的层由不连续的面构成。地球的大部分质量集中在地幔，剩下的大部分在地核。人们居住的环境只是整个地球的一小部分。主要由一下的几种成分构成（下列数值×10e24千克）：

地壳的厚度不同，海洋处较薄，大洲下较厚。内核与地壳为实体；外核与地幔层为流体。不同的层由不连续断面分割开，这由地震数据得到；其中最有名的有数地壳与上地幔间的莫霍面－不连续断面了。大气=0.0000051、海洋=0.0014、地壳=0.026、地幔=4.043、外地核=1.835、内地核=0.09675。

地核虽然可能会有一些较轻的物质，但可能大多是由铁构成的，地核的温度是地球上温度最高的地方。

地幔分为上下地幔，上地幔多是由铁/镁硅酸盐构成，下地幔则可能是由硅，镁，氧和一些铁，钙，铝构成。地壳则主要是由石英和类长石构成。地球的化学元素组成成为：34.6%铁、29.5%氧、15.2%硅、12.7%镁、2.4%镍、1.9%硫、0.05%钛。

地球上的六大板块

地球与其他的类地行星最大的区别就是地球的地壳是由几个实体板块构成的，这几样板块在理论上被称为板块学说。

美洲板块——北美洲，西北大西洋及格陵兰岛、南美洲及西南大西洋

南极洲板块——南极洲及沿海

亚欧板块——东北大西洋，欧洲及除印度外的亚洲

非洲板块——非洲，东南大西洋及西印度洋

印度洋板块——印度，澳大利亚，新西兰及大部分印度洋

太平洋板块——大部分太平洋（及加利福尼亚南岸）

除了这些般、板块之外，地球上还分布其他的大大小小的板块。

地球运动

地球的运动分为公转和自转。地轴绕着地轴做旋转运动，叫做地球的自转。地轴的空间基本是稳定的，它的北端总是指着北极星的附近，呈自西向东的运动；从北极上空看，则是呈逆时针方向旋转。地球自转一周的时间，大约是23小时56分。在实际的生活中，我们感受到是24个小时。

由于地球在自转的同时也是在做公转运动，这个时候，我们选择的参照物是太阳，这4分钟的差距正是地球自转和公转叠加的结果。在天文学上这一天的24个小时称为一个太阳日。地球在公转时，平均速度为每小时转动15℃。在赤道上，自转的线速度是每秒465千米，在生活中我们所能看到日升日落的想现象就是地球自转的反映。

地球未来

地球在宇宙中存在了大约有50亿年之久。在地球漫长的发展过程中，由于由于氦的灰烬在太阳的核心稳定的累积，太阳光度将缓慢地增加，在未来的11亿年中，太阳的光度将增加10%，之后的35亿年又将增加40%。地球的辐射正在逐步增加，很有可能产生可怕的结果，包括最早发展出来的海洋也可能会消失。

由于人类的破坏，地表温度的升高会加速无机的二氧化碳的循环，使它的浓度在9亿年间还原到植物致死的水平。如果植物缺乏会导致大气层中的氧气的流失，那么动植物也会在数百万年间绝种。所以保护地球，刻不容缓。

世界地球日

为了解决环境污染问题，1970年美国人们自发地掀起了一场声势浩大的游行。人们纷纷走上街头，举着被污染的地球模型，呼吁政府采取保护措施，促使美国政府于70年代通过了水污染控制法和清洁保护大气法的修正案，并成立了美国环保局。从此，民间组织倡议把4月22日作为世界地球日，得到了世界许多国家的积极响应。

在世界环保日诞生30年之后，世界范围内的环保工作取得了很大的进展。环境问题受到越来越多的人重视。世界地球日活动旨在唤起人类爱护地球、保护家园的意识，促进资源开发与环境保护的协调发展。我国从20世纪90年代起，每年都举办世界地球日。

4．嫦娥的寒宫：月球

对于月球究竟是如何起源的这一问题，有科学家提出月球是地球早期与另一个天体发生激烈碰撞产生的。换句话说，月球是在一次“大撞击”之后，从母体地球中撕掏出来的一块而形成的。关于月球起源的假说有很多种，归纳起来大致可分为四种，即共振潮汐分裂说、同源说、浮获说和撞击成因说。

1．分裂说

这种假说坚持月球是地球的亲生女儿观点，即认为月球是从地球中分裂出来的。坚持这一假说的科学家认为，在地球形成的早期，地球呈熔融态，由于潮汐共振作用，地球自转不稳定，即使只考虑地球和月球的角动量，当时地球自转的周期也仅有4小时，加上太阳的潮汐作用，地球的自转周期可缩短到2小时。因此这类科学家相信，在历史的早期，地球的自转速率比现在要高得多。

假设当初的地球是熔融状态，那么地球物质在地赤道面上将会出现一个膨胀区，使在赤道面上的一部分熔体分离，或者说在地球高速自转情况下，这部分熔融物质从赤道区被甩了出去。而月球正是这部分被甩出去的物质在地球附近的行星际空间凝聚，冷凝后形成的。一些持这种假说的人还认为，地球上的太平洋就是分裂出月球后留下的“疤痕”。由于这种假说提出月球是从地球分离出去的，因此这种假说被形象地比喻为“母女说”。不过，由于这种月球形成假说不符合地月系的基本特征，因此这一假说已经被大多数科学家所摈弃。

2．同源说

这一假说坚信月球与地球是平等的姐妹或兄弟的关系，即在太阳星云凝聚过程中，月球与地球同时形成。

坚信这一假说的科学家认为，在原始的太阳星云内，星球与太阳的距离取决于其自身的温度和化学成分。太阳系的各个行星是在星云中不同的区域、由不同化学成分的星云物质凝聚、吸积而形成的。月球与地球在太阳星云中相距较近，形成过程相似，属于同时形成的“兄弟”。但同源说及其模式与太阳星云的凝聚过程和地月系的运动特征不完全相符，因此这一假说也是不尽如人意的。

3．俘获说

俘获说认为月球是被地球抢过来的“女儿”。主张俘获说的科学家们认为，地球和月球处在太阳星云的不同部位，由化学成分不同的星云物质凝聚而形成。月球原来的运行轨道与地球的轨道面交角很小（约5度），当月球运行到地球附近时，约在距离为10个地球半径的范围内，月球可能被地球俘获而成为地球的卫星。不过，这一假说只能解释部分观测事实，不能完全令人满意。于是，仍有许多科学家不断地另辟蹊径，以提出新的假说。

4．撞击说

撞击成因说是最新提出的一种假说，一经提出立刻引起了科学界人士的极大关注。因为这一假说能解释更多的观测事实，是目前最合理的月球起源假说。

撞击成因说的另一种叫法是“大碰撞分裂说”。这一假说认为，地球早期曾受到一个如火星大小的天体的撞击，撞击的碎片（即两个天体的硅酸盐幔的一部分）最终形成了月球。撞击成因说可以合理地解释地月系统的基本特征，如地球自转轴的倾斜与自转加速、月球轨道与地球赤道面的不一致、月球是太阳唯一的与主行星质量比为1/81的卫星、月球富含难熔元素而匮乏挥发性元素和亲铁元素、月球的密度比地球低以及月球形成初期曾产生过广泛熔融、存在过岩浆洋等事实。因此这一假说是目前最为合理、最为成熟的月球起源学说。

从大量的观察和登月活动来看，从目前来看，月球表面并不存在生命的迹象。那么月球的表层下到底是一个怎样的世界呢？是否真的存在一个“生命世界”呢？

瓦西里和晓巴科曾是前苏联著名的天体物理学家，他们曾大胆提出这样一个假说。他们一致认为，月球可能是外星人的宇航站，月球是空心的，在它的表层下存在一个极为先进的文明世界。这种胆大且离奇的假说一经提出，立即震惊了科学界，并引起了巨大的震动。

在这一假说提出后，科学家很快联想到在1969年7月“阿波罗”在探月过程中曾发生过的一件事。当时当两名宇航员回到指令舱后，登月舱突然失控坠毁在月球表面，设置在里坠落点72公里处的地震记录仪，记录到了长达15分钟的震荡声，这种声音犹如一只大钟和大锣鼓所发出的声响。在“阿波罗12号”探月时，碰撞月球所发出的回声持续了4小时。如果说月球是实心的话，那么这种声音最多也只能持续一分钟左右。另外月震的震级很弱，但震动持续时间却很长。这一切的事实似乎证实了“月球是空心的”这一假说。

然而，又有科学家提出了质疑，他们认为，月震持续时间之所以比地震长，是因为月球上没有水和表面松散的沉积层。而地球上正是因为有水和松散沉积层对地震有一定的吸收作用，才使地震波很快衰减。还有科学家认为，月球并非是空心的，其内部是由月核，月幔，及月壳组成的，和地球的内部结构完全相同。

1．月球的年龄

经对月球上的岩石标本研究表明，结果简直令人难以置信。从月亮上采集的90%的岩石标本要比地球上90%的最古老的岩石还要古老。由宇航员尼尔。阿姆斯朗从静海收集到的第一块岩石被测定具有超过36亿年的历史，其他岩石经鉴定后，证实具有43亿年、45亿年和46亿年的年龄。其中有一块岩石存在年代更久，经研究竟然已经存在有53亿年之久了。相比之下，在地球上被发现的最古老的岩石只有37亿年。于是一些科学家认为，月球形成的时间远比我们的太阳系形成的时间要早。

2．月球上的粉尘比月球岩石还要古老

从对静海收集的尘土分析的结果来看，关于月球年龄的问题确实变得让人头痛。根据化验结果，月球上的尘土要比岩石还要久远10亿年。这个现象在逻辑上几乎不可能。因为通常情况下，尘土是由它旁边的岩石退化而来的，而化学分析结果竟显示，月球的粉尘并不是来自于其附近的岩石，而是来自其他的地方。

3．月球“大钟”

在“阿波罗”登月探险中，当登月舱着陆并抛弃第三级火箭时，登月舱都重重地撞击到了月球坚硬的表面。每一次撞击都感觉月球像一只大钟被敲击一样，振动持续了一至四个小时。NASA不情愿地指出月亮是真空的。可是，除了从声音上来判断外，关于月球是真空的这种说法，并没有其他令人信服的证据。

4．月亮的阴影区

据早期的天文观测者们推测，月球的阴影区为一片干涸的海洋。可是这些“月海”很奇怪的集中于月球的一侧。宇航员们发现那些月海区域的表层极难被钻透。对那里采集的尘土分析显示那些地区有地球上极其罕见的金属如钛、锆、钇、铍。这些发现让科学家们很震惊，同时也感到一筹莫展，因为要想使这些金属熔化，需要大量的热量和极高的温度（约4500度）以使它们与周围的岩石结合。

5．不生锈的纯铁

前苏联和美国都进行过登月活动，而他们带回的月球尘埃中都含有纯铁的颗粒。前苏联人宣称由遥远月球探测器“佐德20”号取回的纯铁颗粒在地球上几年后也不生锈。纯铁不生锈在地球上闻所未闻。不过地球上也有一个令人难以解释的例外：印度新德里有一根纯铁的柱子，从不生锈，至今也没有人能给出合理的解释。

6．月球的放射性

虽然月球具有极强的放射性，但当“阿波罗13”号宇航员在使用热探测器时发现了异常高的读数。这表明在亚平宁山脉以下有高温热流。事实上，一位月球研究专家承认，当我们看到这些数据后都惊呼：“喔，上帝，这块地方将被熔化！它的核心一定很热”。但那却是谜。因为月球的核心根本不热，反而很冷。根据推测，月球是中空的。月球表面的辐射“令人难堪”的高，而且原因不明。地球的这些热核辐射材料，如铀、钍、钾从何而来？如果是从月核而来（尽管这不可能），又是如何来到月球表面的呢？这些对于我们都是难解地迷。

7．在干燥的月球上空有大量的水蒸气云团

从几次对月球的挖掘实验都可以看出月球是个极其干燥的世界。一位研究月球的专家讲过，它比地球的戈壁滩还要干燥100万倍。早期的阿波罗计划根本找不到一点一滴的水。但是“阿波罗15”号发现月球表面有259千米大的水蒸气云团。万分震惊的和窘迫的科学家们猜想两个被登月宇航员抛弃的水箱可能是云团的起因。可是事实上，两个水箱是不可能制造出这样庞大的云团的。他们甚至还想到宇航员们排在月球上的尿液，但这些数量极少的尿液更不可能会产生出如此巨大的云团，这些云团好像是来自月球的内部。

8．月球玻璃状的表面

从多次进行的登月探险活动中可以看出月球表面是一层玻璃状的物质。这个现象提示了月球曾受过高温热源的烘烤，专家们分析结果证明这种现象可能是由于大量小陨星的撞击。有一种看法认为，一次三万年以前的猛烈太阳的火焰产生了这些变化。有专家称，月球的这种玻璃状表面与核武器造成的效果十分相似，而月球表面的这种高核辐射性与这一解释相吻合。

9．月球的怪异磁场

早期对月球进行研究的专家声称，月球的磁场很弱或月球上根本就没有磁场，但是从月球带回的月岩显示它们被很强的磁场磁化了。这对NASA的科学家们又是一次冲击。因为他们以前总是假设月岩是没有磁性的。对于月球的这种很强的磁场来源，至今没有科学家能给出合理的解释。

10．奇异的高密度物质团

据早期月球轨道的观测显示，在玛丽亚山区的下面聚集着一些高密度的物质。NASA还报告这些高密度物质区还引起飞越其上空的飞船式探测器微微向下俯冲并加速。这显示月球下面有隐藏的结构。科学家们还指出这些物质具有极高的密度，状态如牛眼睛一般。有科学家指出，至今没有人知道这下面到底是一种什么样的东西。

5．距离太阳最近的水星

水星，离太阳最近一个行星，它比月球大1/3。水星目视星等范围是0.4~5.5。由于水星太接近太阳，所以常常被猛烈的阳光淹没，它的轨道距太阳4590万~6970万千米之间，因此望远镜很少能够仔细观察它。水星也没有自然卫星。靠近过水星的探测器只有美国探测器水手10号和美国发射的信使号探测器。水手十号在1974年—1975年探索水星时，只拍摄到大约45%的表面；信使号于2008年1月掠过水星。水星是太阳系中最快的一个行星，它绕太阳一周只需88天，自转一周需58天15小时30分钟，它的一天相当于地球的59天。

水星英文名字是Mercury，它来自罗马神话中众神的使者墨丘利（对应希腊神话中的赫耳墨斯）。因为水星约88天绕太阳一圈，是太阳系中公转最快的行星。符号是上面一个圆形下面一个交叉的短垂线和一个半圆形（Unicode），是墨丘利所拿魔杖的形状。在前5世纪，水星实际上被认为成两个不同的行星，这是因为它时常交替地出现在太阳的两侧。当它出现在傍晚时，它被叫做墨丘利；但是当它出现在早晨时，为了纪念太阳神阿波罗，它被称为阿波罗·毕达哥拉斯。经过多方的验证，则发现它们属于一颗行星。此事在我国古代也有记载。记载于晋书：志第二天文中，内容为：

辰星曰北方冬水，智也，听也。智亏听失，逆冬令，伤水气，罚见辰星。辰星见，则主刑，主廷尉，主燕赵，又为燕、赵、代以北；宰相之象。亦为杀伐之气，战斗之象。又曰，军于野，辰星为偏将之象，无军为刑事。和阴阳，应效不效，其时不和。出失其时，寒暑失其节，邦当大饥。当出不出，是谓击卒，兵大起。在于房心间，地动。亦曰，辰星出入躁疾，常主夷狄。又曰，蛮夷之星也，亦主刑法之得失。色黄而小，地大动。光明与月相逮，其国大水。

在罗马的神话中，墨丘利为商业、旅行、偷窃之神；在古希腊神话中对应于赫耳墨斯，它为众神传信的神，大概是因为水星空中移动的快，才有了这个名字。墨丘利及水星符号早在公元前3000年的苏美尔时代，人们便发现了水星。古希腊人赋予它两个名字：当它初现于清晨时称为阿波罗，当它闪烁于夜空时称为赫耳墨斯。不过，古希腊天文学家们知道这两个名字实际上指的是同一颗星星，在公元前5世纪的希腊哲学家赫拉克赖脱甚至认为水星与金星不是环绕地球运动的，而是直接环绕太阳运行的。

水星的轨道与正圆的程度相差甚远，它的离太阳最近的距离只有四千六百万千米，最无的距离为7千万千米。在轨道的近日点它以十分缓慢的速度按岁差围绕太阳向前运行（岁差：地轴进动引起春分点向西缓慢运行，速度每年0.2"，约25800年运行一周，使回归年比恒星年短的现象。分日岁差和行星岁差两种，后者是由行星引力产生的黄道面变动引起的。）在十九世纪，天文学家们对水星的轨道半径进行了非常仔细的观察，但都无法运用牛顿力学对此作出适当的解释。而困扰了天文学家们数十年的问题就是存在于实际观察到的值与预告值之间的细微差异是一个次要（每千年相差七分之一度）。

