宇宙知识

宇宙知识

人类走出太阳系 星际旅行需43年

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美国航空航天局(NASA)的研究人员预言，将来人类可以在不到50年的时间里乘坐由激光提供能量的太空船进行星际旅行。NASA格伦研究中心的吉弗雷-兰迪斯表示：“人类最终将实现这一梦想，现在的问题是从什么时候开始以及以何种方式进行，因为探索和征服宇宙一直是人类最远大的理想。”


传统的太空旅行方式因为速度较慢不足以让旅客前往太阳系之外的宇宙空间进行探索活动，兰迪斯预言未来的太空船将装备大型船帆，由激光提供动能，其飞行速度可以达到光速的10%。这样速度的飞船可以在43年里抵达距离地球4.3光年的最近星系Alpha Centauri。


由于旅行时间将近50年，所以旅客必须随身携带足够的供给，而且旅客应该有男有女，就象一个小型社会一样。佛罗里达大学的人类学教授约翰-摩尔认为，第一批旅客人数应该在180人左右，以确保下一代的基因多样化，另外还要考虑旅客的社会结构。摩尔在接受电话采访时表示：“我们将放弃现在的军事化的宇航员结构改而实行偏重家庭的社会结构。”


研究人员称，由于太空飞行需要几十年的时间，所以对于一些旅客而言可能将“有去无回”，另外太空船的能量和生命支持系统也必须可靠完备。兰迪斯甚至提议仅派女性旅客前往，用冷冻的精子代替男性以减轻太空船载客的重量。


一些科学家指出，前往太阳系以外的其他星球居住也许是人类不可避免的趋势，因为太阳最终会到达寿命期限并将地球吞噬，人类探索其他星系的努力也是在给自己留后路。还有一些研究人员表示，人类对宇宙未开发空域的好奇足以令我们走出太阳系，另外寻找宇宙中其他生命的渴望也是让人类前往太阳系以外其他星系的动因。


据称，用激光作为太空船的动力来源的创意早在几十年前就已提出，因此随着相关航天技术的日新月异，人类走出太阳系的步伐也会迈得越来越大。

宇宙将会如何终结?

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将宇宙作为一个整体进行研究的宇宙哲学对于我们这些生活在地球上的凡夫俗子来说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。但是人类至少已经发现了几条可以揭示宇宙命运的线索，其中一些线索可以给我们带来希望，而另一些线索却只能使人觉得沮丧。

好消息是我们暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。宇宙很可能至少可以将目前这种适于生命存

在的状态再维持1000亿年。这相当于地球历史的20倍，或者相当于智人(现代人的学名)历史的500万倍。如果人类在公元1000亿年的新年前夜到来之前就已经消亡，无法施放焰火庆祝新年的到来，那绝对不会是宇宙本身的错。

坏消息是没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会消失，但是随着时间的推移，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，在过去100多亿年的时间里，宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大。另一种力量是这些星系和宇宙中所有其它物质发出的相互万有引力；它就像制动器一样使宇宙扩张的速度逐渐放慢。

这个问题非常简单，如果万有引力足以使扩张最终停止，那么宇宙就注定会发生坍缩、最终变成一个大火球——同创世大爆炸相当，但过程正好相反的“大崩坠”。如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀，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。恒星是通过使轻原子核(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。当恒星内部储存的氢和氦消耗殆尽的时候，衰老的恒星上燃烧的火焰会因为没有新的原子来替代已经消耗掉的原子而熄灭，同时宇宙也会逐渐衰变成一个漆黑一团的空间。

任何一种结局看起来好像都在预示生命的消亡。如果宇宙的最终命运是熊熊烈火，“大崩坠”就会熔化一切，甚至亚原子粒子也难逃厄运。另一方面，如果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黑洞中提取引力能来获得能源从而维持自己的生存。但是，在所有的物体都已经衰减到差不多相同温度(略高于绝对零度)的情况下设法维持生存，就像是要利用一潭死水来推动水磨一样困难。

不过我们的最终命运目前还无法确定，部分原因是我们还不能判断扩张和万有引力这两者谁会取得最后的胜利。大多数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。对星系运动方式的研究表明，星系中蕴藏着大量的非星系内部引力，这说明我们能够看到的恒星和星云仅占宇宙物质总

量的1%至10%。其余的物质是不可见的；这些物质并不发光。目前还没有人知道这些暗物质到底是什么。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生活的苦海。而这正是使我对这一宇宙的最终命运产生怀疑的原因。我们在用科学方法研究宇宙哲学的过程中总结出来的重要经验是：宇宙的发展变化常常并不符合我们长期以来已经确立的思维方式——要理解宇宙，我们需要新的思维方式。爱因斯坦的弯曲空间、海森伯格的不确定原理等诞生于本世纪的概念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。因此，我们或许有可能从尚未开启的大门下面瞥见门后发出的几道光线，而在这几道光线的帮助下我们也许就可以对宇宙的未来作出更加准确的预测了。

与宇宙最终命运有关的一个不确定因素涉及到膨胀理论，根据这一理论，宇宙始于一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一些启示作用。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λ表示)在宇宙像“打嗝”一样的膨胀结束之后也许并没有完全消退。它可能还存在于宇宙中，潜伏在虚无的空间里，不断推动宇宙的持续扩张，就像引座员在幕间休息结束后斯文有礼地引导观众回到剧场一样。对遥远的星系中正在爆发的恒星所作的观察表明，这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。如果真是这样的话，决定宇宙未来命运的“拔河比赛”就不仅涉及到宇宙的扩张和万有引力的制动作用，而且还与微妙的徘徊不去的膨胀推动力所产生的可以使宇宙无限扩张下去的涡轮增压作用有关。

但

是，最能引起人们兴趣的未知数也许是智慧生命本身在宇宙中扮演着什么样的角色。正如物理学家弗里曼·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。”好坏姑且不论，地球相当大的一部分确实已经被一种有能力为了自己的利益而操纵其生存环境的智能物种改变了。

与之相似，存在于遥远未来的先进文明也许有能力熔化许多恒星甚至整个星系，从而生起一堆巨大的“营火”，或者使宇宙的长期发展朝着对这一文明有利的方向前进。在宇宙逐渐衰亡的没落时期，生活也许会变得非常枯燥乏味，但是这种生活可能会持续很长的时间。试想一下我们能够看到的宇宙在未来l万亿年时间里可以动用多少天然智能和人工智能资源吧。你认为那种高度发展的智慧和以19世纪的热力学知识为基础、认为人类注定会灭亡的观点究竟谁会取得胜利呢?

