[原创科普]当前人类对宇宙物质构成的认知简介

算是看网络资料和一些书籍的总集吧，分享给大家，供参考。

总述：目前人类认知的宇宙物质构成

5%重子物质，即由质子、中子、电子构成的“普通”物质
　　0.5%：恒星、星系
　　4.5%：重子暗物质
30%奇异暗物质
　　0.5%：中微子
　　其它：理论上应该是“弱相互作用大质量粒子”，尚待实验与观测的验证。
65%“暗能量”
/**********************************************************************************/
/* 　　以上物质百分比数据取自查尔斯•塞费的《阿尔法与欧米伽》，和网络上见到的一些数据有出入。但这些数据和 */
/* 我这里使用的百分比都有大致这样原则：“普通”物质4~5%；奇异暗物质约为普通物质的6倍左右，其余为暗能量。 */
/**********************************************************************************/


宇宙物质有多少？或者说，宇宙密度有多大？

　　对于这个问题，我们从可以从大爆炸说起。

　　大爆炸理论是现代宇宙学主流学说。当我们认识到“宇宙”有一个开始之后，另外一个问题——宇宙是否有一个终结以及如何终结——就会更加为我们所关注。而为了回答宇宙的终结，宇宙中有多少物质是一个很关键的问题。

　　按照早些时期的观点：如果宇宙中物质足够多，宇宙的密度足够大，那么引力终将把一切重新拉回来，大塌缩将是宇宙的结局；如果宇宙物质太少，引力无法把物质拉回来，宇宙将持续膨胀；如果宇宙物质不多不少，那宇宙也会一直均匀恒定的膨胀下去。

　　宇宙物质密度也会影响到时空的形态。按照刚才描述的宇宙物质总量的标准，如果宇宙物质密度足够大，那宇宙时空就有正曲率；如果宇宙物质太少，宇宙的时空就有负曲率；如果宇宙物质不多也不少，宇宙就是平直的。宇宙学家用希腊字母Ω来表示宇宙物质密度，对那种“不多也不少”的情况，定义Ω＝1。

　　宇宙中有多少物质呢？观测表明，宇宙非常平直，其物质密度极其接近于Ω=1。是否有偏差，偏差有多少，人们不知道。

　　可能有人会说，时空不是平直的，众多引力透镜现象就是明证。引力透镜体现的的确是时空的扭曲，不过，引力透镜体现的是宇宙局部的现象。就宏观而言，宇宙是平直的，就如高山深谷不影响我们的星球是个球体。

Ω＝1
　　表明宇宙整体平直性的观测有一些，最有力，也相对容易解释的是对微波背景辐射的观测。

　　大家可能都知道微波背景上有微小的涨落——那是宇宙物质分布不均匀造成的。微波背景上记录的这种不均匀是宇宙年龄大约40万年时的状况。换言之，我们通过微波背景看到的是（宇宙年龄-40万）光年外的物质分布状况。

　　对于微波背景上的某些热斑，我们看上去它应该有多大的张角，理论有精确的计算。我们看到的，也的确是那么大。这证明宇宙几乎是完全平直的。否则，若宇宙的时空带有曲率，那么光线经过一百多亿光年的空间必然有扭曲，我们看到的一些热斑不可能有合乎理论数据的张角。

　　宇宙是平直的，宇宙物质的总质量我们是拿得准的：Ω=1。

重子物质的含量

　　所谓“重子物质”就是指我们熟悉的“正常”物质。就是那些由质子、中子、点子构成的“普通”物质。我们的身体，我们周围所熟悉的一切都是这种物质。我们看到的点点繁星，千亿颗恒星，千亿的星系（或者说千亿的星系中我们看到的部分）都是这种物质构成。

　　天文学家通过观测和计算，发现我们看到的恒星、星系的总质量，只有宇宙应有质量的0.5%。真是很夸张！我们能“看到”的物质少得可怜。

　　但是，宇宙学家却有把握认为，我们看到的恒星、星系只占重子物质的十分之一。就是说他们认为，宇宙中有5%的质量是由“普通物质”提供的。这就至少涉及到两个问题——他们怎么确认“普通物质”有这么多的？看不到的重子物质是什么？

　　对于第一个问题，答案可以从人们对大爆炸的认识得出。

　　我们知道，宇宙中大部分的氦是大爆炸后几分钟内形成的。我们可以简单的理解为这是宇宙早期发生了如同恒星内部发生的核反应。发生多少反应，从而生成多少氦，是与“重子”们的分布密度有关的。如果其密度大，将会发生更多的反应，从而导致氦的比率提高，反之亦然。依据氢与氦1:3的比率，人们通过计算得出的宇宙“普通”物质，能达到满足宇宙平直所需质量的5%。即重子有0.05Ω。

