1、第一篇 萬物之理物理學是研究物質運動基本規律的一門基礎學科，是嚴格的、定量的自然科學的帶頭學科。物理學描繪了物質世界的一幅完整的圖象，它揭示出各種運動形態的相互聯系與相互轉化，充分體現了世界的物質性與物質世界的統一性。第一章 物質世界的基本圖象§1-1物質世界的層次和數量級 物理科學涉及范圍極廣，它既研究人們身邊發生的物理現象，也研究宇宙天體的運動及構造，還研究微觀領域中物質的運動規律。物理學是一門定量的學科。在研究和學習物理學中，需要常常對各種事物做粗略的數量級估計、留心查看尺度大小的變化所產生的物理效應，因而對各類物理量的數量級的了解是非常必要的。 科學記數法把一個物理量的數值寫

2、成一個小于的數字乘以的冪次，用的正冪次代表大數，用的負冪次代表小數。這種記數方法叫科學記數法。在科學記數法中冪指數相差，即代表數目大倍或小倍，這叫做一個“數量級”。下表給出國際單位制中表示數量的詞冠。表 國際單位制所用的詞冠數量級英文名縮寫符號中譯名數量級英文名縮寫符號中譯名分厘毫微納諾皮可飛母托阿托仄普托幼克托十百千兆吉咖太拉拍它艾克薩澤塔尤塔 空間尺度人類選擇了與自身大小相適應的“米（m）”作為長度的基本單位。從物理研究對象所涉及的物質世界的空間尺度來看，最大的尺度是宇宙，大約為米（約億光年）；最小的尺度是夸克，大約米，空間的尺度跨越了個數量級。表列出了物質世界中部分實物空間尺度的數量級。

3、太陽與地球的距離是地球半徑的兩萬多倍，定義為天文單位（），精確值為米。太陽系的直徑約為天文單位，即米的數量級。太陽系外的天體距離通常用“光年”（light year）表示，即光在一年里所走的距離，大小為：光年米米。表 物質世界的空間尺度長度米（m）長度米（m）電子和夸克質子的半徑（強作用力程）電子的康普頓波長原子的半徑病毒的半徑，可見光波長巨型阿米巴的半徑昆蟲的長度人體的高度紅杉樹高度珠穆朗瑪峰的高度地球的半徑地球到月球的距離太陽的半徑地球軌道的半徑（）太陽系的半徑到最近恒星的距離銀河系的半徑星系團的半徑超星系團的半徑可探測類星體的最遠距離現代天文觀測表明，星系普遍存在光譜紅移現象，說明宇宙是

4、處在膨脹過程中，從宇宙誕生到現在，宇宙延展了光年以上，即m以上。太陽系是銀河系中很小一部分，銀河系的直徑約為光年，離銀河系最近的星系（小麥哲倫云）的距離約為光年（即m）。人類能觀測的距離極限哈勃半徑是m。現在宇宙中存在著億個以上的星系，銀河系是其中之一，我們的太陽是組成銀河系的大約億顆恒星之一，太陽系只是宇宙中的滄海一粟。物質可以小到什么程度，莊子.天下篇中說“一尺之棰（即木棍），日取其半，萬世不竭。”說的是物質世界向小的方向可以無限分割下去。現代物理告訴我們宏觀物體是由各種分子原子組成，原子的大小為m數量級。原子核是由質子和中子組成，每個質子和中子的大小約為m，大概是原子大小的1/100 0

5、00。原子核比質子或中子大的倍數依賴于原子核中包含多少個質子和中子。但是，原子核比m仍大不了多少。質子和中子又由更為基本的粒子夸克所組成。目前物理學公認的組成物質的最小單元是夸克（quark）和電子。用間接的方法得知，夸克和電子的大小將小于m。物理學按照空間的尺度把物質世界分為“宇觀體系”、“宏觀體系”和“微觀體系”。 從大尺度探索宇宙的奧秘，相應的物理學是“天體物理學”。將大小在人體尺度上下幾個數量級范圍之內的客體叫做“宏觀體系”。在物理上把原子尺度和小于原子尺度的客體叫做“微觀體系”，從小尺度探索物質的組成，相應的物理學是“粒子物理學”。圖1-1-1 空間尺度與物理學體系宏觀尺度比微觀尺度

6、大了七、八個數量級，按體積算，則要大，即宏觀系統中包含了非常多的微觀系統。微觀系統與宏觀系統最重要的區別是它們服從的物理規律不同。如低速運動的宏觀系統服從牛頓運動定律，而微觀系統則要用量子力學來處理。在現代科技中，人們已能制作長度在微米（）、線寬在納米（）數量級的微電子器件，在這種尺度的樣品中包含的原子數目的數量級為，基本屬于宏觀范圍，但它要表現出微觀系統的量子效應，因此將這種呈現出微觀特征的宏觀系統，叫“介觀體系”。 時間尺度時間表征物質運動的持續性，最長的時間是宇宙的年齡，約秒（即億年）；最小的時間間隔是硬射線的周期，約秒。人類研究所涉及的時間范圍見表 表 物質世界的時間尺度時間間隔秒（s

