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宇宙的最后三分钟 第六章 给宇宙过磅
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人们常说有上必有下。引力对抛向天空的物体所起的作用是要阻止物体的飞行，并把它拉回地球。但是，事情并不总是如此。如果物体的运动速度足够快，就可以完全摆脱地球的引力，结果它就能飞入太空而永不返回。发射行星际空间飞船的火箭就能达到这么高的速度。
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临界“逃逸速度”大约为每秒 11.2 公里（每小时 4 万公里），这相当于协和式飞机速度的 20 倍以上。临界速度可以从地球的质量（地球所包含的物质的数量）和半径导出。对一定质量的物体来说，直径越小，表面引力越大。脱离太阳系意味着要克服太阳的引力。太阳的逃逸速度为每秒 16.7 公里。想要脱离银河系向外逃逸就得有每秒几百公里的速度。在另一个极端，如对于中子星一类致密天体，逃逸速度为每秒几万公里，而对黑洞来说逃逸速度就是光速（每秒 30 万公里）。
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脱离宇宙的速度有多大呢？在第二章中我已指出，宇宙看来没有边界，也就无从逃离。不过要是我们暂且假定有这样的边界，而且它处于我们的观测极限处（约离我们 150 亿光年），那么，逃逸速度大约要达到光速。这是一个极有意义的结果。因为大多数遥远的星系看上去正在以接近光的速度远离我们退行，要是就取这个数值，那么星系看上去正在以很高的速度向远处运动，因而实际上它们恰好可以“逃离”宇宙，或者至少它们是在相互远离，并且“永不返回”。
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事实上，膨胀宇宙尽管没有十分明确的边界，它的行为却同地球上抛起的物体十分类似、如果膨胀速度足够大，退行中的星系就会克服宇宙中所有其他物质的总引力而逃逸出去，于是膨胀将会永远持续下去。另一方面，如果膨胀速度太低，膨胀最终会停下来。接着宇宙便开始收缩。那时，星系将再次“掉回来”。随着整个宇宙的坍缩，按理而来的便是宇宙的最后一次大灾难。上述两种景象中我们面临的是哪一种呢？答案取决于两个数字的较量。一方面是膨胀速度，另一方面是宇宙的总引力，后者实际上就是宇宙的重量。吸引力越大，宇宙必须膨胀得越快才能将之克服。天文学家可以直接从红移效应对第一个量加以测定。我在第一章中已经解释过，这个答案仍然存在某种争议，所以在撰写本书之时保守—点说，现在所知道的数值可能有上下 1 倍的误差。但是，第二个量的问题就要大得多了。
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怎样称出宇宙的重量呢？这个问题看上去令人束手无策。很清楚，我们不可能直接做到这一点。然而，我们也许能借助引力理论来推算出它的重量。要得出这个值的下限并不难。从太阳对行星的引力可以称出太阳的重量。我们知道，银河系包含大约 1000 亿颗其质量类似太阳质量的恒星，这就大致给出了星系质量的下限值。现在我们可以估计宇宙中一共有多少个星系。把它们逐个累加起来是不可能的，因为数目太大了。但是，一种合理的估计是 100 亿个。于是就得出总重量为 1021 太阳质量，或者说约 1048 吨。只要知道这个星系超级大家庭的半径，我们便可计算宇宙逃逸速度的极小值：答案是约为光速的百分之一。由此我们可以得出这样的结论：如果宇宙的重量仅仅来自恒星，它便可以解脱自身引力的束缚，永恒地持续膨胀下去。
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许多科学家对此确信无疑，但不是所有的天文学家和宇宙学家都相信这样求和的办法是正确的。我们看到的物质同实际存在的物质相比，显然估计过低，因为宇宙中的天体并不都是发光的。诸如暗星、行星和黑洞一类的暗天体，大多数我们都没有注意到。更有大量的尘埃和气体，它们绝大部分都难以察觉。此外，也难以想象星际空间完全空无一物，那里也许有大量稀薄的气体存在。