　　而那些我们看不到的“普通物质”哪去了？它们可能是形成了暗星云、尘埃、行星级别天体、褐矮星、红矮星、白矮星、中子星、黑洞等不同的天体形式，由于其过于黯淡而无法为我们的望远镜直接捕捉到。现在，天文学家已经开始在河外星系找到红矮星；通过微引力透镜效应在银晕内也发现了大量“看不到”的天体。这些物质的面纱正在被逐渐揭开。



奇异暗物质

　　重子物质只占宇宙应有物质的5%。宇宙其它质量在哪里呢？

　　天文学家早已确定，在星系、星系团所在的区域里集中了宇宙应有质量的约35%，而不仅是重子物质总量的5%。

　　能为这样论断提供支持的观测结果有很多。比如说引力透镜效应。通过观测遥远星系或者类星体发出的光线在较近星系或星系团引力作用下弯曲的程度很容易计算出这些星系团应有的质量。还有观测星系中恒星运动、星系团中星系运动……

　　还有更宏观的方式是通过研究宇宙物质分布。宇宙早期物质分布相当均匀，只有很小的涨落。这种不物质的均匀性导致在引力作用下，物质不断集中，逐渐形成了星系团、星系、恒星。如果参与这个过程的物质多，这个过程就快，反之亦然。我们通过观察宇宙中的星系、星系团状况的分布，就可以其计算出究竟需要多少物质参与这个引力主导的过程才能导致当前的局面。

　　星系、星系团所在的空间拥有宇宙35%的质量，这个没有疑问了。可是，除了重子物质占用的5%之外，其余的30%都是什么呢？它们一定是某种不同于我们熟悉的物质的奇异的物质。


中微子

　　对于这些物质是什么，人们曾经只有一种并不恰当的候选者——中微子。当时，依据量子色动力学，人们为当时已知的各种粒子找到了“粒子周期表”上的位置，而中微子是这种理论所能囊括离子中奇异物质的唯一选择。其它离子要么寿命太短，要么会参与强相互作用和电磁作用，从而可以较为容易的观测或者预测到相应的Ω值。

　　可是，当时人们并不知道5%之外的质量是否都是中微子。甚至连中微子有没有质量人们都不知道。
　　当然，现在人们知道这两个问题的答案了。首先中微子具有质量，几种不同的中微子都有大概仅几十个电子伏的质量。中微子数量庞大，所以它们具有很大的质量——和我们观察到的恒星、星系的质量一样大！很可观？是的，但也不过只具有宇宙总重量的0.5%而已。


弱相互作用大质量粒子

　　中微子不够多。另外，中微子还是一种“热”的暗物质，其近光速的运动也使其不可能仅仅被束缚在星系团的周围。作为暗物质，中微子不仅是数量上不足，性质上也不合适。星系团周围的奇异暗物质需要另寻候选。

　　人们找到了吗？还没有。但是在理论上已经找到候选者了。

　　物理学家在更近的时期发展起来了“超对称”理论。依照这种理论，人们预言了一类被称为“弱相互作用大质量粒子”的基本粒子。有人称为“温普粒子”（WIMP）。

　　按照理论，此种粒子具有几十到上百倍质子质量，只参与引力和弱相互作用，是奇异暗物质最佳的人选。

　　但是，理论毕竟只是理论，不能通过实验检验的理论只是空谈（当然，不同的“空谈”获得验证的期望是不一样的）。

　　现在世界上有一批设施正在寻找这些特殊的粒子，但尚未获得为科学界普遍认可的观测结果。能否找到这类粒子，找到的物质含量是否足够，我们只能拭目以待。


“暗能量”

　　暗物质的问题即使获得了完满解决，我们也只搞明白了宇宙物质的大约35%而已。剩下的质量在哪里呢？它们又是什么？

　　我们在宇宙大尺度上观测不到这些质量造成的引力效应，它们应该是均匀分布在宇宙中。是什么它们如此分布？这是怎样一种（不属于四种基本力的）基本作用力？没有人说得清。至于它们是何种形式的物质形态就更没有人知道。

　　对于这种物质，现在人们唯一能知道的就是，它们互相会产生斥力，这种斥力在大尺度上会显现出明显的效果。目前，人们把通过研究Ia型超新星得出的“宇宙加速膨胀”的原因归咎于这种我们几乎一无所知物质的作用结果。

　　基于这样的设想，在宇宙结局的猜想中又多了一种因素。当然，还有一些类似幽灵能量导致的“大撕裂”这样具体的结局猜测。


　　关于宇宙物质组成的简单总结就说到这里了。对于历史，尤其是近现代科学史极其短暂的人类文明来说，需要去探索的东西还是太多。
　　当我们从遥望宇宙的短暂迷醉中回过神的后，文明的发展延续，还有我们每个人的现实生活是需要我们更关心的事情。