7、）時間間隔秒 （s）和粒子的壽命超子的壽命介子的壽命可見光輻射的周期超子的壽命介子的壽命子的壽命最高可聽見聲音的周期鐘擺的周期自由中子的壽命地球自轉的周期（天）地球公轉的周期（年）人類文明史古人類出現至今恐龍滅絕至今地球的年齡宇宙的年齡質子的壽命由現代的標準宇宙模型知，宇宙是在大約年前由“無” 中大爆炸誕生的，即宇宙的年齡具有秒的數量級。銀河系大約在年前誕生，現在是一個直徑約為萬光年的巨型渦旋星系。太陽的年齡約年，地球的年齡為年（即秒數量級）。地球誕生后，距今年（秒）前形成了富氧的大氣層；大約距今年前出現魚類和陸生植物；約年（秒）前恐龍絕滅，后哺乳類出現；古人類出現在距今年（秒）前；人類的文明

8、史只有年（秒）；人的壽命通常不到一百年（秒）；地球公轉的周期為一年（秒），自轉的周期為一天（秒）；百米賽距的世界紀錄具有秒的數量級；鐘擺的周期是秒；市電的周期為秒。在微觀世界的常見粒子中。光子、質子、中子是穩定的，質子的壽命約為秒，中子的壽命約為分鐘（秒）。子壽命的數量級為秒。按量子力學中的海森堡不確定關系，壽命長于秒的粒子都算是相當穩定的。圖1-1-2 溫度大觀凡已知其運動規律的物理過程，都可以用來作時間的計量。通常采用能夠重復的周期現象來計量時間，如：地球的公轉和自轉，月球繞地球的公轉，擺的周期運動等。隨著，人類對微觀世界認識的深入，以及微波技術的發展，現已利用某些分子或原子的固有振動頻率

9、作為時間的計量基準。1967年第13屆國際計量大會決定采用銫原子鐘作為新的時間計量基準，定義的長度等于與銫原子基態的兩個超精細能級之間躍遷相對應的輻射周期的倍。銫原子鐘測量準確度達秒。 溫度溫度在宏觀上反映了物體的冷熱程度，在微觀上反映了組成物體的分子的無規則運動的劇烈程度。多億年前宇宙在大爆炸中誕生時，它的溫度在以上。隨著宇宙膨脹，它急劇地冷卻，幾分鐘后溫度降到，宇宙中核出現；幾十萬年以后溫度降到，原子出現，宇宙變得透明。今天宇宙的溫度已冷卻到（微波背景輻射的溫度）。溫度變化見圖1-1-2。太陽中心溫度是，是熱核聚變所需的起碼溫度。太陽表面的溫度是，難熔金屬的熔點略低于此，但都在數量級。地球

10、表面的平均溫度為，即左右。在一個大氣壓下，氧、氮、氫、氦的液化溫度分別為、。當代科學實驗室里能產生的最高溫度是，最低溫度是，跨越了個數量級。作為生命之源的液態水，只存在于狹窄溫區內。人類生活環境的溫度在（）上下幾十度。若由于大氣中的含量增加而產生的溫室效應使平均氣溫升高的話，海平面將上漲米，可造成農業減產，將使十億人背井離鄉。在地球發展史上多次出現了冰河期，平均溫度僅降至左右，就使大批物種滅絕。我們生存的家園地球生物圈，在溫度變化面前是何等的脆弱！ 質量物理學研究的對象就是客觀物質世界，因此一切物理量都應該是物質的量。例如，微觀粒子的質量、自旋、宇稱、電荷、重子數、輕子數等等都是物質的量，它們

11、分別表征了粒子的慣性和參與不同相互作用的性質，一種粒子的“物質的量”可以認為是所有這些物理量的總稱。在這個意義上，物質的量同每一種具體的物理量，是一般和個別的關系。而在另一種意義上，還存在一種不反映任何具體的物質屬性的純粹抽象的“物質的量”，它是一種“純粹的數量”，只反映了這種物質對象存在的多少。現代科學中的物質的量是指以為單位表示的粒子數，的粒子數其測量值為阿伏加德羅常數。用數來描寫是拋開了一切具體的物質屬性而只反映其粒子數目。所以，以千克（）為單位的質量與以為單位的物質的量是兩個不同的概念。質量是物體慣性大小的量度。在近代物理學中質量的概念有了進一步的發展，狹義相對論揭示了質量與速度，質量