所以，让我们拭目以待，正如爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说：“至于谈到世界末日的问题，我的意见是：等着瞧吧!”

太阳系第十颗行星之谜

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早在1859年，法国天文爱好者莱卡鲍尔就声称，他看到过比水星更靠近太阳的行星，如果这颗行星真的存在，水星稍微偏离预测轨道的进动就很好解释了。法国著名天文学家、曾经在“笔尖”上发现海王星的勒维叶认为，水星的进动是因为受到第十颗行星引力的作用，并将其命名为“祝融星”。他还计算出它的轨道，并预测了观测“祝融星”的最佳时间为1877年3月22日。观测结果却令所有的人大失所望：谁也没有观测到位于水星以内的行星。后来，爱因斯坦用广义相对论很好地解释了水星的近日点进动，水星位置的飘摇不定再也不需要依赖想像中的第十颗行星了。对日全食的观测以及其他探测器的探测也表明，水星内存在行星的可能性不大。

这样，人们把发现第十颗行星的期望投向了冥王星之外，这种想法的产生是顺理成章的，因为海王星，冥王星的相继被发现给人们留下了两个疑团：一方面，天王星的运动轨迹在考虑了海王星和冥王星的影响后，依然和理论值不符；另一方面，冥王星也存在着同样的问题：它的运动除了受天王星和海王星的影响外，似乎还受一个我们看不见的物体的影响。

科学家们对冥王星进行一番研究后也发现了一些端倪。首先是冥王星的行星地位受到了怀疑。理由很简单，冥王星只是一个大冰块，它甚至没有月球大。1988年，美国亚利桑那大学的罗伯特·马歇利斯发现，冥王星和它的卫

星居然共同拥有一个大气层。美国海军天文台的另外两位天文学家更进一步推测，在遥远的过去，一颗比地球质量大几倍的行星在经过海王星时，由于引力作用，从海王星上“吸”出了一团物质，形成了冥王星：当这颗未知行星再度与冥王星接近时，又从冥王星上“撕”出了一块物质，形成了冥王星的卫星。然后，这颗未知行星飞到了太阳系最阴暗的边缘，成为一个孤独的“游魂”。

天文学家还从某些彗星的运动中发现了更多的线索。科学家布拉迪在对哈雷彗星的研究过程中发现，哈雷彗星到达近日点的时间具有明显的周期性误差。他认为这是某个未知的行星对哈雷彗星产生扰动的结果。两年前，英国天文学家约翰·默雷对13颗彗星的运行轨道进行研究后发现，这13颗彗星似乎都受到一个位于太阳系边缘、冥王星外的巨型物体的引力的影响，使它们到达近日点的时间出现周期性的变化。因此，他推测，在冥王星之外、远离太阳的黑暗地带，存在着一颗比木星大5倍的行星。约翰·默雷说，这颗超巨型行星距离太阳至少3万亿千米。它的运动速度十分缓慢，估计绕太阳一周要花600万年，运行方向则与其他九大行星相反。他相信该行星不是和太阳系同时诞生的，而是来自于其他星系。

美国路易斯安那大学的马特塞教授及其同事描绘出89颗彗星的运行轨迹后，得出了与默雷一样的结论。他们发现，这些彗星的运行轨迹非常相似，而且，其中的1／4集中在一个狭窄的区域中。因此，他们猜测，在太阳系的边缘，可能有一颗不知名的行星正围绕太阳运行，而且很可能是一颗状态接近恒星、但其能量又不足以发光的褐矮星。

尽管上述对该行星大小、位置、质量、轨道的预测各不相同，但种种理论都预示了第十颗行星的存在。也许是这颗行星实在是太远、太暗了，以致于在冥王星发现后的70多年里，人们依然难觅它的芳踪。相信在不久的将来，随着观测手段的日新月异，这个困扰了当代科学百余年的“悬案”，必定会揭开其神秘的面纱。

关于宇宙未来的其它可能性

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加速膨胀的宇宙意味着什么呢?它将意味着数以千亿计的星系将一个接一个地从我们的视野中消失，大约100亿年后，银河系将成为唯一可以直接看到的星系。那时，太阳将收缩成一颗白矮星，只发出极其微弱的光和热，并开始进入一个将持续100万亿年的慢性死亡期。


其它的恒星也将面临同样的命运，只有很少的恒星以超新星形式结束它们的生命。最终，剩下的只有黑洞，星体爆发的余烬，以及行星的废壳

。整个宇宙将是寒冷而黑暗的。根据密歇根大学的天文学家阿达姆斯的预测，所有这些死亡物质还将继续坍缩成黑洞，而这需要经过10的72次方年之久。


科学家们是倾向于保守的，他们坚持认为这些关于暗物质、暗能量，以及平坦宇宙的发现必须经过严格证实后才能被无保留地接受。结果可能是，一个爱因斯坦式的宇宙常数被认为是暗能量的主要来源，但是它也可能是本质上完全不同的东西——一种可以改变方向并最终使引力加强的力。


最近，美国发射了一颗卫星要对宇宙微波背景辐射进行迄今为止最灵敏的观测，NASA也已决定放置一台专用望远镜用于观测超新星，而其它地面上和高空探测气球上的观测仪器也在不断使观测结果变得更加精确。


可以设想，在那个遥不可及的寒冷而黑暗的未来，意识生物仍然可以存在，只是以一种完全不同的载体形式，而且他们会说，在那遥远的过去，宇宙中曾经闪耀过不计其数的美丽星辰，而今它却是一个寒冷、黑暗和凄凉的世界。

宇宙简史

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由于宇宙包罗了一切，因而只能有一个宇宙。我们无法通过把它同其他的“宇宙”相比较来检验各种宇宙理论。虽然我们可以看到在历史上比我们附近区域较早的再遥远的区域，我们也不能观察到它在某段时间的演化。提出在宇宙出现以前存在着什么，或宇宙从何处而来这样的问题是没有意义的。而且，在谈论整个宇宙时，我们必须假定下面这个几乎无法证明的假定，即自然定律是处处相同且不随时间变化的。尽管受到这些限制，我们仍然能够建立宇宙模型和宇宙可解的历史；在拟定宇宙模型时我们尽可能地使它们适合我们的观测结果。
宇宙的尺度问题和它的形状问题是密切相关的。我们知道，空间本身不一定象欧几里得几何的公理所描述的那样平坦。宇宙可以是敞开而无限的；当空间的几何是平坦的或双曲的，就是这种情形。但是空间也可以是正向弯曲的，而且，如果曲率足够大，宇宙可以象球面那样是自身闭合的。这样的宇宙是体积有限但没有边界的。爱因斯坦的引力理论指出，宇宙的形状取决于其中物质的密度。密度足够大时就势必造成闭合的球状宇宙。但是，我们既不能肯定宇宙的密度实际上是否大到这种程度，也不能肯定爱因斯坦的模型是否正确。

