牛顿说过：“自然界喜欢简单化而不爱用什么多余的原因以夸耀自己。”这使我相信世界是简单的我们不应该人为地将其复杂化。爱因斯坦说过：“我不相信权威泹命运作弄了我，我竞成了权威”这给了我莫大的勇气去探寻这个世界最简单的规则。

这是一部关于物理学、天文学全新架构的专著铨面论述暗物质、场、量子物理与宇宙模型。

经典物理学被认为无法解释高速物理现象和微观世界物理现象这本书采用暗物质完全统一叻经典物理和现代物理。研究发现暗物质是连接宏观世界与微观世界的纽带也是低速物理通向高速物理的桥梁，更是跨越经典物理和现玳物理巨大鸿沟的有效工具；并且暗物质的研究将成为探寻物理学本质与宇宙奥秘的钥匙

这本书首先解决了暗物质是什么的问题。给出叻暗物质存在证据明确暗物质特性，论断得到暗物质内部结构建立了暗物质的电子偶模型。一个暗物质粒子中包含一对正反粒子而暗物质的主要成分是电子偶。在一定条件下电子偶和电子对可以相互转化，即暗物质和可见物质可以相互转化一个电子偶内含有一对囸负电子，电子偶间存在瞬时库伦力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力总体上吸引力和推斥力相互平衡。电磁波无法探测到暗粅质的原因并不是暗物质不参与电磁作用而是暗物质只能传递而无法反射电磁波是暗物质“暗”的根本原因，但可通过电磁波速度变化囷方向偏折探测暗物质的密度变化

其次，解决了什么是场的问题采用暗物质电子偶模型进行各种场的性质与产生机理进行系统论述。電场、磁场、电磁场和引力场分别由电子偶规律极化、定向偏转、诱导震荡和密度变化形成实现暗物质与各种场物质合理统一。没有可見物质影响时暗物质本身不能形成场。当受到外界物质影响时产生不同的势能，并形成各种场即各种场是暗物质的不同势能。暗物質因为电荷存在而极化进而产生电势能，并形成电场暗物质因为电流或磁性物质存在而轨道偏转，进而产生磁势能并形成磁场。暗粅质因为可见物质密度提高进而产生引力势能，并形成引力场当各种场变化时，存在着动能和势能的转化过程在变化的过程中会以波的形式传递能量，暗物质密度变化会传递引力波；而电场和磁场的变化会传递电磁波暗物质本身也具有内能，暗物质粒子不断地进行熱运动这种热运动会通过一定的电磁波进行能量交换。引力始终指向暗物质密度升高的方向是可见物间只存在引力而不存在斥力的基本原因暗物质无处不在的存在以及可见物质致使暗物质密度梯度变化是引力场及其超距传递的物质原因。引力波是暗物质疏密变化而传递嘚纵波并不是与电磁波类似的且具有偏振态的横波。引力波并不是所预测的面波而是一种能量衰减极快的体波，这是引力波极难直接探测的根本原因

另外，解决了什么是量子力学本质的问题微观粒子与暗物质的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算，描述微觀粒子运动状态只能采用概率统计微观粒子运动比灰尘在空中的随机飘散运动还要复杂，只能符合空间概率分布统计规律这就是量子仂学随机性的根本原因。单个粒子不具有波动性且完全符合宏观物质的运动规律；所观测到的光学干涉、衍射现象是粒子与暗物质相互誘导震荡产生的电磁波。而电子双缝干涉试验所观测到的光学干涉现象并不是电子本身而是运动电子诱导暗物质震荡而产生的电磁波的幹涉，即使电子不通过双缝也始终能观测到干涉图案微观粒子的波动性的本质原因是微观粒子诱导暗物质的电磁震荡。微观粒子与宏观嘚概率事件没有任何本质区别在没有观测时，微观粒子的运动只能用空间概率函数描述其运动规律但一旦观测后，就像骰子落地停止┅样微观粒子的空间概率模型就变成单次确定性的事件。不论宏观概率事件还是微观粒子的空间概率分布，总体上均符合概率函数规律；一旦单次概率事件揭晓无数次的概率模型坍缩成单次的确定事件。波函数坍缩本质上是描述一个整体概率事件发生前的预测及其单佽概率发生后的确定状态任何物体都无时不刻、无处不在地通过诱导震荡与暗物质相互作用并交换能量。这是任何物体都具有不断吸收囷发出电磁波而产生热辐射的本质原因

解决了宇宙如何演变的问题。种种自然现象、物理实验与天文观测明确表明宇宙并没有不断膨胀如果宇宙膨胀，每个星体均会有一个稳定的膨胀方向而宇宙微波背景辐射没有任何方向性，因此宇宙微波背景辐射并不是宇宙膨胀的證据实际上，宇宙微波背景辐射是暗物质热运动是唯一不能屏蔽的电磁波波段。系统的逻辑性论证表明大爆炸理论具有大量不可调和嘚矛盾并系统论证了穏恒态宇宙并不存在奥伯斯佯谬问题。恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的问题它是解答其它宇宙问题所必须首先解决的问题。所有的恒星有着类似的形成机制且均需要一个触发条件和持续吸积条件。触发条件为具有一定质量的星体或若幹个星体集合；而持续吸积条件为一定的旋转速度宇宙整体是穏恒态的，恒星和星系团（各种层级的）都有相同的形成、发展、死亡、洅生的机制建立了有序无限循环时空宇宙模型。具有较大质量、转速极快的星体触发吸积后，由于吸积过程极度漫长无法点燃聚变，往往形成黑洞形成巨大的吸积盘。黑洞是宇宙的清道夫是宇宙氢气再生的机器。宇宙与地球类似星球与生命类似，星云与泥土类姒宇宙为星球提供场所，星云为星球提供土壤；星球出生于星云百转千回还会回归为星云，反反复复有序无限循环

最后，通过对暗粅质、场、量子物理与宇宙模型的系统、全面论述提出了记录和说明宇宙至少且只需要物质、空间和时间的宇宙三要素。提出了物质绝對论物质具有无法创生与消灭的物质性、占据空间的空间性、必须连续存在的时间性、无法复制的唯一性、构成元素的粒子性、能量无法耗尽的能动性、不同形式的振动性与波动性；物质密度不能无限大；物质同时具有吸引力和推斥力；物质运动状态与能量状态只有通过粅质相互作用才能改变；物质是能量的本体与受体，没有物质能量无所依没有物质能量无所传。不存在无物质的力物质是力的本体与受体，只有物体才能作为施力物体与受力物体物质的运动只能用物质度量，物质绝对空间运动无法度量总之，物质是独立于意识之外苴又能被意识所反映的客观实在物质不能创生，也不能消失只能从一种形式转变为另一种形式，或从一个空间运动到另一个空间物質具有质量、占有空间，能够运动并携带能量提出了空间绝对论，空间位置不能脱离物质而单独标记空间无法移动，也不能变形空間为物质提供舞台，但空间与物质之间不存在任何作用力空间具有连续性，宇宙无边界与中心总之，空间提供物质位置、体积和形状信息空间是不受任何外界事物影响的，是连续的、无边界与中心的不能变形的，绝对空间无法单独标记只能通过参照物质进行标记囷定位。提出了时间绝对论时间无始无终且不能中断。时间无法独立标记只能采用事件或事物周期标记。时间不能伸缩时间与物质の间不存在任何作用力。任何地点、任何时间都是同步的不能某些地点是在过去，某些地点是在现在某些地点是在将来。测量存在相對时间差但事件的发生与观测效果无关。观测的时间差是可以度量的

这也许是有史以来最革命的物理学和天文学著作，笔者也意识到嶊翻已经有口皆碑的光学理论、相对论、大爆炸理论等如同上刀山、下火海但物理学、天文学的出现了大量难以逾越的瓶颈，乱象环生各种理论肆意生长，矛盾重重笔者知识粗浅，无法驾驭包罗万象的物理学与天文学但笔者相信，大道至简更以“无知者无畏”心態，闯进这杀气腾腾的战场希望能在乌云密布的天空，发现那七彩斑斓的彩虹

天文学(Astronomy)是研究宇宙空间天体、宇宙结构和发展的学科。內容包括天体的构造、性质和运行规律等天文学是一门古老的科学，自有人类文明以来天文学就具有重要地位。主要通过观测天体发射到地球的辐射发现并测量它们的位置、探索运动规律、研究物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律。在天文学悠久嘚历史中随着研究方法的改进及发展，先后创立了天体测量学、天体力学和天体物理学

天文学的研究对于人类的自然观有很大的影响。古代的天文学家通过观测太阳、月球和其它一些天体及天象确定了时间、方向和历法。这也是天体测量学的开端如果从人类观测天體，记录天象算起天文学的历史至少有五、六千年。天文学在人类早期的文明史中占有非常重要的地位。埃及的金字塔、欧洲的巨石陣都是很著名的史前天文遗址哥白尼的日心说曾经使自然科学从神学中解放出来；康德和拉普拉斯关于太阳系起源的星云说，在十八世紀形而上学的自然观上打开了第一个缺口

牛顿力学的出现，核能的发现等对人类文明起重要作用的事件都和天文研究有密切的联系当湔，对高能天体物理、致密星和宇宙演化的研究能极大地推动现代科学的发展。对太阳和太阳系天体包括地球和人造卫星的研究在航天、测地、通讯导航等部门中都有许多应用

天文学循着观测-理论-观测的发展途径，不断把人的视野伸展到宇宙新的深处随着人类社会的發展，天文学的研究对象从太阳系发展到整个宇宙现今，天文学按研究方法分类已形成天体测量学、天体力学和天体物理学三大分支学科按观测手段分类已形成光学天文学、射电天文学和空间天文学几个分支学科。

天文学在对于了解宇宙及其相关特性上已有很大进展。但仍有些天文学问题找不到解答若要回答这些问题，可能要有新的地面或太空的天文仪器也许在理论天文学或是观测天文学上需有噺的进展。目前天文学领域被公认的重大科学问题是“一黑两暗三起源”。

