看不见的物质
导言：宇宙中的确有着看不见、摸不着、感觉不到的物质存在，粒子物理学家把它们命名为暗物质。可是这些暗物质究竟是什么，是由哪些成分组成的，科学家正在探索之中。宇宙间有许多物质既看不到也感觉不到，它们就是所谓的“暗物质”。暗物质在宇宙的组成中占24%。这些暗物质我们既看不到也感觉不到，但是怎样才能知道它的存在和测量出它的大小呢？
意大利国家实验室的科学家宣称他们探测到了暗物质的讯号。这间实验室位于亚平宁山脉主峰巨石峰之下1400米的隧道里，隧道长10多千米，阴潮幽暗，湿度达100%，虽然有强力通风及空调设备，仍然不免感到郁闷。DAMA（暗物质）实验小组已经在这里坚持了10年，尽管实验结果没有得到承认，但他们仍然要坚持下去。因为他们相信天文物理学家的结论，认为暗物质高达24%。
是谁最先发现的暗物质呢？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，兹威基的这个结果在当时许多人并不相信。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，通过人造卫星运行的速度和高度的计算，便可以测出地球的总质量。通过对地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离的计算，就可以测出太阳的总质量。同理，通过对物体（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计算，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。
不过，说到底暗物质究竟是什么东西，至今仍不十分清楚。理论家提出了各种各样的猜测和预言，目前流行的看法是，暗物质可能是某种或某些相互作用极弱的重粒子，在已知的粒子中，最有可能是暗物质的就是微中子。这种粒子的作用很弱，可以穿越地球，而且数量很多。按照宇宙学的理论，平均每立方厘米中约有100个微中子，这也就是说，在你身体的范围内，少说也有10万个微中子。
为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在努力工作，相信离揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。
暗能量的来源
导言：人类的生存和发展离不开能量，而现今的地球能源短缺。宇宙的探索中发现了暗能量，这虽然是个相当困难的科研课题，只要持之以恒，问题总有解决的一天。“实际上，是核能产生了太阳能，而不是太阳能产生了核能……”1957年诺贝尔物理学奖获得者、美国华裔科学家李政道，于2008年9月5日上午在北京人民大会堂“2006诺贝尔奖获得者北京论坛”上做报告时说道。李政道说，64年前，即1942年12月2日，他的导师费米成功地在美国芝加哥大学的橄榄球场地下室建立了第一个链式核反应堆。在费米的领导下，人类实现了第一个可控制核反应堆的运转。这标志着人类首次能够产生不是来自太阳能的能量。而在此前，地球上所有的能量，包括石油、煤和其他化石能量，都是由太阳能造成的；然而核能则不同。费米和他同时代的物理学家怎么会了解太阳能是核能呢，这些观念是如何产生的？李政道说，太阳发光、发热，若解太阳能之谜，必先研究光能和热能的基础科学规律。李政道列举了科学家们的一系列发现：1887年，迈克耳孙和莫雷的实验证明，光速与地球自转的方向和速度无关；1900年，普朗克提出普朗克方程，通过这个方程说明了黑体温度与其发光的光能关系，这是量子假设的开始；1904年洛伦兹创立洛伦兹坐标变换公式，建立了光传播方式的基础；1905—1925年，在光能和热能研究基础上，产生了狭义相对论和量子力学。李政道说，了解太阳能来源之谜，人类才开始产生不是来源于太阳能的能量。他说，我们感觉到的物质仅占整个宇宙能量的极少数，我们了解的能量也只占全宇宙全部能量的极少数，而全宇宙的总能量约70％是暗能量。暗物质和暗能量的存在，向全世界年轻的科学家提出了新的挑战。
李政道说，从引力场，可以知道暗物质的存在，但它是什么，我们目前并不知道；暗能量更是奇怪，它是一种负的压力，在裂变和聚变反应中，反应前后物质的质量只有少量的差异。按照爱因斯坦的著名质能公式E=mc2，这些少量的质量差异能够转化为巨大的能量；暗能量可以使物质质量全部消失，完全转化为能量！李政道说，最近几年，通过哈勃太空望远镜，人们发现我们的宇宙不仅是在膨胀而且是在“加速”膨胀。他说，两年前，他在探讨暗能量可能来源的研究中，提出一个观念是“天外有天”：因为暗能量的存在，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙；而在另一项试探和解释美国高能核物理的新发现和暗能量关系的研究中，他提出的观念是“核天相连”：核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连。李政道认为，“20世纪初的大问题是太阳能的来源问题；21世纪初的大问题是暗能量的来源问题。”他说，了解暗物质和暗能量，是人类在21世纪向科学的大挑战。李政道强调，了解宇宙能量的来源和其科学规律并不等于造福人类，亟须明智的政治家和社会学家具备科学发展的观点。只有这样，才能达到人类的和谐，并取得可持续的良好发展。
黑洞的特点