为了解释实际观察和预告值之间的差异，有人认为，在靠近水星的轨道上还存在着另一颗行星（被称“祝融星”），但最终的答案却颇有戏剧性：爱因斯坦的广义相对论。在人们接受认可此理论的早期，水星运行的正确预告是一个十分重要的因素。（水星因太阳的引力场而绕其公转，而太阳引力场极其巨大，据广义相对论观点，质量产生引力场，引力场又可看成质量，所以巨引力场可看作质量，产生小引力场，使其公转轨道偏离。类似于电磁波的发散，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，传向远方。

而在1962年前，人们主为水星的自转一周与公转一周的是相同的时间，从而面对太阳的那一面是恒定不变。这与月球总是以相同的半面朝向地球很相似。但在1965年，通过多普勒雷达的观察发现这种理论是错误的。现在我们已得知水星在公转二周的同时自转三周，水星是太阳系中目前唯一一个已知的公转周期与自转周期共动比率不是1:1的天体。在之前我们曾说，水星的轨道极度偏离正圆，使得水星观察者看到了非常奇特的景象，处于某些经度的观察者会看到当太阳升起后，随着它朝向天顶缓慢移动，将逐渐明显地增大尺寸。太阳将在天顶停顿下来，经过短暂的倒退过程，再次停顿，然后继续它通往地平线的旅程，同时明显地缩小。在此期间，星星们将以三倍快的速度划过苍空。在水星表面另一些地点的观察者将看到不同的但一样是异乎寻常的天体运动。水星上的温差是整个太阳系中最大的，温度变化的范围为90开到700开。相比之下，金星的温度略高些，但更为稳定。

水星在很多方面都与月球相似。它的表面有许多陨石坑而且十分古老，它也没有板块运动。另一方面，水星的密度比月球大得多，（水星5.43克/立方厘米；月球3.34克/立方厘米）。水星是太阳系中仅次于地球，密度第二大的天体。事实上地球的密度高部分源于万有引力的压缩；若非如此，水星的密度将大于地球，这表明水星的铁质核心比地球的相对要大些，很有可能构成了行星的大部分。因此，相对而言，水星仅有一圈薄薄的硅酸盐地幔和地壳。巨大的铁质核心半径为1800到1900千米，是水星内部的支配者。而硅酸盐外壳仅有500到600千米厚，至少有一部分核心大概成熔融状。事实上水星的大气很稀薄（几乎不存在），由太阳风带来的被破坏的原子构成。水星温度如此之高，使得这些原子迅速地散逸至太空中。与大气相对稳定的地球金星相比，水星的大气更换就显得有较为频繁了。

水星的表面经常会预见现巨大的急斜面，有些高达三千米高。还有一些横处于环形山的外环处，而另一些急斜面的面貌表明他们是受压缩而形成的。据估计，水星表面收缩了大约0.1%（或在星球半径上递减了大约1千米）。水星上最大的地貌特征之一是Caloris盆地，直径约为1300千米，人们认为它与月球上最大的盆地Maria相似。如同月球的盆地，Caloris盆地很有可能形成于太阳系早期的大碰撞中，那次碰撞大概同时造成了星球另一面正对盆地处奇特的地形。除了布满陨石坑的地形，水星也有相对平坦的平原，有些也许是古代火山运动的结果，但另一些大概是陨石所形成的喷出物沉积的结果。令人惊讶的是，水星北极点的雷达扫描（一处未被水手10号勘测的区域）显示出在一些陨石坑的被完好保护的隐蔽处存在冰的迹象。水星有一个小型磁场，磁场强度约为地球的1%。在水星上至今未发现卫星，至今天为止，人造卫星离水星最近的只有美国的“水手10号”，但也不能探测到水星的全貌。其实，通过双向望远镜肉眼就能直接看到水星，但它靠太阳太近，在曙暮光下中是难以看到的。

奇妙的“水日食”

水星中最美的景观为水星凌日，俗称为“水日食”。那水星凌日是如何形成的？当水星穿越地球与太阳之间的时候，就叫做水星凌日。由于水星仅88天就绕太阳一周，这种凌日的情形大约每四个月就有一次。但由于地球并不是静止不动的，水星要超过地球花的时间实际上比88天要多。水星恰好在地球与太阳之间的位置，叫做低位交汇点，那么我们为什么100年才能看到12次水星凌日呢？

那是因为水星的轨道是倾斜的，而且它与地球的轨道也不在一个平面上（地球围绕太阳运转的轨道也被称为黄道圈）。水星的轨道与黄道圈倾斜大约7度。在我们看来，这个倾斜度可能不算什么。但是，要知道太阳系是多么浩瀚的空间和距离，这就使得水星经常从地球和太阳之间的上方或下方掠过。（太阳和地球之间的距离被称为“天文单位”--A.U.，有149，597，870.3公里）水星如果躲在太阳的后面，和地球又同在一条线上，被称为高位交汇点。同样，水星也不会正好处在太阳的后面，要么从上，要么从下，掠过太阳。利用SOHO卫星就可以观测到这种现象，如下图。

在1999年9月8日，水星穿过高位交汇点——通过SOHO卫星传来的经过滤镜的图片--我们可以看到水星正好处在蓝色盘子的上方。两个月过后，在11月15日，水星凌日再次发生。

两图明显有不同的地方，从上面的图中，我们可以看到水星如何在两周的时间内从右侧运动到左侧。那么到底水星凌日何时发生呢？每当水星在低位交汇点靠近黄道圈时，被称为“穿越轨道节点”。根据水星朝南运动还是朝北运动，分成上升节点和下降节点两种。下图解释了这种概念。

当水星和地球处于AA位置时，就会发生水星凌日现象。这是，水星穿过下降节点，处于低位交汇点。当两个星球处于BB位置时，从地球上看，水星会从太阳的下面穿越。尽管水星也处于低位交汇点，但是它离黄道圈很远。在上图，我们还可以看到高位交汇点的情况。由于水星处在太阳的后面，就不会发生水星凌日现象，但是水星却可以被太阳隐藏。通过水星凌日，我们可算出太阳与地球的距离。

在很长一段时间里，地球与太阳的距离是不为我们所知的。在17世纪以前，一直也没有能够计算这种距离的仪器。只是有人做过粗略的距离估算，但这和实际的数据差的很远。哥白尼和第谷猜测地球与太阳之间的距离是地球半径的1500倍，而开普勒猜测的距离是地球半径的3500倍。人们只知道行星之间的相对距离（如木星与太阳的距离是地球与太阳距离的5倍），但是准确的距离并没有人知道。直到1667年，埃默德·哈雷爵士在圣海伦娜岛上观察到了水星凌日现象，并记下了“入凌”和“出凌”的时间。他意识到如果从地球上不同的纬度观测水星凌日，那么观测者会看到水星从不同的角度穿过太阳。这种感觉效果被称为视差（这在金星凌日上非常明显，因为它距离我们比水星更近，这就扩大了穿越的角度），就这样，通过水星凌日计算出了地球与太阳之间的准确距离。如下图：

我们很容易就能看到视差效果，你可以在距离脸部15厘米左右举起你的大拇指，先用左眼看，再用右眼看。你就会很容易地发现拇指在背景的映衬下来回移动位置，这是因为你的两眼之间是有一定距离的。在水星凌日上也是同样的道理。在上图，如果你知道AB两点的距离，并且知道a的角度（角度可以经过测量后得到），那么通过三角测量，地球到水星的距离可以计算到。如果记录下凌日的时间，又因为地球上的AB两人分别看到水星在CD两点，那么太阳和地球之间的距离就可以测量出来了。如前所述，金星凌日更适合这种天文现象的观测，因为角度a会更大。

不过，哈雷1677年是观察水星凌日现象极少数人之一，所以无法作出数据的比较，因此也无法计算太阳和地球的距离。由于下次的金星凌日发生在1761年，哈雷爵士是没有这个机会了。但是，哈雷确信这些观察的重要性，它呼吁未来的天文学家要注意观察凌日的现象：“我们一遍又一遍的呼吁，我们身后的、具有好奇心的天文学家们，要注意我们的建议，精神百倍地投入凌日现象观察工作当中去。对于他们，我们只能祈祷，并祝他们好运，尤其是祝他们能够不被剥夺使用天文望远镜的权利，祝他们能够用更加具体测量，让浩淼的宇宙臣服在他们的不朽的光荣之下。”

直到1769年，有一个名叫詹姆斯·库克船长，他开始了著名的远洋之旅。他用他乘坐的“奋进”号船只在塔希提岛上建立了一个观测站。

它的此次行支非常的成功，不但得到了凌日的具体数据，而且在随后的旅途中发现了新西兰，并在大堡礁呆了几个星期，还探索了澳大利亚许多不为人所知的海岸。在英国和法国在不久后发生战争的时候，法国政府命令海军不能攻击“奋进”号，而必须保证它平安行驶，因为库克船长正在为整个人类服务。正是因为如此，人类才通过水星凌日的准确数据测出了地球与太阳的距离。

6．太阳系中温度最高金星

金星（Venus）是太阳系中八大行星之一，它是离地球最近的行星。中国古代称之为长庚、启明、太白或太白金星。公转周期是224.71地球日。夜空中亮度仅次于月球，排第二，金星要在日出稍前或者日落稍后才能达到亮度最大。它有时会黎明前出现在东方天空，被称为“启明”；有时黄昏后出现在西方天空，被称为“长庚”。

金星是除了全天最亮的太阳和月亮之外最亮的行星。它的亮度最大时为-4.4等，比著名的天狼星（除太阳外全天最亮的恒星）还要亮14倍，就像一颗耀眼的钻石。古希腊人称它为阿佛洛狄忒（Aphrodite）——爱与美的女神，而罗马人称它为维纳斯（Venus）——美神。

在太阳系中仅有两个行星是没有天然卫星的，这两个行星分别是金星和水星。因此金星上的夜空中没有“月亮”，最亮的“星星”是地球。由于离太阳比较近，所以在金星上看太阳，太阳的大小比地球上看到的大1.5倍。有人称金星是地球的孪生姐妹，确实，从结构上看，金星和地球有不少相似之处。金星的半径约为6073公里，只比地球半径小300公里，体积是地球的0.88倍，质量为地球的4/5；平均密度略小于地球。但两者的环境却有天壤之别：金星的表面温度很高，不存在液态水，加上极高的大气压力和严重缺氧等残酷的自然条件是河能有生命的存丰。因此，金星和地球只是一对“貌合神离”的姐妹。

金星周围有浓密的大气和云层，这些云层也为金星罩上了一层神秘的面纱，要想穿透这层面纱看到金星的本来面止，就只有借助于射电望远镜。金星大气中，二氧化碳最多，占97%以上。同时还有一层厚达20到30公里的由浓硫酸组成的浓云。金星表面温度高达摄氏465至摄氏485度，大气压约为地球的90倍（相当于地球900米深海中的压力）。

金星的自转很特别，它是自东向西自转的，与其他行星的自转方向是相反的，而且它是太阳系内唯一一颗逆向自转的大行星。因此，在金星上看，太阳是西升东落。它的一个日出到下一个日出的昼夜交替只是地球上的116.75天。金星绕太阳公转的轨道是一个很接近正圆的椭圆形，且与黄道面接近重合，其公转速度约为每秒35公里，公转周期约为224.70天。但其自转周期却为243日，也就是说，金星的自转恒星日一天比一年还长。不过按照地球标准，以一次日出到下一次日出算一天的话，则金星上的一天要远远小于243天。这样的缘故是因为金星是逆向自转的。

相传，金星逆向自转现象是很久以前与其他小行星相撞而造成的，但并未得到证实。金星除了这种不寻常的逆行自转以外，还有一点不寻常，那就是它的自转周期和轨道是同步的，这么一来，当两颗行星距离最近时，金星总是以同一个面来面对地球（每5.001个金星日发生一次）。这可能是潮汐锁定（tidal locking）作用的结果，当两颗行星靠得足够近时，潮汐力就会影响金星自转。不过也可能是一种巧合。

7．最像地球的火星

火星与太阳的距离为第4近，是太阳系中第7大行星。火星离太阳为227940000千米（1.52天文单位）。按离太阳由近而远的次序计为第四颗，比地球小，公转周期约687天，自转周期约24小时37分。火星被称为战神，这或许是由于它鲜红的颜色而得来的，所以火星有时被称为“红色行星”。（在希腊人之前，古罗马人曾把火星作为农耕之神来供奉。而好侵略扩张的希腊人却把火星作为战争的象征）而月份三月的名字也是得自于火星。战神玛尔斯及火星符号火星古称荧惑，这是由于火星呈红色，荧光像火，在五行中象征着火，它的亮度常有变化；而且在天空中运动，有时从西向东，有时又从东向西，情况复杂，令人迷惑，所以我国古代叫它“荧惑”，有“荧荧火光，离离乱惑。”之意。

火星在史前时代就为人所知，人们认为他是太阳系中除地球之外人类最的住所。它也受到科幻小说家们的喜爱，但可惜的是那条著名的被罗威尔“看见”的“运河”以及其他一些什么的，都只是如《火星公主》中的Barsoomian公主们一样是虚构的。第一次对火星的探测是在1965年由水手4号飞行器而进行的。人们接连又作了几次尝试，包括1976年的两艘海盗号飞行器。此后，在1997年7月4日，火星探路者成功登上了火星，期间经历了20年之久的间隙。

火星的轨道为椭圆形，所以，它在接受太阳照射的地方，近日点和远日点之间的温差将近160摄氏度，这对火星的气候产生巨大的影响。火星上的平均温度大约为218K（开尔文，温度单位，即从绝对零度-273.16℃开始的摄氏度）（-55℃，-67℉），但却具有从冬天的140K（-133℃，-207℉）到夏日白天的将近300K（27℃，80℉）的跨度。尽管火星比地球小得多，但它的表面积却相当于地球表面的陆地面积。除地球外，火星是具有最多各种有趣地形的固态表面行星。它的地形尤为壮观：

奥林匹斯山脉：它在地表上的高度有24千米（78000英尺），是太阳系中最大的山脉。它的基座直径超过500千米，并由一座高达6千米（20000英尺）的悬崖环绕着。

塔西斯地区：火星表面的一个巨大凸起，有大约4000千米宽，10千米高；火星上的水手谷是深2至7千米，长为4000千米的峡谷群。

海拉斯平原：处于火星的南半球，6000多米深，直径为2000千米的冲击环形山。

火星的表面还有很多年代已久环形山，当然也有一些形成不久的山谷、山脊、小山及平原。在火星的南半球，有着与月球上相似的曲形的环状高地。相反的，它的北半球大多由新近形成的低平的平原组成。这些平原的形成过程十分复杂。南北边界上出现几千米的巨大高度变化。形成南北地势巨大差异以及边界地区高度剧变的原因还不太清楚，有人推测这是由于火星外层物增加的一瞬间产生的巨大作用力所形成的。最近，一些科学家开始怀疑那些陡峭的高山是否在它原先的地方。这个疑点将由“火星全球勘测员”来解决。

火星的内部情况是先进分子表面情况的资料和大量数据来推断的。一般认为它的核心是半径为1700千米的高密度物质组成；外包一层熔岩，它比地球的地幔更稠些；最外层是一层薄薄的外壳。相对于其他固态行星而言，火星的密度较低，这表明，火星核中的铁（镁和硫化铁）可能含带较多的硫。另外它与水星和月球似，缺乏活跃的板块运动。没有迹象表明火星发生过能造成像地球般如此多褶皱山系的地壳平移活动。由于没有横向的移动，在地壳下的巨热地带相对于地面处于静止状态。再加之地面的轻微应力，造成了塔西斯凸起和巨大的火山。但是，人们却未发现火山最近有过活动的迹象。虽然，火星可能曾发生过很多火山运动，但它看起来就是从来没有任何板块运动。

另外，火星上也有过洪水，地面上也有一些小河道，由此十分清楚地为我们证明了火星也有很多地方受到过侵蚀。在过去，火星表面存在过干净的水，甚至可能有过大湖和海洋。但是，由于火星引力小，水蒸成气体，这些东西只存在很短的时间，而且据估计距今也有大约四十亿年了。在火星的早期，它与地球十分相似。像地球一样，火星上几乎所有的二氧化碳都被转化为含碳的岩石。但由于缺少地球的板块运动，火星无法使二氧化碳再次循环到它的大气中，从而无法产生意义重大的温室效应。所以，就算把它拉到与地球距太阳同等距离的位置，它表面的温度还是比地球冷得多。