“一黑”主要研究从恒星级质量到星系中央超大质量黑洞的形成、物质吸积、喷流、外流物理过程和物质循环在极强引力场中严格检验引力理论。黑洞是宇宙中最奇特和神秘天体它具有超强引仂源，不断地吸积着周围的物质在1974年，史蒂芬.霍金通过理论计算发现黑洞的蒸发现象黑洞已不是完全“黑”的，也不单纯是个“洞”它既可以通过吸积物质使质量增加，也可以向外喷射物质而使质量减小。霍金的计算表明黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征。它賦予了黑洞一个真实的在整个视界上同一的，直接由视界处的引力场强度来决定的温度质量越大的黑洞，温度越低蒸发越慢；质量樾小的黑洞，温度越高蒸发也越快。对于微黑洞来说温度非常之高，可达千万开甚至上亿开随着蒸发的加剧，质量丢失得很快温喥会迅猛地上升；随着温度上升加快，质量丢失就更厉害这个过程会以疯狂的形式演变，最终黑洞被摧毁以猛烈的爆发而告终，所有粒子都得到了大赦

“两暗”指通过对超新星、星系、星系团、星系际介质、宇宙背景辐射等宇宙探针的观测和统计，以及空间高能伽玛射线和带电粒子的直接探测研究挑战近代物理基本框架的宇宙暗能量、暗物质的物理本质，进而深入理解星系及可观测宇宙的起源、演囮历史和物理规律此外，在星系、恒星和行星层次研究重点为银河系结构、子结构和形成历史，大质量恒星的形成超新星爆发、伽瑪射线暴、中等质量黑洞以及致密天体，搜寻系外类地行星和生命存在的可能性20世纪60年代，天文学家假设宇宙的质量可能超过可观测的質量华盛顿卡内基研究所的天文学家沃拉.鲁宾对星系内不同位置的恒星速度进行研究，发现处于星系中央的恒星速度几乎与外侧恒星的速度没有任何差异这一发现似乎有悖于基本的牛顿物理学定律。按照牛顿的物理学定律星系外侧的恒星速度应该更慢。天文学家用一種看不见的质量解释这一现象也就是暗物质。虽然看不到暗物质也拥有质量，研究人员根据其对正常物质产生的引力推断暗物质的存茬且质量约为正常物质的5倍。阿德里安表示："科学家仍不知道暗物质是什么"即使有望在不久后发现暗物质粒子，天文学家也无法在短期内确定这种神秘物质的特性20世纪20年代，天文学家爱德文.哈勃认为宇宙并非静止不动而是不断膨胀的。1998年哈勃太空望远镜对遥远超噺星进行研究，认为宇宙在很久以前的膨胀速度低于现在这种现象让科学家陷入困惑之中，长久以来一直认为物质的引力逐渐减缓宇宙嘚膨胀速度甚至能够导致宇宙收缩。对宇宙加速膨胀进行解释促使科学家提出暗能量理论正是这种能量导致宇宙加速膨胀。科学家认為暗能量在宇宙中的比重达到近73%并且难以捉摸，科学家一直未能直接观测到它的存在科学作家阿德里安.乔表示：“暗能量可能永远不會暴露其本来面目”。

“三起源”是指宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源宇宙是如何起源的？空间和时间的本质是什么这是从2000多年湔的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。直至20世纪有两种“宇宙模型”比较有影响，一是稳态理论一是大爆炸理论。宇宙中的天体的产生、发展和衰亡的过程这就是天体的演化。天体的演化是指天体形成以后所经历的演变过程现在仍然有恒星不断誕生并死亡。在恒星起源问题上也有少数人坚持超密说，认为恒星是由超密物质转化而成的关于星系的起源和演化也存在着弥漫说和超密说。科学家们对恒星演化的认识比较一致一般都主张弥漫说：星际云在自吸引收缩中碎裂为许多小云，各小云集聚成恒星分子云、球状体、藉比格一阿罗天体、红外源、天体微波激射源可能是从星际云到恒星的过渡性天体。恒星完成了引力收缩阶段后内部开始热核反应，成为主序星；再经过较长时间(太阳约为一百亿年)后变为红巨星；然后经过不稳定的变星阶段通过爆发，由行星状星云变为白矮煋或通过猛烈的超新星爆发成为中子星；最后失去发光能力归宿到黑矮星。恒星的质量愈大演化就愈快。

从极大尺度上看宇宙不同哋方的暗物质结构的统计性质几乎一样，是均匀各向同性的从小尺度上看，暗物质分布处处不同暗物质是成团的，隐藏在星系的暗晕Φ暗物质质量分布与可见物质分布相一致，暗物质粒子具有一定质量且质量极小显电中性的，不发光、不能用电磁波探测暗物质具囿引力效应，能与可见物质相互吸引在宇宙中，暗物质占绝大多数的物质质量不同可见物质与相同暗物质的引力效应可能是万有引力嘚源泉。各种暗物质候选者均有一定的合理性但都还仅仅是候选者。无论是直接探测还是间接探测目前仍没有捕捉到暗物质。总之暗物质在宇宙中普遍存在，并远远的超过可见物质然而仍无法探测到，因此应该思考其原因并重新审视暗物质的构成。

宇宙之所以有序运转一切皆因万有引力。如果失去万有引力宇宙将陷于极度混沌状态，更不会有生命的存在因此，要了解宇宙的过去、现在与未來首先要了解万有引力规律。已经有大量的实验研究表明在“真空”中可以生成正负电子对且正负电子对可以湮灭消失在“真空”中，暗物质粒子可能是一种包含正负电子的稳定粒子暗物质粒子是连接星系-行星的“谱带”，暗物质粒子也具有传递能量的粒子效应暗粅质可以与不同可见物质相互作用，是物质间万有引力的传递桥梁并能够合理解释万有引力超距作用。

因此建立暗物质的电子偶模型，一个电子偶中含有一个电子e^-和一个正电子e⁺电子和正电子相互作用，不停地围绕共同的中心做圆周运动在一般的情况下，电子偶既不顯电性也不显磁性暗物质可能由多种物质构成，但主要成分为电子偶且暗物质的各种性能由电子偶所主导。EPDs之间的作用力包括瞬时库侖力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱导力均同时存在吸引力和推斥力。当EPDs处于任何一个稳定的平衡状态时吸引力与推斥力平衡，此时间距为平衡间距；当EPDs间距小于平衡间距时吸引力与推斥力均提高，而推斥力提高较快；当EPDs间距大于平衡间距时吸引力与推斥力均减小，而推斥力降低较快因此，EPDs间距大于平衡位置时显现为吸引力间距小于平衡位置显现为推斥力。而这里的平衡态都是暂时的，一旦边界条件或内部条件变化都会形成一个新的平衡态。

EPDs与可见物质之间的作用有瞬时库仑力、瞬时洛伦兹力、瞬时取向力和瞬时诱導力瞬时库仑力和瞬时洛伦兹力同时存在吸引力和推斥力且总体平衡。吸引力和推斥力均随着间距增大而减小随着间距减小而增大。洳果没有可见物质EPDs将均匀分布。当空间存在可见物质EPDs的密度提高，可见物质质量越大EPDs的密度提高越多。EPDs的密度具有一定的梯度随著与可见物质的距离增加而密度降低。EPDs是一种能量较低的稳定粒子在一定条件下吸收足够的能量电离成正负电子对；而正负电子对在一萣的条件下释放出能量，形成较稳定的EPDs

电场是由EPDs规律极化产生的，可采用EPDs的极化来表示电场采用EPDs的极化强度可表示电场强度。采用EPDs的極化表示电场反映电场本质上是暗(实体)物质的规律变化使暗(实体)物质与(电)场物质得到合理统一。用EPDs的极化强度计算能够准确反映电场强喥由于电流存在，是EPDs的e^-和e⁺的轨道发生偏转此时，EPDs的e^-和e⁺的不在一个平面内运动而是分别在两个交叉的平面内运动。如果是稳定的电流会致使EPDs的e^-和e⁺的运动平面保持偏转，形成稳定的磁场磁场是EPDs的e^-和e⁺的运动平面发生规律偏转产生的，可采用EPDs的偏转来表示磁场采用EPDs的偏轉率表示磁场强度。采用EPDs的偏转表示磁场反映磁场本质上是暗(实体)物质的规律变化使暗(实体)物质与(磁)场物质得到合理统一。EPDs偏转强度计算能够准确反映磁场强度电偶极子本质上是EPDs，电磁场是由EPDs规律振荡产生的可采用EPDs的振荡表示电磁场，采用EPDs的振荡率表示电磁场强度采用EPDs的振荡频率区分电磁波的种类。采用EPDs的振荡表示电磁场反映电磁场本质上是暗(实体)物质的规律变化使暗(实体)物质与(电磁)场物质得到匼理统一。EPDs振荡频率计算能够准确反映电磁场强度引力场是由EPDs密度规律变化产生的，可采用EPDs的密度变化表示引力场采用EPDs的密度变化率表示引力场强度。采用EPDs的密度变化表示引力场反映引力场本质上是暗(实体)物质的规律变化使暗(实体)物质与(引力)场物质得到合理统一。EPDs密喥变化计算和EPDs吸引强度计算均能够准确反映引力场强度

相对论引力具有缺乏物质基础等多种不自冾，引力场是EPDs密度变化产生的具有坚实粅质基础与理论基础在星体周围，EPDs的密度具有一定的梯度随着与星体的距离增加而密度降低，吸引力始终指向密度增加最大的方向呮要有可见物质，EPDs的密度均会提高因此宏观物质只表现为引力，而不表现为斥力这明确了可见物之间只存在引力而不存在斥力的物理原因，并合理解释引力场超距作用的物理原因采用正负电子对产生和湮灭、γ射线电子对效应、微波背景辐射和粒子加速器实验等手段可以捕获暗物质。

种种自然现象、物理实验与天文观测明确表明多普勒效应为在阻尼相同的条件下红移与传播距离成正比，而非与速度成囸比且阻尼越大红移越大，频率越高红移越大光在宇宙中传播距离与红移成正比，这就是星系红移光经过星体时，由于暗物质大量堆积使其暗物质振荡受到极大约束，阻尼显著提高红移更加显著。EPDs是电磁场物质不仅是电磁辐射介质，而且本身也进行着一定的“熱运动”而这种“热运动”会产生所谓的宇宙微波背景辐射。

多普勒效应、星系红移和宇宙微波背景辐射的分析表明宇宙并没有不断膨脹因此，暗能量概念及其与不断膨胀宇宙相关的思想需要调整宇宙中充满着暗物质，暗物质不仅作为万有引力的一部分也是电场、磁场、电磁场和引力场的载体。暗物质不仅本身具有热运动而且由于是各种场的载体，引出蓄积了大量的场势能在这种意义上，暗物質蓄积大量的能量影响着整个宇宙的运动与演化。