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然而，这几年来一种更有吸引力的可能性激起了天文学家的浓厚兴趣。宇宙起源于大爆炸，而大爆炸不仅是我们所看到的一切物质的本源，也是我们现在看不到的许多物质的本源。如果宇宙最初是一种灼热的亚原子粒子汤，那么除了人们所熟悉的电子、质子和中子（它们构成了你、我以及我们周围的其他普通东西）之外，也必然生成过粒子物理学家最近才在实验室内识别出来的所有其他各种粒子，而且数量很大。人们发现这些其他种类粒子中的大多数是很不稳定的，很快就发生衰变，但有一些也许便作为原初宇宙的遗骸而留存在今天的宇宙中。
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在这些遗骸中主要是中微子，现已证实这种幽灵般的粒子在超新星中极为重要（见第四章）。据我们迄今所知，中微子不能衰变成任何别的东西（实际上，有 3 种不同类型的中微子，它们之间也许能相互转变，不过这里我们不考虑这种复杂情况）。因此成们认为宇宙应当沉浸在大爆炸留下的宇宙中微子海洋中。只要假定大爆炸的能量对所有各类亚原子粒子均分，就能计算出总共应有多少个宇宙中微子。由此，得出的结果是大约每立方厘米空间有 100 万个中微子，或者说每立方分米约有 10 亿个中微子。
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我始终对这个惊人的结果极感兴趣。在任意给定的时刻，你的身体里就有大约 1000 亿个中微子，它们几乎全是大爆炸的遗骸，并且自最初存在的 1 毫秒以来就保存了下来，而且基本上没有受到任何破坏。因为中微子以光速或接近光速的速度运动，它们闪电般地穿过你，结果每秒钟就有 1 万亿亿个中微子穿透你的身体。由于中微子与普通物质间的作用极为微弱，完全可以忽略不计，因此这种不停顿的侵袭丝毫不为我们所察觉，而且在你的一生中甚至可能没有一个中微子会留在你的身体里。尽管如此，在看上去似乎空无一物的宇宙空间里有这么多中微子存在，这对宇宙的最终命运具有深远的影响。
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虽然中微子的相互作用异常微弱，但它们确实与所有的粒子一样会产生引力。它们或许并不直接对周围的其他物质产生推和拉的作用，但有可能证实它们的间接引力效应对增加宇宙的总重量是至关重要的。为确定中微子的贡献有多大，必须对它们的质量作一番了解。
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以快速运动的粒子来说，质量是个难以捉摸的概念。那是因为物体的质量并不是一个固定不变的量，而是取决于物体的速度。例如，如果 l 千克的铅球以每秒 260000 公里的速度运动，便会重 2 千克。这里的关键因素是光速。物体的速度越接近光速，它的质量就越大，而且质量的这种增大是没有极限的。因此为了不至发生混淆，物理学家在谈到亚原子粒子的质量时，都是指静止质量。如果粒子以接近光的速度运动，它的实际质量也许是它的静止质量的很多倍。例如，在大型粒子加速器内部，作回旋运动的电子和质子的质量可达到它们静止质量的好几千倍。
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至于重力，它是实实在在的，而不是算出来的静止质量。尽管中微子的静止质量可能非常小，但由于中微子以接近光的速度运动，它们也许有很大的质量。事实上，它们甚至可能有零静止质量，而运动的速度正好等于光速。达时，它们的实际质量必须根据它们的能量来确定，而对于残留下来的宇宙中微子来说，后者又可以通过理论计算从在大爆炸中所获得的能量推导出来，同时必须考虑宇宙膨胀的衰减效应并加以修正。这种做法所得出的具有零静止质量的中微子对宇宙的总重量并没有重大的贡献。
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另一方面，我们不能肯定中微子确实具有零静止质量。从理论上说，我们今天对中微子的认识并不诽除它具有有限的静止质量。因此，这就变成了一个需要判别究竞是哪一种情况的实验问题。第四章中已经提到，如果中微子有静止质量，那么它肯定是非常小的，要比其他任何已知粒子小得多。但是，宇宙中有这么多的中微子，即使是微小的静止质量也会使字宙总重量发生重大变化。这是一个需要仔细权衡的问题。即使质量小到电子（已知最轻的粒子）质量的万分之一，也足以产生重大的影响：中微子的总质量会超过所有恒星的总重量。