火星上的大气非常稀薄，它的组成主要是由余留下的二氧化碳（95.3%）加上氮气（2.7%）、氩气（1.6%）和微量的氧气（0.15%）和水汽（0.03%）而形成的。火星表面的平均大气压强仅为大约7毫巴（比地球上的1%还小），但它随着高度的变化而变化，在盆地的最深处可高达9毫巴，而在奥林匹斯山脉的顶端却只有1毫巴。但是它也足以支持偶尔整月席卷整颗行星的飓风和大风暴。火星那层薄薄的大气层虽然也能制造温室效应，但那些仅能提高其表面5℃的温度，比我们所知道的金星和地球要少得多。

火星的两极永久地被固态二氧化碳（干冰）所覆盖。这个冰罩的结构是层叠式的，它是由冰层与变化着的二氧化碳层轮流叠加而成。在北部的夏天，二氧化碳完全升华，留下剩余的冰水层。由于南部的二氧化碳从没有完全消失过，所以我们无法知道在南部的冰层下是否也存在着冰水层。这种现象的原因还不知道，但或许是由于火星赤道面与其运行轨道之间的夹角的长期变化引起气候的变化造成的。或许在火星表面下较深处也有水存在。这种因季节变化而产生的两极覆盖层的变化使火星的气压改变了25%左右（由海盗号测量出）。但是最近通过哈勃望远镜的观察却表明海盗号当时勘测时的环境并非是典型的情况。火星的大气现在似乎比海盗号勘测出的更冷、更干了。人们曾尝试着用海盗号去做实验来决定火星上是否有生命的存在，最终结果是否定的。

在1996年8月6日，戴维·朱开等人宣称，在火星的陨石中首次发现有有机物的构成。那作者甚至说这种构成加上一些其他从陨石中得到的矿物，可以成为火星古微生物的证明。即使如此惊人的结论，也没使外星人存在这一结论成立。

火星“全球勘测员”在进入为星轨道的时候意外发现了火星的热带地区有很大一片引力微弱的地方。它们可能是早期外壳消失时遗留下来的。这或许对研究火星的内部结构、过去的气压情况，甚至是古生命存在的可能都十分有用。在夜空中，用肉眼很容易看见火星。由于它离地球十分近，所以显得很明亮。火星的表面呈锈红色，是科学家们从火星的土壤里得知的。火星曾经经历过水灾，可能就是因为这场洪水，而导致火星上的高级生命灭亡。所以在火星上遗留下一些低智能的生物，并没有高智能的生物。也就说，外星人是不存在的。

火星的地理

火星与地球的地形相似，有高山、平原和峡谷，正是因为这样，它才会有除了地球外是最好住所的美称。由于重力较小等因素，地形尺寸与地球相比亦有不同的地方。南北半球的地形有着强烈的对比：北方是被熔岩填平的低原，南方则是充满陨石坑的古老高地，而两者之间以明显的斜坡分隔；火山地形穿插其中，众多峡谷亦分布各地，南北极则有以干冰和水冰组成的极冠，风成沙丘亦广布整个星球。但随着卫星拍摄的越来越多，也发现了不少耐人寻味的地形景观。

火山

火星的火山和地球的不太一样。火星由于重力较小，因此山能长的很高，但是据悉明显的板块运动，使火山分布是以热点为主，不像地球有火环的构造。火星的火山主要分布于塔尔西斯高原、埃律西姆地区和零星分布于南方高原上，例如希腊平原东北的泰瑞纳山（Tyrrhena Patera）。

在地形图中，火星西半球有一个巨大的凹凸，是一个非常醒目的特征，它就是塔尔西斯高原。它高约14公里，宽过6500公里，伴随着盛行火山作用的遗迹，包含五座大盾状火山，包括太阳系最高的奥林帕斯山，有21.287公里高，550公里宽。其他四座包括艾斯克雷尔斯山、帕弗尼斯山、阿尔西亚山和亚拔山，以体积和1600公里的直径来看是太阳系最大的山。在大火山之间亦散布着零星的小火山。在火星的另一端还有一个较小的火山群，以14.127公里高的埃律西姆山为主体，北南各有较矮的赫克提斯山和欧伯山。

峡谷

说起火星的峡谷，有很多人可能会认为是由水造成的，其实不只如此。因为除了水，还有由火山活动形成的。由水造成的又可能是洪水短时间冲刷成的、稳定的流水侵蚀成的、或由冰川侵蚀而成；而火山活动所喷发的熔岩流亦可造成熔岩渠道（Lava Channel）。另一个例子则是地壳张裂造成，如水手峡谷。

水与冰

由于火星的温度较低，水无法以液态而存在。以夜态而存在水只会出现在低海拔区，而且极为短暂。火星上的大部地区都是由冰而覆盖的，如两极冰冠就包含大量的冰。2007年三月，NASA就声称，南极冠的冰假如全部融化，可覆盖整个星球达11米深。另外，地下的水冰永冻土可由极区延伸至纬度约60°的地方。有推论说，火星上有更大量的水冻在厚厚的地下冰层（cryosphere），不过只有在火山活动时才有可能释放出来。史上最大的一次是在水手谷形成时，大量水释出，造成的洪水刻划出众多的河谷地形，流入克里斯平原。另一次较小但较近期的一次，是在五百万年前科伯洛斯槽沟（Cerberus Fossae）形成时，释出的水在埃律西姆平原（Elysium Planitia）形成冰海，至今仍能看见痕迹。

直接证明火星上有冰存在的是在2008年6月20日被凤凰号发现。凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体，当时研究人员揣测这些物体不是盐（在火星有发现盐矿）就是冰，而四天后这些白粒就凭空消失，因此这些白粒一定升华了，盐不会有这种现象。从而证实了火星上冰的存在。在火星全球勘测者所照的高分辨率照片曾显示出有关液态水的历史。尽管有很多巨大的洪水道和具有树枝状支流的河道被发现，还是没发现更小尺度的洪水来源。推测这些可能已被风化侵蚀，表示这些河道是很古老的。火星全球勘测者高解析照片也发现数百个在陨石坑和峡谷边缘上的沟壑。它们趋向坐落于南方高原、面向赤道的陨石坑壁上。有些被侵蚀或被陨石坑覆盖的沟壑，人们推测它们比较年轻。

另外还有一个例子进行了说明。在短短6年间，这个沟壑又出现新的白色沉积物。NASA火星探测计划（Mars Exploration Program）的首席科学家麦克·梅尔（Michael Meyer）表示，只有含大量液态水才能形成这样的样貌。而水是出自降水、地下水或其他来源仍是一个疑问。不过也有人认为，可能是二氧化碳霜或是地表尘埃移除造成的。还有一个关于火星上曾存在液态水的证据，就是发现特定矿物，如赤铁矿和针铁矿，而这两种矿产都需要在有水的情况下才能形成的。在2008年7月31日，美国航空航天局科学家宣布，凤凰号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生，也有可能是太阳烤干了，因为火星离太阳近。不过确有这么多方面得出了火星上的确是有液态水存在的。

8．太阳系中最大的木星

木星简介

如果以离太阳由近至远的顺序排列，木星排第五。木星是太阳系的八大行星中体积和质量最大，它有着极其巨大的质量，是其他七大行星总和的2.5倍还多，是地球的318倍，而体积则是地球的1，321倍。同时，木星还是太阳系中自转最快的行星，所以木星并不是正球形的，而是两极稍扁，赤道略鼓。木星是天空中的亮度仅次于太阳、月亮和金星（不过有时会比火星稍暗，有时要比金星亮），木星为第四亮的星星。木星主要由氢和氦组成，中心温度估计高达30，500℃。在木星表面有一个大红斑，从东到西有40，000千米，从北到南有13，000千米，面积大约453，250，000平方千米。这个红斑仍有不少的猜测，很多人认为它是一个永不停息的旋风，它的范围可以吞没3个地球，但最终未得到证实。

木星的发现

早在史前，木星就为人所知了。根据伽利略1610年对木星四颗卫星：木卫一，木卫二，木卫三和木卫四（现常被称作伽利略卫星）的观察。第一个发现就，这些卫星是不以地球为中心转，也是赞同哥白尼的日心说的有关行星运动的主要依据。许多年来人们一直认为木卫三是1609年由伽利略通过他自制的望远镜发现的，于是连同其他三卫都被称为伽利略卫星。其实木卫三是中国战国时代的天文学家甘德发现的，比伽利略早了将近2000年。他著有《岁星经》和《天文星占》两书，可惜均已失传。在唐朝天文学家瞿昙悉达编著的《开元占经》第二十三卷中有这样的记载“甘氏曰：单阏之岁，摄提格在卯，岁星在子，与须女、虚、危晨出夕入，其状甚大有光，若有小赤星附于其侧，是谓同盟”。

木星释放的力量

对于要星的多年考察，人们发现木星正在向其宇宙空间释放巨大能量。它所放出的能量是它所获得太阳能量的两倍，这说明木星释放能量的一半来自于它的内部。木星本身就存在着热源，在加上它不断的吸积着太阳所释放的高能粒子，因此他所具有的能量就越来越大。

众所周知，太阳不断放射出的光和热是因为太阳内部时刻进行着核聚变反应，在核聚变的过程中就会释放出大量的能能量。而木星是一个巨大的液态氢星球，本身已具备了无法比拟的天然核燃料，加之木星的中心温度已达到了28万K，具备了进行热核反应所需的高温条件。至于热核反应所需的高压条件，就木星的收缩速度和对太阳放出的能量及携能粒子的吸积特性来看，木星在经过几十亿年的演化之后，中心压可达到最初核反应时所需的压力水平。一旦木星上爆发了大规模的热核反应，以千奇百怪的漩涡形式运动的木星大气层将充当释放核热能的“发射器”。所以，有科学家猜测，几十亿年后，木星就会从一颗行星一颗名副其实的恒星。

木星光环

木星也有一个与土星相似的环，不过又小又微弱，如上图。其实木星光环的发现纯属意外，它的发现是由于两个旅行者1号的科学家一再坚持航行10亿千米后，应该去看一下是否有光环存在。其他人都认为发现光环的可能性为零，但结果证明它们是存在的，如果当时不是当这两个科学家的坚持，想必我们就不会知道木星上原来也的光环，不过木星光环中的粒子可能并不是稳定的在，大概是由于大气层和磁场的作用，因此，要想操持光环，它们需要被不停地补充。处在光环中公转的两颗小卫星木卫十六和木卫十七应该是光环资源的最佳候选。

在木星渔和最外层的大气层之间还有一个强辐射带，这是伽利略号飞行器对木星大气的探测是时惊人的发现。这个辐射带大致相当于电离层辐射带的十倍强，而且还发现，这一辐射带里含有不知来自何处的高能量的氦离子。在1994年7月，苏梅克~利维9号彗星碰撞木星，有着惊人的现象。这种现象用业余的望远镜都能看地很清楚，而且在一年后，依然可以用勃望远镜观察到。

我们知道，木星的亮度仅次于金星，四个伽利略的卫星用双筒望远镜就容易观察到，而且木星表面的带子和大红斑可由小型天文望远镜观测。迈克·哈卫的行星寻找图表显示了火星以及其他行星在天空中的位置。越来越多的细节，越来越好的图表将被如灿烂星河这样的天文程序来发现和完成。过去有人猜测，在木星附近有一个尘埃层或环，但一直未能证实。1979年3月，“旅行者1号”考察木星时，拍摄到木星环的照片，不久，“旅行者2号”又获得了木星环的更多情况，终于证实木星也有光环。木星光环的形状像个薄圆盘，其厚度约为30公里，宽度约为6500公里，离木星12.8万公里。光环分为内环和外环，外环较亮，内环较暗，几乎与木星大气层相接。光环的光谱型为G型，光环也环绕着木星公转，7小时转一圈。木星光环是由许多黑色碎石块构成的，石块直径在数十米到数百米之间。由于黑石块不反射太阳光，所以一直我们都没发现。

木星的大气层厚而浓密，它的主要成分为氢，大约占80%以上，其次是氦，约占18%，其余还有甲烷、氨、碳、氧和水汽等，总含量不足1%。由于木星的内部能源较较，因此赤道与两极的温差并不大，不超过3℃，因此木星上南北风很小，主要是东西风，最大风速达130~150米／秒。木星大气中充满了稠密活跃的云系。各种颜色的云层像波浪一样在激烈翻腾着。在木星大气中还观测到有闪电和雷暴。由于木星自转很快，因此能在它的大气中观测到与赤道平行的、明暗交替的带纹，其中的亮带是向上运动的区域，暗纹则是较低和较暗的云。

木星离太阳的平均距离为7.78忆公里，所以它表面的温度比地球的温度小很多。从木星接受太阳辐射计算，其表面有效温度值为-168℃，而地球观测值为-139℃，“先驱者11号”宇宙飞船的探测值为-148℃，仍比计算值高，这也说明木星有内部热源。“先驱者号”探测器对木星考察的结果表明，木星没有固体表面，它是一个流体行星。主要是氢和氦。木星的内部分为木星核和木星幔两层，木星核位于木星中心，主要由铁和硅构成，是固体核，温度达3万K。木星幔位于木星核外，以氢为主要元素组成的厚层，其厚度约为7万公里。木幔外就是木星大气，再向外延伸1000公里，就到云顶。木星的光环是存在的，只不过比较小比较微弱。

木星大红斑

木星的表面特征变化很大，但它也前持久和半持久的特征，其中最显著最持久，也最为人们所熟悉的就是木星表面的大红斑了。木星的大红斑位于南纬23°处，东西长4万公里，南北宽1.3万公里。它位于赤道南侧、长达2万多公里、宽约1.1万公里的一个红色卵形区域。探测器发现，大红斑是一团激烈上升的气流，呈深褐色。这个彩色的气旋以逆时针方向转动。在大红斑中心部分有个小颗粒，是大红斑的核，其大小约几百公里。这个核在周围的反时针漩涡运动中维持不动。大红斑的寿命很长，可维持几百年或更长久。

从17世纪中期，人们就开始对它进行时断时续的观测。从1879年以后，人们就对它进行了连续的记录，并发现它在1879~1882年，1893~1894年，1903~1907年，1911~1914年，1919~1920年，1926~1927年，特别是在1936~1937年，1961~1968年，以及1973~1974年这些年代中，变得显眼和色彩艳丽。在其他时间，显得暗淡，只略微带红，有时只有红斑的轮廓。那为什么这个斑是红色呢？它又是什么结构？如何能持续这么长的时间？对于这些问题，仅凭地面上的观测是无法解答的。

根据科学家雷蒙·哈依德的理论，大红斑是木星上某种像山的有永久我特征所造成的大气扰动。但是“先驱者”发现木星表面是流体，完全排除木星外层具有固态结构表面的可能性，因此上面的理论自然就不成立了。“旅行者1号”发回的照片使人们更清晰地看到，大红斑宛如一个以逆时针方向旋转的巨大漩涡，其浩瀚宽阔足以容纳好几个地球。从照片上还可以分辨出一些环状结构。仔细研究后，科学家们认为，在木星表面有着厚厚的云层，大红斑就是一个耸立于高空、嵌在云层中的强大旋风或者是由一团激烈上升的气流所形成的。其实，在木星与大红斑相信的特征还是有的。大红斑的偏南处，有3个白色卵形结构，它们首次出现于1938年。

在1972年，地面观测发现木星的北半球上出现一个小红斑，18个月以后“先驱者10号”到达木星时，发现其形状和大小几乎同大红斑相似。再过一年，“先驱者11号”经过木星时，这个红斑竟踪迹皆无，由此我们发现，那个红斑只存在了两年。木星上的斑状结构一般持续几个月或几年，它们的共同特点是在北半球作顺时针方向旋转，在南半球作逆时针旋转。气流从中心缓慢地涌出，然后在边缘沉降，遂形成椭圆形状。它们就像地球上的风暴一般，但规模要大得多，时间持续的也很长。

木星云色彩斑斓说明了木星的大气中有着十分活跃的化学反应。在探测器拍摄的照片上，可以看到木星大气明暗交错的云带图形。从南极区到北极区依稀可辨17个云区或云带。它们的颜色、亮度均不相同，也许是氨晶体所组成；褐色云带的云层要深些，温度稍高，因而大气向下流动；蓝色部分则显然是顶端云层中的宽洞，通过这些空隙，方可看到晴朗的天空。蓝云的温度最高，红云的温度最低。由此判断，大红斑是一个很冷的结构。如按平衡状态而言，所有的云彩都应该是白色的，只有化学平衡被破坏后，才会出现不同的颜色。那么，在木星上，到底是什么破坏化学是什么平衡呢？科学家们推测，可能是荷电粒子、高能光子、闪电，或是沿垂直方向穿过不同温度区域的快速物质运动。