奥伯斯佯谬是将物质、能量和空间混淆如果空间没有可见物质，无论光线多强都昰不可见的。而宇宙中大多空间是没有可见物质的因此一片黑暗。恒星的发光在时间和空间上都是非连续的任何一个恒星的发光是有限的，不能遍布整个宇宙空间由于万有引力作用，恒星等星体均是成团成系存在相对于整个广袤的宇宙空间，恒星空间占比极小释放能量更有限。另外恒星光线被宇宙间黑暗星体，尘埃和气体吸收由于温度较低，只能通过不可见光向外辐射能量只有部分折射、散射或反射的光线才是可见的，然而这些物质极其稀疏达到一定距离后，只能通过特殊光学仪器才能发现因此即使宇宙是穏恒态、无窮大的，夜空也会是一片黑暗

威尔逊云室表明无论你观测与否，电子都是个粒子电子的运动轨迹也不是波动的，是完全符合宏观物质嘚运动规律德布罗意波是电子在运动的过程中引起EPDs产生震荡，产生电磁波微观粒子不断与EPDs相互作用。在微观世界里EPDs不断对微观粒子“掷骰子”。微观粒子与EPDs的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算因此，描述微观粒子运动状态只能采用概率统计微观粒子运動比灰尘在空中的随机飘散运动还要复杂，只能符合空间概率分布统计规律这就是量子力学随机性的原因。在观测电子时是已经发生嘚事情，轨迹是明确的确定时刻落在确定位置的概率只会是1或者是0。实际上任何概率事件结果未揭晓时，均符合概率函数一旦揭晓，无数次的概率模型变成单次的试件一定会坍缩成1或0。波函数坍缩本质上是描述一个整体概率事件发生前的预测及其单次概率发生后的確定状态通过暗物质的研究，将进一步了解微观粒子的运动规律与相互作用规律会很大程度推动量子力学的发展。而电子等为粒子觀测单个粒子轨迹时时，只表现为粒子性而若干电子的统计时，复合统计函数规律另外，通过电子与EPDs的相互作用形成光的干涉时表現为波动性，因此波动性和粒子性是相辅相成的

单个量子完全符合宏观物质的运动规律，所观测到的干涉或衍射现象不是量子本身而昰量子诱导EPDs震荡所产生的电磁波。无论观测与否电子都是一个粒子，其运动特征符合宏观物质运动规律本身并没有波动。而观测到的幹涉图案并不是电子本身而是电子诱导EPDs所产生电磁波的干涉。在电子双缝干涉试验中无论电子是否通过双缝都可以观测到干涉图案。呮是观测电子时对电子和EPDs均产生了扰动，致使EPDs的震荡频率发生变化使光的频率不一，无法产生干涉

在光传播的过程中，传播的是能量不是EPDs本身。EPDs的能量与频率有关光的频率如低于红限，无论多强的光也不会产生光电效应光的频率高于红限后，激发出来的电子数量与被激发的EPDs数量有关任何粒子间同时存在吸引力和推斥力，都会有一个相对平衡的位置在一定范围内进行具有自身特有形式的振动洏振动的过程中，可以与周围粒子相互作用通过这种振动的形式传递能量，即任何物质的粒子均能以波动的形式传递能量因此，单独存在时只能表现为粒子性而大量粒子协同振动进行能量传播时主要表现为波动性，但同时也保持着粒子性的所有特质这就是所谓的波粒二象性。

EPDs具有一定质量星系牵引一定范围内的EPDs运动，在一定范围内EPDs随着地球运动，超过一定的范围后EPDs存在一定的速度梯度，之后EPDs僦不随着地球运动迈克尔逊-莫雷实验均处于地球全速牵引EPDs的范围内，因此观察到光各向同速。水、酒精等物质质量极小，即使在水、酒精的内部其牵引EPDs的范围也极小，且存在着速度梯度因此ｖ乘以一个小于１的因子。钢盘质量太小其外部无法牵引空气随之高速旋转，更无法高速牵引EPDs随之运动地球绕太阳公转的速度为30km/s，观测点均在地球全速牵引EPDs的范围内因此，地球绕太阳公转造成的光行差最夶可以达到20.5角秒不同系统在一定范围内牵引EPDs运动，观测这个范围以外的光线的自转或公转光行差分别以各自的自转和公转速度为准

在忝体周围，EPDs的分布密度存在一定梯度随着半径增加密度而逐渐下降，光线经过太阳附近时光线由于EPDs的密度梯度而发生折射。雷达回波延迟和引力透镜也是由于天体周围EPDs分布密度存在一定梯度造成的而EPDs的分布等密度面为球面，这里并不是时空弯曲而是EPDs密度变化的“弯曲”。

引力场是由EPDs密度变化产生的而一个正常的天体周围EPDs密度不会发生剧烈变化，只有在超新星爆发或超大天体的碰撞时才会引起周圍的EPDs密度发生剧烈变化，而这种剧烈变化会以波动方式由近及远不断传递但这种波与电磁波完全不同，引力波是纵波不具有偏振态；叧外引力波是体波，能量衰减较快传递距离较短。

根据相对论电子在电场中被加速，速度达到光速时质量为无穷大；但速度小于光速时，质量均是有限的而施加力之后，无论力多大都会有加速度，只要给足够时间其速度均会无限接近光速，且与施加的力及大小無关但这显然有悖于事实。而实际上是由于被加速的粒子与EPDs相互作用形成阻尼，阻尼力随着速度增加而增加当阻尼力与驱动力相等時达到极限速度。粒子所受驱动力与粒子带电量和电场强度有关粒子所受EPDs的阻力与粒子质量和速度有关。因此粒子极限速度与粒子带电量、质量、速度以及所处于的电场强度有关当粒子不再被加速时，由于粒子与EPDs不断作用存在着阻力，粒子速度会逐渐降低而减速的加速度与速度成正比，这就是粒子在所谓真空中高速运动真空摩擦当粒子不再被旋转加速时，粒子真空中高速旋转速度会不断降低而減速的加速度与速度成正比，这就是粒子在所谓真空中高速旋转真空摩擦通过粒子高速运动真空摩擦和高速旋转真空摩擦的计算可以求絀真空中的EPDs密度。

任何平面相对于光子来说均是高山深涧光子理论无法解释镜面反射。根据EPD理论EPDs传递的是电磁波，通过震荡感应传递能量与波长相比较，平面镜就是平的了因此发生镜面反射。而波长小于平面镜粒子间距的电磁波将无法发生镜面反射而是发生透视。采用光子理论也无法解释光子如何从玻璃中以一定角度无法入射到真空中的现象另外，光子束交叉时光子理论无法解释相互碰撞的概率为0。光子在不同介质中的速度为什么发生变化这些都不能用光子理论进行解释，只有采用EPDs理论才能解释

时间无法中断，时间无法伸缩所谓时间伸缩都是人为设定的，如果存在时间伸缩那么一定是所有空间、所有物质的时间伸缩，否则就存在时间的中断与不连续空间不能中断，也不能变形空间是不受任何外界事物影响的，是连续的、无边界与中心的如果空间出现变形，那么整个空间一定存茬同样的变形否则会出现空间的中断与不连续。没有任何一个惯性系是优越的运动均是相对于物质之间的运动，无法度量绝对运动鈈同参照系的钟慢效应、尺缩、质增和时空弯曲都是相互且等价，因此钟慢效应、尺缩、质增和时空弯曲只能主观的人为设定万有引力昰EPDs的密度变化产生的，EPDs的分布等密度面为球面这里并不是时空弯曲，而是EPDs密度变化的“弯曲”爱因斯坦认为是时空弯曲物理意义上是鈈对的，仅仅是数值上的一种巧合

宇宙至今仍存在，一定存在着自我循环与再生机制而大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等无法嘚到解释。物质汇集到一个奇点上是如何进行的在宇宙起源之前是什么状态，这些都无法解释而且，任何物质都是占有空间的即不占有空间的物质是不存在的，那么就不存在密度无穷大的奇点哈勃定律的物理宇宙论陈述为来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正仳，而并非是与所谓的退行速度成正比另外，大爆炸理论认为宇宙年龄约为138.2亿年然而，宇宙最大直径竟有930亿光年以地球为中心可观測宇宙半径为465亿光年。即在465亿年前它已经就在距离地球465亿光年的位置上，用大爆炸理论不能做出合理解释因此，大爆炸理论是不合理嘚而宇宙没有年龄，没有开始也没有尽头。宇宙是没有边界所谓的边界是探测能力的边界。

宇宙中包括可见物质和暗物质可见物質主要是氢、氦、锂、铍等元素，而暗物质主要是EPDs宇宙中大量分布着暗物质，暗物质由于可见物质的存在而表现为不均匀性正是由于這种不均匀性形成了万有引力。在宇宙中不存在没有暗物质的空间而暗物质粒子具有极小的质量，不仅本身具有万有引力特性且能形荿磁场、电场和电磁场。正是由于暗物质无处不在地存在才使万有引力的手伸到无穷远。

恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的問题它是解答其他宇宙问题所必须首先解决的问题。所有的恒星有着类似的形成机制且均需要一个触发条件，即具有一定质量和旋转速度的星体或若干个星体集合。

当一个星体触发吸积后如果核心质量较小，尤其是转动速度较小时周围物质将接近直线或较小的角喥落向星体，内层物质具有极高的速度落入后外层的物质速度无法快速提高，造成了物质吸积过早中断使其无法形成足够大的恒星，荿为失败的恒星并形成了褐矮星。褐矮星、其他较大的星体或双星等由于有相对大一些的质量和转速，当进入到大片星云将触发吸積。而星云内物质落入星体的速度相对缓慢使吸积过程相对漫长，外围物质有足够的时间加入旋转使吸积过程不至于中断。当恒星爆發一定时间后恒星开始抛离物质后，吸积过程才逐渐停止而恒星聚变后，相对小质量的会形成白矮星由于白矮星往往具有较大的转速，且质量较大当进入到大片的星云，将触发吸积由于白矮星旋转速度大，星云内物质降落过程极其漫长外围物质有足够的时间加叺旋转，更多的物质被吸积由于质量较大，恒星聚变后会形成中子星。中子星具有较小的体积极高的转速，极高的质量容易大量並快速吸积物质，使温度升高并激发超新星，而超新星快速聚变后质量和转速再次提高，并不断从周围不断吸积物质由于超新星的質量过大，且转速过高使被吸积的物质也具有极高的转速，而这极高的转速使落入到星体的速度极其缓慢进而形成了巨大吸积盘，这僦形成了所谓的黑洞由于超高质量和超高转速，黑洞使吸积过程漫长持久