当我们谈论宇宙时，我们通常假定，宇宙基本上是处处均匀的。由此得出下面这条宇宙学原则：位于宇宙中任何地方的观察者看到的宇宙图景是基本相同的。同我们的宇宙有关的一个基本经验事实是

，所有的星系看来都在背离我们而去。星系越远，它的多普勒红移越大，因而它的退行速度也越大。这种关系称为哈勃定律。这条定律可通过假定宇宙不断膨胀而得到解释；宇宙的膨胀同一个正在被充气的气球的表面的胀大很相象。不必认为我们处在膨胀的中心。因为空间中所有的点都相对于其余的点在追行，从而任何地方的观察者看到的都是相同的情况。哈勃定律使我们能够计算出宇宙的年龄，办法是追溯各星系返回原出发点需要的时间。按照这种方法，宇宙的年龄被估计为110－160亿年。
已提出两种主要的宇宙模型。其一，稳慎态模型以完全宇宙学原则为根据；这条原则说，宇宙不仅处处相同，而且不随时间改变，过去和将来都与现在大致相同。这表明，当星系彼此奔离时，要有物质在恒星际空间不断地被创造出来，由这些物质形成了新的恒星和星系。这种见解并不比宇宙中所有物质在同一时刻创造出来的看法更为神秘。但是，目前的观测证据不支持稳恒态理论。

现在，象大爆炸模型这样的演化的宇宙模型受到欢迎。这种模型提出，宇宙开始时是一个由光子和亚原子粒子构成的极其炽热而致密的火球。随着膨胀，这个火球开始变冷。随着时间的推移，形成了氢原子和一部分氮原子，最后开始凝聚成星系和恒星。这种模型的最令人信服的证据是在射电波段发现了均匀的宇宙背景辐射；这种辐射象是由温度为3 K的黑体发出的。它被认为是原始火球的剩余辐射，由于宇宙膨胀而使波长拉长了 1，000倍。
人们把注意力集中在对下述问题的考虑上：宇宙将无限制地膨胀下去，还是因引力的阻碍作用而终于停止下来，并使各星系重新聚在一起？如果属于后一种情形，则会引起另一次大爆炸，如此周而复始循环不已。这样的轮激是振荡或脉动宇宙模型所假定的。如果属于前一种情形，宇宙永无止息的膨胀将使自己缓慢地变冷并变得更空旷，直到达到全面的热平衡状态，或称为热寂。

贪婪的宇宙掠夺者

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如果将宇宙比做一个无边无际的浴盆，那么黑洞就是这个超级浴盆的下水道。它那巨大无比的引力，形成了一个极强的旋涡，任何靠近它的物质都会被统统吸进去。黑洞犹如一个神秘的监狱，它将所有的东西牢牢囚禁在里面，甚至连光线也无法逃脱。黑洞就像一个永远吃不饱的魔鬼，它不断地吞噬物质，将它们压碎，自己则慢慢地长大。

实际上，将宇宙比做一个浴盆是很恰当的。对于一个微小物体来讲，水管是一个房间的浴盆通向其他房间浴盆的惟一通道。而黑洞则

是我们的宇宙与理论上可能存在的无数其他宇宙间联系的惟一路径。任何物理定律在黑洞中都全部失效，质量也非物质化。黑洞的边缘是个有去无回的界限，物质在被吸入时会发射出极强的X射线，如同临终前发出的绝望哀叹。也正是这绝望哀叹才使我们“看见”黑洞。

“黑洞”这个词是不久前才出现的。美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）为了形象描述这种神奇的天体，于1967年创造了这个颇具神秘色彩的术语。惠勒把黑洞比作《艾丽丝漫游奇境记》中的坏女人，她只在临死前露出一丝微笑。“引力微笑”是恒星坍缩成黑洞或被另一个黑洞吞没时的惟一迹象。正是在引力微笑的指引下，我们得以在神奇的宇宙中去发现黑洞这个贪婪的掠夺者。黑洞为我们解答许多科学难题提供了线索，引导我们在没有边界、超越了时空概念的无数宇间遨游。

贪婪的黑洞原来是恒星

实际上，黑洞要领的提出已经有200多年了。1783年，英国人约翰·米歇尔（John Michell）第一个提出存在质量足够大足够紧密的恒星——它的引力是如此强大，以致连光线都不能逃逸。几年后，法国科学家皮埃尔-西蒙·德·拉普拉斯（Pierr-Simon de Laplace）也在他的《世界系统》一书中提出了和米歇尔类似的观点，但非常有趣的是，此书的第三版和以后的版本中再也不提此事了，或许他觉得这个想法过于荒诞了。在一个多世纪以后，德国的天文学家卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschild）于1916年求解出了爱因斯坦广义相对论议程的第一个严格解。这个解预示可能存在一类巨大天体，这就是60年代后人们所称的“黑洞”。第一次“看到”黑洞是在1971年，那时通过1970年12月12日美国发射的小型天文卫星“自由号”（Uhuru），发现了一个来自天鹅座区域的很强的X射线脉冲源，它被命名为天鹅座X-1，这是第一个被具体确认的黑洞。从那以后，黑洞变成了天体物理学的热门课题。今天，我们对黑洞的形成过程已有很多了解，简单地说，黑洞是质量巨大的恒星在超新星爆发后坍缩（即自身极强烈的收缩）而成的。我们可以把黑洞想像成一个巨大的“磨碎机”，它把吸进的物质磨碎。它的中心被称为“磨碎点”，也就是所谡的“奇点”。在此“奇点”，科学定律和我们预测未来的能力都失效了。黑洞的边界被称为“视界”，这是一个有去无回的界面，只要跨过这一界面就落入了黑洞的内部。不过假设有人不幸掉进去的话，他首先看到的是被黑洞捕获的光线，而且这些光线呈螺旋状进入引力旋涡。