算是看网络资料和一些书籍的总集吧，分享给大家，供参考。

总述：目前人类认知的宇宙物质构成

5%重子物质，即由质子、中子、电子构成的“普通”物质
　　0.5%：恒星、星系
　　4.5%：重子暗物质
30%奇异暗物质
　　0.5%：中微子
　　其它：理论上应该是“弱相互作用大质量粒子”，尚待实验与观测的验证。
65%“暗能量”
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/* 　　以上物质百分比数据取自查尔斯•塞费的《阿尔法与欧米伽》，和网络上见到的一些数据有出入。但这些数据和 */
/* 我这里使用的百分比都有大致这样原则：“普通”物质4~5%；奇异暗物质约为普通物质的6倍左右，其余为暗能量。 */
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宇宙物质有多少？或者说，宇宙密度有多大？

　　对于这个问题，我们从可以从大爆炸说起。

　　大爆炸理论是现代宇宙学主流学说。当我们认识到“宇宙”有一个开始之后，另外一个问题——宇宙是否有一个终结以及如何终结——就会更加为我们所关注。而为了回答宇宙的终结，宇宙中有多少物质是一个很关键的问题。

　　按照早些时期的观点：如果宇宙中物质足够多，宇宙的密度足够大，那么引力终将把一切重新拉回来，大塌缩将是宇宙的结局；如果宇宙物质太少，引力无法把物质拉回来，宇宙将持续膨胀；如果宇宙物质不多不少，那宇宙也会一直均匀恒定的膨胀下去。

　　宇宙物质密度也会影响到时空的形态。按照刚才描述的宇宙物质总量的标准，如果宇宙物质密度足够大，那宇宙时空就有正曲率；如果宇宙物质太少，宇宙的时空就有负曲率；如果宇宙物质不多也不少，宇宙就是平直的。宇宙学家用希腊字母Ω来表示宇宙物质密度，对那种“不多也不少”的情况，定义Ω＝1。

　　宇宙中有多少物质呢？观测表明，宇宙非常平直，其物质密度极其接近于Ω=1。是否有偏差，偏差有多少，人们不知道。

　　可能有人会说，时空不是平直的，众多引力透镜现象就是明证。引力透镜体现的的确是时空的扭曲，不过，引力透镜体现的是宇宙局部的现象。就宏观而言，宇宙是平直的，就如高山深谷不影响我们的星球是个球体。

Ω＝1
　　表明宇宙整体平直性的观测有一些，最有力，也相对容易解释的是对微波背景辐射的观测。

　　大家可能都知道微波背景上有微小的涨落——那是宇宙物质分布不均匀造成的。微波背景上记录的这种不均匀是宇宙年龄大约40万年时的状况。换言之，我们通过微波背景看到的是（宇宙年龄-40万）光年外的物质分布状况。

　　对于微波背景上的某些热斑，我们看上去它应该有多大的张角，理论有精确的计算。我们看到的，也的确是那么大。这证明宇宙几乎是完全平直的。否则，若宇宙的时空带有曲率，那么光线经过一百多亿光年的空间必然有扭曲，我们看到的一些热斑不可能有合乎理论数据的张角。

　　宇宙是平直的，宇宙物质的总质量我们是拿得准的：Ω=1。

重子物质的含量

　　所谓“重子物质”就是指我们熟悉的“正常”物质。就是那些由质子、中子、点子构成的“普通”物质。我们的身体，我们周围所熟悉的一切都是这种物质。我们看到的点点繁星，千亿颗恒星，千亿的星系（或者说千亿的星系中我们看到的部分）都是这种物质构成。

　　天文学家通过观测和计算，发现我们看到的恒星、星系的总质量，只有宇宙应有质量的0.5%。真是很夸张！我们能“看到”的物质少得可怜。

　　但是，宇宙学家却有把握认为，我们看到的恒星、星系只占重子物质的十分之一。就是说他们认为，宇宙中有5%的质量是由“普通物质”提供的。这就至少涉及到两个问题——他们怎么确认“普通物质”有这么多的？看不到的重子物质是什么？

　　对于第一个问题，答案可以从人们对大爆炸的认识得出。

　　我们知道，宇宙中大部分的氦是大爆炸后几分钟内形成的。我们可以简单的理解为这是宇宙早期发生了如同恒星内部发生的核反应。发生多少反应，从而生成多少氦，是与“重子”们的分布密度有关的。如果其密度大，将会发生更多的反应，从而导致氦的比率提高，反之亦然。依据氢与氦1:3的比率，人们通过计算得出的宇宙“普通”物质，能达到满足宇宙平直所需质量的5%。即重子有0.05Ω。