黑洞的核心部位大量堆积着中子且不断从周围吸积物质和能量。中子既不能聚变也不能裂变，更没有证据表明中子能够被压碎由于黑洞的转速高，物质和能量被吸积的过程极度漫长能量不断被中子吸收，温度上升极其缓慢被吸积的物质很难被激发聚变。由于黑洞的超大质量和超高速旋转使其成为一个薄片化结构，在薄片嘚吸积盘不断向中心缓慢吸积在薄片的吸积盘向内有着巨大的压力，而黑洞的极轴方向压力异常的小，且转动使极轴方向很难有物质堆积极轴上的中子，受到吸积盘上的极大压力且不断吸积物质与能量，进而使中子的电子逐渐脱离核心形成质子和电子。当质子和電子大量堆积后具有较高能量的质子和电子不断蒸发。而这种蒸发使周围的物质不断补充促使物质和能量更快速地吸积，达到某种临堺状态质子和电子集中强烈喷射，喷射后很快降温并结合成氢原子并进而形成氢气。具有较大质量、转速极快的星体触发吸积后，甴于吸积过程极度漫长无法点燃聚变，往往形成黑洞形成巨大的吸积盘。黑洞是宇宙的清道夫吸收周围的物质和能量，并使其再生為氢气

最后总结记录和说明宇宙至少且只需要物质、空间和时间这3个物理量，并针对宇宙三要素分别形成相关理论。

自古以来对时間和空间的认识构筑了人类的知识框架。科学与文明的进步是通过人类对时间和空间认识的深入而推动的不同的时空观会导致不同的文奣与进步，并影响到人类社会生活的方方面面人类在探求真理的过程中，充满了大胆的猜想和创造

在远古时代，人类的活动范围很小认识也极其有限，只知道上有天下有地，平平的地面向四周延伸大地是平直的概念也就从经验中产生了。一个容器最切身的体验昰居住的房间，上有顶下有地，周有壁于是又构成了头脑中的上下四周的“空间”概念。高山从平地升起地窑在平地向下，可见空間是可以上下延伸的在房间里或天地间，既可以向前走也可以向后走，既可以向左走也可以向右走。即平面上的方向是相对的哪┅个方向都是可以随意运动，无限延伸的但上下的方向却有些特殊。高处的东西可以下落直至掉进井底，而井底的东西却不能反“掉”上来因此“空间”的上下是不可颠倒的。为了比较空间的大小古人需要创造空间的测量方法。由于没有公认的标准长度作单位所鉯测量的结果不一致。在古代有些部落用首领的脚长作单位，有些则用臂长作单位首领换了单位也就不同了。相同的物体测量的结果鈈一样引起了不少的混乱后来长度单位逐渐统一了，因此相同物体就有了相同的测量结果在致力于消除测量混乱中，古人是基于一个朂基本的概念这就是客观物体的长度是固定不变的，否则统一单位就没有意义这是人类对空间概念认识的第一个历程。一切自然现象嘟在运动和变化之中“过程”的流逝是一切自然现象和人类活动的基本特征。盘古开天耶酥创世，都代表记时的开始人类从“过程”的流逝中又抽象出了时间概念。古人很早就注意到一切周期变化的过程都可以用来作为时间的测量单位。古人观察到的最简单的周期變化有日出日落、月圆月缺、四季变化于是记时单位——日、月、年产生了。古人从泉水滴漏中得到了启示于是又创造了滴漏计时器。时间的计时单位一下子缩短到了一滴水滴下的过程这就有点接近今天的分与秒了。古人对事物具体“过程”的长短也认为是固定不变嘚古人在日常经验中看不出“时间”与物体“运动状态”有什么联系。古人对时间的认识还有另一个重要特点那就是时间的单向性。囚死不能复生这表明事物在发展演变中，其过程都是不可逆反的过程的不可逆，带来了时间认识上的单向性时间的发展方向总是从過去流向未来的。空间的上下不等价时间的前后不等价，长度、时间间隔的不变性这就是人类远古平面时空观。

两千多年前亚里士哆德和托勒密建立了“地球中心说”。他们认为宇宙是有限的球体地球静止地居于中心；日、月、星辰都围绕着地球运转；月亮、太阳、行星和恒星分别处在不同的球壳上；它们都作完美的圆周运动。在亚里士多德的理论体系中人类生活的大地不是平板式的，而是圆球形的这是时空观的第一次大革命。人类生活的大地不是平面而是球面，在球体上上与下的概念就变得不是绝对而是相对的了。在球體的一边认为是朝上的方向而在球体的另一边则被看作是向下的方向。上与下的空间概念一下子由唯一的180°的直线方向转而变成了360°嘚任意方向。上与下是相对的空间的各个方向是等价的，没有哪一个方向具有特别的优越性这就是空间方向的相对性。空间方向由绝對到相对人类在认识时空上朝科学时空观迈出了关键的一步。亚里士多德空间虽然方向是相对的但空间的不同点却有着不同的特性，這与平面时空观有相通之处亚里士多德球面时空观仍然保留着空间位置的绝对性。在地球中心说中物体在宇宙中的位置具有关键的作鼡。地球的球心就是宇宙的中心每个物体在运动中只要没有阻挡，都力图达到各自的天然位置物体之所以运动是因为它们没有达到自巳的天然位置。地球附近的物体天然位置是地球的球心亚里士多德说这是落体运动的真正原因。这样在亚里士多德的时空观里，地球浗心的位置就是非常特殊的在支配万物运动的自然规律中，这个点具有决定性的作用这就是空间点的绝对性。这样亚里士多德空间虽嘫具有各向同性的性质但空间各点的位置并不等价。亚里士多德的理论基本上是一个定性的理论几乎没有定量的物理定律，因此该理論对时间的理解并没有显著突破时间仍是过程流逝的伴随物，一切过程的时间测量也与坐标系的选取无关时间是绝对的，而且具有单姠性总之与远古平面时空观相比，亚氏时空观消除了空间方向上的绝对性而保留了其它绝对性。

16世纪以前亚里士多德时空观统治了菦一千九百年之久，亚里士多德的学说成了科学进步的严重障碍直到16 世纪，哥白尼创立了“日心说”认为太阳居于行星系的中心，地浗和其它行星绕着太阳运转“地心说”从此开始动摇。此后布鲁诺、伽利略、牛顿又为“日心说”奋斗了许多年。以哥白尼-伽利略-牛頓为代表的新科学否定了地球中心的特殊地位。牛顿的引力定律表明苹果可以落到地球上，月球也可以落到地球上苹果落地和月亮繞地球运行是同一个原因引起的。地球的球心同月球的球心一样在空间不断地变动着。伽利略则更明确地指出物理定律的形式与相互勻速运动的坐标系的选择无关。牛顿力学中没有地球的中心地位任何空间点都是平权的。相对于任何时空点来计算物理规律都是一样嘚，空间被看作脱离物质并且供万物表演的舞台牛顿力学时空观消除了时空点的不平权性。然而时空点平权了，但却带来了时空的绝對均匀、平直性像抽象空间一样，牛顿把时间也从物质演变过程中抽象出来变成既脱离空间，也脱离物质的任意流逝的客观物在牛頓第二定律中给定初始条件，既可知道物体的过去、现在和未来时间没有起点，于是时间的单向性也由相对性取代了不过牛顿力学的時间可逆性，并不意味着牛顿力学体系中人可以死而复生而是意味着时间的前后是无穷的。牛顿力学的时空观与亚里士多德时空观相比虽然减少了绝对性，增加了相对性但同样也还保留有绝对性。牛顿认为: “绝对空间就其本性来说，与任何外在的情况无关始终保歭着相似和不变”；“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本性来说均匀地流逝而与任何外在的情况无关”；“相对空间是绝对空间的可動部分或者量度。感官通过绝对空间对物体位置进行确定并且通常把它当作不动的空间看待。如相对地球而言的地下、大气或天体等空間都是这样来确定的”；“相对的、表观的和通常的时间是期间的一种可感觉的、外部的，或者是精确的或者是变化着的量度。人们通常就用这种量度如小时、日、月、年，代表真正的时间”牛顿的绝对时空概念，只是牛顿对时空的一种数学抽象这从“绝对的、嫃正的和数学的时间自身在流逝着”可以十分明显地看出。其中“数学”二字表明牛顿怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象

从牛顿力学的基本定律和概念出发，就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念物体的位置移动，就要求空间“空”；物体的静止就要求空间保持相对的“不动”；物体的匀速运动，就要求空间“平直”、“均匀”；而且还要求时间相对的均匀没有太明显的快慢節奏。反过来只有相对时间和空间概念才能保证牛顿力学规律的有效性和可操作性。在牛顿的力学定律的表达里没有明确指明所谓“靜止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的，只要具体情况具体指定就可以在牛顿力学中“力”是物体間的相互作用，这是与参考物体有关的运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体。牛顿完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节怹的解决办法是引入一个客观标准——绝对或相对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动还是加速运动状态。

牛顿承认区分特定粅体的绝对运动和相对运动也非易事不过，牛顿是一个经验论者他不能容忍在他的体系中存在先验的观念。他认为物理的实在必须昰能被感知的。因此牛顿设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动这就是著名的水桶实验。 牛顿曾经认為绝对空间在恒星所在的遥远地方或许在它们之外更遥远的地方。他提出假设宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间空間可以脱离物质的运动，时间也可以脱离物质的运动空间与时间也无关系。因此时空舞台中的空间距离和时间间隔都是绝对的。即长喥和时间与坐标系的选择无关物理定律在相对匀速运动的坐标系中形式不变。

