四川人一直抱著感恩的心，

這次三名援意專家都是主動報名、主動請纓，

覺得在危難的時候要有一份回饋和回報。

NO. 6｜同一棵樹上的樹葉

受到中國救援的意大利，意大利共和國報，今天剛把它的Facebook主頁的封面，換成了中國醫護人員的暖心一幕的照片。

接著，共和國報又發了一條 post，是關於中國派遣醫療專家組赴意援助抗疫的新聞。這條新聞下面的評論滿滿都是意大利人的感恩。

語宇宙是如何形成的? 1.科學家認為它起源為137億年前之間的一次難以置信的大爆炸。這是一次不可想像的能量大爆炸，宇宙邊緣的光到達地球要花120億年到150億年的時間。大爆炸散發的物質在太空中漂游，由許多恆星組成的巨大的星系就是由這些物質構成的，我們的太陽就是這無數恆星中的一顆。原本人們想象宇宙會因引力而不在膨脹，但是，科學家已發現宇宙中有一種 “暗能量”會產生一種斥力而加速宇宙的膨脹。 2.宇宙學說認為，我們所觀察到的宇宙，在其孕育的初期，集中於一個體積極小、溫度極高、密度極大的奇點。在141億年前左右，奇點產生後發生大爆炸，從此開始了我們所在的宇宙的誕生史。 3.宇宙大爆炸後0.01秒，宇宙的溫度大約為1000億度。物質存在的主要形式是電子、光子、中微子。以後，物質迅速擴散，溫度迅速降低。大爆炸後1秒鐘，下降到100億度。大爆炸後14秒，溫度約30億度。35秒後，為3億度，化學元素開始形成。溫度不斷下降，原子不斷形成。宇宙間瀰漫著氣體雲。他們在引力的作用下，形成恆星系統，恆星系統又經過漫長的演化，成為今天的宇宙。 宇宙是什麼?宇宙有多大?宇宙年齡是多少? 宇宙是萬物的總稱，是時間和空間的統一。從最新的觀測資料看，人們已觀測到的離我們最遠的星系是130億光年。也就是說，如果有一束光以每秒30萬千米的速度從該星系發出，那麼要經過130億年才能到達地球。根據大爆炸宇宙模型推算，宇宙年齡大約200億年。宇宙有多少個星系?每個星系有多少顆恆星? 在這個以130億光年為半徑的球形空間裡，目前已被人們發現和觀測到的星系大約有1250億個，而每個星系又擁有像太陽這樣的恆星幾百億到幾萬億顆。因此只要做一道簡單的數學題，你就不難了解到，在我們已經觀測到的宇宙中擁有多少星星。地球在如此浩瀚的宇宙中，真如滄海一粟，渺小得微不足道。天文學的基礎知識（一） 太陽和地球的年齡? 據估計太陽的年齡比地球大1000萬-2000年年，而通過放射性計年，地球的年齡是45億年，因此太陽的年齡是45.1億年。銀河系簡介 是地球和太陽所屬的星系。因其主體部分投影在天球上的亮帶被我國稱為銀河而得名。銀河系呈旋渦狀，有4條螺旋狀的旋臂從銀河系中心均勻對稱地延伸出來。銀河系中心和4條旋臂都是恆星密集的地方。從遠處看，銀河系像一個體育鍛鍊用的大鐵餅，大鐵餅的直徑有10萬光年，相當於946080000億公里。中間最厚的部分約3000～12000光年。銀河系整體作較差自轉，太陽位於一條叫做獵戶臂的旋臂上，距離銀河系中心約2.5萬光年。在銀河系裡大多數的恆星集中在一個扁球狀的空間範圍內，扁球的形狀好像鐵餅。扁球體中間突出的部分叫“核球”，半徑約為7千光年。核球的中部叫“銀核”，四周叫“銀盤”。在銀盤外面有一個更大的球形，那裡星少，密度小，稱為“銀暈”，直徑為7萬光年。銀河系是一個旋渦星系，具有旋渦結構，即有一個銀心和兩個旋臂，旋臂相距4500光年。其各部分的旋轉速度和週期，因距銀心的遠近而不同。1971年英國天文學家林登·貝爾和馬丁·內斯分析了銀河系中心區的紅外觀測和其他性質，指出銀河系中心的能源應是一個黑洞，但是由於目前對大質量的黑洞還沒有結論性的證據。銀河系如何運轉?太陽繞銀河系公轉是多少年?銀河系的年齡是多少? 銀河系是一個巨型旋渦星系，Sb型，共有4條旋臂。包含一、二千億顆恆星。太陽距銀心約2.3萬光年，以250千米/秒的速度繞銀心運轉，運轉的週期約為2.5億年。關於銀河系的年齡，目前佔主流的觀點認為，銀河系在宇宙誕生的大爆炸之後不久就誕生了，用這種方法計算出，我們銀河系的年齡大概 在145億歲左右，上下誤差各有20多億年。而科學界認為宇宙誕生的“大爆炸”大約發生 ... 什麼叫星系?宇宙有多少個星系和恆星? 天穹上的大多數光點是銀河系的恆星，但也有相當大量的發光體是與銀河系類似的巨大恆星集團，歷史上曾被誤認為是星雲，我們稱它們為河外星系，現在已知道存在1000億個以上的星系，著名的仙女星系、大小麥哲倫星雲就是肉眼可見的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙結構中的一個層次，從宇宙演化的角度看，它是比恆星更基本的層次。宇宙中有1000億～2000億個像銀河系這樣的星系。如果銀河系的恆星數量以最低的2000億(有人推算是10000億)顆計算，由此推算出的宇宙中的恆星數量為2×1022～4×1022顆，即20萬億億～40萬億億顆(也有人推出800萬億億～5000萬億億)。銀河系有多少顆恆星?銀河系的質量是太陽的多少倍?宇宙有多少顆恆星? 銀河系物質約90％集中在恆星內，銀河系裡還有氣體和塵埃，其含量約佔銀河系總質量的10％。銀河系的總質量大約是我們太陽質量的1萬億倍，大致10倍於銀河系全部恆星質量的總和。銀河系所有的恆星的，說某某星座在銀河系以內/以外都是不準確的說法。