原子构成万物是宇宙结构的美 ——原子随笔之二

人类很早就在寻找宇宙万物的组成.古希腊最早的唯物论派从物质世界的内部寻找宇宙万物的本源,认为宇宙万物都由"种子"组成.德谟克利特在这种"种子"思想基础上,提出了宇宙万物是由原子组成的猜想.     

空间间接探测暗物质粒子

正在过去的几十年间,人类对于整个宇宙的认识有了飞跃式的发展,取得了辉煌的成就。基于近年天文观测的结果,一个暗物质暗能量暴涨的宇宙学标准模型被建立起来。我们的宇宙组成,如图1所示:已知的基本粒子只占整个宇宙的5%左右,而27%左右是不发光的暗物质,68%左右是类似真空能的暗能量。寻找暗物质粒子,研究暗能量的本质等,结合微观世界和宇观世界,结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪物理学和天文学的一     

“暗宇宙”之谜

 夜幕降临,星光灿烂,银河、星斗与皎洁的月光交辉相映,编织出美丽的夜空,这就是我们从小获得的知识:恒星、星云、星系……构成的浩瀚宇宙。然而,这只是个错觉,我们的宇宙实际上是“暗无天日”的,这就是2003年过去一年最新的科学成就:宇宙是黑暗的,或者说是个“暗宇宙”(请参阅封二精美彩图)。什么是暗宇宙?那是指组成宇宙的绝大多数物质和能量是不可见的,发光的物质和辐射只占宇宙物质的极小部分,这种不可见的物质和能量称为暗物质和暗能量。根据最新的测量,暗能量和暗物质合计占宇宙质量密度的96%,而我们熟知的恒星、星系等发光物质或重子物质仅仅只占4%。     

原子构成万物是字宙结构的美——原子随笔之二

人类很早就在寻找宇宙万物的组成，古希腊最早的唯物论派从物质世界的内部寻找宇宙万物的本源，认为宇宙万物都由“种子”组成，德谟克利特在这种“种子”思想基础上，提出了宇宙万物是由原子组成的猜想．稍晚的古希腊伟大哲学家亚里士多德提出了万物皆由土、水、气和火四种元素构成，中国古人也在寻找这个问题的答案：春秋时出现的五行说，提出宇宙万物都由金、木、水、火、土5种元素组成；西汉哲学家杨雄把“玄”看作是生天生地的宇宙本体；东汉著名思想家王充认为“天地施气，自然化生万物”，认为宇宙万物本源是“气”。     

作为宇宙信使的X射线

60年前,里卡多·贾科尼团队用探空火箭首次探测到了来自太阳系以外的X射线辐射,从此打开了人类探索宇宙的一个全新的窗口。与我们所熟悉的可见光天空不同,在"看不见"的X射线宇宙,明亮的发光天体涵盖了黑洞、中子星、白矮星等致密天体,星系团和星系中弥漫的大量不可见的高温气体,以及各种剧烈的灾变事件。它们代表着宇宙中最为奇特的天体和极端的物理条件,如极强引力场、极强磁场和极高温。文章重点介绍最有代表性的X射线源,包括中子星和黑洞X射线双星、超大质量黑洞和活动星系核、星系团,以及伽马暴、超新星和潮汐瓦解恒星事件等爆发天体。     

暗物质的困境

 远在30年代,天文学家惠兹克已注意到,在星系团中,星系的绕行速度是如此之快,按理,它们无法稳定地呆在星系团中.他推测存在某种看不到的物质,提供了引力“胶质”.70年代,又发现银河系边缘的恒星运动速度,要比理论家预言的快得多,这也暗示着有大量的暗物质弥漫于星际空间.以后,对旋涡星系旋转情况所作的射电和光学观测表明,它们被暗物质晕所包围.分析了很多星系对和星系群的运动之后,人们确信,星系所含物质的总量,要比其可见的大得多.故天文学家断言,宇宙并不仅仅含有组成我们身体、地球和星星的那类通常物质.所谓通常物质,是指由重子(质子、中子等)组成的物质.而其他粒子,诸如电子,它们数量虽多,但对宇宙质量的贡献是很小的.     