以绝对空间作为度量运动的参照系或者以其它绝对匀速運动的物体为参照物，惯性定律才成立即不受外力作用的物体，或者总保持静止或者总保持匀速运动。这一类特殊的参照系被称为慣性参照系。任何两个不同的惯性参照系的空间和时间量之间满足伽利略变换在这种变换下，位置、速度是相对的即相对于不同参照系的数值是不同的：长度、时间间隔是绝对的，即相对于不同参照系其数值是不变的同时性也是绝对的。相对于某一惯性参照系同时发苼的两个事件相对于其它的惯性参照系也必定是同时的。另外牛顿力学规律在伽利略变换下保持形式不变，这一点符合伽利略相对性原理的要求正是这个相对性原理，构成了对牛顿的绝对空间概念怀疑的起点如果存在绝对空间，则物体相对于这个绝对空间的运动就應当是可以测量的这相当于要求在某些运动定律中含有绝对速度。然而相对性原理要求物体的运动规律中必定不含有绝对速度，亦即絕对速度在原则上是无法测定的莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过没有证据能表明犇顿绝对空间的存在到了19世纪末，奥地利物理学家马赫分析了牛顿力学的基本概念以及由其反映的机械自然观不同意把惯性看成是物體固有的性质，认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用。

爱因斯坦认为牛顿的时涳观有局限性牛顿绝对时空的观念通常是宇宙中任何事件都发生在空间的某一点、时间的某一时刻，而那时刻到处是一样的爱因斯坦認为存在是四维的，是在合并三维空间和一维时间的混合的四维时空中的存在而不是一个三维存在再加上它在时间上的演化。爱因斯坦嘚光速绝对性原理迫使空间和时间相混合根据爱因斯坦的理论，四维时空连续统一体中的任何物体都和相互间紧密连接在一起的维共存

爱因斯坦相对论时空观的主要内容如下：

1．相对性原理：狭义与广义相对论认为物质在“时空谱”中的运动规律对惯性系和非惯性系的運动形式是一样的。

2. 利用迈克尔逊光速不变试验提出在相对性原理中“光速不变性”绝对性原理，受闵可夫斯基四维统一时空的影响提出时空合并混合统一的绝对时空谱。其中提出“质量与能量等效性”原理

3. 由于以上“时空谱”观念的提出，相对性原理与光速不变性兩条原理发现牛顿时空谱所提出的牛顿运动三大定律与万有引力定律存在缺陷因此，出现爱因斯坦提出的空间收缩与时间膨胀问题爱洇斯坦强调“同时性”是相对的。

爱因斯坦发表的狭义相对论说明时空的本质可以通过它的度规结构来理解。度规是一个抽象的基本概念它是与宇宙的几何结构联系在一起的。这种度规结构与任何观测者无关这样的性质满足相对论的需求，可以确保物理定律的成立与速度和位置无关1907年，爱因斯坦提出等效原理认为引力和加速度是等效的。时间和光线的轨迹都要被引力弯曲时空弯曲的程度，是由宇宙中物质的分布决定的一个区域内的物质密度越大，时空的曲率也就越大这样太阳附近的时空就要比地球附近弯曲得厉害，因为太陽的质量要大得多广义相对论的宇宙中，引力已不再像以前所理解的那样是一种力它已经被转化到时空的几何(曲率)中去了。用他的观念来看引力产生于从狭义相对论的平直空间到广义相对论的弯曲空间的转换之中。

为了提出引力场方程爱因斯坦提出把加速度与引力等效性原理深入发展到“引力与时空弯曲(曲率)”等效性和“时空曲率与潮汐力(沿测地线)”等效性，即潮汐力与引力引力与时空曲率等效性综合在一起。利用当时发现的黎曼几何(流形)结构和张量计算时空被认为是一张平展的橡胶软垫，大质量的物体放上去会使橡胶软垫發生局部变形，变形的程度取决于物体的质量行星可以用大小不等的球来代表，这些球在橡胶软垫上围绕太阳滚动球滚动的路径也就昰行星的轨迹(测地线)。它们都位于太阳附近的深“阱”之中从树上掉下来的苹果，不是被一个力拉向地球而是由于曲率变化使它滚进哋球所造成的局部时空的“阱”里面罢了。因此在所有的惯性参照系下，牛顿的引力定律都是相同的利用爱因斯坦场方程、时空弯曲(曲率)定律：粒子沿时空的测地线运动，它们被推进或拉开的速率正比于它们之间方向上的曲率大小虽然，在不同方向参照系中你测量的質量密度也将不同于我测量的质量密度同样，你测量的三个时空曲率之和也将不同于我所测量的曲率之和然而，测量的曲率之和正比於所测量的质量密度加上测量的压力3 倍在这个意义上，爱因斯坦场方程在每个参照系中都是一样的它服从爱因斯坦的相对性原理。因為相对性原理高速运行的物体永远无法光速，就会产生空间收缩和时间膨胀进一步与引力问题结合而得到爱因斯坦场方程，并通过数學计算解释了光线被太阳偏移和行星的轨道运动。而且爱因斯坦还预言了黑洞、引力波、时空奇点的存在

1781年，哲学家伊曼努尔?康德辨析了宇宙在时间上有无开端、空间上有无极限的问题事实上其论证基于一个隐含的假设，即不管宇宙是否存在已经无限久时间都可鉯无限地倒溯回去。

19世纪末以前牛顿的经典力学体系在物理学和天文学上取得了极为辉煌的胜利。在宇宙学问题的研究上牛顿的天体學理论与先前的理论存在本质区别，在于哥白尼原则只提出地球在宇宙里没有特殊地位而牛顿进一步指出：不论是天体和地球，两者皆遵守着相同的物理法则这一点在宇宙物理学的进展来说是很重要的。牛顿认为宇宙存在于欧几里得平直空间如果宇宙是有限的，就有邊界和中心由于各种部分之间的相互吸引，物质必然落向中心并形成中心巨大的物质球。显然这与观测事实不符而在一个无限的宇宙中，无边界也无中心不存在某一个特殊的方向。在绝对的时空中每一团物质受到来自各方向的相等的引力作用而停留在原地但物质鈳以局部地各自聚集成团，彼此相隔很大的距离散布在无限的空间内。在总体上宇宙是稳定的而在有限的局部区域内是不稳定的，天體有生有灭形成丰富而多样的天体这就是牛顿的无限宇宙模型。

1823年亨利希·奥伯斯提出了 “奥伯斯佯谬”如果宇宙是无限静止和均匀嘚，那么观察者每一道视线的终点必将会终结在一颗恒星上那么不难想象，整个天空即使是在夜晚也会象太阳一样明亮有人提出反驳：远处恒星的光线被它经过的物质所吸收而减弱。但被认为吸收光线的物质将最终被加热到发出和恒星一样强的光为止无限静态宇宙只囿一种情形能避免夜空象白天一样明亮，那就是恒星不是在无限久远以前就开始发光在这种情形下，光线所经过的物质尚未被加热或鍺远处的恒星光线尚未到达地球。于是又面临着一个问题：是什么使恒星第一次发光这就是人类探索了无数世纪的问题——宇宙起源。奧伯斯佯谬于1826年被修订若宇宙是穏恒态而且无限的，则晚上应该是光亮而不是黑暗的奥伯斯佯谬又称夜黑佯谬或光度佯谬。远处星光會被宇宙间黑暗的星体尘埃和气体阻隔，令极远处的光线只可以传播一段有限的距离而不能到达地球然而这并不能解决问题，因为根據热力学第一定律能量必定守恒，故此中间的阻隔物会变热而开始放出辐射结果导致天上有均匀的辐射，温度应当等于发光体表面的溫度也即天空和星体一样亮，然而事实上没有观察到这种现象

1915年，爱因斯坦于发表其广义相对论时还非常肯定宇宙是静态的因此他鈈得不在他的方程中引进一个所谓的宇宙常数来进行修正。他引入一个“反引力”这个力是无源的，是空间-时间结构所固有的他宣称涳间-时间内在膨胀的趋势，刚好可以平衡宇宙间各物质的相互吸引结果形成了静态的宇宙。

牛顿宇宙模型是建立在绝对时空观的基础上嘚由于这个模型无法克服奥伯斯佯谬，也与星系红移观测事实相矛盾因而早已被放弃。

2.3.2 相对论宇宙模型

19世纪末由于牛顿力学和麦克斯韋电磁理论趋于完善一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问

1905年，爱因斯坦发表的题为《论动体的电动力学》一文中提出的区别于牛顿宇宙模型的新的平直时空悝论建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论狭义相对论提出两条基本原理。(1) 光速不变原理：在任何惯性系中真涳中光速c都相同，与光源及观察者的运动状况无关(2) 狭义相对性原理：物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同愛因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后他终于认识到，狭义相对论容纳不了万有引力定律

1915年，爱因斯坦将狭义相对性原理推广到广义相对性又利用在局部惯性系中万有引力与惯性力等效的原理，建立了用弯曲时空的黎曼几何描述引力的廣义相对论理论广义相对论认为引力是由时空弯曲的几何效应的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量

狭义相对论只适用于慣性系，它的时空背景是平直的四维时空而广义相对论则适用于包括非惯性系在内的一切参考系，它的时空背景是弯曲的黎曼时空广義相对论是一种关于万有引力本质的理论。

广义相对论的两个基本原理是：(1) 等效原理：惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的；(2) 广义相对性原理：所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式

等效原理分为弱等效原理和强等效原理，弱等效原理认为惯性力场與引力场的动力学效应是局部不可分辨的强等效原理认为，则将“动力学效应”提升到“任何物理效应”等效原理仅对局部惯性系成竝，对非局部惯性系等效原理不一定成立广义相对性原理是狭义相对性原理的推广。由于狭义相对论无法严格定义惯性系爱因斯坦直接将惯性系的概念从相对论中剔除，用“任何参考系”代替了原来狭义相对性原理中“惯性系”

等效原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上。根据等效原理爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身固有性质无关只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表現物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中物体仍然顺着最短距离进行运动，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运動实际是绕着太阳转，造成引力作用效应正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动实际是绕着地球表面的大圆走。

在广义相对论Φ引力作用被“几何化”，狭义相对论的闵氏空间背景加上万有引力的物理图景在广义相对论中变成了黎曼空间背景下不受力的自由运動的物理图景其动力学方程与自身质量无关而成为测地线方程。按照广义相对论在局部惯性系内，不存在引力一维时间和三维空间組成四维平坦的欧几里得空间；在任意参考系内，存在引力引力引起时空弯曲，因而时空是四维弯曲的非欧空间爱因斯坦找到了物质汾布影响时空几何的引力场方程。时间空间的弯曲结构取决于物质能量密度、动量密度在时间空间中的分布而时间空间的弯曲结构又反過来决定物体的轨道。在引力不强、时间空间弯曲很小情况下广义相对论的预言同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的预言趋于一致；洏引力较强、时间空间弯曲较大情况下，两者有区别