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要探测这么小的静止质量十分困难，实验得出的各种结果既混乱而又相互矛盾。碰巧，人们探测到了超新星 1987A 发出的中微子，它提供了一条重要的线索。如果中微子有零静止质量，那么所有的中微子必定都以严格相同的速度（光速）运动。另一方面，如果中微子有很小的非零静止质量，那末速度可能就有个范围。超新星发出的中微子可能具有很高的能量，所以即使它们确实具有非零静止质量，也会以非常接近光的速度运动。但是，因为这些中微子要在太空中作长时间的旅行，即使有微小的速度变化．也会引起到达地球的时间上的变化，而这种变化是可以测量出来的。研究来自超新星 1987A 的中微子在时间分布上的跨度，可以得出中微子静止质量的上限为电子质量的三万分之一。遗憾的是情况要比这来得复杂，因为已经知道存在着不止一种中微子。大多数有关静止质量的测定工作都是指泡利最初假定的那种中微子，但自从这类中微子发现以来，已经找到第二种中微子，并推断有第三类中微子存在。所有这三类中微子在大爆炸中都会大量地产生出来。直接确定另外两类中微子的质量范围是很困难的。实验表明，可能取的数值范围依然很宽。不过最近理论学家的流行观念正转为反对中微子可能在宇宙质量中占主导地位。但是，这种观念可能得容易被新的中微子质量实验测定结果所推翻。
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问题的复杂性还不止这些，因为在谈到对宇宙重量的估计时，中微子并不是唯一可能存在而应加以考虑的宇宙遗骸。大爆炸时还会产生其他稳定的弱相互作用粒子，也许它们会有相当大的质量（如果质量太大，粒子就无法产生了，这是因为产生高质量粒子需要大量的能量）。它们通称为弱相互作用重粒子（ Weakly InteractingMassive Particles，缩写成WIMP）。事实上，理论学家已经有了一份假设的弱相互作用重粒子检验单，它们有着堂吉诃德式的名字，如引力微子，希格斯微子以及光微子。没有人知道它们是否真的存在，但如果确实存在的话，它们可能会对宇宙重量的确定起关键性的作用。
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值得注意的是，也许有可能通过弱相互作用重粒子与普通物质相互作用的方式来直接检验这类粒子的存在。这种相互作用预期是很弱的，但由于弱相互作用重粒子的质量较大，这使它们能有比较大的活力。英国科学家已在英格兰东北的一座盐矿里设计了一项实验，以期发现通过那儿的弱相互作用重粒子。假定宇宙中充满弱相互作用重粒子，那么任何时到都会有数量极大的这类粒子穿过我们身体（还有地球）。这项实验的目标是令人吃惊的：要探测出一个弱相互作用重粒子击中原子核时所发出的声音！
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实验用仪器由放在致冷系统中的锗晶体或硅晶体组成。如果有一个弱相互作用重粒子击中晶体内的一个原子核并与之相互作用，它的动量便会引起原子核的反冲。这种突如其来的冲击产生一种很弱的声波，也就是晶体振动。随着波向外传播，它会衰减下来并转变成热能。这项实验的设计就是要探测与这种衰减声波联系在一起的极小的热脉冲。由于晶体冷却到接近绝对零度，探测器对注入的任何热能极为敏感。
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理论学家猜想，银河系沉浸在一大群呈团块状而运动又较为缓慢的弱相互作用重粒子之中，粒子的质量介于 1 个质子质量到 1000 个质子质量之间。当太阳系在银河系中作轨道运动时，会扫过这种看不见的海洋。如果粒子的典型速度为每秒几千公里，那么地球上每 l 千克物质每天所能散射的粒子数可多达 1000 个。如果这正是事件的发生率，弱相互作用重粒子的直接探测应当是可行的。