逐渐展露面目的黑洞

人们猜想，包括银河系在内的众多星系的中心区域都有许多黑洞。有许多迹

象都支持这种猜想。我们可以观测到，太空中有一些物质围绕一个中心极快地旋转，这表明存在一个引力巨大的引力中心——黑洞。而黑洞及其伴星发射的X射线国辐射则将研究带到了更清晰的层面。第一个落网的黑洞是天鹅座X-1，它的质量是太阳的6倍，距地球8000光年。这个黑洞的伴星是一个质量超过太阳20倍的蓝超巨星，它发射的气体尘埃形成一个称为“吸积盘”的气体圆盘，正是这个吸积盘表明了黑洞的存在。

在我们的银河系内，其他一些天体也已呈递了表明自己黑洞身份的证书。例如，距地球8000光年的AO620-22和尚未测出距离的GX339-4，与麦哲伦云毗邻的两个天体LMCX-1和LMCX-3等。其他河外星系中同样发现了可能的黑洞，它们以每秒千万公里的速度吸进星际气体并喷出强大的射流。

目前已知的保持最高纪录的黑洞是质量超过太阳50亿倍、位于室女座的M87星系。在这个黑洞面前，我们的星球简直是轻如鸿毛。

许多星系的核心都可能隐藏着相当数量的黑洞，如同银河系的核心那样，那里是许多年老恒星的共同坟墓。一个有待验证的黑洞是人马座A，它是一个双星系统，而且应该有一个巨大的吸积盘，并能发射巨大的能量。它虽然还不敢与M87星系的实体竞争，但也非同小可——其质量可能是太阳的350万~500万倍。

假如你跳进黑洞

如果有两艘宇宙飞船在空间一前一后驶向一个旋转的黑洞，第一艘飞船准备勇敢的牺牲自己，而你在第二艘飞船观察它的“表演”，你将会看到怎样的情景呢？设想在第一艘飞船上的是一位“智能”机器人，在接近视界，即达到有去无回点的黑洞边界时，机器人宇航员走出飞船去迎接死亡。他将被黑洞最近部位极强的引力吸引碎成两半，然后在刚接近时空突然消失的奇点（黑洞中心）时就毫无察觉地被吞没了，飞船也在被吞没前被强大的引力撕得粉碎。这个引力有多大呢？对一个质量与太阳相当的黑洞而言，一个2米高的人在通过它的视界时必须承受相当于地球表面10亿倍的重力加速度。为了不落入黑洞，你必须借助足够大的发动机的推力将飞船停靠在安全距离内或围绕黑洞飞行。在你看来，准备牺牲的飞船似乎用了无穷尽的时间接近黑洞，而且飞船的速度越来越慢，同时改变了颜色，但在你能够看到飞船处于静止之前，飞船就从眼中消失了。之所以产生这种现象，是因为根据相对论，时间的流逝取决于观察者的速度。

这次黑洞之旅我们看到，一个旋转的黑洞就像一个旋转的中间有孔的圆盘。它有两层界面，里面的一层即为视界，外面的一层则被称为“静止界限”或无限红移面。在这两个界面之

间的是一个特殊的区域，称为“能层”。在静止界限上，时间被“冻结”，辐射被无限的红移，飞船停留在一个固定点上，飞船上的机器人宇航员看到的星空将不再变化，而黑洞则在他的脚下急速旋转。如果越过静止界限，进入能层，飞船将被拖入旋转的运动。

能层有一个令人惊奇的特性，正如英国数学家罗杰·彭罗塞（Roger Penrose）指出的那样，进入其中的物体的能量可以变成负值。我们不妨将这个物体想像成一个负有能量债务的人，当黑洞俘获这人物体时，黑洞的能量不是增多而是减少了，因为黑洞必须“偿还”它的猎特欠下的能量债务。

神奇的黑洞之旅

假如有魔法使一个宇航员能乘飞船安然无恙地钻到黑洞内部，那他就会给我们讲述许多惊人的事。由于场面是一个旋转着的黑洞，那他讲述的就可能是经过能层的情景，在那个区域中的一切运动都按黑洞旋转方向转动。钻到这个地区后，飞船也可能会不停地上下升降，从这个区域进进出出。当然这要有足够的燃料。

如果我们倔强的宇航员决心再往前走，一直钻到被称为视界的第二个界面，他会发现，在某些条件下，由于极强的离心力，飞船会留在那里永远旋转而不再下沉，但也没有出来的可能性。这一情形类似露天游乐场转动的大圆筒，它把人挤压在筒壁上，只要圆筒一直旋转人就无法移动。

黑洞本身就是一个神秘的物体，它像一台失控的计算机，可以吞下任何信息同时又能把掉进去的任何东西的内容毁坏。我们能收集到的有关黑洞的物理特性只有三个，即质量、角动量和电荷。其余则是一堆无用的信息，它们对弄清黑洞内部的物质特性毫于帮助。在奇点，即黑洞中心密度无限大的点上，爱因斯坦的广义相对论和由此而推导的时空定律将全部失效，不再具有“公民”的权利。

但是伟大的黑洞理论家、英国天体物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）以巧妙的脱身之计在视界找到了关于黑洞胃口的宝贵信息。黑洞吸进的物质越多就越增加它的质量，越扩大它的视界。这是一个如此快速的能量交换场面，连大自然都难以察觉。

和不转动的施瓦西黑洞相比，转动的克尔黑洞的内部结构要复杂得多。它的奇点是一个平躺在赤道面上的圆环，而不再是一个点。如果宇航员穿过这个环就到达对面的区域，那里有一个白洞，它像一个弹射器，能把宇航员立即“发射”到有待发现的外部世界，即另一个宇宙中。另外，在克尔黑洞的真实视界以内还有着第二个视界（内视界）。这个球形面包围并“保护”着圆环状的奇点，内、外视界间的区域不受奇异性的影响（指从奇异环发

出的信号不可能逃出内视界）。随着黑洞角动量的增大，内视界膨胀而外视界收缩，二者趋于重合。

令人向往的宇宙生态城

转动的黑洞有一个非常有趣的特性，这就是著名的彭罗塞过程。彭罗塞于1969年指出，在能层中，当物质粒子的转动方向与黑洞相反时，粒子的能量相对于无穷远是负值。如果一个粒子从远处落入能层，并在能层中分裂成一个与黑洞转动方向相反，另一个方向相同的两个粒子，那么当转动方向相同的粒子离开能层，飞离黑洞，而另一个落入黑洞视界时，飞离黑洞的粒子能量将大于原来的粒子。