在大红斑中，有一种橙红色使人一直很困惑。有人认为这种颜色的大红斑是升气流形成的云中放电的现象。对此，美国马里兰大学的一位名叫波南贝罗麦的博士做了一个有趣的实验。他在一只长颈瓶中放上木星大气中存在的一些气体，如甲烷、氨、氢等，对这些气体施加电火花作用，结果发现原先无色的气体变成云状物，一种淡红色的物质沉淀在瓶壁上。这个实验为人们解开大红班颜色之谜提供了一些有益的启示。很多天文学家认为磷化物就可以说明大红斑的颜色。自从卡西尼发现大红斑以来，到今天已有300多年了，对于大红斑持续了这么长的时间的原因，有些人认为是由于木星又密又厚的大气，但这只是一种猜测。

因为木星上的大红斑与其他卵形结构的长寿，主要包括两个问题：这些斑状结构必须是稳定的，不然它们只能存在几天；还有另一个能源问题，一个稳定涡流如果没有能源维持，很快就会下沉。木星大红斑每小时时速可达400千米，而地球上的龙卷风最高时速连它的3/4都达不到，而且持续时间与木星大红斑大小都比地球龙卷风长和大。至于为什么，至今依然没能解答。

9．太阳系最美丽神秘的土星

在太阳系的行星中，土星是最美丽的行星，它的光环最惹人注目。土星光环使土星看上去就像戴着一顶漂亮的大草帽。据观测表明，土星光环物质的构成是碎冰块、岩石块、尘埃、颗粒等，它们排成圆圈，绕着土星旋转。土星符号及克洛诺斯土星运动迟缓，人们便将它看作掌握时间和命运的象征。罗马神话中称之为第二代天神克洛诺斯，它是在推翻父亲之后登上天神宝座的。无论东方还是西方，都把土星与人类密切相关的农业联系在一起，于在天文学里，土星的符号就是一把大镰刀。

在人们发现天王星之间，认为土星是离太阳最远的行星。土星被一条美丽的光环围绕着，用望远镜就能看地很清楚。在土星还有较多的卫星，到1978年为止，已发现并证实的有10个，以后又陆续有人提出新的发现。土星的很多方面与木星相似，比如它与木星同属于巨行星，它的体积是地球的745倍，质量是地球的95.18倍。在太阳系八大行星中，土星的大小和质量仅次于木星，占第二位。它与木星一样有着色彩斑斓的云带，也有较多卫星拱卫。

土星自转的速度的也很快，因此呈扁球形，它赤道半径约为60，000公里。土星的平均密度只有0.70克/立方厘米，是八大行星中密度最小的。如果把它放在水中，它会浮在水面上。土星的大半径和低密度使其表面的重力加速度和地球表面相近。土星在冲日时的亮度可与天空中最亮的恒星相比，那是因为它光环的平面与土星轨道面不重合，而且光环平面在绕日运动中方向保持不变，所以从地球上看，光环的面积很不固定，从而使土星的亮度也发生变化。当土星光环有最大视面积时，土星显得亮一些；当视线正好与光环平面重合时，光环便呈现为一条直线，土星就显得暗些。土星光环的重合与不重合之间的亮度相差大约3倍。

土星的转产为椭圆形，它的公转的轨道半径为14亿公里，它的远日点和近日点相差约1.5亿公里。土星绕太阳公转的平均速度约为每秒9.64公里，公转一周约29.5年。土星也有四季，只是每一季的时间要长达7年多，因为离太阳遥远，即使是夏季也是极其寒冷。土星自转很快，但不同纬度自转的速度却不一样，这种差别比木星还大。赤道上自转周期是10小时14分，纬度60度处则变成10小时40分。也就是说，土星的一天为10小时候零14分。

土星的大气中飘浮着稠密的氨晶体所组成的云，土星的大气主要以氢、氦为主，并含有甲烷和其他气体。从望远镜中看去，这些云像木星的云一样形成相互平行的条纹，但不如木星云带鲜艳，只是比木星云带规则得多。土星云带以金黄色为主，其余是橘黄色、淡黄色等。土星的表面同木星一样，也是流体的。它赤道附近的气流与自转方向相同，速度可达每秒500米，比木星上的风力要大得多。土星极地附近呈绿色，是整个表面最暗的区域。根据红外观测得知，云顶温度为-170℃，比木星低50℃。土星表面的温度约为-140℃。土星表面有时会出现白斑，最著名的白斑是在1933年8月发现的，它出现在赤道区，呈蛋形，长度达到土星直径的1/5，之后这个白斑还在不停的广大，几乎蔓延了土星的表面。

由于土星表面的温度较低，而且逃逸的速度又很大（35.6公里/秒），所以土星依然保留着几十亿年前它形成时所拥有的全部氢和氦。因此，科学家认为，研究土星目前的成分就等于研究太阳系形成初期的原始成分，这对于了解太阳内部活动及其演化有很大帮助。一般认为土星的化学组成像木星，不过氢的含量较少。土星上的甲烷含量比木星多，而氨的含量则比木星少。在1973年4月美国发射的行星际探测器“先驱者”11号发现土星有一个由电离氢构成的广延电离层，其高层温度约为977℃。经过观测，结果发现土星的极区有极光。

目前认为，土星形成时，最初是土物质和冰物质吸积，然后才是体积聚。因此，土星有一个直径20，000公里的岩石核心。这个核占土星质量的10%到20%，核外包围着5000公里厚的冰壳，再外面是8，000公里厚的金属氢层，金属氢之外是一个广延的分子氢层。1969年，一架飞机在地球大气高层对土星的热辐射作了红外观测，发现土星和木星一样，它辐射出的能量是它从太阳接收到的能量的两倍。由些表明，土星也有内在能源，后来经过“先驱者”11号的证实，土星发出的能量是吸收太阳能量的2.5倍。

土星的光环

我们说土星是太阳系中最美丽的星球，其主要原因就是土星被美丽的光环所围绕。它的发现是由16世纪初期发现的，当时的意大利天文学家伽利略观测到在土星的球状本体旁有奇怪的附属物，这时还没有断定这些附属物的光环。大约过了半个世纪，才被荷兰学者惠更斯证认出这是离开本体的光环。而在1675年意大利天文学家卡西尼，发现土星光环中间有一条暗缝，后称卡西尼环缝。与此同时，他还猜测光环是由无数小颗粒构成，经过了两年多世纪的分光观测才证实了他的猜测。但在这二百年间，土星一直被看作一最低点或几个的扁平的固体物质盘。直到1856年，这些推测和看法才由英国物理学家麦克斯韦论从理论上得到了论证，这时人们才知道围绕着土星的环是由无数个小卫星形成的。

土星环在土星的赤道面上，在进行空间探测以前，人们就从地面观测中得知了土星环有五个，它包括三个主环（A、B、C环）和两个暗环（D、E环）。B环既宽又亮，它的内侧是C环，外侧是A环。A环和B环之间是宽约5000公里的卡西尼缝，它是天文学家卡西尼在1675年发现的。B环的内半径为91500公里，外半径为116500公里，宽度是25000公里，这样的面积可以并排放下两个地球。

而A环的内半径121500公里，外半径137000公里，宽度15500公里。C环较暗淡，它从B环的内边缘一直延伸到离土星表面只有12000公里处，宽度约19000公里。在1969年，又发现了更暗的环D环，它C环的内侧，它几乎触及土星表面。而在A环外侧还有一个E环，由非常稀疏的物质碎片构成，延伸在五、六个土星半径以外。在1979年9月，“先驱者”11号又探测到了两个新环──F环和G环。F环很窄，宽度不到800公里，离土星中心的距离为2.33个土星半径，正好在A环的外侧。G环离土星很远，大约在离土星中心10~15个土星半径间的广阔地带。“先驱者”11号还测定了A环、B环、C环和卡西尼缝的位置、宽度，其结果同地面观测相差不大。另外，“先驱者”11号通过紫外辉光观测发现，发现了土星可见环的巨大氢云，这些环就是氢云的源。

在土星的七环里，除了A环、B环、C环很亮外，其他环都是非常暗淡的。土星的赤道面与轨道面的倾角较大，从地球上看，土星呈现出南北方向的摆动，这就造成了土星环形状的周期变化。在仔细观测后人们还发现，土星环内除卡西尼缝以外，还有若干条缝，它们是质点密度较小的区域，但大多不完整且具有暂时性。只有A环中的恩克缝是永久性的，不过，环缝也不够完整。这些环缝的形成，科学家认为是由土星卫星的引力共振而造成的，就像木星小行星所带的柯克伍德缝一样是由巨大引力摄动造成。

之后“先驱者”11号还在A环与F环之间发现一个新的环缝，我们称它为“先驱者缝”，另外还测得了恩克缝的宽度为876公里。由观测阐明土星环的本质，要归功于美国天文学家基勒，他在1895年从土星环的反射光的多普勒频移发现土星环不是固体盘，而是以独立轨道绕土星旋转的大群质点。土星环掩星并没有把被掩的星光完全挡住，这也说明土星环是由分离质点构成的。1972年从土星环反射的雷达回波得知，环的质点是直径介于4到30厘米之间的冰块。这样的发现使科学家们非常吃惊，因为从近处所看到土星环竟然都是碎石头和冰块。它们的直径多为几厘米到几十里米不等，只有少量的超过1米或者更大。而且在环的平面内有百条到数千条的环，大小不一，形状各异，大部环都是对称地绕土星转，当然也有不对称的。

另外，科学家们从图片上发现，环的形状有锯齿形的，有辐射状的。令科学迷惑不解的是有的环就像几股细绳扭结到一起。而辐射状的更令科学大开了眼界而又伤透了脑筋，组成环的物质就像车轮那样，步调整齐的绕着土星转，这样岂不要求那些离的越远的碎石块和冰块运动的速度越快吗？这显然违背了目前已经掌握的物质运动定律。那么，这是一个什么样的规律在起作用呢？至今还在探索中。

在近期，美国航空航天局的科学家发现了土星周围还存在着一个“隐形”的巨大光环，它的面积可容纳10亿个地球。NASA喷气推土星新发现光环进实验室称，该光环平面与土星主光环面成27度倾角，该光环内侧距离土星约595万公里，宽度约1190万公里。它的直径相当于300倍土星的直径。可容纳10亿个地球。光环由冰和尘埃微粒组成，它们之间的距离如此之大，即使你站在光环上也看不清楚。另外，土星照射到的太阳光线很少，光环反射出的可见光更少，令它难以被发现。组成光环的尘埃温度很低，仅有零下193℃，但却散发出热辐射。NASA斯皮策太空望远镜正是捕捉到了这些热辐射，才发现了这个巨大的光环。

土星卫星“菲比”的轨道穿越这个巨大的光环。科学家们认为，光环内的冰和尘埃来自于菲比与彗星的碰撞。光环的发现可能有助于解释关于土星另一卫星土卫八的一个古老而神秘的问题。在1671年，天文学家卡西尼首次发现土卫八，称这个星球一面黑一面白，就像太极符号一样，而新发现的光环旋转轨道与土卫八刚好相反。于是科学家们推测，光环内的尘埃飞溅到土卫八表面上，形成了黑色区域。发现新光环之一的道格拉斯·汉密尔顿说：“长久以来，航天学者一直认为菲比与土卫八表面之上的黑色物质之间存在某种联系，新发现的光环为此提供了令人信服的证据。”

土星内部也有一个岩石所构成的核心，它与木星极为相似。土星核的外面是5000公里厚的冰层和8000公里的金属氢组成的壳层，最外面被色彩斑斓的云带包围着。土星的大气运动比较平静，表面温度很低，约为零下140摄氏度。土星以平均每秒9.64公里的速度斜着身子绕太阳公转，其轨道半径约为14亿公里。它的公转速度较慢，绕太阳一周需29.5年，但它的自转却很快，土星自转一周只需要要10时14分钟。

10．躺在轨道上运行的天王星

天王星是太阳系八大行星之一，以离太阳由近至远的次序为第七位。天王星是在1781年由英国天文学家赫歇耳发现。它与太阳平均距离28.69亿千米。直径51800千米，平均密度124克/厘米3，质量8742×1028克。公转周期84.32年，自转周期239小时，为逆向自转。表面温度约-180°c。有磁场、光环和十五颗卫星。在八大行星里，它与海王星属于冰巨星一类，其原因是因为它拉大气构成与巨大气体巨星构成完全不一平。

天王星大气的主要成分为氢和氦，另外还包含了由水、氨、甲烷所结成的“冰”和可以察觉到的碳氢化合物。他是太阳系内温度最低的行星，最低的温度只有49K，还有复合体组成的云层结构，水在最低的云层内，而甲烷组成最高处的云层。它和其他的大行星一样，有系统、有磁场和许多卫星。它系统非常独特，它的自转轴斜向一边，几乎是躺在公转太阳的轨道平面上，因而两极也躺在其他行星的赤道位置上。

在西方文化中，天王星是唯一一颗以希腊神祗命名的行星，而太阳系中的其他行星都是根据罗马神祇命名的。从地球看，天王星的环像就像是标靶的圆环，而它的卫星就好像是钟表的指针。在1986年，来自旅行者2号的影像显示天王星实际上是一颗平凡的行星，在可见光的影像中没有像在其他巨大行星所拥有的云彩或风暴。然而，近年内，随着天王星接近昼夜平分点，地球上的观测者看见了天王星上的季节的变与天气活动，它风速可以达到每秒250米。

对于气体巨星和冰巨星的形成，有些论点认为它们刚形成的时候就有差异的存在。太阳系的诞生应该开始于一个气体和尘土构成的巨大转动的球体，也就是前太阳星云。当它凝聚时，就会逐渐形成盘状，然后在中心的崩塌形成了太阳。星云气体，主要是氢和氦，然后与尘土结合就形成了第一颗原行星。在行星成长的过程中，有些累积到足够的质量，能够凝聚星云中残余的气体的就开成了气体巨星。冰巨星是由于气体只有几个地球的质量，没能达到这个临界点。目前，太阳系形成理论遭遇了困难，有人认为天王星和海王星如此远离木星和土星，而且他们也太大了，因此在那个距离上无法取得足够的材料来形成。不然也有科学认为在离太阳较近的位置形成之后，它们才被木星驱赶到外面的。然而，经过最近的模拟，并将行星漂移计算在内，似乎能在他们现存的位置上形成天王星和海王星。

天王星的在行星之前就已经被观测了多次，人们把它当作恒星来看。而天王星的发现，最早的纪录可以追溯至1690年，约翰·佛兰斯蒂德在星表中将他编为金牛座34，并且至少观测了6次。法国天文学家Pierre Lemonnier在1750至1769年也至少观测了12次，包括一次连续四夜的观测。威廉·赫歇尔在1781年3月13日在索美塞特巴恩镇新国王街19号自宅的庭院中观察到这颗行星（现在是赫歇尔天文博物馆），但在1781年4月26日最早的报告中他称之为彗星。赫歇尔用他自己设计的望远镜对这颗恒星做了一系列视差的观察。他在他的学报上的纪录著：“在与金牛座成90°的位置……有一个星云样的星或者是一颗彗星。”在3月17日，他注记着：“我找到一颗彗星或星云状的星，并且由他的位置变化发现是一颗彗星。”最后他半角发现交给皇家学会，虽然他认为那颗比较像行星，但他还称它为彗星。

威廉·赫歇尔是天王星的发现者，它是一个很快被天体所接受的一颗行星。在1783年，法国科学家拉普拉斯证实赫歇尔发现的是一颗行星。赫歇尔本人也向皇家天文学会的主席约翰·班克斯承认这个事实：“经由欧洲最杰出的天文学家观察，显示这颗新的星星，我很荣誉的在1781年3月指认出的，是太阳系内主要的行星之一。”为此，威廉·赫歇尔被英国皇家学会授予柯普莱勋章。当时的国王根据他们成就，将他移居到温沙王室。乔治三世依据他的成就将他移居至温莎王室。让皇室的家族有机会使用他的望远镜观星的前提下，还给予了他200英镑的年薪。

11．神秘的淡蓝色海王星

海王星是一个典型的气体行星。海王星上呼啸着按带状分布的大风暴或旋风，海王星上的风暴是太阳系中最快的，时速达到2000千米。海王星的蓝色是大气中甲烷吸收了日光中的红光造成的。尽管海王星是一个寒冷而荒凉的星球，但科学家们推测它和木星、土星一下是有内部有热源的。它辐射出的能量是它吸收的太阳能的两倍多。由于海王星是一颗淡蓝色的行星，人们根据传统的行星命名法，称其为涅普顿。涅普顿是罗马神话中是统治大海的海神，掌握着1/3的宇宙。