导言：宇宙在不断膨胀，这是科学家长期观测的结果。但是科学家又发现，在这大膨胀的同时，也有反其道而行之的区域，那就是黑洞，黑洞吞噬了它力所能及的一切。这又意味着什么呢？黑洞学说是上世纪最具挑战性，也是最让人激动的天文学说之一。世界上许多国家的天文学家都在为揭开黑洞的奥秘而不懈努力。日本航空宇宙开发机构（JAXA）近日宣布，他们通过SUBARU望远镜成功地观测到了距离地球约127亿光年一个巨大的黑洞，该黑洞大致位于巨蟹座方向。这一黑洞是日本天文学家发现的11个黑洞中距离地球最为遥远的一颗，也是最大的一颗，大小约为太阳的20亿倍。日本天文学家表示，根据观测，在宇宙诞生后大约10亿年的时间里，这个巨大的黑洞就已经诞生了。而根据目前的天文学理论，这一点是根本无法解释的。日本天文学家称，黑洞在天文学领域黑洞之谜一直显得非常神秘。根据广义相对论理论，引力场可以使得时空发生弯曲，当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，向某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。当恒星的半径小到一个特定值（天文学上称为“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光线都会被捕获了。在这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像是宇宙中的一个无底洞，任何物质一旦掉进去，似乎就再也不可能逃出来。
在地球上，由于引力场的作用非常小，空间弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。更让人称奇的是，有些恒星不仅朝着地球发出的光能直接到达地球，朝其他方向发射的光也可能被附近的黑洞强引力吸引，通过折射到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还能同时看到它的侧面、甚至后背。日本天文学家表示，与宇宙中的其他天体相比，黑洞的很多特性显得非常特殊。比如，由于黑洞具有神奇的“隐身术”，至今人们几乎无法直接观察到它，甚至连科学家也只能对它的内部结构提出各种猜想。那么，黑洞到底是怎样把自己隐藏起来的呢？众所周知，光是沿直线传播的，这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论理论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。一般来讲，天文学家们将黑洞分为两类：星状黑洞和超大质量星状黑洞。星状黑洞由质量相当于几个太阳的恒星坍缩形成，而超大质量星状黑洞的质量则可达10亿个太阳的质量。黑洞还有另外一个更为神奇的特点，那就是它可以以接近光速的速度突然喷发。虽然长久以来人们一直认为磁场在这个过程中扮演了重要角色，但部分科学家们组成的研究小组首次模拟出一个磁场排出被吸积的气体，从而产生喷发的具体过程。也许该小组的计算机模拟方法最惊人，结果发现了旋转黑洞附近的磁场在黑洞的吸积盘和远处旋转着的物质之间起到连接作用，就像一辆汽车的传动器，牢牢连接着旋转式发动机和它的轮轴。如果一个黑洞诞生时旋转得很快，就说明它的“火车头”非常强劲，它所捕获的大量物质会逐渐使它降低旋转速度。这些数量巨大的吸积物最后将接管整个过程，将黑洞旋转速度限制在一个上限之内。日本天文学家们还发现，当黑洞扩散到一个定点后就将停止增长。最大的黑洞至少是太阳质量的1亿倍，它们在形成初期贪婪吞噬着周围的星体，不断膨胀，之后再吞噬着气体和灰尘，得以持续增长。但几乎所有的这些黑洞都已在数十亿年前用尽了“食物”，所以无法再继续进行扩张。另外，黑洞的增长与星体的诞生存在着密切的联系。
黑洞是如何形成的
导言：一切结论都应来源于对资料的充分把握。和宇宙比较起来，人类的认识太贫乏了。所以目前对宇宙现象的深层思考只能是假想、猜想，对黑洞也是这样。恒星是个气体球，由于它的温度很高，所以恒星对外辐射的压力很大。这种辐射压力与恒星上物质间的引力达到了平衡，这样的恒星是稳定的。目前太阳正处在这样一个平衡状态，因此太阳目前是很稳定的。
但是值得指出，恒星的核燃料总有一天会耗尽。这一天到来之际，就是恒星死亡之时。恒星的能量得不到补充，温度就会下降。温度下降，辐射压力再也抵抗不了恒星的引力作用，恒星便会不断收缩，这种在自身引力作用下的收缩称为坍缩。
牛顿的万有引力定律告诉我们，引力与质量成正比，与距离的平方成反比。由于坍缩，恒星的半径就要变小，引力增大，从而坍缩得就会更厉害。恒星被压得越来越小，密度越来越大，坍缩的速度会变得越来越快。到了最后瞬间，整颗恒星的温度剧烈上升，可达到摄氏1亿度。于是引起了一阵阵激烈的爆炸。这就是所谓的超新星大爆发。恒星被撕成碎片，成亿吨的微粒被抛向太空，发出异常明亮的光芒。
在巨大恒星的急剧死亡中，那些大于3倍太阳质量的超新星残骸又会无限地坍缩下去。在强大的引力下，恒星的直径越挤越小，甚至会一下子把几百万千米直径的恒星压成了一个“点”，我们把这个点称为“奇点”。在围绕着这个点的某个范围内，引力无限大，任何东西靠近它都会被它吞掉，连光线也逃不出它的“魔掌”。也就是说，在这个范围内引力已经大到连光线也要弯折，光线再也不能从这个范围内发射出去，或者说逃逸出去。恒星终于在我们的视界中消失——黑洞便形成了。这个光线不能逃逸的范围，称为“黑洞表面”，也叫做“视界”。
黑洞是非常小的，要是质量像地球那么大，它的直径还不到2厘米；天文学家还相信，除了由于引力坍缩而形成的黑洞以外，还存在着一种巨型黑洞，它们可能在许多星系中潜伏着。成千上万颗恒星相互挤压碰撞，形成了巨大的坍缩天体——巨黑洞。
黑洞可能将宇宙天体全部吸掉吗
导言：一厢情愿也好，实事求是也好，黑洞现象还在发生着，人类对此只能坐观其变，对其结果却无能为力。但宇宙的事情又有多少是我们能等到结果的呢？黑洞就像宇宙中的一个无底深渊，物质一旦掉进去，就再也逃不出来。根据我们熟悉的“矛盾”的观点，科学家们大胆地猜想到：宇宙中会不会也同时存在一种物质只出不进的“泉”呢？并给它取了个同黑洞相反的名字，叫“白洞”。