星座是指天上一群群的恆星組合。在三維的宇宙中，這些恆星其實相互間沒有實際的關係，不過其在天球這一個球殼面上的位置相近。自古以來，人對於恆星的排列和形狀很感興趣，並很自然地把一些位置相近的星聯繫起來，組成星座。一些星座是古代的，還有一些是現代的。一些星座如獅子座可以追溯到古埃及的法老時代。另外一些星座是1600年左右有兩名荷蘭旅行家 Pieter?Keyser 和 Frederik?de Houtman 命名的，這些星座主要分佈在南半球。當時他們在作環球旅行，看到了在歐洲不曾 見過的星空，然後創造了一系列極具想象力的動物的名字給這些星座命名。一個多世紀後Nicolas de Lacaille 為了紀念一些在工業革命中發明的工具，把南天一些零散的星組成了 新的星座：熔爐座、唧筒座和顯微鏡座。當然，很早以前南半球的土著民對自己頭頂的星空 也有自己想象的圖案，那是他們的星座。 星座的來源?如何辨認星座? 星座起源於四大文明古國之一的古巴比倫，古代巴比倫人將天空分為許多區域，稱為“星座”，不過那時星座的用處不多，被發現和命名的更少。黃道帶上的12星座初開始就是用來計量時間的，而不像現在用來代表人的性格。在公元前1000年前後已提出30個星座。兩河流域文化傳到古希臘以後，公元2世紀，古希臘天文學家托勒密綜合了當時的天文成就，編制了48個星座。希臘神話故事中的48個星座大都居於北方天空和赤道南北。16世紀麥哲倫環球航行時，不僅利用星座導航定向，而且還對星座進行了研究。1922年，國際天文學聯合會大會決定將天空劃分為88個星座，其名稱”之間都有很高的地位是因為宗教原因。哥白尼很小心，他沒有立即站出來說他的新觀念是正確的。因為那樣只能使當權者不高興，甚至威脅到自己的健康。他只是簡單的把它帶給世界，作為一本“數學練習”帶個羅馬教皇統治下的世界。因為不準備去冒險，哥白尼直到去世的時候才將它發表。 8.意大利天文學家伽利略找到了支持哥白尼模型的證據。對亞里士多德和他的追隨者們，科學頂多是建立在科學實驗的純粹推理上。而對於伽利略來說，證據就在布丁裡，如果你想知道天空的機制是什麼，你的布丁就在天上。聽說了一種可以使遠處物體在近處看的很清楚的裝置（望遠鏡）之後，伽利略造了許多自己設計的望遠鏡，並且把它們對準了天空。他記錄下月亮其實很不完美，不像眾多哲學家相信的那樣，月亮上既有高山又有深谷。伽利略還記錄了太陽的黑子。並且發現了木星的四顆衛星。最後，他觀測了金星，它像地球的衛星月亮，並且也有相的變化。這個發現聽起來就是亞里士多德和托勒納米體系的喪鐘。因為能看到金星的相的變化，金星就必須繞著太陽轉，而不是地球。然而伽利略的發現在他的那個年代並不受歡迎。更喜歡亞里士多德和托勒密體系的教廷迫使他放棄自己的觀點，並且在他的後半生軟禁了他。 9.兩位與伽利略同時代的人也幫助摧毀了亞里士多德的水晶球系統。伽利略有力的打擊了亞里士多德的宇宙體系，並且證明了哥白尼的理論是正確的。但是即使是哥白尼也沒有完全拋棄宇宙中所有的運動都是圓運動的觀念。第谷，伽利略同時代的一個人，在他的工作裡沒有使用望遠鏡，但卻給出了那個年代行星運動最精確的測量法。他的合作人，稍微有點神秘兮兮但卻是一位精明數學家的開普勒，通過觀測來檢查行星運動。他的工作比任何前人做的都要好。 10.開普勒首先提出行星繞太陽作橢圓軌道運動。當他檢查第谷數據的時候，他意識到行星不能像人們想象的那樣繞著太陽作圓軌道運動，取而代之的應該是橢圓軌道運動。開普勒還提出了今天所有行星遵循的行星運動三大定律。下面是開普勒的行星運動的三大定律： 1)行星繞太陽作橢圓軌道運動，太陽在橢圓的一個焦點上。 2)行星不是以恆定速度繞太陽運動的，行星距離太陽越近，運動的越快。 3)距離太陽越近的行星，它繞太陽轉一圈所用的時間就越短。 11.一個叫伊薩克牛頓的天才把開普勒的工作推進了一步。在伽利略去世的那年，伊薩克牛頓出生了。開普勒提出了行星繞太陽作橢圓軌道運動而不是圓軌道運動，這符合事實，但他自己卻不知道為什麼。牛頓發明了數學的一個分支——微積分學，並且以它為工具，以一種今天我們稱之為引力的力來解釋物體的運動。 12.牛頓很可能從來沒有像傳奇中說的那樣被蘋果砸到。但是他很可能確實看到過蘋果從樹上掉下來，這激發了他對引力的思考。那麼這種看不見的力既然能到達樹上把蘋果拉到地上，為什麼它不能到達月球把月球拉到地球上來呢？用數學描述引力的行為，牛頓可以證明相同性質的力確實控制著蘋果，月球以及宇宙中其他所有運動物體。通過極其敏銳的洞察力，牛頓說明了引力是普遍存在的力，並且用數學語言給出了這個統治宇宙中所有運動物體的力的精確表達式。他不只說明了我們在地球上經受的物理現象與宇宙中其他地方也是一樣的，還表明了人類有能力瞭解這種力。 13.除了萬有引力定律，牛頓還描述了三大運動定律。 1)如果沒有外力作用，一個物體將保持靜止或勻速直線運動。 2)如果一個拉力或推力作用在一個物體上，它將改變物體的速度或速度的方向。 3)如果一個物體對另一個物體施加力的作用，那麼它將受到等量的反向的力的作用。 這些定理控制一切，從曲棍球到賽車，從宇宙飛船到繞太陽運動的行星。 14.在20世紀初期，愛因斯坦又突破了牛頓的體系。在1913年，阿爾伯特愛因斯坦出版了他的狹義相對論。在書中，他表示牛頓定律在平時的低速世界裡是適用的，但在高速世界裡它就被破壞了，即當速度接近光速的時候。