利用能层的这一特性，希腊物理学家德梅特里奥斯·克里斯托多罗（Demetrios Dhristodoulou）想出一个很巧妙的方法从黑洞中撮能量。这就是向能层投物质，一部分物质被视界吸入后获得负能，另一部分则装载宝贵的能量被发射出来，这些能量比原来物质所积聚的少量能要多得多，特别是没有废料的问题。

具体设想是围绕黑洞建造一个巨大的钢性骨架，当然要离黑洞足够远，以避免过大的潮汐力的作用。然后在这个骨加相建设一座工业城市，将每天数百万吨垃圾收集起来，装上小车，倾入黑洞。小车一辆接一辆沿螺旋线落向黑洞，每辆车在进入能层并到达“抛射点”时，一个自动装置打开，把垃圾倒进仔细设计好的与黑洞转动方向相反的轨道上。黑洞由于捕获垃圾而稍稍减小了转动速度，与此同时，空车以增大的能量离开能层，最后被一个巨大的转子回收，释放出大量的转动能。这个转子是接在发电机上的，于是就可以为城市提供电力。由每辆小车的回收所净得的能量等于抛出垃圾的质量能量再加上黑洞本身质量能量的一部分。

这确是一个聪明的方案，城市居民不仅把垃圾的全部质量转变成了电能，而且还提取了黑洞的一部分能量。不过每次倒进和回收的操作会使黑洞旋转速度放慢，最后理想城市的创意者就将这个环形城市像陀螺一样转到另一个新黑洞的周围，继续同样的过程。这的确是一个令人向往的生态城市。

实际上，彭罗塞过程不只是一种趣谈。黑洞转动能量的提取，有可能已经在自然的天体物理条件下，正通过一个适当分布的外部磁场而实际发生着。

不同宇宙间的走廊

黑洞这个贪吃的掠夺者不再把物质归还到我们的宇宙，而是在它们内部深深地隐藏了起来，不让我们看到。但纯理论研究却显示黑洞存在一个完全相反的对立面：白洞。这是一块任何物质都绝对进不去的领地，但却可从里面出来。人们假设在白洞和黑洞间有被称为虫洞的隧道相互连接。物质从白洞的奇点跳出来，在白洞奇点物理

定律不管用了，因果关系也不见了，以致在这一区域物质形态也不存在了。

但是，彭罗塞确定，如果黑洞奇点的存在是由于它是我们的宇宙的组成部分，那么白洞奇点既不能因我们的宇宙而存在，也不能单独存在，这就是“宇宙监督”假说。正是这个假说否定了我们宇宙间存在白洞的可能。

因此白洞的祖国就转移到别的地方，让我们看看是怎么回事。在宇宙起源时突然膨胀的时代可能形成了许多隧道，像蛀虫钻孔一样，故称为“虫洞”。根据惠勒的看法，这些隧道把黑洞视界的内部区域和白洞视界的内部区域连接起来而没有奇点，这样虫洞就成为空心管道，就可能将从黑洞吸进的物质通过空心管道再从白洞排出。物质所作的旅行可以被看作从它熟悉的宇宙出发，掉进一个有去无回的洞中，但却在完全陌生的、不同的宇宙中获得新生。

黑洞间可以相互联姻

现在，进入黑洞的是恒星尘埃、气体、光、有机器人宇航员的宇宙飞船以及待转换成能量的垃圾。不管怎样，被俘获的物质只会增加黑洞本身的质量，同时也扩大它的半径和表面。如果质量增加一倍，半径也增加一倍，而视界的面积则增加四倍。那它是否会永远增加下去呢？霍金首先做了一个断然的回答：既然证实黑洞不会再缩小，那它就会继续无限地增大。由于是延续的所以增大是逐步的。不过有一个特殊情况，那就是两个黑洞可能相互接触和碰撞，在互相吸引的过程中一个黑洞进入另一个黑洞，两个黑洞变成一个单一黑洞，而这两上黑洞的全部组成要素被保留下来。更大的单一黑洞又可能与另一个黑洞相撞等等，这样就产一质量和体积更大的黑洞。

人们认为，在相撞的过程中，大约有千分之一的黑洞静能释放出来，以引力波形式向宇宙空间散发，速度和光一样，它的面积不断扩大，黑洞的熵也增大。就是说内部“混乱”在增长，即有关吸入物质的信息无法使用，也无法补救，好像一台计算机偶然把刚写好文章的字母弄乱一样。因此黑洞中只能传出描述它的三个信息：质量、角动量（指黑洞的转动）和电荷。惠勒把这种信息比作秃子头上只有三根头发，我们不可能了解掉进去的物质是什么。在这三种信息的基础上可以对黑洞进行划分：没有角动量也不带电荷的施瓦西黑洞，它具有“奇点”和“视界”的特性；具有角动量但不带电荷的克尔黑洞；以及具有角动量并带电荷的黑洞。此外，还可以从黑洞的起源进行区分。但最新的分类是依靠“颜色”。这看来好像有点荒唐，内部不射出一束光线的黑洞怎么可以是彩色的呢？实际上，这里所说的颜色不是通常的红、蓝、

绿等光的颜色，而是用来区分夸克的不同状态“色”。夸克是组成质子和中子的更小的基本粒子。对我们的天体物理学家来说，在追踪无限小到无限大，又从无限大到无限小的过程中收集黑洞的不同“颜色”的追逐开始了。

黑洞最后的命运：大爆炸

在黑洞不断增大的假设中，黑洞的生命永远不会停止。但有一个预示性的停止正是由同一位霍金做出的，他把黑洞比作一个不断充气的气球。1976年，霍金在《自然》杂志上发表文章指出，黑洞会不断蒸发直到最后爆炸而消失。

今天这种理论已被普遍认同。人们认为有可能“看到”黑洞的最后的闪烁，就是能从高能电磁波中观测到的黑洞最后爆炸时发射的Y射线。

黑洞总是贪吃的，它们的终结正是由于狼吞虎咽地吃了某种消化不了的东西：带“负能”的粒子。带负能的粒子与提供正能的粒子一起来源于能层，但那些提供正能的粒子被推到了黑洞外面，而黑洞则吞下了带负能的粒子，这样它们就不得不用消耗自己能量的代价来弥补债务。因此黑洞的质量减少了，并开始了一个不断蒸发的过程。黑洞越来越小，越来越热，它的能量在空间消失，最后这个老掠夺者就爆炸和消失了。