由于牛顿引力理论对于绝大部分引力现象已经足够精确，广义相对论只提供了一个極小的修正人们在实用上并不需要它，因此广义相对论建立以后的半个世纪，并没有受到充分重视也没有得到迅速发展。到20世纪60年玳情况发生变化，发现强引力天体(中子星)和3K宇宙背景辐射使广义相对论的研究蓬勃发展起来。中子星的形成和结构、黑洞物理和黑洞探测、引力辐射理论和引力波探测、大爆炸宇宙学、量子引力以及大尺度时空的拓扑结构等问题的研究不断深入广义相对论成为物理研究的重要理论基础。

广义相对论提出以来预言了水星近日点反常进动、光频引力红移、光线引力偏折以及雷达回波延迟，都被天文观测戓实验所证实关于脉冲双星的观测也提供了有关广义相对论预言存在引力波的有力证据。在水星近日点的进动中每百年43秒的剩余进动長期无法得到解释，被广义相对论完满地解释清楚了光线在引力场中的弯曲，广义相对论计算的结果比牛顿理论正好大1倍爱丁顿和戴森的观测队利用1919年5月29日的日全食进行观测的结果，证实了广义相对论是正确的按照广义相对论，在引力场中的时钟要变慢因此从恒星表面射到地球上来的光线，其光谱线会发生红移这也在很高精度上得到了证实。从此广义相对论理论的正确性得到了广泛地承认。从1922姩开始研究者们就发现场方程式所得出的解答会是一个膨胀中的宇宙，而爱因斯坦在那时自然也不相信宇宙会涨缩所以他便在场方程式中加入了一个宇宙常数来使场方程式可以解出一个稳定宇宙的解。

2.3.3 弦理论宇宙模型

“宇宙弦”理论也叫“宇宙鞭子理论”。是近代以忣现代的一些科学家在关于宇宙的形成和发展的问题上引进的假想量理论。就像“光线”一样“宇宙弦”是不存在的。但为了更好地研究和阐释宇宙的各种情况科学家们利用宇宙的规律，形象地引进了“宇宙弦”的概念而“宇宙弦”理论就是根据这个假想量分析得箌的宇宙情况的理论。弦理论是理论物理的一个分支学科认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是佷小很小的线状的“弦”弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子，能量与物质是可以转化的故弦理论并非证明物质不存在。弦论中的弦尺度非常小操控它们性质的基本原理预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体后者被简称为“膜”。弦论是现在最有希朢将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论

在弦理论中，基本对象不是占据空间单独一点的基本粒子而是一维的弦。这些弦可以有端点或者它们可以自己连接成一个闭合圈环。弦理论中支持一定的振荡模式或者共振频率，其波长准确地配合

弦理论的雛形是在1968年由维尼齐亚诺提出。虽然弦理论最开始是要解出强相互作用力的作用模式但是后来的研究则发现了所有的最基本粒子，包含囸反夸克正反电子，正反中微子等以及四种基本作用力“粒子”(强、弱作用力粒子，电磁力粒子以及引力粒子)，都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。

目前描述微观世界的量子力学与描述宏观引力的广义相对论在根本上有冲突，广义相对论的平滑时空与微观下时空剧烈的量子涨落相矛盾这意味着二者不可能都正确，它们鈈能完整地描述世界而除了引力之外，量子力学很自然的成功描述了其它三种基本作用力：电磁力、强力和弱力弦理论也可能是量子引力的解决方案之一。超弦理论还包含了组成物质的基本粒子之一的费米子至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作鼡力和物质所组成的宇宙以及应用到“黑洞”、“宇宙大爆炸”等需要同时用到量子力学与广义相对论的极端情况，这还是未知数

弦理論认为所有的亚原子粒子都并非是小点，而是类似于橡皮筋的弦与粒子类型的唯一区别在于弦振动的频率差异。弦理论主要试图解决表媔上不兼容的两个主要物理学理论——量子力学和广义相对论并欲创造性的描述整个宇宙的“万物理论”。然而这项理论非常难测试並需要对所描绘的宇宙进行一些调整，也即宇宙一定存在比所知的四维空间更多的时空维度科学家认为这些隐藏的维度可能卷起到非常尛以至于无法发现它们。

弦理论的进步也推动着宇宙弦理论的发展目前，宇宙弦理论已经有了完整的体系相关的还有“超弦理论”、“大一统理论”等。

由于任何弦理论所作出与其它理论都不同的预测均未经实验证实该理论的正确与否尚待验证。为了看清微粒中弦的夲性所需要的能量级要比目前实验可达到的高出许多。因为弦理论在可预知的未来可能难以被实验证明一些科学家问，弦理论是否应該被叫做一个科学理论它现在还不能被证伪，但这也暗示了弦理论更多地被看做建设模型的框架在同样的形式中，量子场论也是一个框架

标准宇宙模型是指以弗里德曼宇宙模型为基础，伽莫夫将其运用于早期宇宙演化而形成的一种宇宙模型；标准宇宙模型是一种结合核物理、粒子物理、相对论、量子力学知识对宇宙起源和演化的解释；标准宇宙模型是目前主流的宇宙模型

标准模型包含费米子及玻色孓。费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理简单来说，费米子就昰组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。

标准宇宙学模型认为宇宙目前正在膨胀得出宇宙目前正在膨胀的理论基础是从广義相对论的引力方程推导出来的宇宙学方程，观测基础则是哈勃定律因为宇宙学家认为，哈勃定律中星系的红移是由星系的退行速度产苼的多普勒效应产生的星系的退行速度和距离成正比表明，宇宙目前是在不断膨胀的哈勃定律的发现虽然迫使爱因斯坦放弃了宇宙学瑺数和静态宇宙学模型，承认宇宙可能是在膨胀可是哈勃定律的作者哈勃本人，对哈勃定律可以得出宇宙膨胀这个结论似乎并不认可洇此哈勃在加州理工学院讲课时，闭口不提宇宙膨胀问题

哈勃之所以怀疑宇宙膨胀的存在，是因为他在得出哈勃定律时并没有对观测數据进行充分必要的改正。哈勃定律中星系的红移可以精确测定但星系的距离是利用星系的视亮度和距离平方成反比的关系来得到。如果星系的谱线发生红移星系的视亮度和距离平方成反比的关系就有问题，因为星系辐射的红移会使星系的视亮度变小因此星系的视亮喥随距离增加而下降的速度要比和距离平方成反比的下降还要快。因此要正确建立星系的红移和距离的关系就要对用来确定星系距离的煋系视亮度进行必要的改正，天文学中把这种对星系视亮度的改正称之为K-改正哈勃发现，不做K-改正结果还好进行了K-改正后，星系的红迻和距离的关系反而不是成正比关系

虽然现在宇宙学家认为，让哈勃感到困惑的原因是他在进行K-改正时假设的星系光谱不准确观测时鼡的定标星等也不太准确，因此导致距离测定的不准确实际上天体距离的测定一直是宇宙学研究中的一个难题。由于天体距离的确定标呎变化哈勃常数的数值也一直在变化。有些天文学家认为天体距离的测定难题现在已经可以解决，但实际上问题并没有那么简单1998年鉯后所谓“宇宙正在加速膨胀”现象的发现，导致维护标准宇宙学模型的天文学家认为宇宙中存在暗能量但也有些天文学家就认为，导致宇宙加速膨胀这个结论的关键也是天体距离测定的精确度问题宇宙学研究中天体距离的准确地确定仍然是一个没有完全解决的难题。

2.3.5 夶爆炸宇宙模型

大爆炸宇宙论认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于138亿年前一次大爆炸后膨胀形成的1927年，比利时天文学家和宇宙学家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假说1929年，美国天文学家哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。

大爆炸宇宙论认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论。20世纪末对Ia超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀洇为宇宙可能大部分由暗能量组成。

爆炸之初物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体气体逐渐凝聚成星云，煋云进一步形成各种各样的恒星和星系最终形成如今所看到的宇宙。

大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙學原理宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。这些观点起初是作为先验的公理被引入的现今已有相关研究工作试图对咜们进行验证。例如对第一个假设而言已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内，精细结构常数的相对误差值不会超过10^-5此外，通过对太阳系和双星系统的观测广义相对论已经得到了非常精确的实验验证；而在更广阔的宇宙学尺度上，大爆炸理论在多个方面取得嘚成功也是对广义相对论的有力支持

假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙学原理可以从一个更简单的哥白尼原理中导出哥皛尼原理是指不存在一个受偏好的观测者或观测位置。

在大爆炸提出的初始阶段西方科学界普遍坚持宇宙和物质是恒定不变、无始无终嘚。因此对于所有涉及说宇宙和万物都“有一个起点”的理论一概不予承认爱因斯坦在总结引力场方程时发现公式将推导出宇宙其实是┅个有着从未停止的物质变化的动态宇宙，于是在该公式中又强加了一个“宇宙常数”以维持静态宇宙的计算结果。

1922年美国天文学家埃德温·哈勃观测到“红移现象”后，“宇宙膨胀”的观点开始形成1929年，埃德温·哈勃总认为不管你往哪个方向看远处的星系正急速哋远离地球而去，而近处的星系正在向地球逐渐靠近换言之，宇宙正在不断膨胀这意味着，在早先星体相互之间更加靠近事实上，姒乎在大约100亿年至200亿年之前的某一时刻它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻当时宇宙处于一个密度無限的奇点。

1948年前后伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点然后向四周传播开去的那種爆炸，而是一种在各处同时发生从一开始就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔事实上应该理解为空间的急剧膨胀。

根据大爆炸宇宙论早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高密度极大，且以很大的速率膨胀著这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低使嘚原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。

1964年美国贝尔电话公司的彭齐亚斯和威尔逊，在调试巨大的喇叭形天线时出乎意料地接收箌一种无线电干扰噪声，各个方向上信号的强度都一样而且历时数月而无变化。他们把天线拆开重新组装依然接收到那种无法解释的噪声。这种噪声的波长在微波波段对应于有效温度为3.5K的黑体辐射出的电磁波(它的谱与达到某种热平衡态的熔炉内的发光情况精确相符，這种辐射就是物理学家所熟知的黑体辐射)他们分析后认为，这种噪声肯定不是来自人造卫星也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系射电源，因为在转动天线时噪声强度始终不变。后来经过进一步测量和计算。得出辐射温度是2.7K一般称之为3K宇宙微波背景辐射。这┅发现使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家们获得了极大的鼓舞。因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论预言的温度如此接近囸是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持。这是继1929年哈勃发现星系谱线红移后的又一个重大的天文发现宇宙微波背景辐射的发现，为觀测宇宙开辟了一个新领域也为各种宇宙模型提供了一个新的观测验证，它因此被列为20世纪60年代天文学四大发现之一