這個理論的一個基本假定是光速是不變的。光速與光源的運動速度和觀測者的運動速度無關。這看似荒謬，但已經被大量的獨立實驗證實。並且它引出了三個與觀測者速度相關的物理量---質量，長度和時間。舉例來說，一個以接近光速的飛船朝你飛來的時候，它的質量變大，在行進方向的長度變短，並且飛船上的時間與停在你旁邊的飛船相比慢很多。儘管同樣的奇怪，但這也被證實了，並且應用於現實的計算中。 15.幾年過後，愛因斯坦出版了他的廣義相對論。廣義相對論解決牛頓力學裡引力的問題，並且指出一個物體影響它旁邊另一個物體的運動，不僅僅是因為引力，它的質量也彎曲了它周圍的空間。更進一步的還有，物體的質量不止影響空間，還會影響時間，使時間變慢。這同樣使人很困惑，但這已經被證實是一個很有效的理論。 116天文學的進步是很多人努力的結果。對於他的成就，牛頓說：“如果我比別人看得更遠，是因為我站在了巨人的肩膀上。”比牛頓早的時代和晚的時代裡都有很多科學巨人，你可以閱讀他們的傳記或書籍來了解我們這個神奇的宇宙。天文學的基礎知識 什麼叫原子? 最基本的物質形式叫做原子。世界上有從水到特氟綸的數十億種自然的和人造的物質，但是所有的這些都可以在化學實驗室中分解成更簡單的物質。例如利用電流水可以分解成兩種氣體，即氫氣和氧氣，或者其它的，普通的食鹽（氯化鈉）可以分解成金屬鈉，和一種有毒氣體叫做氯氣。這四種物質中的每一個——氫氣、氧氣、納和氯氣——有這獨一無二的性質。沒有哪一種能夠進一步分解而不丟失它們的性質，還是氫氣、氧氣、納和氯氣。它們是最基本的物質因此被叫做元素。依然保持這種元素性質的最小單元叫做原子。儘管如此，原子被認為是由更小的叫做質子、中子和電子的粒子組成的。通常，質子和中子緊密結合在原子的中心，電子以一定距離繞核旋轉。實際上又一個整個的亞原子粒子家族，除了極少例外，本書不會接觸它們。 什麼叫分子? 當原子組合在一起，它們組成了分子。兩個或更多原子結合在一起，形成了分子。例如，一個碳原子和一個氧原子組成一個一氧化碳分子。一個碳原子和兩個氧原子組成一個二氧化碳分子。分子只含有很少幾個原子的通常叫做簡單分子，含有很多原子的分子叫做複雜分子。究竟幾個原子從簡單變為複雜決定於你談話的對象。當射電天文學家在星際空間找到6到8個原子的分子時，他們把它叫做複雜分子，因為沒有人會想到在險惡的宇宙空間可以找到這種東西。但是生化學家可能會把這種分子稱為很簡單的分子。 什麼叫元素? 在整個宇宙，只有92種自然產生的元素。唯一的決定這種特定的元素是這種元素而不是其它的元素的是在原子核裡的質子數量。例如，在宇宙中每個原子核裡有一個質子的原子是氫，每個核裡有兩個質子的原子是氦而不會是其他。碳原子有6個質子，氧原子有8個質子等等。一直到核裡有92個質子的鈾。原子核裡有相同質子和電子數的元素具有相似的化學性質，為了簡便，科學家們按照質子數目把元素進行了分組，這就是元素週期表。世界上每個化學實驗室裡或課堂上通常會有這麼一張。這是世界的藍本，因為就92個基本的元素構成了我們的世界。Armand Deutsch許多年前寫過精彩的科學小說。一組未來的考古學家在開鑿古火星人的文明遺蹟，發現了一所大學。他們正為無法破解火星語言而感到困惑的時候來到一個化學實驗室，在實驗室的牆上發現了元素週期表---一個馬上被他們識別的東西。因為它代表了通用的，超越文化甚至是種族的東西。所以，元素週期表成了破解火星語言的敲門磚。核中具有少量質子的元素有時被稱為輕元素或簡單元素；有大量原子的就叫重元素或複雜元素。 物質有多少種狀態? 物質典型存在於三種態。我們知道三態分別是：固態，液態和氣態。在特定的時間特定的地點物質處於什麼態取決於物質的化學本質，環境的溫度和壓強。在地球上，我們找一個事物為例，我們能看到它的三個態。它由兩個氫原子和一個氧原子組成：。在一般情況下，當溫度低於華氏32度時我們稱之為冰，當溫度在華氏32度到212度之間時我們稱之為水，高於華氏212度時，我們稱之為水蒸氣。（在非常高的溫度下，氫和氧原子之間的鍵被打破，它的本質就不再是水蒸氣，就是氫氣和氧氣的混合氣體 反物質 反物質是物質的鏡像。物質由原子組成，原子又由質子、中子和電子組成。質子帶正電，電子帶...通常物質中沒有發現過反物質，即使在實驗條件下，反質子也一瞬即逝。 當你照鏡子時，看一看在鏡子中的那個你，如果那個鏡子裡的傢伙真的存在，並出現在你的面前，會怎麼樣呢？ 科學家們已經考慮過這個問題，他們把鏡子中的那個你叫做“反你”。他們甚至想象很遠的地方有一個和我們現在的世界很象的世界，或者說是我們的世界在鏡子裡的像。它將是一個由反恆星、反房子、反食物等所有的反物質構成的反世界。但是反物質是什麼，這一切又可能是真實的嗎？ 對於“反物質是什麼”這個問題，並沒有惡作劇的意味。反物質正如你所想象的樣子——是一般物質的對立面，而一般物質就是構成宇宙的主要部分。直到最近，宇宙中反物質的存在還被認為是理論上的。在1928年，英國物理學家PaulA.M.Dirac修改了愛因斯坦著名的質能方程（E=mc2）。Dirac說愛因斯坦在質能方程中並沒有考慮“m”——質量——除了正的屬性外還有負屬性。Dirac的方程（E=+或者-mc2）允許宇宙中存在反粒子。而且科學家們也已經證明了幾種反粒子的存在。