GW170817与标准汽笛宇宙学

GW170817实现了基于"标准汽笛"的首次哈勃常数H_0测量,开启了标准汽笛宇宙学的序幕。正在进行的双中子星并合引力波观测,有望在5年内测量H_0到约2%精度,提供解决H_0危机的独立而珍贵的数据。下一代的引力波实验,则将通过标准汽笛方法,精确测量宇宙膨胀速度和宇宙大尺度结构,限制暗能量状态方程,在宇宙学尺度上检验广义相对论。     

宇宙观察中Lyman-α圆形斑的偏振晕圈

2000年,在一项"年轻宇宙的星系辨认"的巡天计划中,天文学家发现了两个巨大的正在发光的气体云团.两者从地球上看过去就像是两片圆形斑(blob),它们所处的时代是:宇宙的年龄仅仅25亿岁左右,那时     

从“三大前沿”到“五驾马车”

<正>2008年5月底,美国能源部和自然科学基金委员会辖下的"粒子物理学项目优化小组"(Particle Physics Project Prioritization Panel,简称P5)发布了未来10年美国粒子物理学的发展规划报告,其中重点阐明了基础物理学的"三大前沿"——能量前沿(TheEnergy Frontier)、强度前沿(The Intensity Frontier)和宇宙前沿(The Cosmic Frontier),以及它们所包含的重大科学问题。标志着能量前沿的加速器就是坐落     

第一批恒星可能照亮了暗物质

正暗物质的性质是宇宙学中最长久的困惑之一。天文学家已经确定,暗物质是宇宙中物质的主要构成,但它们至今无法被辨认。最近,对"黑暗时代"之后宇宙黎明的观测,发现了一条可能的线索——涉及第一批恒星形成的时代。今年早些时候,研究人员报告了一     

北京谱仪轻奇特强子态研究

<正>一、强子谱与"色禁闭"自然界的物质由微观原子构成,原子是由位于中心的原子核与核外电子构成的。在更加微观的尺度上,原子核由核子(质子和中子)组成,核子由夸克组成。夸克是几种基本粒子之一,是构成宇宙的基本单元。物理学家用"味道"来区分不同的夸克,     

“宇宙与生命”系列讲座之二——万物之数 太阳质量

我们可以把宇宙中的万事万物放入“万物图”中,但是这万事万物主要是被什么因素决定的呢？格局是被基本物理规律决定的,而相互的数量关系是被基本物理常数决定的。基本物理常数是分层次的。从比较表层的现象看,最重要的基本物理常数有5个,它们是宇宙哈勃常数H0、核子质量,mn、电磁相互作用常数α、电子质量me、     

美国的基本粒子物理研究

在过去的二十年内,基本粒子领域的研究取得了 巨大的成功.美国的一个基本粒子物理的专门小组把 近二十年来的惊人进展概括为以下几个方面:形成了 一个宇宙的标准模型——宇宙是由夸克和轻子组成 的,而它们又通过光子、胶子、w和z粒子联系在一起; 弱作用力和电磁作用力由规范场理论把它们统一起 来;借助量子色动力学认识了重子和介子的结构;相 互作用的夸克和胶子理论;所有的自然力完美地统一 起来的可能性;基本粒子物理和宇宙论的收敛性.这 里每一项成功都确助于阐明另外各项. 成就是巨大的,然而遗留下来的问题也是相当尖 锐的. 质量的起因…     

超级天眼

正2016年9月25日,众人瞩目的"超级天眼"500米口径球面射电望远镜在贵州平塘的山洼中落成启用。自古人类就对宇宙充满了好奇和幻想,许多科学家为此进行了不懈的努力。在射电天文领域我国一直处于空白,近年相继建成了5座口径从25米到65米不等的射电望远镜,但与美、德等国相比,我国的射电望远镜的观测能力还相对有限。中国500米口径球面射电望远镜的启用,使人类在对宇宙的     