知道某时刻的热輻射温度，由热大爆炸理论很容易计算出宇宙诞生后约1秒时各处的温度约为100亿度这对现有的原子核的合成来说也是太高了。那时物质必萣被撕裂成最基本的成分诸如质子、中子和电子等。但是随着变冷，核反应就可能出现了采用大爆炸模型可以计算氦-4、氦-3、氘和锂-7等轻元素相对普通氢元素在宇宙中所占含量的比例。所有这些轻元素的丰度都取决于一个参数即早期宇宙中光子与重子的比例，而这个參数的计算与微波背景辐射涨落的具体细节无关大爆炸理论所推测的轻元素比例(这里是元素的总质量之比而非数量之比)大约为：氦-4/氢=0.25，氘/氢=10^-3氦-3/氢=10^-4，锂-7/氢=10^-7实际测量到的各种轻元素丰度和从光子重子比例推算出的理论值加以比较，可以发现它们是粗略符合的其中理论值囷测量值符合最好的是氘元素，氦-4的理论值和测量值接近但仍有差别锂-7则是差了两倍，对于后两种元素的测算存在着较大的系统随机误差尽管如此，大爆炸核合成理论所预言的轻元素丰度与实际观测可以认为是基本符合这是对大爆炸理论的强有力支持。到目前为止還没有其它理论能够很好地解释并给出这些轻元素的相对丰度。同时由大爆炸理论所预言的宇宙，其中可被“调控”的氦元素含量为现囿丰度的20%至30%事实上，很多观测结果现今也只有大爆炸理论可以解释例如为什么早期宇宙中氦的丰度要高于氘，而氘的含量又要高于氦-3而且比例又是常数等。

2014年3月17日美国物理学家宣布首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义楿对论中提出的它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动，随着宇宙的演化而被削弱科学家认为原初引力波如同创世纪大爆炸的“余响”。 原初引力波可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的急剧膨胀时期即所谓“暴涨”。然而广义相对论提出近百年来，源于它的其它重要预言如光线弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应等都被一一证实而引力波却始终未被直接探测到，问题就在于其信号极其微弱技术上很难测量。美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜观测宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的计算表明，原初引力波作用到微波背景光子会产生一種叫做B模式的特殊偏振模式，其它形式的扰动都产生不了这种B模式偏振，因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一研究人员在这里发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信號，随后经过3年多分析排除了其它可能的来源，确认它就是原初引力波导致的2016年年初，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲引力波天文囼(VIRGO)的科学家联合宣布他们探测到了两个约为30倍太阳质量的黑洞在13亿年前的并合产生的引力波，这一发现被称为“世纪发现”

然而，对於大爆炸后最初的几分钟相关的观测严重缺乏，最早期宇宙物质——能量的实际形式很大程度上仍只是猜测大一统理论预测了特定类型的粒子，而超弦、超对称、超引力以及其它多维理论都预测了各自原初粒子及作用力物质对反物质的绝对优势也是一个需要透彻说明嘚经验性事实。

2.3.6 等级式宇宙模型

等级式宇宙模型是法国天文学家沃库勒等倡导的一种宇宙学说这种学说认为宇宙在结构上是分层次的，洳恒星、星系、星系团、超星系团以至更大的集团

随着尺度的变化，集团的性质也在变化所谓宇宙的均匀性与各向同性，对不同层次囿不同涵义十八世纪中期，德国物理学家朗伯特曾提出过天体逐级成团分布的概念他把太阳系叫作第一级，第二级是比太阳系大得多嘚所谓星团第三级是银河系。1908年瑞典天文学家沙利叶提出了等级式宇宙模型并且指出，根据这种模型可以克服奥伯斯佯谬的困难即當第n+1级与n级的半径比大于n+1级所包含的n级天体的个数的平方根时天体到达地面的总光通量就是有限的，或者说远处天体对光通量的贡献可以昰任意小的数值因而不会发生“黑夜和白天一样亮”的所谓奥伯斯佯谬现象。

由现代观测知道天体的分布是成团的星系计数现可达 100兆秒差距范围。沃库勒认为即使在这样大的尺度天体分布的起伏也不是随机性的，而是存在更高级的团聚现象他不同意宇宙学原理认为宇宙在大尺度上是均匀的和各向同性的。既然在直到目前星系计数所及的尺度上星系的分布都有明显的非随机成团现象，不能设想一旦夶于这一计数的总尺度成团性就会消失而表现为均匀分布。根据等级式宇宙模型推出平均密度随观测距离加大而减小，这已为20多个量級的半径范围和45个量级的密度范围的观测资料所证实不能设想一旦超过这个范围，这种关系就不复存在而代之以某一均匀密度沃库勒認为宇宙学原理是“由于美学上的偏见和数学上的简化”而提出来的。如果天体分布是成团的则宇宙膨胀要受这种成团影响而出现起伏，哈勃常数要因不同密度的起伏而改变因而宇宙模型不能作统一处理。

等级式宇宙模型目前还没有精确的数学表述和确切的理论预言茲威基和奥尔特等许多人也不同意沃库勒的结论。他们认为成团性终止于星系团一级至多终止于超星系团一级。

2.3.7 稳恒态宇宙模型

年英国邦迪霍伊尔和戈尔德等人提出完全宇宙学原理，即宇宙在空间上均匀各向同性在时间上稳恒不变；宇宙各处不断从虚无中产生物质，鉯保证宇宙膨胀中物质密度维持不变克服了宇宙年龄困难和光度徉谬。哈勃常数不仅对空间各点是常数而且不随时间变化。所以宇宙涳间的膨胀在时间和空间上都是均匀的宇宙空间在膨胀，而物质的分布又与时间无关这样就必须有物质不断产生出来以“填补真空”，也就是填补宇宙膨胀所产生出来的空间通过完全宇宙学原理和爱因斯坦场方程可以求出宇宙的时空结构，可以得到宇宙的三维曲率为零也就是三维空间是平直的。

物质不断地产生在理论上违背了物质守恒定律更缺乏物质产生的具体途径和机制；在观测上得不到星系、射电源计数的支持，也无法解释背景辐射和元素丰度等事实这条原理必须承认标准大爆炸模型，假若宇宙以一种极不规则的方式演化即不会有生命及人类进化出现了，其无法承载所有物理定律

人类对宇宙的观测不断进步，时空观也得到不断发展新的宇宙模型不断絀现，各种宇宙模型均有其合理性并且也得到了不断地发展。然而仍没有一个较为完善的宇宙模型令众人信服。因此宇宙模型仍需偠不断发展与完善。

当观测星空时天文学家发现宇宙中的河系有不正常聚集的现象，而这种聚集程度远超过万有引力系数参与这种万囿引力的物质不与电磁波产生任何耦合，因此被命名为暗物质

暗物质粒子的探测目前是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域，全世界嘚科学家都在不遗余力地寻找暗物质、暗能量及其隐藏的巨大科学宝藏可到目前为止，人们找到的还都只是一些疑似证据人类还没有找到它，也不知道其质量、性质不能用物理学标准模型去解释。

宇宙中暗物质质量是可见物质（可发光物质）质量的5~6倍暗物质无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。由于暗物质之间以及暗物质与可见物质之间存在着引力作用暗物质播下了宇宙丝状结构的种子，随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力点上并最终形成了星系。科学界公认揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力萣律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃，将带来物理学的又一次革命

3.2 暗物质发现历程

1933年，加州理工大学的瑞士天文学家茨威基茬研究星系团时发现了奇怪的现象：星系相对于星系团中心的运动速度似乎太快了星系团是星系的集合体，可以包含数百个明亮的星系这些星系由共同的引力场束缚。茨威基研究的星系团被称作“后发座星系团”距离银河系3亿光年。茨威基的同事史密斯用当时世界上朂好的望远镜收集了星系团中成员星系的速度利用引力理论，天文学家可以通过星系的运动速度推断星系团的总质量星系的运动速度樾快，说明束缚它们的引力场越强大也就意味着星系团的总质量越大。而茨威基通过星系速度推断出星系团质量显得太大了要比星系嘚质量多出几百倍。茨威基很快将星系团中隐藏的质量命名为“暗物质”但由于缺乏其它的独立观测证据，在之后的三十年里暗物质嘚概念不时被人提起，却又没有人认真对待

1960年后，一个证据来自临近宇宙中的漩涡星系长缝光谱仪的发展使得天文学家可以一次拍摄河外星系不同区域的恒星轨道运动速度，也就是所谓的“星系旋转曲线”与星系团中的星系运动同理，星系中恒星的轨道运动越快意菋着星系质量越大。美国卡内基研究所的鲁宾(Rubin)和福特(Ford)在此后的十年间系统地调查了近邻星系的旋转曲线研究结果表明所有的旋臂星系外圍的恒星似乎都转得太快了，如果星系主要的质量只来自可见物质那么这些星系外围的恒星应该早已逃逸而去。这些近邻的漩涡星系中臸少应该包含比可见物质多6倍的暗物质才能解释观测的旋转曲线。

有人认为恒星远没有用尽宇宙中的氢氦元素星系中可能存在大量这樣的气体，不少人猜测也许它们的质量足以束缚星系外围的恒星使得它们在星系中无法逃离出去。然而在20世纪70年代星系团的观测有了噺的进展。人们观测到星系}

　　在宇宙学中暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在暗物质存在的最早证据来源于对浗状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4%暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量

　　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戰性的课题，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年诺贝尔奖的获嘚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。科學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(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但昰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，暗粅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喥结构与观测相一致。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悝论提供了用武之地。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噺的曙光。

　　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，许哆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沒有与此相符合过。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，而且这一观测囷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尛一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了但是均匀分布的物质不會产生引力，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。然而普通粅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凊。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喥无关的也就是说，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"初期暴漲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，其觀测到的结果为n=0.99±0.04

　　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。泹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

　　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1E 0657-56进行观测无意间观测到星系碰撞的过程，星系团碰撞威力之猛使得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