這些反粒子，顧名思義，是一般物質的鏡像。每種反粒子和與它相應的粒子有相同的質量，但是電荷相反。以下是20世紀發現的一些反粒子。 正電子——帶有一個負電荷而不是帶有一個正電荷的電子。由CarlAnderson在1932年發現，正電子是反物質存在的第一個證據。反核子——帶有一個負電荷而不是通常帶有一個正電荷的核子。由研究者們在1955年的伯克利質子加速器上產生了一個反質子。 反原子——正電子和反質子組合在一起，由CERN的科學家制造出第一個反質子（CERN是歐洲核子研究中心的簡稱）。共製造了九個反氫原子，每一個的生命只有40納秒。到1998年CERN的研究者把反氫原子的產量增加到了每小時2000個。當反物質和物質相遇的時候，這些等價但是相反的粒子碰撞產生爆炸，放射出純的射線，這些射線以光速穿過爆炸點。這些產生爆炸的粒子被完全消滅，只留下其它亞原子粒子。物質和反物質相遇所產生的爆炸把兩種粒子的質量轉換成能量。科學家們相信這種方法產生的能量比任何其它推進方法產生的能量強的多。所以，為什麼我們不能建一個物質——反物質反應機呢？建造反物質推進機的困難之處在於宇宙中反物質的缺乏。如果宇宙中存在相等數量的物質和反物質，我們將可能看到圍繞我們的這些反應。既然我們的周圍並不存在反物質，我們也不會看到物質和反物質碰撞所產生的光。 在大爆炸產生時粒子數超過反粒子數是可能的。如上所述，粒子和反粒子的碰撞把兩者都破壞掉了。並且因為開始的時候有更多的粒子存在，所以現在的粒子是所有留下來的那些。今天在我們的宇宙中可能已經沒有留下任何天然的反粒子。但是，在1977年科學家們發現在銀河系中心附近有一個可能的反物質源。如果那個地方真的存在，也意味著存在天然的反物質，所以我們將不再需要製造反物質。 但是目前，我們將不得不創造我們自己的反物質。幸運的是，通過使用高能粒子對撞機（也叫做離子加速器）這種技術製造反物質是可行的。離子加速器，象CERN，是沿很強的環繞的超磁場排列的一些巨大的隧道，超磁場可以使原子以接近光速的速度推進。當原子通過加速器出來時，它轟擊目標，創造出粒子。這些粒子中的一些就是用磁場分離的反粒子。這些高能離子加速器每年只能產生幾個毫微克的反核子。一毫微克是一克的十億分之一。所有一年之內在CERN產生的反核子只夠一個100瓦的電燈泡亮3秒鐘。如果要用反核子進行星際旅行將需要消耗幾噸才能實現。 暗物質 什麼是暗物質？暗物質(包括暗能量)被認為是宇宙研究中最具挑戰性的課題，它代表了宇宙中90%以上的物質含量，而我們可以看到的物質只佔宇宙總物質量的10%不到(約5％左右)。暗物質無法直接觀測得到，但它卻能干擾星體發出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。科學家曾對暗物質的特性提出了多種假設，但直到目前還沒有得到充分的證明。 幾十年前，暗物質(dark matter)剛被提出來時僅僅是理論的產物，但是現在我們知道暗物質已經成為了宇宙的重要組成部分。暗物質的總質量是普通物質的6.3倍，在宇宙能量密度中佔了1/4，同時更重要的是，暗物質主導了宇宙結構的形成。暗物質的本質現在還是個謎，但是如果假設它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那麼由此形成的宇宙大尺度結構與觀測相一致。不過，最近對星系以及亞星系結構的分析顯示，這一假設和觀測結果之間存在著差異，這同時為多種可能的暗物質理論提供了用武之地。通過對小尺度結構密度、分佈、演化以及其環境的研究可以區分這些潛在的暗物質模型，為暗物質本性的研究帶來新的曙光。 大約65年前，第一次發現了暗物質存在的證據。當時，弗里茲·扎維奇發現，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質量是根據其中恆星數量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。之後幾十年的觀測分析證實了這一點。儘管對暗物質的性質仍然一無所知，但是到了80年代，佔宇宙能量密度大約20%的暗物質以被廣為接受了。 在引入宇宙膨脹理論之後，許多宇宙學家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等於臨界值的（這一臨界值用於區分宇宙是封閉的還是開放的）。與此同時，宇宙學家們也傾向於一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質的形式出現，包括4%的普通物質和96%的暗物質。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質的總量達到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。 當意識到沒有足夠的物質能來解釋宇宙的結構及其特性時，暗能量出現了。暗能量和暗物質的唯一共同點是它們既不發光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，像普通的物質一樣，暗物質是引力自吸引的，而且與普通物質成團並形成星系。而暗能量是引力自相斥的，並且在宇宙中幾乎均勻的分佈。