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在继续设法猎取弱相互作用重粒子的同时，天文学家也正在着手处理宇宙称重的问题。一个天体即使看不见（或听不到），它的引力效应仍然会表现出来。例如，天文学家由于察觉土星轨道受到一未知引力源的扰动而发现了海王星。绕亮星天狼星转动的暗白矮星天狼 B 也是通过这条途径发现的。因此，只要监视可见天体的运动状况，天文学家也可以建立起任何不可见物质的图象（我已经说明了这种方法如何使人们猜测到天鹅 X-1 中可能有黑洞存在）。
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最近一、二十年间，人们仔细研究了银河系内恒星运动的方式。银河系并不是静止的，而是在缓慢地转动。恒星绕银心转动的典型时间尺度超过 2 亿年。银河系的形状很像一个盘子，银心附近聚集着大量的恒星，银盘里包含了更多的恒星、气体和尘埃。因此，粗略地说情况同太阳系相类似，后者是行星绕太阳旋转。在太阳系内，水星和金星这类内行星比土星和海王星这类外行星要转得快，这是因为内行星受到的太阳引力更强。你也许会以为这个规律也适用于银河系，即银盘外部区域恒星的运动速度应比银盘中央的恒星要慢得多。
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然而观测结果并非如此。在整个银盘内恒星的运动速度大致相同，其解释只能是银河系的质量毕竟不是都集聚于其中央，而是一定程度上表现为平均分市。因此，看上去银河系质量好像集中在中央这一事实表明发光物质仅仅反映了部分实际情况。很明显，存在大量的暗物质或不可见物质，它们中的大部分分布在银盘的外围，从而加快了这部分区域内恒星的运动速度。甚至很可能暗物质的主要部分分布在发光银盘可见边缘之外以及银道面外侧，它们以一种不可见的大质量晕的形式包围着银河系，并延伸至遥远的星际空间。在其他星系中也观测到了类似的运动图像。要是用太阳的质量和亮度间的关系，从星系可见区域的亮度可以推算出它的质量；而测量表明，平均来说显示的质量比它们亮度所反映的质量大 10 倍以上，在最外部区域甚至高达5000倍。
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对星系团内全部星系运动状况的研究也得出了相同的结论。很清楚，如果星系运动得足够决，它将会摆脱星系团的引力束缚。如果团内所有星系的运动都这样快，这个星系团便会很快瓦解，后发座内有一个由几百个星系组成的典型星系团，人们已经对它作过深入细致的研究。后发团星系的平均速度实在太大了，以致这个星系团无法长期存在，除非那里要有比亮物质质量至少多 300 倍的物质。因为一个典型星系穿越后发星系团只要花 10 亿年左有的时间，所以到现在为止已有充足的时间使这个星系团瓦解。但这种情况并没有发生，星系团的结构从各个方面给人的印象表明它是一个引力束缚系统。很明显，那儿存在某种形式的暗物质，而且数量很大，正是这些暗物质影响了星系的运动。
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对宇宙更大尺度结构的仔细研究进一步说明了可能存在着不可见物质。这种结构是以星系团和超星系团集结在一起的方式出现的。我在第三章中已经提到，星系分方的方式使人想起泡沫，它们成串排列，形成纤维结构，或蔓延开来形成巨大的薄片。它们包围着一些硕大无朋的巨洞。如果没有暗物质的额外引力作用，这样一种泡沫状的成团结构在自大爆炸以来的这段时间内是不可能出现的。但是，直到撰写本书之时，还无法借助任何简单形式的暗物质，通过计算机模拟来产生观测到的泡沫结构，这可能意味着需要某种复杂的混合型暗物质。
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最近，科学界的注意力集中在用一些奇异的亚原子粒子作为暗物质的候选者。但是，暗物质以较为常见的形式存在也是可能的，如行星尺度的物质或者暗桓星。这类暗天体可能数量非常之大，它们在我们周围的太空中漫游，只是我们对这一事实毫无察觉且不以为然。近来，天文学家找到了一种方法，它能揭示没有受可见天体引力束缚的暗天体的存在。这种方法利用了爱因斯坦广义相对论所得出的一项结果，这就是引力透镜。
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