黑洞的大小不同，蒸发程度也不相同。

现在我们换个话题，不谈从恒星坍缩产生的黑洞。科学家认为，大爆炸后立即产生出宇宙，那时形成了许多极小的黑洞：它们大小像一个质子但重量达亿万吨。质量巨大和温度极高的微型黑洞正是蒸发现象的理想发生地。

现在，这些微型黑洞多数已经消失了，但另外一些爆炸正在发生之中。据天体物理学家说，有可能利用一个正在蒸发的微型黑洞来代替我们的太阳。这个微型黑洞的质量为月球质量的1/1000，但直径只有0.0005毫米。

这样一个微型黑洞的温度为几千度，接近太阳表面温度，而且持续辐射能量的时间长达10 34年，如果和已知的宇宙年龄150亿年相比，时间是足够长了，如果和太阳100亿年的寿命相比，更可以说是一个永久性能源了。

开放与封闭的宇宙

被视为天空灯塔的类星体，是与恒星相似的光源，但却远在几十亿光年之外。典型的类星体虽然比任何的银河系都小，但它却能散发出巨大的能量，比银河全部恒星发射的能量还多200倍。现在认为类星体只是一个黑洞，它的质量比太阳质量大几亿倍，而且在不断吸收物质，不断长大，并在周围引起粒子的喷射。惠勒认为，类星体是活跃黑洞的物理特性最为壮观的表现。

在宇宙的进化中，黑洞的作用是不相同的。根据爱因斯坦的广义相对论，对目前膨胀中的宇宙存在两种可能的命运。如果物质密

度超过一定限度，称为临界密度，宇宙就停止膨胀并开始收缩；这是封闭宇宙的场面。如果没有达到临界密度，继续膨胀，我们面对的是一个开放的宇宙。

在封闭的宇宙中，黑洞不断吸收物质并且不断地增大。由于它们越变越大，因此就能找到更近的物质，之后与其他黑洞相撞产生更大的黑洞。最后把宇宙中的物体都吸进去，宇宙中只剩下它们自己。甚至可以说宇宙像是惟五的一个黑洞。但实际上，封闭的宇宙有一定的年龄，到一定时期就开始收缩，在宇宙成为单一的黑洞之前，封闭的宇宙就会因收缩而毁灭。

在开放的宇宙中，膨胀在无限制地继续着，由于物质不断散失和离开，黑洞间相撞的可能性也日益减少。这个掠夺者的命运只能是在蒸发现象中毁掉。时间呢？长极了。一个黑洞全部蒸发所需的时间是与其质量的三次方成正比。一个质量与太阳相同的黑洞，它消失的时间将是目前宇宙年龄的1054倍。

但对各星系中心的最大的那些黑洞来说，它们在无限膨胀的宇宙中都将全部蒸发。最终留下来的是一个稀薄的、温度接近绝对零度的宇宙，而残存焉的只有质量为零的粒子，如中微子和光子。

具有“神奇魔力”的石头

在1000多年以前，维琴高人在没有任何导航工具，天空又常常是阴云密布的情况下，穿越了极地冰冷的海洋，万里跋涉到达美洲。传说他们是借助于魔法远行的，但现在看来，他们可能得到科学的引导。

历史传说

有多方面的消息和资料称，在公元980年，即在哥伦布发现美洲之前400多年，维琴高人的航船就到达了北美洲的沿海地区。这艘船是由埃里克·罗索（EricilRosso）率领的，它从挪威的卑尔根出发，首先到达冰岛，然后抵达格陵兰，最后到达加拿大的拉布拉多美洲大陆沿海。在这个高纬度地区，天空总是阴沉沉的，能见度极低。白天，太阳藏在云雾的后面，夜晚也看不见星星。那个年代没有任何能帮助人辩明方向的工具和手段，但根据传说，这些北方人在长途旅行中，有一种魔力无穷的神奇工具为他们导航，这就是太阳石。

科学的解释

维琴高人于公元982年到达格陵兰，据一些史学家说，他们甚至到达了北美洲沿海。当时他们手中无任何导航工具。事实上，在这之后很多年，即1044年左右，才由中国人发明了指南针。但维琴高人究竟是如何到达美洲大陆沿海的呢？1967年丹麦考古学家托基尔·拉姆斯考（Thorkild Ramsko）对此做出了解释，现在这一理论又引起了学者们的注意。根据拉姆斯考的解释，古代北方人是不知不觉地利用了一种矿石的物理特性。拉姆斯考认为，在很多故事中作为神奇的导航者

出现的著名太阳石不是别的，而是一种叫堇青石的矿石晶体。这是一种具有双折射和二向色性的矿石，也就是说它能有选择地吸收光辐射。当光线通过堇青石时，由于在一些特殊的晶面上对不同光线偏振光的吸收不同，透过堇青石的光就会改变颜色，从紫色、蓝色一直到黄色，按照这些不同的平面就可以追溯到光源所在的位置。许多科学家认为，维琴高人曾经拥有这种矿石，他们将其指向天空就能够知道太阳的位置，从而辨别出方向来。当光源（这里是太阳）受到遮蔽（如云层）时，会发生偏振光现象。由于高纬度地区常常是阴天，此外在这些地区太阳长时间地处在接近地平线的地方，因此太阳光发生偏振的现象就更为明显。其原因就在于射向地球的光线的入射角大和太阳光通过的大气层的厚度大。甚至当太阳已经落山，但阳光还照射着大气层的时候这种现象依然存在。堇青石晶体也能够据透射偏振光的颜色找到太阳的方向。另一个有利于拉姆斯考理论的证据是，挪威的堇青石矿藏非常丰富，因此维琴高人能很容易地获得这种矿石，不过由于他们不了解这种矿石的物理特性，所以理所当然的就将它归功于一种神奇的魔力。

21世纪的宇宙天气预报

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21世纪人类将进人宇宙空间，在那里工作、生活。因此，对于太阳的种种变化及其对人类生活产生的巨大影响。必须给予足够的重视。在人类即将进人太空活动的时代，通过观测太阳来预测宇宙环境的“宇宙天气预报”，将成为一门新兴的实用学科。

太阳耀斑和宇宙的天气

地球外层包着厚厚的大气，来自太阳的强烈紫外线，X射线、放射线等大部分被其遮蔽，这样就使活动在大气底层的人类能够得以安全地生活。一旦人们到了大气层以外的地方，各种各样的电磁波、高能粒子流等将危及人类的安全。