所以，在統計星系的能量時會遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測到的物質密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70-80%的差異。之後，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發現，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量佔主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的觀測也獨立的證實了暗能量的存在，並且使它成為了標準模型的一部分。 暗能量同時也改變了我們對暗物質在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質的宇宙中，物質密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過去和未來。加上暗能量的話，情況就完全不同了。首先，總能量密度（物質能量密度與暗能量密度之和）決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經從物質佔主導的時期過渡到了暗能量佔主導的時期。大約在“大爆炸”之後的幾十億年中暗物質佔了總能量密度的主導地位，但是這已成為了過去。現在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它目前正時宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態，否則這種加速膨脹態勢將持續下去。 不過，我們忽略了極為重要的一點，那就是正是暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星系、恆星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙儘管在極大的尺度上表現出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恆星、星系、星系團、巨洞以及星系長城。而在大尺度上能過促使物質運動的力就只有引力了。但是均勻分佈的物質不會產生引力，因此今天所有的宇宙結構必然源自於宇宙極早期物質分佈的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景輻射（CMB）中留下痕跡。然而普通物質不可能通過其自身的漲落形成實質上的結構而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因為那時普通物質還沒有從輻射中脫耦出來。 另一方面，不與輻射耦合的暗物質，其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質脫耦之後，已經成團的暗物質就開始吸引普通物質，進而形成了我們現在觀測到的結構。因此這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這裡需要的物質就是冷暗物質，由於它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。 在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最後一件重要的事情。對於先前提到的小擾動（漲落），為了預言其在不同波長上的引力效應，小擾動譜必須具有特殊的形態。為此，最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說，如果我們把能量分佈分解成一系列不同波長的正弦波之和，那麼所有正弦波的振幅都應該是相同的。暴漲理論的成功之處就在於它提供了很好的動力學出發機制來形成這樣一個標度無關的小擾動譜（其譜指數n=1）。WMAP的觀測結果證實了這一預言，其觀測到的結果為n=0.99±0.04。 但是如果我們不瞭解暗物質的性質，就不能說我們已經瞭解了宇宙。現在已經知道了兩種暗物質--中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的，暗物質中的絕大部分現在還不清楚。這裡我們將討論暗物質可能的候選者，由其導致的結構形成，以及我們如何綜合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質的性質。 最被看好的暗物質候選者 長久以來，最被看好的暗物質僅僅是假說中的基本暗性粒子，它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特殊特性。壽命長意味著它的壽命必須與現今宇宙年齡相當，甚至更長。溫度低意味著在脫耦時它們是非相對論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團。無碰撞指的是暗物質粒子（與暗物質和普通物質）的相互作用截面在暗物質暈中小的可以忽略不計。