　　而那些我们看不到的“普通物质”哪去了？它们可能是形成了暗星云、尘埃、行星级别天体、褐矮星、红矮星、白矮星、中子星、黑洞等不同的天体形式，由于其过于黯淡而无法为我们的望远镜直接捕捉到。现在，天文学家已经开始在河外星系找到红矮星；通过微引力透镜效应在银晕内也发现了大量“看不到”的天体。这些物质的面纱正在被逐渐揭开。



奇异暗物质

　　重子物质只占宇宙应有物质的5%。宇宙其它质量在哪里呢？

　　天文学家早已确定，在星系、星系团所在的区域里集中了宇宙应有质量的约35%，而不仅是重子物质总量的5%。

　　能为这样论断提供支持的观测结果有很多。比如说引力透镜效应。通过观测遥远星系或者类星体发出的光线在较近星系或星系团引力作用下弯曲的程度很容易计算出这些星系团应有的质量。还有观测星系中恒星运动、星系团中星系运动……

　　还有更宏观的方式是通过研究宇宙物质分布。宇宙早期物质分布相当均匀，只有很小的涨落。这种不物质的均匀性导致在引力作用下，物质不断集中，逐渐形成了星系团、星系、恒星。如果参与这个过程的物质多，这个过程就快，反之亦然。我们通过观察宇宙中的星系、星系团状况的分布，就可以其计算出究竟需要多少物质参与这个引力主导的过程才能导致当前的局面。

　　星系、星系团所在的空间拥有宇宙35%的质量，这个没有疑问了。可是，除了重子物质占用的5%之外，其余的30%都是什么呢？它们一定是某种不同于我们熟悉的物质的奇异的物质。


中微子

　　对于这些物质是什么，人们曾经只有一种并不恰当的候选者——中微子。当时，依据量子色动力学，人们为当时已知的各种粒子找到了“粒子周期表”上的位置，而中微子是这种理论所能囊括离子中奇异物质的唯一选择。其它离子要么寿命太短，要么会参与强相互作用和电磁作用，从而可以较为容易的观测或者预测到相应的Ω值。

　　可是，当时人们并不知道5%之外的质量是否都是中微子。甚至连中微子有没有质量人们都不知道。
　　当然，现在人们知道这两个问题的答案了。首先中微子具有质量，几种不同的中微子都有大概仅几十个电子伏的质量。中微子数量庞大，所以它们具有很大的质量——和我们观察到的恒星、星系的质量一样大！很可观？是的，但也不过只具有宇宙总重量的0.5%而已。


弱相互作用大质量粒子

　　中微子不够多。另外，中微子还是一种“热”的暗物质，其近光速的运动也使其不可能仅仅被束缚在星系团的周围。作为暗物质，中微子不仅是数量上不足，性质上也不合适。星系团周围的奇异暗物质需要另寻候选。

　　人们找到了吗？还没有。但是在理论上已经找到候选者了。

　　物理学家在更近的时期发展起来了“超对称”理论。依照这种理论，人们预言了一类被称为“弱相互作用大质量粒子”的基本粒子。有人称为“温普粒子”（WIMP）。

　　按照理论，此种粒子具有几十到上百倍质子质量，只参与引力和弱相互作用，是奇异暗物质最佳的人选。

　　但是，理论毕竟只是理论，不能通过实验检验的理论只是空谈（当然，不同的“空谈”获得验证的期望是不一样的）。

　　现在世界上有一批设施正在寻找这些特殊的粒子，但尚未获得为科学界普遍认可的观测结果。能否找到这类粒子，找到的物质含量是否足够，我们只能拭目以待。


“暗能量”

　　暗物质的问题即使获得了完满解决，我们也只搞明白了宇宙物质的大约35%而已。剩下的质量在哪里呢？它们又是什么？

　　我们在宇宙大尺度上观测不到这些质量造成的引力效应，它们应该是均匀分布在宇宙中。是什么它们如此分布？这是怎样一种（不属于四种基本力的）基本作用力？没有人说得清。至于它们是何种形式的物质形态就更没有人知道。

　　对于这种物质，现在人们唯一能知道的就是，它们互相会产生斥力，这种斥力在大尺度上会显现出明显的效果。目前，人们把通过研究Ia型超新星得出的“宇宙加速膨胀”的原因归咎于这种我们几乎一无所知物质的作用结果。

　　基于这样的设想，在宇宙结局的猜想中又多了一种因素。当然，还有一些类似幽灵能量导致的“大撕裂”这样具体的结局猜测。


　　关于宇宙物质组成的简单总结就说到这里了。对于历史，尤其是近现代科学史极其短暂的人类文明来说，需要去探索的东西还是太多。
　　当我们从遥望宇宙的短暂迷醉中回过神的后，文明的发展延续，还有我们每个人的现实生活是需要我们更关心的事情。