太阳是危及人类太空活动的主要根源。它是一个不平衡的天体，其活动内容十分丰富。黑子是日面活动区的核心。除了太阳黑子以外，太阳活动还有耀斑。谱斑、日珥、日冕以及各种射电爆发等等。耀斑是太阳大气中高度集中的爆发性的能量释放过程，一个大耀斑常常可以达到几亿颗氢弹爆炸那么大的威力，发生时伴随着强烈的宇宙射线。

从太阳抛出的氢原子核和电子组成的等离子流，就是天文学家们近年常谈论的太阳风。太阳风的等离子流，由于地球磁场的屏障作用而对地球影响甚微，然而飞行在大气圈以外的载人宇宙空间站和人造地球卫星，却要经受高能粒子“雨”和等离子“风”以及磁爆的袭击。在这样残

酷的宇宙气象环境中，要想积极地、安全地从事宇宙开发工作，就必须很好地了解和预测宇宙环境的变化情况。

地球上每平方厘米的面积上有1公斤的大气。保护我们免遭宇宙射线的侵袭。然而，如果我们来到宇宙空间，便失去了大气这个保护伞。宇宙飞船壁的保护作用只相当于大气的1%，为到飞船外面活动而设计的宇宙服防止放射线的能力还不到大气的0.1%。为了安全地生活在宇宙空间，必须对放射线的情况进行预报。

宇宙天气预报的项目

宇宙天气预报的任务是根据地球上观测网和人造卫星观测的数据进行综合分析之后，迅速预测出与太阳活动相关连的宇宙环境变化情况，并把它传送到宇宙基地。根据宇宙天气预报。人们可以得知太阳X射线预报、耀斑粒子线预报、放射线预报以及等离子环境预报。提供这种宇宙环境变化的情报，不仅对参与宇宙开发的人，而且对从事宇宙学术研究或观测活动的学者也是大有裨益的。

太阳是引起宇宙环境变化的主要原因。为了得到准确的宇宙天气预报，必须扩充精密观测太阳活动的设施，以便对太阳大气运动、太阳表面磁场构造等进行计量学方面的观测。对太阳或宇宙环境进行连续观测，地球上的观测数据是重要的依据，因此，建立国际观测数据网络将是行之有效的方法。而且，将来不仅要在地球上建立宇宙观测系统，而且在宇宙空间也要建立观测系统，形成能够进行宇宙气象实况监测的“宇宙气象观测系统”。为了进行客观的数据预报，美国科学家正在计划开发“宇宙天气预报程序”，并根据观测数据模拟预测宇宙环境的变化。

21世纪除了宇宙工厂、宇宙农场之外，宇宙医疗中心以及宇宙居民点也将在宇宙空间相继建设起来。21世纪宇宙天气预报对航行、工作、生活在宇宙空间的人们将是不可缺少的。因此，“宇宙气象学”作为一门新的学科，将会迅速发展起来。

宇宙天气预报系统

21世纪人类将设立“宇宙气象情报监测台”，并以此指导各种宇宙活动。例如，宇宙天气预报将能预测出按一定轨道运行的宇宙实验农场在运动中所受到的放射线量的变化情况。“宇宙天气预报中心”根据空间和地面观测站提供的数据，能及时计算出各种宇宙天气现象的发生概率，并通过宇宙通信网络输送到各个用户。也许，以下的场面将成为真实的一幕。

公元2020年，在宇宙实验农场的中心控制室，人们紧张地注视着“宇宙天气预报监测器”。“请注意，现在开始预报10月1日3时到6时的宇宙天气预报。由于太阳的活动逐步加强，请注意宇宙风暴的发展趋势。在太阳面380号区域，活动急速发展起

来，在东经60度381号区域，新的活动中心将发生。下面报告耀斑警报，到6时止，7级以上大的耀斑发生概率为70％，预计将会放射出强烈的X射线、高能粒子流。从4时到7时之间请中止一切船外活动和在月面的室外活动。最后是宇宙风暴预报，数日内随着太阳活动的增强，放射线强度将超过7级，在艾伦带内航行的宇宙飞船必须处于警戒状态。”

中国离月球不远了吗？

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前不久“艺术与科学国际作品展”中展出的一款月球概念车，再次引起了科学界对月球车的关注。我们真的离月球不远了吗？

上世纪50－70年代，美国和前苏联在月球探测方面进行了激烈的竞争。此后二十年的时间里，月球探测活动一直沉寂。90年代起，美国制订了“重返月球”计划，欧洲和日本也对月球探测倾注了巨大热情。目前，月球探测已成为世界航天活动的一个热点。90年代初，航天领域首席科学家闵桂荣院士提出了中国也要搞月球卫星的建议。1997年4月7日至10日，中国科学院的杨嘉墀、王大珩、陈芳允三位院士以“863”计划的名义发表了《我国月球探测技术发展的建议》。2000年11月22日，我国政府首次公布航天白皮书—《中国的航天》，确定了在深空探测方面将以月球探测为主的预先研究。

月球是地球唯一的卫星，也是离地球最近的星球。对月球进行探测，无论是在科技、经济、军事还是政治等各方面，均具有重要意义。通过探测月球和对它的研究可以大大提高人类对于宇宙的认识，深化人类对地球、太阳系乃至整个宇宙的起源、演化及其特性的了解，还有可能提供有关地球上生命起源和进化的线索。月球上有丰富的矿藏，如钛、硅、铝、铁和氦－3，其中氦－3是人类未来最具开发前景的新能源。另外，月球两极储备有大量的冰水，它可以为人类生存提供基本条件。而月球上的某些稀有金属元素在军事上具有重要价值；月球探测还是一个国家空间技术高度发达的重要标志，是综合国力的具体体现，因此具有显著的政治意义。

深空探测是航天科技领域的一个方面，而月球探测则是深空探测的第一步。月球探测活动主要包括以下几个阶段：无人探测、有人探测及月球开发。其中第一阶段无人月球探测一般包括月球轨道器、月球车及取样返回等几个步骤。1998年，总装863航天领域办公室组织了杨嘉墀等航天专家对清华大学、中国航天科技集团五院502所、国防科大、中国科大的“月球车”项目申请报告进行评审，通过了由清华大学牵头的“月球探测机器人总体方案设计及关键技术分解”的立项研