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方，並且在暗物質暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運動。 低溫無碰撞暗物質（CCDM）被看好有幾方面的原因。第一，CCDM的結構形成數值模擬結果與觀測相一致。第二，作為一個特殊的亞類，弱相互作用大質量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的丰度。如果粒子間相互作用很弱，那麼在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處於熱平衡的。之後，由於湮滅它們開始脫離平衡。根據其相互作用截面估計，這些物質的能量密度大約佔了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測相符。CCDM被看好的第三個原因是，在一些理論模型中預言了一些非常有吸引力的候選粒子。 其中一個候選者就是中性子（neutralino），一種超對稱模型中提出的粒子。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎，它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子（尚未觀測到），同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子。如果超對稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同質量。但是由於在宇宙的早期超對稱出現了自發的破缺，於是今天伴隨粒子的質量也出現了變化。而且，大部分超對稱伴隨粒子是不穩定的，在超對稱出現破缺之後不久就發生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質量在100GeV的數量級）由於其自身的對稱性避免了衰變的發生。在最簡單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質是由中性子組成的，那麼當地球穿過太陽附近的暗物質時，地下的探測器就能探測到這些粒子。另外有一點必須注意，這一探測並不能說明暗物質主要就是由WIMP構成的。現在的實驗還無法確定WIMP究竟是佔了暗物質的大部分還是僅僅只佔一小部分。 另一個候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質量在1μeV的數量級上），它在大統一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法處於熱平衡狀態，因此不能很好的解釋它在宇宙中的丰度。在宇宙中，軸子處於低溫玻色子凝聚狀態，現在已經建造了軸子探測器，探測工作也正在進行。 暗物質和暗能量是世紀謎題 21世紀初科學最大的謎是暗物質和暗能量。它們的存在，向全世界年輕的科學家提出了挑戰。暗物質存在於人類已知的物質之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什麼，它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中，暗物質的能量是人類已知物質的能量的5倍以上。 暗能量更是奇怪，以人類已知的核反應為例，反應前後的物質有少量的質量差，這個差異轉化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質的質量全部消失，完全轉化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質能量的14倍以上。 宇宙之外可能有很多宇宙 圍繞暗物質和暗能量，李政道闡述了他最近發表文章探討的觀點。他提出“天外有天”，指出“因為暗能量，我們的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我們的宇宙在加速地膨脹”且“核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連”。 暗物質是誰最先發現的呢？ 1915年，愛因斯坦根據他的相對論得出推論：宇宙的形狀取決於宇宙質量的多少。他認為，宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質的平均密度必須達到每立方厘米5×10的負30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數物質“失蹤”了，科學家將這種“失蹤”的物質叫“暗物質”。 一些星體演化到一定階段，溫度降得很低，已經不能再輸出任何可以觀測的電磁信號，不可能被直接觀測到，這樣的星體就會表現為暗物質。這類暗物質可以稱為重子物質的暗物質。 還有另一類暗物質，它的構成成分是一些帶中性的有靜止質量的穩定粒子。這類粒子組成的星體或星際物質，不會放出或吸收電磁信號。這類暗物質可以稱為非重子物質的暗物質。 Abell 2390星系團(上半圖)和MS2137.3-2353星系團(下半圖)，距離我們約有20億光年遠。