打压替代引力

正众所周知,爱因斯坦广义相对论描述万有引力,但一些试图替代相对论的引力理论也声称其合理性。不过,依据中子星并合时发出的引力波和电磁波观测,理论家们最近严格约束了这些替代引力。广义相对论(简称GR)非常成功地描述万有引力,覆盖行星、恒星、黑洞、星系等若干层次。GR预言宇宙的膨胀,但也有个短板:如何解释宇宙的加速膨胀。鉴于所有辐射、可见物质和暗物质等都施加向内"拽"的力,宇宙理应减速     

极深地下探秘宇宙的“熊猫X”实验

近百年的天文学观测表明宇宙中有大量看不见的"暗物质"存在,但是我们对暗物质的本质却所知甚少。宇宙中也充斥着一种很像暗物质的"幽灵粒子"——中微子,它们的身上也有着众多未解之谜。对暗物质和中微子研究的突破很可能带来下一次物理学的革命。国际上最深的、位于四川凉山州的中国锦屏地下实验室为这样的实验研究提供了得天独厚的场所。过去的20年,液氙探测技术的发展使之成为了探测暗物质、研究中微子性质的核心手段之一。文章主要介绍了暗物质与中微子的未解之谜、液氙探测技术的发展、国内外一些液氙实验的发展态势以及我国液氙探测暗物质"熊猫X"实验的现状和未来。     

科学家首次观察到不对称梨形原子核

 据《科学现场》在线版及物理学家组织网近日报道,一个由美国密歇根大学、英国利物浦大学等组成的国际团队,首次观察到部分原子核能呈现出不对称的梨形。新发现可能导致科学家找到标准模型之外的物理学现象,并有助于解答宇宙中物质和反物质的不对称性问题。该研究成果发表在5 月9 日的《自然》杂志上。     

黑洞照亮宇宙——银河系中心黑洞及其物理意义

2020年度诺贝尔物理学奖颁发给为黑洞和超大质量致密天体做出突出贡献的三位科学家,他们分别从理论和观测上提供了令人信服的证明和证据.他们的工作打开了理解宇宙中大质量天体命运的窗口.人们普遍相信超大质量黑洞存在于每一个星系的中心,是这些黑洞照亮了再电离时期的宇宙,也是它们为揭开宇宙膨胀历史、暗能量宇宙演化性质、纳赫兹低频...     

从流浪地球到宇宙迷航——2019年诺贝尔物理学奖解读

2019年诺贝尔物理学奖同时授予了系外行星和宇宙学领域,诺奖委员会给出的理由是"为我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出的贡献"。这两个领域在近二三十年内展现出了蓬勃的生机,系外行星和外星生命的研究到了本世纪伴随先进技术的发展有了爆发式的发现;进入新世纪后,宇宙学领域已经获得4次诺贝尔奖,分别是宇宙背景探测者卫星、宇宙加速膨胀的发现、引力波的探测,以及此次诺贝尔物理学奖,它们使当代宇宙学获得了广阔的发展前景。文章就本次诺奖热点话题展开,对系外行星和宇宙学两大领域做概括性的科普解读。具体介绍马约尔和奎洛兹在系外行星领域的发现,系外行星的探测手段和发展前景,以及宇宙学领域的发展简史,皮布尔斯在该领域的贡献,和目前宇宙学领域的一大研究热潮,即原初引力波的探测。作者借此文抛砖引玉,期待更多年轻学者能加入到天文学和宇宙学的研究中,在新时代的浪潮下推动该领域获得更重大的突破。     

《相对论、宇宙与时空》连载(12)——时空隧道与奇性疑难

1 连接宇宙的虫洞--时空隧道 相对论和量子论告诉我们,原始的宇宙诞生于虚无飘渺之中.在最初的10-43s之内,宇宙处于一片混乱的"混沌"状态,分不清上和下、左和右、先和后,或者说分不清时间和空间.宇宙就像一锅沸腾的稀粥,充满了时空泡沫[1-4].