究，揭开了我国月球车研究的序幕。

月球车即月球探测机器人，分为有人驾驶和无人遥控两种。我国研究的重点在后者，主要任务是：从遥感数据验证天文学推理的各种科学理论与事实，对特定地区进行探测，判断月球上的水温、火山、峡谷、月球表面生成与进化过程，对月球表面的太阳辐射线、太阳风、陨石等的活动情况进行探测，对月球上的岩石进行全面的调查与分析，对月球上所有区域的资源数据进行收集，为建立天文台做地盘的调查，做各种元素的加热实验及氦－3的抽样实验。月球车的设计是一项复杂的系统工程，其研究涉及到许多学科和领域，如机械、机器人的遥控作业、空间技术、通讯和信号处理、加工自动化和人工智能等。在月球探测的第一步——月球表面探测中，所需要的关键技术包括：轻小型机械结构，爬坡越障的驱动机构及相关材料、密封和润滑技术，此外，还有自主导航、定位及控制，信号的压缩、传输及恢复，环境建模及增强现实等技术问题。

2000年5月和2001年1月，清华大学两次组织了“月球探测技术研讨会”。通过这两次研讨会可以看出，我国的月球车技术已经达到了相当高的水平。但是这并不表示我们很快就可以登月，因为月球车本身的技术并不复杂，把月球车送上月球的相关火箭技术才是至关重要的。在这个方面，我国还未起步。而且，即使月球车的相关理论与技术都已成熟，要运用到实践中，也还需要一个长期的过程。最短也要8年，我们的月球车才有可能登上月球。

反物质

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1998年6月2日北京时间6时4分在美国肯尼迪航天发射中心，“发 现号”航天飞机顺利发射升空。“发现号”此行的目的是为了把多国 科学家共同研制的大型空间探测器----“阿尔法磁谱议”送入太空以 探寻理论上预言的反物质的暗物质。

众所周知，我们的这个世界是由物质组成的，而物质又是由原子、 分子等微观粒子所构成。反物质则与之相反，它是由原子、分子的反 粒子，即反原子和反分子所构成，因此，反物质具有与物质完全相反 的性质。
反物质这一要领的提出由来已久，但它首先要从正电子的预言与 发现说起。早在1928年，英国物理学家狄拉克在尝试将20世纪的峡谷 个最重要原理----相对论与量子力学结合起来的实践中就发现了这一 现象，并预言了正电子的存在。而所有这一切则是由狄拉克建立的相 对论波动方程中得出负能量值的解引起的。狄拉克在对这个方程求解 的过程中共得到了4个描述电子内部状态的解，用以说明电子应

当具 有4个内部状态。其中两个状态可以用电子的自旋及自身磁矩的存在 加以解释；但对于方程的另两个附加解的求解过程中得到的负能量值 的解得出了离奇的结论。这就是说，如果一个电子真的能够存在于负 能状态，那么它不会因与其他粒子相碰撞而逐渐减速并最终停下来， 而是将加速得越来越快，直到它的速度等于光速。但是，从相对论方 程的分析中很清楚地知道，这种性质是不可能的。由此，狄拉克提出 了他著名的假设。

他假设我们平时所谓的真空，其实并不是真空的，而是一种所有 负能级上都有两个电子的系统，所以，真空中就应有无穷数目的电子， 并且全部负能级都被电子占满了。根据泡利不相容原理，电子不可能 跃迁到某个已被占满的负能级，所以它只能留在正能级区的某一个能 级上。因此只能是处于负能级的电子受到激发后向正能级跃迁。这种 过程正如电子由正能级跳跃到负能级上的反过程。只要有能量大于能 级的光子激发，是完全可能发生的。如果它发生了，那么这个具有正 能量的电子将会使其跃迁出的负能级位置上出现一个空穴。怎么解释 这个空穴呢？举个例子，若我们手上系着几个充满氢气的气球，就会 感觉到手上有一个向上拉的力，如果突然有一个气球的引线断了，我 们将感觉到向上拉的力减少了，但我们也可以解释为多了一个向下拉 的力。同样，在负能级状态少一个电子的空穴行为就像在那儿产生了 一个有正能量的带正电的粒子，这个粒子正是我们所谈的正电子。这 样，人类便第一次从理论上预言了反粒子的存在。紧接着在1932年， 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。20世纪60年代前后相继发现一系列反超子，一个又一个 反粒子的发现使人们联想到是否所有的粒子都有与之对应的反粒子呢？ 在此后进行的一系列实险中发现除了光子等少数粒子的反粒子是其本 身外，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，那么反粒子为什么不会组成反 物质呢？

但是探索反物质的道路是艰难的。从发现第一个反粒子到现在已 近70年，其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 要达地球首先要穿过

厚达3000千米----4000千米的大气层，所以射线 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。因 而人们所能探测到的反粒子就微乎其微了。而且反粒子都很不稳定， 很容易和周围物质粒子发生湮灭。所以，科学家们认为在现在我们所 处的这个物质世界中是不可能存在反物质的，即使存在也会很快和周 围物质相中和，因此，只能把探寻反物质的希望寄圩宇宙空间。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“阿尔法磁谱仪”将被安 置到新建的“发现号”空间站，从而开始对反物质的大规模探测。
反物质如果被探明确实存在，那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=mc^2，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，但核反应不能使质能完全转化； 而物质与反物质相中和，湮灭后辐射出的是零质量的r光子，所以其质 量将会完全转化为能量。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。

失踪的物质究竟在何处？

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克利弗德（William Kingdon Ciifford）早年夭折，他却给世界留下了引力和几何的思想。半个世纪之后，即1915年，爱因斯坦证实了这个思想。爱因斯坦的引力理论的推论之一是宇宙的形状取决于其中质量的多少。具体地讲，无论宇宙是无限的还是强烈地弯曲到自身闭合程度，都取决于宇宙中物质的密度。已经计算出来，数值为 10E－29克／厘米’即是以使宇宙闭合。当我们想到水的密度——约为1克／厘米’是这个密度的 10E29倍时，看来这个密度并不是太大的。10E－29克／厘米’这么大的密度相当于六立方英尺的容积内有一个氢原子。但是，如果我们计算一下可观测到的宇宙的密度，即把某绘定区域内的各星系的质量相加除以该空间的体积，那么将会发现，由此得出的密度大约要比 10E－29克／厘米’小；～百倍。这充分地表明实际上是何等空虚，但却使相信宇宙事实上是闭合的某些天文学家感到为难。如果他们是对的话，那么这些失踪的物质到哪里去了