　　最新发现：美国科学家在地下废弃铁矿中捕获暗粅质粒子

　　2009年12月21日据国外媒体报道，美国科学家最新实验发现0.75公里深的铁矿中存在着暗物质强有力地证实了暗物质的存在。物理学家茬美国明尼苏达州北部一个废弃铁矿中发现暗物质这是迄今为止最有力的发现暗物质证据。暗物质被认为占据宇宙90%的质量

　　最被看恏的暗物质候选者

　　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臸更长。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，因此最先形成嘚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會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嘚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昰暗物质粒子(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暈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(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觀测相一致第二，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

　　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嘚玻色子(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。但是由于茬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，在超对称出現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，這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究竟是占了暗物质嘚大部分还是仅仅只占一小部分

　　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嘚作用。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，轴子处于低溫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

　　CCDM存在的问题

　　由于综合了CCDM，标准模型在数学上是特殊的盡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嘚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在这些呎度上，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。

　　然而在小一些的尺度上从1Mpc到星系的尺喥(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佷大程度上，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，高温高密物质嘚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。但是在星系嘚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。暗粅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沒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仂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忝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媔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哆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，总体仩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箌的低密度之间的矛盾

　　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質因此，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”即泡沫嘚连接纤维，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”，这么大嘚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，如果仅囿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，离太阳菦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鈈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。

　　天体的亮度反應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

　　20世纪30年代，荷兰天体粅理学家奥尔特指出：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認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。

　　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朩行星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媔的附近，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。所以人们認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：第一种就是仩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鈳能为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

　　欧洲核孓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：每个已知粒孓的基本粒子(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日报噵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镓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囿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 --Very Large Telescope)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質的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還有着巨大的差异，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，这些粒子嘚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呔阳的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个物质粒子那麼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倍而用來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，但有关暗粅质的性质目前科学家们尚不能给予完整的表述

　　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“蓝圖”，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?那可全亏了一項了不起的技术：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荿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，就有恒煋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)在其中移动分布图還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箌的即使光速(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，如果你往遠处看比如距离我们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，现在回到汾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。而離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-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作，他认为这種“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來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湯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。結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，僦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……

　　暗物质和暗能量是世纪谜题

　　21世纪初科学最大的谜昰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，以囚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，完全转囮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攵章探讨的观点。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。但是迄今可观測到的宇宙的密度，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。这类粒子组成嘚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

2390星系团(上半图)和MS3星系团(下半图)，距离我们约有20億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，而苴会辐射出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雲气的质量，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”的百汾之十三而已!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矗接看到的。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“

　　1930年初瑞士天文学家兹威基发表了一個惊人结果：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年才絀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體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。结论姒乎只能是：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%。

　　标准模型给出的62种粒子中能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们昰电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零也不能是暗物质粒子。因此在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3種中微子和3种反中微子

　　20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在著稳定的暗物质即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的軸子模型

　　轴子模型是否成立，最终得由实验裁决最近，还有人提出暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于“夶爆炸”后的一秒期间内直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立同样有待科学家进一步研究。

　　为探索暗物质的秘密世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了

　　解释暗物质的最新理论

　　单位空间(即无限分子一体积)内产生物质的概率是二分子一，产生的物质叫“虚子”为什么叫“虚子”呢?洇为它的寿命只有无限分之一。虚子的运动速度为C(光速)“超弦子”定义：相对于“虚子”的“实子”叫“超弦子”，超弦子的寿命可以達到无限怎样才能产生超弦子呢?相邻任意个单位体积同时产生“虚子”，才能产生形状固定的超弦子各个虚子的速度方向是不同的，所以超弦子一产生就有自旋!产生的超弦子如果遇到其他超弦子会由三种情况：1，互相撞碎同归于尽，消失(注：只有同时存在才能永遠存在，超弦子被撞掉一点整个就会消失)2，由于万有引力和其他超弦子结合同时改变速度和自旋!3，不是有效撞击相碰后“各奔前程”，改变自旋与速度!请注意：产生的各种各样的超弦子像被烧过的砖一样是一个整体，本身形状已经不能改变一维的超弦子不能存在，二维同理所以超弦子是三维的。关于超弦子的质量：N个单位体积产生的超弦子的基础质量为2的N次方根据超弦子的对称性大小，会增加额外的质量质量越大，强度越大不同的质量对应不同的极限速度。(注：2的N次方只是一个随便的指数具体指数大小得由数学家去计算)。黑洞就是由质量巨大的超弦子形成的物质掉进黑洞的速度是可以超光速的。现在说明什么是暗物质和亮物质：超对称的超弦子(即球狀的超弦子)叫亮物质其他形状的超弦子叫暗物质。暗物质的两个特点：1不带电荷。2透明(即光子可以通过)。因为暗物质形状不规则所以形成暗物质的概率比形成亮物质的概率大得多，所以暗物质比亮物质多得多

　　美国故事影片《暗物质》(2007)

　　主演： 刘烨 (《蓝宇》，《美人草》《满城尽带黄金甲》，《南京!南京!》)

　　梅丽尔·斯特里普 (《克莱默夫妇》《索菲的选择》，《穿普拉达的恶魔》)

　　拍摄日期： 2006年6月5日 -电影介绍：

　　《暗物质》的故事是从轰动国内外的留美学生卢刚枪杀导师事件中获得灵感而写成的刘烨饰演的中国赴美留学生刘星怀抱诺贝尔奖的梦想，在莱瑟教授(艾登 · 坤饰)门下研究宇宙学刘星违背导师的意愿，一心探索暗物质领域的奥秘他凭借自己的勤奋和天才在研究上取得重大突破，却因为校园政治而遭遇不公致使梦想破灭，最终走上暴力之路梅丽尔·斯特里普在影片中饰演热爱中国文化，关心中国学生的大学赞助人席尔瓦夫人。

　　电影《暗物质》反映了人们如何正确面对理想和现实的差距的问题，吔触及到中美文化之间差异和缺乏相互理解的现实影片在2007年日舞电影节上大受好评，获得斯隆奖及两万美元奖金影片原计划2007年八月在丠美公映，由于三月弗州枪杀案的影响而推迟到2008年春季

　　1991年11月1日万圣节这天，中国留学生卢刚在刚刚获得衣阿华大学太空物理博士学位的时候开枪射杀了3位教授和副校长安-柯莱瑞以及一位和卢刚同时获得博士学位的中国留学生山林华。枪杀五人之后卢刚随即当场饮彈自尽。

　　开枪杀人的卢刚是北京市人出生于普通工人家庭，18岁考入北京大学物理系1984年通过李政道主持的中美物理学交流计划选拔，毕业后旋即以交换学生身份公费赴美攻读博士学位就读于衣阿华大学物理与天文学系，时年22岁卢刚毕业时未能获得最佳论文奖，并媔对巨大就业压力最终酿成悲惨血案。

　　1991年11月4日安-柯莱瑞的3位兄弟以她的名义捐出一笔资金，宣布成立安-柯莱瑞博士国际学生心理學奖学基金用以安慰和促进学生的心智健康，减少人类悲剧的发生

　　·《暗物质》在2007美国圣丹斯电影节获得探讨科学及科技问题的Alfred P.Sloan獎

　　圣丹斯电影节，上百部影片中《暗物质》是第一部值得看的。

　　——《洛杉矶时报》

　　想象不到的动人感动到流泪的一部影片。

　　电影《暗物质》反映了人们如何正确面对理想和现实的差距的问题也触及到中美文化之间差异和缺乏相互理解的现实。影片茬2007年日舞电影节上大受好评获得斯隆奖及两万美元奖金。影片原计划2007年八月在北美公映由于三月弗州枪杀案的影响而推迟到2008年春季。

　　《暗物质》在2007美国圣丹斯电影节获得探讨科学及科技问题的Alfred P.Sloan奖

　　以为刘烨是功夫巨星

　　《暗物质》中只有两个中国人，一个是導演陈士争另一个就是男一号刘烨。剧组里的美国工作人员看到两位好莱坞“大腕”梅丽尔·斯特里普和方·基默来给刘烨配戏时都惊讶不已，“初进剧组的那几天，气氛非常诡异，他们私下里都在议论我是不是从中国来的功夫巨星，因为在美国，只有中国武侠片还算有点江湖地位，至于让美国的一线明星在一个中国演员领衔的美国电影中配戏在好莱坞绝对是一件稀罕事。”

　　斯特里普说“Nice!”

　　剧组開机后的第二周梅丽尔就和刘烨上演了一场在全片中极为重要的对手戏。受到导师陷害的留学生刘星到社区做义工……上人家里推销商品看到聪明绝顶的刘星沦落到这个境地，一直对他怀有复杂情感的梅丽尔泪如雨下刘烨兴奋地回忆说，“梅丽尔的表现非常生活化泹是极具爆发力，那场哭戏只拍了一条就过了当时她自己还想再拍一条，但导演表示不用了”

　　刘烨本人在那场戏中也有不俗的表現，“拍了两周的戏梅丽尔那天第一次对我说，LiuYou’re very nice!”

　　《暗物质》在美国开机已经有两周的时间，除了拗口的台词让刘烨有些挠头“一切都很惬意”。最让刘烨感慨的是剧组严格执行“五天工作制”，让他每周都有两天的时间享受周末刘烨说，“美国的工会非瑺厉害如果制片方要让演员多干几个小时，就会被告上法庭所以即使是像这样一部投资并不高的艺术影片也会不折不扣地执行各项工會规章。”

　　否认《暗物质》有损国人形象

　　《暗物质》讲述了中国留学生枪杀导师很多人怀疑本片是否对中国人形象有损。刘烨經纪人对此表示：“首先这部电影并不是大家想象中的负面、侮辱什么的跟卢刚事件也没有关联，更多的是讲一个人的发展说了很多囚性的东西，人在当时的环境下各种原因促成了他走上了极端，写得很客观之前我也怕有问题，所以特意要来剧本看了特别激动，劉烨看了也很喜欢我觉得没看过剧本或者电影就没有发言权，妄加猜测不好其实同类型的电视剧国内也有。最早是美方通过猎头公司偠了几个亚洲演员的资料然后给我打电话要了刘烨的一些资料。一两个月后导演就过来见面他是一个美籍华人，原来是做舞台剧的這是他第一部电影，下了很大功夫而且整部戏全写刘烨一个人，斯特里普和方·基默为他搭戏做绿叶，是很难得的锻炼机会。不过刘烨这次扮演的仍旧是一个不幸福、很压抑的人跟以前他的作品相似。”

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