上圖右半方的影像，是哈勃太空望遠鏡所拍攝的假色照片，而相對應的左半方影像，是由錢卓拉X射線觀測站所拍攝的X射線影像。雖然哈勃望遠鏡的影像中，可以看到數量眾多的星系，但在X射線影像裡，這些星系的蹤影卻無處可尋，只見到一團溫度有數百萬度，而且會輻射出X射線的熾熱星系團雲氣。除了表面上的差異外，這些觀測其實還含有更重大的謎團呢。因為右方影像中星系的總質量加上左方雲氣的質量，它們所產生的重力，並不足以讓這團熾熱雲氣乖乖地留在星系團之內。事實上再怎麼細算，這些質量只有“必要質量”的百分之十三而已！在右方哈伯望遠鏡的深場影像裡，重力透鏡效應影像也指出造成這些幻像所需要的質量，大於哈勃望遠鏡和錢卓拉觀測站所直接看到的。天文學家認為，星系團內大部分的物質，是連這些靈敏的太空望遠鏡也看不到的“ 暗物質”。 1930年初，瑞士天文學家茲威基發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只佔總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。不過，茲威基的結果許多人並不相信。直到1978年才出現第一個令人信服的證據，這就是測量物體圍繞星系轉動的速度。我們知道，根據人造衛星運行的速度和高度，就可以測出地球的總質量。根據地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離，就可以測出太陽的總質量。同理，根據物體（星體或氣團）圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系範圍內的總質量。這樣計算的結果發現，星系的總質量遠大於星系中可見星體的質量總和。結論似乎只能是：星系裡必有看不見的暗物質。那麼，暗物質有多少呢？根據推算，暗物質佔宇宙物質總量的20—30%才合適。 天文學的觀測表明，宇宙中有大量的暗物質，特別是存在大量的非重子物質的暗物質。據天文學觀測估計，宇宙的總質量中，重子物質約佔2%，也就是說，宇宙中可觀測到的各種星際物質、星體、恆星、星團、星雲、類星體、星系等的總和只佔宇宙總質量的2%，98%的物質還沒有被直接觀測到。在宇宙中非重子物質的暗物質當中，冷暗物質約佔70%，熱暗物質約佔30%。 標準模型給出的62種粒子中，能夠穩定地獨立存在的粒子只有12種，它們是電子、正電子、質子、反質子、光子、3種中微子、3種反中微子和引力子。這12種穩定粒子中，電子、正電子、質子、反質子是帶電的，不能是暗物質粒子，光子和引力子的靜止質量是零，也不能是暗物質粒子。因此，在標準模型給出的62種粒子中，有可能是暗物質粒子的只有3種中微子和3種反中微子。 20世紀80年代初期，美國天文學家艾倫森發現，距我們30萬光年的天龍座矮星系中，許多碳星(巨大的紅星)周圍存在著穩定的暗物質，即這些暗物質受到嚴格的束縛。高能熱粒子和能量適中的暖粒子是難以束縛住的，它們會到處亂竄，只有運行很慢的“冷粒子”才能束縛住。物理學家認為那是“軸子”，它是一種非常穩定的冷“微子，質量只有電子質量的數百萬分之一。這就是暗物質的軸子模型。 軸子模型是否成立，最終得由實驗裁決。最近，還有人提出，暗物質可能是一種稱做“宇宙弦”的弦狀物質，它產生於大爆炸後的一秒期間內，直徑為1萬億億億分之一釐米，質量密度大得驚人，每寸長約1億億噸。這種理論是否成立，同樣有待科學家進一步研究。 為探索暗物質的秘密，世界各國的粒子物理學家正在這個領域努力工作，相信揭開暗物質神秘面紗的那一天不會太遙遠了。 在引入宇宙暴漲理論之後，許多宇宙學家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等於臨界值的（這一臨界值用於區分宇宙是封閉的還是開放的）。與此同時，宇宙學家們也傾向於一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質的形式出現，包括4%的普通物質和96%的暗物質。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質的總量達到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。 當意識到沒有足夠的物質能來解釋宇宙的結構及其特性時，暗能量出現了。暗能量和暗物質的唯一共同點是它們既不發光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，像普通的物質一樣，暗物質是引力自吸引的，而且與普通物質成團並形成星系。而暗能量是引力自相斥的，並且在宇宙中幾乎均勻的分佈。所以，在統計星系的能量時會遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測到的物質密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70-80%的差異。之後，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發現，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量佔主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的觀測也獨立的證實了暗能量的存在，並且使它成為了標準模型的一部分。 