海王星是在太阳系中的第八颗行星，它是在1846年9月23日被发现的。计算者为英国剑桥大学的大学生亚当斯，也是最早被计算下来的。德国天文学家J.G．伽勒是按计算位置观测到该行星的第一个人。这一发现被看成是行星运动理论精确性的一个范例。海王星由于距离遥远，光度暗淡，即使用大型望远镜也难看清其表面细节，因而不能依靠观测表面标志的移动来定出自转周期。在1928年通过观测谱线的多普勒位移测出它的自转周期为15.8±1h，贝尔通等从分析约300次红外观测中定出的，海王星的快速自转使它的扁率达1/50（即赤道半径比极半径约长500km）。在1968年4月7日曾出现海王星掩恒星事件，通过这个事件准确的得出了它的赤道直径50950km，与目前的最新数据相差很小。如果用永远镜观看海王星，它则呈绿色。

海王的大气中含有丰富的氢和氦，大气温度大约为-205℃，这个值高于从太阳辐射算得的期望值，由些说明海王星的大气下要么存在着温室效应，要么它有热源。在1932年证实了海王星光谱红外区的强吸收线为甲烷引起。1846年，W．拉塞尔发现逆行的海卫一，据计算它正接近海王星，将来也许会碎裂成为海王星的环，1949年发现海卫二。从地球上来看，遥远的海王星常常隐身于宝瓶座星系不被人们发现。直到一天，人们发现天王星运动方式有点怪异，通过计算和推算才发现了海王星。在天王星被发现后，人们注意到它的轨道与根据牛顿理论所推知的并不一致。因此科学家们预测可能是因为存在的另一颗遥远的行星影响了天王星的轨道。

正是基于以上的预测，在1846年9月23日首次观察到海王星。它所出现的地点非常靠近于亚当斯和勒威耶根据所观察到的木星、土星和天王星的位置经过计算独立预测出的地点。于是一场关于谁先发现海王星和谁享有对此命名的权利的国际性争论产生于英国与法国之间。现在将海王星的发现共同归功于他们两人。后来的观察显示亚当斯和勒威耶计算出的轨道与海王星真实的轨道偏差相当大。也就是说，如果搜寻海王星的时间早几年或晚几年，人们将无法在预测的位置或其附近找到他。

12．被“开除”出太阳系的冥王星

冥王星的发现，是在一个非常巧合的且幸运的情况下发现的。在1930年，是在基于天王星、海王星运行进行研究时被一个发现错误的“断言”所发现海王星后还有一颗行星。美国亚利桑那州的Lowell天文台的ClydeW.Tombaugh由于不知道这个计算错误，对太阳系进行了一次非常仔细的观察，于是发现了冥王星。冥王星是太阳系九大行星中同太阳的平均距离最远，质量最小的一颗行星。它的密度只为每立方厘米1.8~2.1克，其质量是地球质量的0.0024倍，这不仅比水星质量小，甚至比月球质量还小。它的直径约为2400千米，比月球还要小。

在冥王星上有一个名叫查龙的卫星，它的直径为1180千米，因此对冥王星的大气层的情况知道得少知又少，科学家们推测，冥王星的大气可能是由氮和少量的一氧化碳及甲烷组成。大气极其稀薄，地面压强只有少量微巴。冥王星的大气层可能只有在冥王星靠近近日点时才是气体；在其余的冥王星的年份中，大气层的气体凝结成固体。靠近近日点时一部分的大气可能散逸到宇宙中去，甚至可能被吸引到冥卫一上去。冥王星的轨道十分反常，有时候比海王星离太阳更近（从1979年1月开始持续到1999年2月）。冥王星的自转方向也与大多数其他行星的方向相反。冥王星与海王星的共同运动比为3:2，即冥王星的公转周期刚好是海王星的1.5倍。它的轨道交角也远离于其他行星。即使冥王星的轨道看到支好像要穿越海王星轨道似的，但实际上根本没有，所以，它们永远也不会碰撞。

冥王星从来没有被太空飞行器访问过，就连哈勃太空望远镜也只能观察到它表面上的大致容貌。因为它的距离太阳是非常遥远的，因此它表面的温度几乎接近零下240摄氏度。在冥王星上看来，太阳只不是一颗明亮的星星。

冥王星被去除太阳系是在2006年的8月。此段时间，在布拉格召开的国际天文联合会第26届大会上，来自各国天文界的权威代表经过投票表决后通过联合会决议，将原来九大行星中的冥王星列入矮行星之列。这意味着太阳系不再有九大行星。

按照国际天文学联合会的定义，一个天体要被称为行星，需要满足三个条件：围绕太阳公转、质量大到自身引力足以使它变成球体，并且能够清除其公转轨道周围的其他物体。同时满足上述三个条件的只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，它们都是在1900年以前被发现的。而同样具有足够质量、成圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体的天体称为“矮行星”，冥王星恰好符合这一定义，因此被国际天文学联合会确认是一颗“矮行星”。围绕太阳运转，形状不规则，也不能清除公转轨道周围物体的天体统称为“太阳系小天体”。众多太阳系小天体主要集中在火星和木星轨道之间，估计有50000多颗，现在已发现7000多颗。

一直以来，人们都认为太阳系九大行星，但通过这一决议，太阳系只有八大行星。其实从70多年前发现冥王星开始就颇受争议。1930年美国天文学家汤博发现冥王星，当时估错了冥王星的质量，以为冥王星比地球还大，所以命名为大行星。但是经过近30年的进一步观测，发现它的直径只有2300千米，比月球还要小，等到冥王星的大小被确认，“冥王星是大行星”早已被写入教科书了。然而冥王星是一个异类。它个头太小，轨道太扁，有时竟跑到海王星轨道的内侧，而且轨道平面相对于地球轨道平面有很大的倾斜，而不像其他行星轨道基本上与地球轨道位于同一平面上。这些种种特征使它的地位相当不稳定，最终被“开除”到了太阳系外。

第三章　了解一些太空常识

1．超大质量黑洞

我们到达了宇宙演化史上出现能够实际看到的分立天体的时间点。甚至在最早的恒星出现之前，物质收缩形成星系的过程就已经开始。哈勃太空望远镜的深空图像揭示出大爆炸后7亿年时的星系景象--它们看上去与在我们附近的天体不同。许多都较小，而且有各式各样奇怪而美妙的形状，有些里面还有大质量黑洞。占主导地位的是神秘的类星体，现在知道这种能量源是非常活跃的星系核，其光度等效于几千个银河系。因为它们如此明亮，所以可以从很远的地方看到，也就是可以追溯到宇宙相当年轻的那些日子。

在这些星系的中心，甚至在很早的阶段就存在着数百万太阳质量的超大质量黑洞。就像我们前面提到过的，它们可能直接由坍缩的气体形成，也可能是大质量恒星的残余又吸附了大量的额外物质而形成的。无论如何，这一尺寸的黑洞其引力都十分巨大，能够吸引庞大数量的物质。

看来在星系形成的早期，当恒星刚开始形成时，有大量的尘埃和气体存在。这些物质的存在为黑洞提供了燃料，并向内旋转形成圆盘状。这时，它所发出的光线分成多个束流，当我们沿着其中一束的方向看过去时，就看到了被称作类星体的威力巨大的信标。在宇宙演化的这个早期阶段，这些原始星系之间的碰撞是很平常的。而当两个星系合并时，新的物质被吸入一个或几个黑洞中，类星体发出闪亮。实际上，所有大质量星系，包括我们的银河系，在演化过程中都经历过类星体的阶段。而近来对某些类星体的研究发现，在其他方面它们就是普通星系。当燃料最终耗尽时，星系就稳定下来。

这个在地球轨道上运行的天文台将望远镜指向了一块以前从未引起过任何兴趣的天空。长达100万秒（略长于11天）的极端长时间曝光使得来自最暗弱天体的光线也能积累到可被探测到的水平，将这块似乎空无一物的天区变成充满成千上万个星系的地方。图中每一个斑点都代表一个背景星系，而不是背景恒星。并且尽管有少量较近的星系看上去完全平常，大多数则是小很多，暗很多，且明显怪很多。即使根据直观印象也能得出一些结论。例如，颜色发红的星系是最远的，因为红移很大。所以我们可以把这些探测到的天体按照大致的演化顺序分类排列。

通过观察这些最早的星系并尝试以上的分析，可以获得对今天星系如何形成的深入认识。我们不再认为每个星系都是相互隔绝地形成的，否则，在超深空照片中，较大的“普通”星系应该少些。根据模拟结果提出的新的图景是：早期的坍缩会导致较小的结构，然后再经过一系列的碰撞合并形成较大的系统。在可观测宇宙最远古的区域里的这些大量的小星系正是这一过程的原料。探测到的这些星系为这一理论增加了砝码。在超深空视野照片中所看到的正是建造我们所熟悉的现代宇宙的砖石。这一进程甚至可能仍在继续，近年来我们已经认识到银河系也是一个吞食同类的巨物，因为天文学家观测到它正在把一些矮星系撕裂。

这些小系统环绕大星系运动，但渐渐地被拉了过来。最终它们的轨道变形到经常穿越大星系的星系盘。而每次穿越都会被大星系夺走气体和尘埃。经过这样的几个回合，小星系彻底丧失了自己，成为更大的系统的一部分。这就是等待银河系最显着的两个伙伴--大小麦哲伦云的命运。

哈勃太空望远镜拍摄的美丽的超深空视野照片，在它的继任者出现之前可能一直是独一无二的。图中那些星系的异常颜色体现出我们所掌握的、本书中心议题的最根本的证据，这就是宇宙确实在膨胀。这众多天体的不同颜色代表着不同的红移。天体越红，看上去就离开我们越快。我们看到的光线在大爆炸后7亿年--宇宙年龄的5%--时就离开了它们。通过对地基望远镜获得的这些星系的谱线位置的分析，已经证实了这一点。

贯穿这一时期，这些结构还是通过自身引力造成的物质收缩来形成，就像在黑暗（或昏暗）时期那样。这当中也包括最后形成银河系的种苗。银河系的大小超过了平均值，但也不是非常特别。它相当于1000亿个太阳的质量，但赶不上邻近的仙女座旋涡星系。本星系群也不是特别突出，其他的星系群要庞大得多。平均在6000万光年处的室女座星系团包括1000多个星系。

2．我们的星系：银河系

年轻的星系中储备有大量的气体和尘埃，可以转变成恒星。这些星系的光芒主要发自明亮年轻的蓝色恒星，看上去和我们的星系--一个非常正常的旋涡星系很相似。在讨论其他星系之前，有必要详细地了解一下银河系。我们知道它是旋涡状的，其中心距离我们26000光年。整个系统的总直径超过10万光年，看上去像一个双凸透镜（或两个背靠背叠在一起的煎蛋）。沿着这个系统的平面望去，可以看到许多星星几乎排在一条线上，形成了从太古时代起就被称为银河的横跨夜空的壮丽的光带。中心核球（煎蛋蛋黄）的直径约2万光年。平面之外离开星系盘，在我们称之为银晕的地方有巨大密集的球状星团和许多流浪的恒星。

银心不易看到，因为中间有太多遮蔽的物质。但是射电波和X射线则不受阻碍。银河系中心位于人马座的繁星之后，其精确位置是人马座A*（读作人马座A星），是一个很强的射电源。在中心区有盘绕的尘埃云和能量巨大的恒星组成的星团。在很靠近真正的中心的地方有一个260万倍太阳质量的黑洞。其证据来自星表编号为S21、质量是太阳15倍的一颗恒星。长期的跟踪研究发现它在围绕着一个中心天体以15.2年的周期运动。它离中心天体最近的距离只有17光时（光速×小时），已经贴近黑洞“事件边际”的边缘。在那个界限之内，任何东西都无法逃出。它绕行的速度是惊人的每秒5000千米。从它运动的方式可以推断出中心天体的质量。这一质量是如此巨大而又局限在如此狭小的体积内，除了黑洞，别无可能。

星系在旋转。太阳大约要用2.25亿年转完一周。这一周期通常叫做宇宙年。在一个宇宙年前，地球上最高级的生命形式是两栖动物，甚至恐龙都还没有出现。设想一下一个宇宙年之后的地球是什么样子将是十分有趣的。我们在离星系主平面不远处运动，并刚刚离开其中一条旋臂--猎户臂。所以我们现在位于一个相对空旷的区域。

3．旋涡星系

许多星系是螺旋状的，除了唯一一个令人困惑的反例之外，所有的旋臂都由于星系的旋转而呈现拖尾状。现在认为旋臂是由回荡在系统内的压力波造成的，里面的某些区域里星际物质的密度比平均值要高，这将引发恒星的形成。最容易看到的恒星质量很大，以宇宙学的标准来看，在它最终爆炸成超新星前的寿命是较短的。但它们明亮的光芒使得旋臂变得明显。当压力波扫过后，激烈的恒星形成过程停顿了，这个旋臂变得不那么突出。而扫荡的压力波又会造就一条新的旋臂。如果这种图景是正确的，那么在几千万年的时间里，我们的银河系仍会有旋臂，只是这些旋臂是由另外的恒星构成的。

支配星系旋臂的物理学规律可用一个日常的问题来类比，就是交通拥堵。想象一下M25--伦敦的环路--上的交通，所有汽车都以几乎相同的速度前进，但是如果道路较挤，一辆车稍微减速就会让它后面的车排起队来。这正是聚集在环绕星系核心的旋臂上的气体或尘埃的情况。每辆具体的汽车只会在有限的时段里成为拥堵的一员，而之后仍会在环路上继续前行。但拥堵会持续下去，只是换成了后面跟上来的车辆。

通过多普勒效应，我们已经测量出很多星系的旋转。如果一个旋涡星系正在旋转，那么在一侧的所有物质将朝向我们运动，而另一侧的所有物质将远离我们（当然要排除星系自身的整体运动）。这种运动将表现在谱线的位置上，所以可以据此测量出旋转的速率。而星系旋转的一个奇怪的特征还具有更深刻的意义。

4．神秘的暗物质

在我们太阳系中，行星绕日公转的速度随着它们到太阳距离的增加而减少，因为离太阳越远，引力越弱。顺理成章地，同样的规律也应该体现在旋转的星系上。靠近中心的星的运动应该比远离中心的星的运动快得多。然而天文学家惊奇地发现，不是这么回事。远处恒星的宇宙年比预计的要短，所以旋臂不会很快地卷绕起来。星系的情况似乎介于太阳系和一个刚体之间。刚体的情况像一个旋转的自行车轮子，在车轴附近的一块泥点的移动比在车圈上的移动慢得多，但两者用同样的时间走完一周。

如果星系里的恒星像行星环绕太阳那样简单地围绕着一个中心质量旋转，就无法解释这种奇怪的现象。唯一可能的答案是这个系统的质量并不是集中在中心或中心附近，而是分布在整个星系盘和星系的外侧。最有可能的解释是存在分布在整个星系晕内的暗物质。暗物质完全不可见，只有万有引力才能泄露它们的所在。

暗物质是否就是普通的物质？比如大量非常暗弱的低质量恒星，除非它们按照宇宙标准来看聚集得很近，否则我们将无法看到。当然恒星的数量是很多的，最新的估计是在可视宇宙中恒星的总数达到7×1022个，但似乎它们的总质量也无法与暗物质总量相匹配。

这些质量是否有可能被禁锢在黑洞中了？我们可以计算现已掌握的这类质量，发现还是远远对不上。史蒂芬·霍金曾预言存在地球质量级别的黑洞，但还从未发现过。曾经看起来更有希望的一种方案涉及中微子--没有电荷的快速粒子，不易检测但数量极其丰富，在驱动恒星的反应中大量产生。每秒钟有数千个中微子穿过我们的身体，如果中微子具有一点质量，那么就可以为暗物质提供一种解释。与几年前相比，现在我们对此有了更深入的了解：尽管中微子不是完全没有质量，但它的质量远不够解决这一问题。

我们还剩下两种选择。一是暗物质可能是由现在还未知的基本粒子构成，每个质量很小，但数量足够多，可以解释这种差异。这种假设的粒子叫做弱相互作用重粒子，即WIMP。而粒子物理学已经对它们应该是什么样子给出了具体的预言。另一种解释是暗物质由普通物质构成，以暗弱而大质量天体的形式存在，例如行星，或棕矮星一类的小恒星。对这类称为大质量致密晕族天体，即MACHO的探测已经在进行，据信它们潜伏在大质量星系的星系晕中。探测已经取得了一些积极的结果，现在我们在等待发现一个经过的WIMP。然而事情并未就此完结。

5．暗物质产生的暗能量

什么是暗物质？暗物质（包括暗能量）被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%（暗物质加暗能量90%）以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到（约5％左右）。1957年诺贝尔奖的获得者李政道更是认为其占了宇宙质量的99%。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。几十年前，暗物质（darkmatter）刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。

大约65年前，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的值的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80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是一个平行空间，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团以及星系长城。而在大尺度上能够促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。"大爆炸"初期暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果。但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。

暗物质存在的证据

最早提出证据并推断暗物质存在的科学家是美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基。2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E0657-56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，使得黑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。

首次捕获暗物质粒子

最新发现：美国科学家在地下废弃铁矿中捕获暗物质粒子暗物质的电脑模拟图

低温暗物质搜寻项目（CDMS），旨在使用探测器探测粒子间的互动，找到暗物质粒子引起的运动。美国科学家在位于加利福尼亚大学校园的隧道里的实验室2009年检测到了两种可能来自于暗物质粒子的信号。但他们同时表示，这些信号与暗物质粒子的相似度不高。他们在明尼苏达州的Souden煤矿地下约714米处安装更高级的实验室设备，以进行二期低温暗物质搜寻项目（CDMSⅡ）。暗物质现象会被进入地球的宇宙射线干扰，要减少宇宙射线μ介子粒子的背景信号影响，唯一的办法是一道地底深处，这样才有把握确认暗物质的构成。2009年12月21日，科学家在Souden煤矿中发现暗物质，这是迄今为止最有力的发现暗物质证据。其他实验也在探寻来自暗物质的信号，比如地下氙（Lux）实验。美国费米太空望远镜则试图定位暗物质，寻找其在空间湮没（暗物质发生碰撞时，两个粒子将生成可以被探测器接收到的γ射线）的证据，但目前没有任何发现。

中国暗物质研究基地

央视消息：中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”于2010年12月12日在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用，锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台，能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。目前，清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室，并启动探测工作，而明年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。

地下实验室在隧道里

在建设二滩水电站过程中，四川锦屏山底曾修建了18公里可以通行汽车的隧道，上面是2500多米厚的山体岩石。这些平常的隧道，在那些苦苦寻找实验环境的宇宙学研究者眼里，却成了“香饽饽”。上海交大今年2月刚成立的粒子物理宇宙学研究所，就相中了锦屏山隧道作为地下实验室的建设地点。这里将成为研究所成立后首个实验的开展地，专门“搜捕”暗物质。目前这里是世界上最优越的探测暗物质的环境。之所以称之为最优，据交大物理系主任、粒子物理宇宙学研究所所长季向东介绍，该实验室利用的是当地建水电站时修的地下隧道，在其侧面开挖长40米，宽、高各为6米的空间。因而与国外一些“脱胎”于矿井的地下实验室相比，使用更为便利，不必坐着电梯上上下下，乘坐汽车就能“入地”。而埋深2500米的隧道，更是难得，因为埋得越深，宇宙射线的干扰就越少。今年年底，地下实验室基本结构将由二滩公司建成；明年，清华、交大将共同对实验室作内部装修，预计明年年底建成。

“地下工作”并无不适交大粒子物理宇宙学研究所特别研究员倪凯旋是暗物质探测国际合作项目XENON的交大组负责人，也是该实验数据分析组组长。在去年的一年里，他曾在意大利著名的GranSasso实验室工作。GranSasso实验室建在地下1400米，也是基于地下隧道建造的，在全球的地下实验室中，空间是最大的。那里，有十几个大大小小的实验同时在进行，有探测暗物质的，也有探测中微子等的。“从地面上开车大概20分钟，就能到达地下实验室。”倪凯旋还记得第一次“入地”的感觉。戴上安全帽、穿着硬底鞋，进入实验室，入眼是各种仪器设备。“那里四季恒温，冬暖夏凉，不需要用空调。唯一与地面实验室不同的是，那里没有窗户，刮风下雨丝毫感觉不到，进去久了也容易让人搞不清外界是白天还是黑夜。”“地下工作”时间久了，人是否会有不适？“地下实验室的通风设备很好，丝毫不会感到气闷，人在下面呆个半天，不会有任何异样的感觉。”倪凯旋说，一旦仪器运行稳定后，他只需在地面上的办公室监控探测器运行即可，而地下实验室的所有数据也会传送至地面，因而，科研人员无需24小时“守”着探测器。

“捉拿”暗物质很不易让不少人难以理解的是，暗物质在宇宙中，科学家为啥要“钻”到地下去探测呢？这是因为暗物质是种颇有“个性”的粒子，它质量很大，但作用力却微乎其微。“每天可能有几万亿个暗物质穿过你的身体，但你却感受不到，这是因为暗物质的散射截面很小。”倪凯旋打了一个比方，就像一只足球能被球网挡住，但是一个小铁球就能穿网而过，就是因为它的截面比球网的网格小。如何“网”住暗物质？科学家们也想了很多办法。最初的办法是天文观测法，但是，却无法解答“暗物质是什么”。后来，人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者，是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，一般通过地面或太空望远镜探测；后者，则是用原子核与暗物质碰撞，探测碰撞产生的信号。而在地面上，因为宇宙射线众多，这些信号会对直接探测产生干扰，影响其鉴别能力。因此，地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰，让其“静心”工作。

两个实验组确认入驻锦屏山的地下实验室是中国首个地下暗物质探测实验室。它建成后，为中国科学家挑战世界级科研难题提供舞台。到目前为止，上海交大、清华两个实验组已确认将入驻地下实验室。两个实验组的探测方式并不相同。交大将使用液氙探测器在此开展暗物质的直接探测，清华将采用低温半导体开展探测。至于探测到暗物质之后能派上什么用场，这对科研人员来说，仍是未知数。“粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘，对未来的生活会发生怎样的影响，我们现在还不得而知。就像电被发明时，人们尚无法想象后来的电视、电脑。但无论如何，每一个科学发现都使人们对物质世界的认识更进一步，这是最了不起的事。”季向东说

暗物质候选者

长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内，而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系，定性上这是与观测相一致的。相反的，对于相对论性粒子，例如中微子，在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。

低温无碰撞暗物质

低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。

中性子

其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。

轴子

另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。

新机制解释暗物质与可见物质起源

提出新机制的研究小组包括美国纽约布鲁克海文国家实验室和英属哥伦比亚大学的科学家，研究发表在最近出版的《物理评论快报》上。他们称这种新机制为“原质起源论”（hylogenesis）。英属哥伦比亚大学克里斯·西格森说：“我们正在努力把理论物理中的两个问题一起解释。这一机制将原子形成和暗物质联系在一起，有助于解开重子不对称的秘密，作为对整个暗物质加可见重子的平衡宇宙的一种重建。”根据研究人员构建的机制，在物质形成景象中，早期宇宙产生了一种新粒子X和它的反粒子X-bar（带等量相反电荷）。X和X-bar在可见部分能结合成为夸克（重子物质的基本组成，如质子和中子），在“隐匿”部分组成了粒子（由于这种粒子可见部分的相互反应是微弱的），如此，在大爆炸开始后的第一时刻，宇宙膨胀变热时会有X和X-bar产生。随后，X和X-bar会衰变，部分变成可见的显重子（尤其是中子，由一个上夸克和两个下夸克组成），部分变成不可见的隐重子。据科学家解释，X衰变成中子的频率比X-bar衰变成反中子的频率更高，同样地，X-bar衰变为隐反粒子的频率比X衰变为隐粒子的频率要高。夸克形成的重子物质组成了我可见物质，隐反重子形成了我们所说的暗物质。这种阴—阳衰变方式使得可见物质的正重子数量和暗物质的负重子数量达到平衡。英属哥伦比亚大学特里姆研究中心的肖恩·图林说：“可见物质和暗物质的能量密度非常接近（1/5的不同）。在许多情况下，在广大宇宙的早期，生成可见物质和暗物质的过程是互不相关的。于是，这1/5的因素要么是早期出现的一个大偶然，要么是两种物质共同起源的重要线索。我认为，这为构建可见物质与暗物质起源的统一模型提供了主要依据。”物理学家预测，这种物质形成机制将为寻找暗物质提供一个全新途径，它们会留下一些可在实验室探测到的特征标记。科学家解释说，当暗物质反粒子和一个普通原子粒子相撞而湮灭时，就会产生爆发的能量。尽管这非常稀有，但在地球上寻找质子自发衰变的实验中，能探测到暗物质。在天体物理学观测和离子加速器数据中，也可能会出现其他原质起源的信号。研究人员表示，今后也会在研究中考虑这些可能性。

CCDM存在问题

天文学家看好CCDM

由于综合了CCDM，标准模型在数学上是特殊的，尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定，但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。现在，能观测到的最大尺度是CMB（上千个Mpc）。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布，同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布，从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上，理论和观测符合的很好，这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。

不一致性

然而在小一些的尺度上，从1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出现了不一致。几年前这种不一致性就显现出来了，而且它的出现直接导致了"现行的理论是否正确"这一至关重要的问题的提出。在很大程度上，理论工作者相信，不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的，而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先，对于大尺度结构，引力是占主导的，因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。在小一些的尺度上，高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次，在大尺度上的涨落是微小的，而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上，普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比，因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应，但是目前的观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质，当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比现在观测到得更厚。

暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增，也就是说随着到中心距离的减小，其密度应该急剧升高，但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的，星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了，同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系，则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构，如果这一结构是稳定的，就要求其核心的密度要小于预期的值。

可以想象，解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象。但是，总体上看，现在的观测证据显示，从巨型的星系团（质量大于1015个太阳质量）到最小的矮星系（质量小于109个太阳质量）都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。

何处有大量暗物质

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1~3亿光年。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，太阳系的质量，99.86%集中在太阳系的中心即太阳上，因此，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（离心力）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。

天体的亮度反应天体的质量。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十倍以上，在外围区域甚至达五千倍。因而，在那里必然有大量暗物质存在。

各类科学家的发现

20世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同年代，茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中存在着大量的暗物质；美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。太阳附近和银道面上的暗物质是些什么那么，太阳附近和银道面上的暗物质是些什么东西呢？天文学家认为，它们也许是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木行星30~80倍的大行星。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等，不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近，从探测到的M型矮星的数目可推算出，它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光，有几万年。所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”，足以提供理论计算所需的全部暗物质。

观测结果和理论分析均表明漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。那么，暗晕中含有哪些看不见的物质呢？英国天文学家里斯认为可能有三种候选者：第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞；第三种是奇异粒子，如质量可能为20~49电子伏且与电子有联系的中微子，质量为105电子伏的轴子或目前科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。

欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为，星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为：每个已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在着与其配对的粒子（如具有一定质量的光微子）。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为，这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。

到现在，已有不少天文学家认为，宇宙中90％以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。但暗物质到底是些什么东西至今还是一个谜，还待于人们去进一步探索。

2006年1月6日报道，剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。目前，从事此项研究的科学家们正准备在最近几周内将此项研究结果公开发表。

天文学家们称，根据当前一些统计资料显示，我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%。

在本次这项研究中，科学家们借助强功率天文望远镜（包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT--VeryLargeTelescope）对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究，此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称：在他们所观测的这些矮星系中，暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外，这些矮星系中物质粒子的运动速度可达每秒9公里，其温度可达10000℃。

同时科学家们还观测到，暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异，如：尽管观测目标的温度是如此之高，但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为，暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而在此之前科学家们曾一贯认为，暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的，这些粒子的运动速度也不会太高。

暗物质研究专家们还表示，宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年，这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子，那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒。

早在30年代，瑞士科学家弗里兹-茨维基就设想宇宙间存在着某种不为人所知的暗物质。他还指出，星系群中的发光物质如果只依靠自身的引力将各个星系保持联接在一起，那么它们的量就必须要再增加10倍。而用来弥补这个空缺的就是看不见的重力物质，即我们今天所说的暗物质。尽管暗物质在宇宙间的储藏量比其它普通物质高出许多，但有关暗物质的性质目前科学家们尚不能给予完整的表述。

暗物质分布图诞生

2007年1月，暗物质分布图终于诞生了！经过4年的努力，70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”，勾勒出相当于从地球上看，8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。他们使出了什么好手段化隐形为有形的呢？那可全亏了一项了不起的技术：引力透镜。

更妙的是这张分布图带给我们的信息。首先我们看到，暗物质并不是无所不在，它们只在某些地方聚集成团状，而对另一些地方却不屑一顾。其次，将星系的图片与之重叠，我们看到星系与暗物质的位置基本吻合。有暗物质的地方，就有恒星和星系，没有暗物质的地方，就什么都没有。暗物质似乎相当于一个隐形的、但必不可少的背景，星系（包括银河系）在其中移动。分布图还为我们提供了一次真正的时光旅行的机会……分布图中越远的地方，离我们也越远。不过，背景中恒星所发出的光不是我们瞬间就能看到的，即使光速（每秒30万公里）堪称极致，那也需要一定的时间。因为这段距离得用光年来计算，1光年相当于10万亿公里。

因此，如果你往远处看，比如距离我们20亿光年的地方，那你所看到的东西是20亿年前的样子而不是现在的样子。就好像是回到了过去！明白了吗？好，现在回到分布图上，我们看到的是暗物质在25亿~75亿年前的样子。

那么在这个异常遥远的年代，暗物质看上去是什么样子的呢？好像一碗面糊。而离我们越近，暗物质就越是聚集在一起，像一个个的面包丁。这张神奇的分布图显示，暗物质的形态随着时间而发生着变化。更重要的是，这一分布图为我们了解暗物质的现状提供了一条线索。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯（Jean-PaulKneib）参加了这张分布图的绘制工作，他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变，所以我们看到的也就是暗物质现在的形状。

那我们也在其中吗？把所有的数据综合起来再加上研究人员们的推测就可以在这锅宇宙浓汤中找到我们自己的历史。是的，是的……你可以把初生的宇宙设想成一个盛汤的大碗，汤里含有暗物质和普通物质……在这个碗里出现了两种相抗的现象：一方面是膨胀，试图把碗撑大；另一方面是引力，促使物质凝聚成块。结果，宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质，而它们在另外一些地方却异常密集：暗物质聚集在一起，星系则挂靠在暗物质上，就像挂在钩子上的画。但可惜的是，我们对暗物质究竟是什么还是一无所知……

美国科学家称暗物质或许就存在于地球之上

“暗物质”星系团，也被称为“子弹星系团”，距离地球38亿光年。通过研究这类星系团，科学家能够测量出暗物质的不可见影响。据美国太空网报道，神秘的暗物质一直以来都是自然界的未解之谜，引起了科学家们的探索和争论。近日，美国“低温暗物质搜寻计划”项目组科学家研究指出，暗物质或许就存在于地球之上。暗物质就因为它“模糊、隐晦”的特点而很难发现。事实上，科学家们也不知道究竟何为暗物质。由于暗物质既不释放任何光线，也不反射任何光线，因此最强大的天文望远镜都无法直接探测到它。自20世纪70年代以来，科学家们根据对许多大型天体之间，如星系之间的引力效果的观测发现，常规物质不可能引起如此大的引力，因此暗物质的存在理论被广泛认同。

根据科学家们的理论，暗物质通常也不会与大多数常规物质结合。有的观点认为，暗物质能够直接穿越地球、房屋和人们的身体。一些科学家已经开始在地下寻找暗物质粒子存在的证据。

美国明尼苏达大学科学家安吉拉-雷塞特尔是“低温暗物质搜寻计划”项目组成员之一。雷塞特尔表示，“就在我们的周围，存在一种暗物质流。每时每刻都存在一种交互。”她是在近期举行的美国物理学会一次会议上发表这一理论的。

在最新一期《科学快讯》杂志上，雷塞特尔和同事们发表论文声称，他们最近发现了两起事件，这些事件可能就是由暗物质撞击探测器所引起的。雷塞特尔表示，“我们此前的探测结果从来没有如此发现，这是首次。”

“低温暗物质搜寻计划”位于明尼苏达州地下大约700米的一个矿井中。因此，矿井可以阻止其他任何物质抵达实验设备，除了暗物质。这样宇宙射线和其他粒子可能会与暗物质粒子混淆的可能性已基本被排除。探测器本身也主要是由锗元素或硅元素组成的曲棍球形状的小块。如果锗或硅原子的原子核被暗物质粒子击中，它就会反弹并向探测器发送一个信号。

科学家发现，宇宙中的暗物质与一些小型的临近星系密切相关。这些星系只有数颗恒星，但它们的质量却是这些恒星单独质量的一百倍。这种隐藏的物质就被科学家称作暗物质。

然而，研究人员也无法完全确定他们所探测到的两个信号究竟是由暗物质粒子还是由其他粒子引起的。这两个信号太少，因此科学家们也无法确定。据科学家介绍，他们的计算曾经预测到背景可能会引起一次假事件。“低温暗物质搜寻计划”将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。