暗能量同時也改變了我們對暗物質在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質的宇宙中，物質密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過去和未來。加上暗能量的話，情況就完全不同了。首先，總能量密度（物質能量密度與暗能量密度之和）決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經從物質佔主導的時期過渡到了暗能量佔主導的時期。大約在“大爆炸”之後的幾十億年中暗物質佔了總能量密度的主導地位，但是這已成為了過去。現在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它目前正時宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態，否則這種加速膨脹態勢將持續下去。 暗物質的蹤跡 暗物質是相對可見物質來說的。所謂可見物質，除發射可見光的物質外，還包括輻射紅外線等其他電磁波的物質。雖然宇宙中的可見物質大部分不能用肉眼直接看到，但探測它們發出的各種電磁波就可以知道它們的存在。暗物質不輻射電磁波，但有質量。 科學家為什麼會提出“暗物質”這個概念？宇宙中有沒有暗物質？ 在物理學中，把狀態變化的“轉折點”成為“臨界點”，比如水變成冰，溫度臨界值（或者說“臨界點”）為0℃。宇宙學的研究認為，宇宙中物質的平均密度，與決定宇宙是膨脹還是收縮的臨界值，相差不會超過百萬分之一。可是，宇宙中發可見光的恆星和星系的物質總量不到臨界值的1%，加上輻射其他電磁波的天體，如行星、白矮星和黑洞等，最多也只有臨界值的10%。 現已知道，宇宙的大結構呈泡沫狀，星系聚集成“星系長城”，即泡沫的連接纖維，而纖維之間是巨大的“宇宙空洞”，即大泡泡，直徑達1~3億光年。如果沒有一種看不見的暗物質的附加引力“幫忙”，這麼大的空洞是不能維持的，就像屋頂和橋樑的跨度過大不能支持一樣。 我們的宇宙儘管在膨脹，但高速運動中的個星系並不散開，如果僅有可見物質，它們的引力是不足以把各星系維持在一起的。 我們知道，太陽系的質量，99.86%集中在太陽系的中心即太陽上，因此，離太陽近的行星受到太陽的引力，比離太陽遠的行星大，因此，離太陽近的行星繞太陽運行的速度，比離太陽遠的行星快，以便產生更大的離心加速度（離心力）來平衡較大的太陽引力。但在星系中心，雖然也集中了更多的恆星，還有質量巨大的黑洞，可是，離星系中心近的恆星的運動速度，並不比離得遠的恆星的運動速度快。這說明星系的質量並不集中在星系中心，在星系的外圍區域一定有大量暗物質存在。 天體的亮度反應天體的質量。所以天文學家常常用星系的亮度來推算星系的質量，也可通過引力來推算星系的質量。可是，從引力推算出的銀河系的質量，是從亮度推算的銀河系質量的十倍以上，在外圍區域甚至達五千倍。因而，在那裡必然有大量暗物質存在。 那麼，暗物質是些什麼物質呢？ 宇宙學研究發現，在宇宙大爆炸初期產生的各種基本粒子中，有一種叫做中微子的粒子不參與形成物質的核反應，也不與任何物質作用，它們一直散佈在太空中，是暗物質的主要“嫌疑人”。 但中微子在1931年被提出來以後，一直被認為質量為零。這樣，即使太空是中微子的海洋，也不會形成質量和引力。曾有人設想存在一種“類中微子”，它的性質與中微子類似，但有質量。可是一直沒有發現“類中微子”的存在。 極小的中微子運動速度極高，可自由穿透任何物質，甚至整個地球，很難被捕找到。但中微子與物質原子和亞原子粒子碰撞時，會使他們撕裂而發出閃光。探測到這種效應就是探到了中微子。但為了避免地面上的各種因素的干擾，必須把探測裝置（如帶測量儀器並裝有數千噸水的水箱）放在很深（如1000米）的地下。 1981年，一名蘇聯科學家在試驗中發現中微子可能有質量。近幾年，日、美科學家進一步證實中微子有質量。如果這個結論能得到最後確認，則中微子就是人們尋找的暗物質。 尋找暗物質有著重大的科學意義。如中微子確有質量，則宇宙中的物質密度將超過臨界值，宇宙將終有一天轉而收縮。關於宇宙是繼續膨脹還是轉而收縮的長久爭論將塵埃落定。。

有人說：「中國是唯一來幫助我們的人」，也有人說：「謝謝中國，不像歐盟那樣「拋棄」了我們，意大利人不會忘記的」。

最共同的評論聲音是—— Sono gli unici ad aiutarci ! Sono gli unici che ci stanno seriamente aiutando !他們是唯一幫助我們的！只有他們是認真的！

許多意大利網友來到中國使館的官方臉書主頁，紛紛說“Grazie”（意為“謝謝”），比紅心向中國人表達謝意。

在從中國運抵意大利的物資箱上，用意大利語和英語，寫了古羅馬哲學家塞內加的詩：

我們是同一片大海的海浪，

同一棵樹上的樹葉，

同一座花園裡的花朵。

數千年過去了，

“羅馬帝國”與中國的友誼永存。

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