地球上另一项探寻暗物质的尝试聚焦于强大的粒子加速器，这类加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速，然后让它们相互碰撞。科学家们希望通过这种难以置信的高速碰撞从而产生奇异粒子，其中包括暗物质粒子。

然而，即使采用最强大的粒子加速器，至今也未能发现暗物质的任何迹象。美国马里兰大学科学家萨拉-恩诺表示，“你也许会问为什么会这样，为什么组成宇宙大部分的物质粒子为什么在我们的加速器中从来没有发现过。”原因之一可能就是他们的加速器还没达到足够强大。

科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大，有多重，以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。恩诺表示，“我们或许不知道这样一个事实，那就是暗物质粒子是我们无法制造或探测到的粒子。”

现在，最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型强子对撞机身上。恩诺表示，“大型强子对撞机或许会最终让我们获得足够的能量以产生暗物质粒子，并在撞击中发出它们。”恩诺也是大型强子对撞机紧凑型μ子螺旋型磁谱仪实验项目组成员之一。

编辑本段暗物质粒子证据

宇宙学家表示，他们已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。该地的这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数，比天空中的其他临近区域更频繁。

据国外媒体报道，宇宙学家表示，他们已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。该地的这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数，比天空中的其他临近区域更频繁。

最近几年，科学杂志上不断出现类似研究，不过要证实信息来源一直非常困难。然而费米实验室和芝加哥大学的宇宙学家、最新研究的第一论文作者丹·霍普表示，10月13日出现在网站上的这项最新研究与此不同。他说：“除了暗物质以外，我们考虑每一个天文学来源，然而我们了解的知识无法解释这些观测资料。也没有与之密切相关的解释。”这一断言还没得到其他科学家的严格审查，不过看过这篇论文的人表示，他们还需要对该成果进行更多讨论。

费米实验室的天体物理学家克雷格·霍甘并没参与这项研究，他说：“这是我所知道的第一项通过一个简单粒子模型，把少量与暗物质的证据有关的线索拼接在一起的研究。虽然它还没有充足证据，但它令人兴奋，值得我们去追根究底。”暗物质从137亿年前开始在庞大的能量膨胀——宇宙大爆炸过程中形成。能量冷却后形成普通物质、暗物质和暗能量，目前它们在宇宙中的比例分别是4%、23%和73%。

跟普通物质一样，暗物质具有引力，几十亿颗恒星正是在它们的帮助下聚集到星系里。但是这种物质很难与普通物质发生互动，人们看不到它。微中子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子，但是它们几乎是零质量，而且在暗物质的宇宙能量部分里仅占很小比例。天体物理学家认为，剩下的很大一部分是由弱相互作用大质量粒子（WIMP）构成，这种粒子的能量大约比质子多10到1000倍。如果两个暗物质粒子撞在一起，它们就会彼此摧毁对方，产生伽马射线。

霍普和他的科研组通过对费米伽马射线太空望远镜在两年多时间里传回地球的数据进行分析，发现这种高能死亡信号。费米太空望远镜是美国宇航局的伽马射线望远镜，主要用来扫描银河的高能活跃区。他们发现，发出信号的相撞在一起的暗物质粒子，比质子大约重8到9倍。霍普说：“它比我们大部分人猜测的结果可能更轻一些。迄今为止我们很擅长这方面。不过人们猜测的暗物质粒子的重量范围不会一成不变。”

该科研组在银河核心处一个直径100光年的区域收集到的数据里发现这些信号。霍普解释说，他们之所以会关注这个区域，是因为它是暗物质最喜欢的聚集地，银河这个区域的暗物质密度，是银河边缘的10万倍。简而言之，银河核心就是一个暗物质大量聚集在一起，经常相撞的地方。

然而，其他科学家希望看到卡尔·萨根的名言“不同凡响的发现需要不同凡响的证据”能变成现实。也就是说，他们希望看到从自然界和实验室两方面获得的证据。芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳没参与这项研究，他说：“没人提供像萨根提到的那种证据。接受这一观点最困难的部分是，你必须拒绝接受天体物理学解释。大自然非常非常聪明，这可能是我们至今从没思考过的事情。”

特纳表示，好消息是几项有希望的暗物质探测试验目前正在进行。相干锗中微子技术（CoGeNT）等深埋地下的探测器可助霍普一臂之力。该探测器近几年可能已经发现弱相互作用大质量粒子的迹象。特纳说：“这十年是暗物质的十年。这个问题即将解决。现在所有这些探测器都在观测正确方位。”霍普同意两人的观点，不过他表示，与他交谈过的天体物理学家，没人能解释清楚这一现象。他认为，在他的发现得到支持或痛批前，也许只要数周时间就能在实验室里验证暗物质是否存在。他说：“我从没像现在一样为自己是一名宇宙学家而感到激动不已。”

世纪谜题

21世纪初科学最大的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的能量的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。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。

宇宙之外可能有很多宇宙

围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。

暗物质是谁最先发现的呢？

1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。

一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“暗物质”。

1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。

天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。

根据最新的估计，可视宇宙--即我们可以看到的所有的东西：星系，恒星，行星等--仅占宇宙中能量的4%，另有23%是以暗物质的形式存在。而剩余的73%要归于所谓的“暗能量”。

直到宇宙史上的这个阶段--大爆炸后约70亿年时，在引力的影响下膨胀变慢了。引力是唯一能在天文距离上造成显着差别的力，而且这是一种将物质拉到一起的吸引力。我们或许可以预料，引力的强度将决定宇宙的终极命运。

在我们讨论的这个时代，宇宙在膨胀。而且直到今天它仍在膨胀。但是这个膨胀会永远持续下去吗？还是说在至少800亿年后星系会掉转头来再次冲到一起形成一次大坍塌？所有这些都取决于宇宙中物质的平均密度，用希腊字母表示。如果大于1，引力占据上风，在时间终结之时会有一次大坍塌；如果等于1，那么膨胀会逐渐减慢但永远不会完全停止，这被称为一个平坦的宇宙。如果低于这个临界值，膨胀将变慢，但将一直持续下去。在讨论暴胀时说过，我们掌握的证据似乎说明宇宙是平坦的。但是对一种特殊类型的超新星：Ia型超新星的观测提醒我们，事情可能复杂得多。

让我们通过这些超新星回顾一下位于大爆炸和今天的中间点的关键时代。为什么这种类型的爆炸如此特别？因为这些爆炸的极大光度即内禀亮度都是相同的，所以可以作为标准烛光使用，让我们能够测量距离。我们将超新星爆炸时在天空中的视亮度和它的内禀亮度相比较，其差值就表示距离有多远。看起来更亮的超新星一定是距离我们更近。

为什么这些超新星都具有相同的内禀亮度？据认为这类超新星产生于一颗普通恒星的白矮星伴星的彻底毁灭。较小而致密的矮星从它的较大的伙伴那里吸积了过多的物质，最终它自身变得不稳定。这颗矮星在一次巨大的热核爆炸中把自己炸成了碎片。由于这种爆炸总是发生在同样的临界质量下，爆炸的光度在每种情况下都是一样的。

我们有两种方法计算包含超新星的星系的距离：通过谱线的红移和超新星的峰值光度。但在什么地方出了问题，使得超新星看上去比它们本应具有的亮度要暗，所以似乎比预计的遥远。这也正是天文学家们期待的最后一件事情。只有一种可能的解释，现在宇宙膨胀的速度一定比以前要快。宇宙的膨胀正在加速而非减速，这种使宇宙膨胀加速的能量我们称之为暗能量。

6．宇宙中的第五种力

这是怎么回事？在整个物理学史上，有四种力被认为是足以解释物质之间的所有可能的相互作用：电磁力（造成异性电荷之间的吸引力）、强核力（将原子核约束在一起）、弱核力（造成放射性衰变）和引力（在整个宇宙范围内起作用的吸引力）。引力是四种力中最弱的，但在天文学家们关心的领域里它是最重要的。因为这是唯一在很远的距离上仍起作用的力（虽然电磁力也能产生长程作用，但因为物质平均起来是电中性的，所以这种力被抵消了）。而一个加速中的宇宙需要一种先前未曾显示出效应的第五种力。

对于起这种作用的力已经有了许多理论性的假设，基本上大多数都是才一提出即遭抛弃。它把我们带入了奇异的真空力和虚粒子的世界。我们自然而然地把真空想象成不存在任何物质的地方，但是量子物理学告诉我们，这种想法过于简单了。任何真空都充满了沸腾起伏的大量的“虚粒子”。它们总是以粒子和反粒子的形式成对出现。这些带有相反电荷的虚粒子在互相碰撞湮灭之前只能存在不到10-43秒的短暂时间。这一过程可以描述为真空首先借来用以产生粒子的能量，然后在宇宙的其他部分觉察到之前，通过湮灭将能量返还。但在虚粒子短暂的存在期内对其周围却会产生影响。实际上在实验室中发现在某些情况下它们会产生斥力。这可能正是我们寻找的东西。而且，真空的体积越大，力就越强。所以我们预计随着宇宙的膨胀力会变大--恰如我们观测到的。

7．宇宙剪切

暗能量存在的进一步证据来自意想不到的一个方面。通过观察几十万个星爱因斯坦在黑板前。1923年12月6日系的形状，天文学家能够测量出自光线从每个星系发出后宇宙的膨胀。这种方于荷兰莱顿。法被叫做宇宙剪切，它依赖于光线路经质量时产生的弯曲。这种效应最壮观的例子是爱因斯坦环。来自遥远星系的光在从近邻系统的旁边经过时被严重扭曲，扩散成一个环形。近邻的系统位于中心。星系的图像也常常被扭曲和拉伸成弧状。除了这些极端的例子，我们看到的每个星系的图像都存在某种程度的畸变，畸变的大小反映出光线在到达观测者之前经过的质量总量。对大多数星系而言这种效应很微弱，只表现为星系在天空中位置上的小小偏移。这就存在一个问题，我们只能看到星系发生偏移后的景象，而要测量出途经的质量及计算出膨胀的大小，我们需要与一个从星系发出后未经任何畸变的光线作比较。对任何特定的星系，这都是不可能的。然而通过天文学家设计的对庞大数量星系的巡查，可以对很多星系作统计平均来提取出这类信息。其结论是明白无误的：光线从星系到我们之间所走过的路径需要用一个加速的膨胀来解释。

不过这里又冒出一个漏洞。在发现宇宙加速膨胀之前，粒子物理学家们找到了一大堆理由来解释由他们的许多理论所预言的这种效应为什么在宇宙中没有表现出来。实际上我们处于这样一种境地，就是能够解释为什么要么根本没有互斥力，要么存在一种极强的排斥效应。不幸的是，我们观测到的只是一种非常弱的力（尽管在宇宙范围内累积起来这种效应非常显着），而且与预言差距甚大。实际上，天文观测结果与最好的理论模型之间的差别高达10120倍。这是有史以来在科学上理论和实验之间最大的误差。但是，这就是我们已知的最佳解释。

而情况可能更为复杂。我们曾假设互斥力是不随时间变化的，这个假设只是出于不要把事情弄复杂的愿望，而无其他确实的理由。（要知道科学家们常常引用奥卡姆的剃刀原则：当其他方面都相同时，最简单的方案就是正确的方案。）有些宇宙学家则相信，造成加速的力的强度的确随时间变化。

这些问题即将开始解决。今后20年中的进一步观测已经计划好。不过公平地说，在很大程度上我们还在黑暗中摸索。

8．恒星的诞生

现在，当大爆炸过去90亿年时，宇宙看上去很像我们现在所见到的周围的情况，星系中充满了第二代恒星。现在到了仔细谈论恒星演化的时候了。我们已经对第一代恒星作了一些介绍，但对它们实际的形成过程一带而过，因为当时关注那些能够延展到整个宇宙间的效应。我们知道它们会在耀眼的闪光中结束自己短暂的生命，它们的超新星爆炸将重元素撒向四方。另外，还有一个极为重要的效应，爆炸形成的冲击波将激发新恒星在周围气体云中的形成。

很长时间里类星体都是最显着的天体。它们中心的黑洞吞噬着其所能够得到的巨量的气体和尘埃，释放出庞大的能量。当这些尘埃和气体消耗殆尽后，类星体暗淡下去，宇宙里剩下大量的“正常”星系。50亿年前，气体转化成恒星的速率加快了，宇宙变得更加明亮。后来，40亿到50亿年期间，燃料开始耗尽，垂死的恒星超过了正在诞生的恒星。同时，就在这一时段，在一个不起眼的旋涡星系中，我们的太阳开始形成。下面让我们仔细地探查一下恒星形成的过程。

恒星在星系中的形成并不是均匀地发生的，周围物质的条件会对收缩产生影响。像我们自己的星系的旋臂就是一个很好的例子。对任何旋涡星系的光学照片一眼看去就能发现，旋臂上的恒星趋向于蓝色，而核球处的则呈黄色。以宇宙标准来看，旋臂上的炽热大质量蓝星寿命是较短的，只能维持几千万年。这意味着无论我们在何处看到了蓝色恒星，就可以确定这片区域内的恒星是在相对较近的时期内形成的。所以可以得出结论，在旋涡星系中恒星的形成集中在旋臂上。

包括太阳在内的所有恒星都是在巨大的恒星孕育区内形成的，我们称之为星云，可看作是气体和尘埃的仓库。在星云之内，充满宇宙其他地方的强烈辐射被挡在外面，故而物质能够冷却到非常低的温度，而如何达到这点对于整个恒星形成过程是非常关键的。最初，冷却是由于氢分子能够向外辐射出能量，能量的流失冷却了云气，温度降了下来。其后这项工作由碳或氧原子更加高效地完成了。在这一气体区域中，由引力作用造成的收缩与粒子的随机运动相对抗，如果这些粒子运动很快，就可以克服引力带来的紧缩，这个气团就永远不会收缩到形成恒星的程度。对恒星生成区的现代观测表明，这是一个持续进行的过程，气团不断地形成和消散着。

不过请记住，粒子的速度由温度决定。温度越低，粒子运动得就越慢。如果气体能足够冷却，引力就会赢得这场较量，冷却的气体团会趋于收缩。

一旦收缩达到某一程度就不可能逆转，一个原恒星的核心就会形成。这样的核心包含大量的、天文学家称之为“尘埃”的小粒子。它们像沙粒一般大小，主要是碳和硅的化合物。正是这些尘埃使得对恒星形成的研究非常困难，尤其是在光学波段。因为可见光几乎完全被尘埃所阻挡。对于稍热的尘埃区域，红外观测非常有用。但是，在恒星形成的早期阶段，温度可能低至10K，这时甚至红外波也无能为力。要观测这种宇宙间最冷的地方，我们必须转到亚毫米波。

星云内的温度是如此之低，以至气体凝固在尘埃上。气体主要是氢，也有简单的化合物，例如一氧化碳。每类分子都形成一个冰层。不过最近的研究表明这种层次结构可能过于简化了，冰是由不同分子混合而成。

气体在很低的温度下运动很慢，再加上难以想象的低密度，分子之间的碰撞相当稀少，即便发生，能量也很低。值得注意的是，天文学家所称的“比较致密的云团”，若是在地球上的实验室中我们会认为那是极好的真空。所以，相对只有很少的化学反应发生。

而当分子凝结在尘埃颗粒的表面后，情况就大不相同。分子被紧靠在一起，而且有人猜测分子或原子（特别是像氢一样的轻原子）可能会自然而然地沿着颗粒表面四处移动。这样当分子相遇时，化学反应就会迅速发生。所以包含十个甚至更多原子的相当复杂的分子就可以构成。但所有这些对天文学家而言是不可见的。这个过程很重要，因为这意味着复杂分子的产生是恒星形成过程的自然结果，而当行星从剩余的残块中产生时，这些物质已经存在了。

与此同时，收缩还在继续，中央核心的温度也持续地升高。这一阶段，气团的尺度有几个光日，是我们太阳系大小的几十倍。最后，密度大到氢原子能够以足够的能量碰撞生成氦，在相对黑暗的气团块的深处，恒星已经点亮。不过这时还无法看见它，因为被四周的尘埃遮蔽着。

这种情况一发生，周围的气体尘埃团块就迅速被加热，变成了我们所称的“热核心”。这有些名不副实，所谓的热不过是300K，就像在9月份Selsey地区（作者帕特里克位于英格兰南部西苏塞克斯的家）的温度。不过冰已经溶化，并将新形成的化合物释放到气体中。在那里形成了复杂分子的混合浆液，这能够被对亚毫米波敏感的望远镜探测到。这一阶段持续不超过1万年，以宇宙的标准看仅是一瞬间。

9．恒星的生命

在这些温热的区域内，目前已探测到100多种分子，许多因出现在我们地球上的生命中而被人熟知，例如甲醇和乙醇。甚至还有希望探测到一些基本的氨基酸，这是构成所有蛋白质进而组成我们所知晓的所有生命的基础。如果复杂化合物是伴随恒星产生而自然形成的，并保持在形成行星系统的物质中，那么就为更加复杂的生命化学提供了一个跳跃的高起点。

另外还有其他次要的证据证明，构成地球上生命的化学物质是在太空中开始它们的存在的。就我们所知，地球和其他行星上的生命都完全基于一种原子：碳。每个碳原子能和类型广泛的其他分子形成至多4个稳定的键，而正好能与4个分子结合成键的能力带来了一种叫做手性的属性。没有其他的分子具备如此的灵活性。硅比较接近，但是除了在科幻小说中，其他地方还没有发现任何基于硅的生物存在的证据。

想象一下碳原子和4个不同类型的分子的结合，其排列有两种可能性，每个都是另一个的镜像，分别称为“左手”和“右手”形式的。它们两个都有同样的分子式，并包括相同的5个单元部分。除此之外，这两种排列的物理和化学属性有稍许差别。所有简单的化学过程都会产生同样数量的左手性和右手性分子。

然而，那些在生命体中进行的复杂的化学过程的确具有选择性。引人注目的是，我们所看到的生命都做出了同样的选择--所有地球上的生物都只使用左手性的分子。为什么会这样？如何从一个两方相等的混合体中形成仅由左手性分子构成的生命？在孕育恒星的星云中，被尘埃所散射的光线由于圆偏振的特性有可能会破坏右手性分子而保留下左手性分子不受损伤。这种有利于左手性分子的模式在恒星开始形成时可能就已决定了。

关于在原恒星内保留的物质的情况先介绍到这里，在探讨行星形成时我们会再次提及。新诞生的恒星自身情况如何？激烈变化而不稳定的雏星依旧包藏在尘埃和气体中，向外发出强大的恒星风。星风由从恒星表面吹出的粒子组成，这阻止了其他物质继续向内收缩。从恒星的极区也可能发出强大的喷流，会清除掉周围大部分的星云物质。收缩开始100万年后，到达了恒星演化的金牛座T型星阶段，恒星在继续紧缩并不规则地闪耀。一个物质构成的圆盘围绕着恒星，从新恒星附近延伸到几百个天文单位远。在接下来的1000万年里，围绕恒星的云团剩余部分被逐渐扫清，只留下圆盘。其中一个最好的实例是一颗很靠南的星：绘架座。使用一种叫做日冕仪的特殊仪器，挡住恒星自身的明亮光芒，就可以很容易地观测到它的圆盘。

中年的恒星

到这时恒星已经停止收缩，进入所谓主星序上的稳定的中年阶段。换句话说，核心的反应可以提供足够的能量抗衡引力向内的拉力，支撑恒星的外层。恒星被炽热气体的压力（或者推力，如果愿意这么叫的话）和核心产生的辐射所支赫兹普龙-罗素图将光度表示为温度持。恒星如此巨大，一个单独的光子--携带光能量的粒子--要从核心逃出需要花费很长的时间，对太阳而言需要100万年。这个过程通过自然的热平衡实现自动调节。如果恒星在引力作用下收缩，那么核心的温度就会升高，核反应就进行得更加迅速，就会产生更多的能量，强迫恒星扩张到原来的大小。平衡已经达到，重力和压力互相抵消，恒星可以自在地停留在主星序中达几十亿年。

我们从恒星在巨大的星云中形成开始，再集中描述了一颗独立恒星的形成，这可能会造成某种误导。每个活跃的恒星生成区域会同时产生很多恒星，而大多数在这种条件下形成的恒星将作为星团的一员开始它的生命。一个很好的例子是在猎户座大星云这个离我们最近的大型恒星生成区中，4颗明亮的年轻恒星组成的四重星团。多数类日恒星会组成双星或多星系统，两颗或多颗恒星互相靠得很近，最终进入环绕对方的轨道。这样的系统可能是不稳定的。三星系统通常--但不总是--会通过引力作用把质量最小的成员甩出去，这个弹出速度常常很高。在星团中也会发生类似的过程：恒星会以高速被抛出。而当以高速离开时，它们也带走了引力能。这种能量损失令星团中余下的恒星在其邻居引力的拉力下束缚得更紧，直到形成一个稳定的星团。尽管存在上述进程，通常还是会造就某类多重恒星系统。像我们太阳这样独立的状态是很少的不寻常的情况。

10．太阳系的形成

围绕着原始太阳，剩余物质形成扁平旋转的圆盘。物质变成扁平形状的事实解释了为什么行星的轨道倾角如此地接近。相对于地球轨道，水星的倾角仅为7度，而所有其他大行星的倾角均小于4度。这也解释了为什么行星在轨道上以和地球相同的方向运转。如果从太阳极区的上面看去，所有行星在以同一方向绕转。

甚至小行星以及柯伊伯带成员（新近发现的位于太阳系外侧深处的小天体群）也遵循大部分规则。没有小行星或者柯伊伯带天体在“错误”的方向上绕行。而最早发现的100颗小行星中仅有4颗的轨道倾角大于20度。彗星则不同，它们质量很低，易受行星摄动的影响，所以其轨道偏心率和倾角的变化范围很大。而包括哈雷彗星在内的长周期彗星是逆行的，即它们的绕行方向与行星相反，就像在交通环路上逆行的一辆汽车。

研究人员已经建立了复杂的模型，来说明观测到的围绕年轻恒星的圆盘是如何形成太阳系的。在离主星较近的地方，氢和其他较轻的气体被恒星风吹走，形成较小、岩质的行星。在太阳系，这类行星包括水星、金星、地球和火星，以及稍远一点的位于火星和木星轨道之间的小行星带。这里由于木星引力牵引的破坏作用，无法形成大的行星。

再远一点的情况则有所不同。较轻的气体没有被驱逐开，一旦有一个行星核形成，它就会收集这些气体成为巨大的大气层，从而变成一颗巨型的气态行星。在我们太阳系中木星和土星无疑是最好的例子。这些巨行星的视表面实际上就是它们大气层的顶端。这也适用于小些的大行星天王星和海王星。

再向外，我们来到了被小得多的天体占据的区域，这里物质较为稀少，因此此处形成的天体的大小无法达到能够吸住明显大气的临界质量。在太阳系的边缘有柯伊伯带，冥王星是其中最有名的成员，尽管它的直径2320千米比月球还小。除冥王星之外的第一个柯伊伯带天体是在1992年发现的，目前已经知道有数百个。现在冥王星被认为是这类天体中最大的一个，而非真正的大行星。离太阳更远的地方也有零星的环绕太阳的天体。在这片昏暗的地方，至少有两个天体--Quaoar和Sedna的大小与冥王星相当。

以上这些概况基本正确，但故事并未到此为止。当气体巨行星在圆盘中部（就像木星在太阳系中的位置）形成后，物质会被行星所扫清，从而在圆盘中形成空隙。我们可以观察到正在进行的这种过程。在围绕一些年轻恒星的圆盘中已经探测到了空隙。在这种情况下，行星和圆盘之间产生一种竞争，行星的引力将物质从圆盘中吸出，累积到行星身上；而圆盘则把物质向回拉。净效应是行星受到阻尼力进而损失能量，并向内侧朝着中心星盘旋过去。

一旦一颗巨行星开始向内侧移动就很难停止。要创造一种理论既允许这些行星移动到正在形成的太阳系的内侧，又防止它们落入到太阳之中的残酷结局，是一个巨大的挑战。有人提出在某些情况下这正是曾经发生的事情，而我们只是看到了在已经形成并向内侧运动直至毁灭的一长串行星中的最近的几个。但有希望的是，最近的研究已经表明巨行星最终有可能战胜圆盘，捕获周围所有的物质而避免进一步的拖曳。这时转移就会停止，巨行星找到了永久的归宿。

我们的太阳系似乎已经逃离了被一颗大行星犁过圆盘内侧造成的混乱时期，但这并不意味着所有东西从一开始就都是稳定的。也许一个后继的木星大小的行星会形成并向内侧运动，掉入太阳之中并毁灭。不论这些行星是否存在，最终都会形成两个大的物质团块，它们大到其引力足以捕获氢气，而两个团块将迅速增大质量形成木星和土星（土星最明显的特征：土星环，只可能在最近100万年前后生成，可能是因为一颗卫星在一次猛烈的撞击中破碎。因为固有的不稳定，它们只能再维持100万年。我们能够欣赏到这样的美景的确十分幸运）。

在原土星附近，同时还会有另两个团块从圆盘中凝结出来。它们小很多，所以虽然能够捕获气体，但速度要慢得多。天王星和海王星两颗大行星将从这些团块中形成。它们刚好在区分岩质行星和气态行星的临界质量之上，最初这些行星距离太阳要比现在近得多。但在木星引力以及与圆盘的相互作用的共同影响下它们逐渐向外移动到现在的位置上。这产生了戏剧般的效果。圆盘外所剩余的大部分物质过于寒冷又不足以聚集成行星大小的团块，又因为过于靠近天王星或海王星而被抛出了它稳定的轨道。它们大部分终老在太阳系最为遥远的地方，现在我们称之为奥尔特云。这是离最近的恒星都相当远的储存有巨量物质的地方，而且远离行星破坏性的引力效应的影响。

偶尔地，奥尔特云内的物质会被奥尔特云天体自己的相互作用或一颗经过的恒星所扰动，被投入了内太阳系。于是我们看到了流浪者般的彗星，在太阳的照耀下挥发出它们的冰态物质。这类事情现在比较少见，但在我们的故事正在讲述的这个时代，由于天王星和海王星对物质向内的牵引，这种现象经常发生。从月球上环形山的记录可以发现这个“大轰炸”的踪迹，显示出内太阳系曾经被大量小天体撞击。它们亦曾撞击过地球，但其痕迹早已被掩盖住了。

今日太阳系

最不可能的事就是我们的太阳系是独特的，但它确实是相当不平常。所以让我们再仔细地考察一下。除了行星和小行星大小的天体，还有被称作“脏雪球”的彗星。彗星真正实在的部分是它的核，由混有碎砾的冰雪构成。当彗星靠近太阳时，冰蒸发形成彗头，通常还带有一条长尾巴或几条尾巴。也会有尘埃粒子--实际上是彗星碎片--闯入地球上层大气时在海拔65千米高处燃烧形成流星。

大些的天体可能会完整掉落地面形成撞击坑，这就是陨星。应该注意陨星并不简简单单地等同于大的流星。这两类天体相当不同。陨星是从小行星带被逐出的天体，与彗星没有直接联系。

行星围绕太阳运动的轨道与一个圆形差不多，而大多数彗星则在一个非常偏心的轨道上运动。行星公转周期的范围从水星的68天到海王星的接近165年。正如我们看到的，行星是在环绕年轻太阳的扁平物质圆盘中形成的，所以它们的轨道倾角都很接近。这也适用于柯伊伯带天体和彗星的情况。

最着名的彗星当然就是哈雷彗星，它将于2061年再次回归。现在它过于暗淡无法看到，但无疑在下一次过近日点（距离太阳最近的位置）之前很早就会被找到。偶尔能够看到的超明亮的彗星周期要长得多，有些显然能够亮到产生影子的程度，尽管我们这代人还没有看到。最后，太阳系中还包含大量的行星际尘埃。

在4个内行星中，地球和金星的个头相似。尽管在大小和质量上像孪生子，但它们是完全不同的。金星有一个主要由二氧化碳构成的非常浓密的大气层，在云朵中饱含硫酸，它的表面温度有500℃。地球类型的生命看来完全不可能存在。最里面的行星--水星则过小，无法保持住可以观测到的大气。在地球轨道之外是火星，已经有很多宇宙飞船被发送到那里，而且已经有计划发射载人飞船，尽管这还是相当遥远的未来的事情。

很明显，那些巨行星和较小的内行星完全不同。它们在离太阳较远的距离上形成，故而得以保留较轻的气体--最明显的是氢。木星和土星确定具有一个高温的硅酸盐的核，并被一层液氢所包围，在其上是我们看到的大气。天王星和海王星则不同。它们更适于用冰巨行星而非气态巨行星来描述。木星质量比其他行星的质量总和还大，所以有一种说法叫做太阳系只不过是由太阳、木星和各式各样的混杂的碎片组成。

在行星的卫星中，我们的月亮比较独特。因为它是唯一由较小的行星所拥有的大卫星。其余的，木星有4颗大的卫星和很多较小的卫星。土星有一颗大的随从--土卫六提坦，和许多中等和小型的卫星。天王星有5颗普通大小的卫星，海王星有海卫一（Triton）和一群小卫星。所有卫星中，只它有提坦有较稠密的大气。火星有两个小月亮，火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos），是它很久以前捕获的游离的小行星。大行星中只有水星和金星是宇宙中的独行侠。

11．岩质行星

如果气态巨行星向内侧的迁移是很平常的话，我们探测到岩质的类地行星的机会将大大减少。即使它们在某个太阳系的历史早期形成，也很容易因一个木星大小的行星从附近经过而被带离轨道或者破坏掉。地球的存在似乎取决于木星保持在了它所形成的位置上，其原因尚不清楚。实际上在我们写这本书时，在大多数探测到的太阳系中，在我们预计存在岩质“地球”的位置上是一个气态巨行星。应当承认我们的技术有利于探测离恒星较近的大型行星。而进一步观测可能说明我们的太阳系终究一点也不特殊。这是一个基础问题，我们在接下来的10年中将有能力解答这一问题，直接寻找其他“地球”的任务已经在计划中。

有些时候观测者从地球上可以幸运地看到一颗行星从它所环绕的恒星前面横穿而过。在我们自己的太阳系中可以看到水星凌日和更为罕见的金星凌日。最近一次金星凌日发生在2004年，下一次在2012年。在此后要经过一个多世纪才会发生另一组2次凌日。那些太阳系外行星所绕转的恒星都很遥远，我们无法看出视面。所以当行星从恒星前经过时，它会将恒星的光部分地遮挡住，这样我们所观察到的是恒星的亮度略微变暗。这种方法可以实现大尺度的巡查，每晚可以观测成千上万颗星。而亮度上任何可疑的小下降都会被跟踪。这类天文观测将不再纯粹是职业天文学家的工作，这种行星环绕恒星的迹象也能被业余天文学家捕捉到。实际上令人兴奋的是，业余天文学家们已经因为共同发现了一些太阳系外行星而建立了声誉。

现在我们已经知道了170多个环绕其他恒星的太阳系外行星，几乎所有都是通过各种间接方法发现的。其中最成功的方法涉及探测行星的母恒星而非行星自身。尽管就像在我们太阳系中那样，太阳包含了多于99%的总质量，中央恒星的质量比行星大得多，但行星对恒星的引力作用仍会产生效应，使恒星在空间中的运动发生摇摆。这个摇摆虽极为微小，但通过仔细的观测仍能测量出来。通过这种方式可以确定行星的存在。而行星的质量越大，摇摆就越大。

12．暗棕矮星

即便最冷的棕矮星也和一颗行星有本质的区别。一颗真正的恒星的质量必须至少为太阳的8%，即木星质量的75倍。低于此值则无法引发核反应，因为核心的温度不够高。由于棕矮星如此暗淡不易发现，因此直到1995年才作出了第一个证认。但现在已经确认了许多。大部分都与普通恒星相关联，可能因为这比孤立的矮星更容易被发现。现在已知最暗的棕矮星是Gliese570D，距离19光年。它的表面温度仅为480℃，只比日常用的炉子的温度略高。它环绕一个三合星系统运动，其直径大致与木星相当，但质量要大50倍。过重的质量使之难以被归类为行星；另一方面，它也无法被归于真正的恒星类，因为在大气中发现了锂的踪迹，而锂是无法在普通恒星的温度下存在的，它会被分解。矮星至少会发光，尽管很微弱。而行星则完全依赖于反射其主恒星的光芒。

有一族孤立的棕矮星不与任何恒星相关联，它们可能数量众多，但其起源尚存争议。这些孤立的天体也曾被称为“流浪行星”，经由引力作用被抛出了它们所形成于其中的系统，但似乎这种方式并不能产生所需的足够数量。

持续增长的太阳系外行星的清单，使我们愈发确信类地行星在宇宙星系中是很平常的，至少在单恒星附近是这样。对于双星系统，一颗小的行星难于维持很长时间不被抛出去，然而我们至少知道一个例外，就是在一个三合星系统中探测到了一颗大型行星在围绕着一颗类日恒星运动。

这些奇特而美妙的行星系统世界是多么地迷人，而我们显然对一种特定类型的太阳系--包含一颗小型岩质而湿润的行星的太阳系含有特别的兴趣。现在让我们把焦点集中到新近形成的我们自己的行星地球上。