12、與能量的關系，只是在速度甚小于真空中的光速時，運動物體的質量才等于它在靜止時的質量。表中給出了部分物質質量的數量級。表 物質質量的數量級。質量kg質量kg電子質子氨基酸分子血紅蛋白分子流感病毒煙草花葉病毒區型阿米巴雨滴螞蟻人體土星5號火箭金字塔海洋中的水月球地球太陽銀河系宇宙（現在知道的）§1-2 物質存在的基本形式 基本相互作用物質聚集起來，從微觀粒子到巨大的星體，從細菌到人，這些自然界奧妙無窮、千變萬化的物理現象都是怎樣發生的？在原理上，我們可以用“相互作用（interaction）”這個概念來回答。世紀物理學的重大成就之一就是：人們已經認識到物質世界千變萬化的現象，歸根到底是通

13、過四種基本相互作用而產生的。如表所示。引力相互作用（gravitational interaction）：自然界中任何兩個物體之間存在萬有引力相互作用，它的規律由牛頓發現，稱為萬有引力定律。滿足公式，其中是萬有引力常數，公認值為：。隨著尺度和質量的增加，萬有引力逐漸成為占支配地位的相互作用。萬有引力的性質和其作用只有通過巨大的星體、及在質量巨大的空間中運動，才能夠比較明顯的顯示出來。地面上物體之間的相互作用力非常小，例如相隔米的兩個人之間的引力約為牛頓（N），對人的活動不會產生影響。由于地球質量非常大，地球上的物體明顯受到地球引力。引力相互作用是已知的相互作用中最弱的一種，在現今研究的粒子現象

14、中，它可以忽略不計，然而它在宇宙的構造和演化過程中卻起了主要的作用。電磁相互作用（electromagnetic interaction）：是發生在帶電粒子或者帶電的宏觀物體之間的相互作用力。兩靜止的帶電體之間的相互作用力由庫侖定律支配。點電荷之間的庫侖力比萬有引力要大得多。例如兩相鄰質子之間的電場力可達到，是它們之間的萬有引力（）的倍。運動電荷之間的作用除了有電力相互作用外，還有磁力相互作用，磁力和電力具有同一本源，統稱為電磁力。電磁相互作用是發生在荷電粒子之間的長程相互作用力，它使原子核和電子能夠聚集在一起而形成原子。中性原子和分子之間也有相互作用，這是因為雖然每個分子或原子的正負電荷數值

15、相等，但是它們內部正負電荷有一定的分布，對外部電荷的作用并沒有完全抵消，所以仍顯示出電磁力的作用。中性分子或者原子之間的電磁力可以說是一種殘余的電磁力。日常常提到的相互接觸的物質之間的彈性力、摩擦力、流體阻力、拉力、支撐力，以及氣體壓力、浮力、粘結力等都是相互靠近的原子或分子之間的作用力的宏觀表現，其本質是電磁相互作用。強相互作用（strong interaction）：是一種短程相互作用，它使原子核牢固地保持為一個整體，盡管所有帶正電的質子之間都存在著很大的靜電排斥相互作用，但核的各部分并沒有自動飛離，這正是強相互作用的結果。這種存在于質子、中子、介子等強子之間的作用力稱為強力。強相互作用的

16、力程僅為米，它只能是相鄰核子之間的相互作用。表 四種基本的相互作用類型媒介粒子強度作用距離強相互作用電磁相互作用弱相互作用引力相互作用膠子粒子中間玻色子引力子短（米）長短（米）長弱相互作用（weak interaction）：弱相互作用存在于核內粒子之間的某些過程中，也是各種粒子之間的一種相互作用，但僅在粒子間某些反應中才表現出它的重要性。例如中子和原子的放射性衰變，以及許多其它粒子的衰變。它們的力程非常短，而且力很弱。相鄰的質子之間的弱力大約為牛。在宏觀物體間所能觀測到的，只有長程的電磁相互作用和引力相互作用。物理學家總是試圖能統一理解一切物理現象的基本規律。年，美國的溫伯格（S.Weinb

17、erg，）和巴基斯坦的薩拉姆（A.salam，）在美國科學家格拉肖（，）理論的基礎上，先后提出了電磁相互作用和弱相互作用統一的規范理論，并為隨后一系列實驗所證實。他們也因此獲得了1979年諾貝爾物理學獎。電磁相互作用和弱相互作用是一種基本相互作用電弱相互作用（electro-weak interaction）的兩種表現形式。電弱統一理論（electro-weak unified theory）的基礎是1954年楊振寧和密爾斯提出的規范場論。電弱統一理論的成功促使人們對于大統一理論的探索研究，試圖把強相互作用和電弱作用統一起來。目前，在粒子物理中引力所起的作用還不太清楚。然而，基本相互作用間數學

18、上的相似性，提示著存在一種更基本的統一的可能性：可能所有的相互作用是同一種基本相互作用的不同表現形式，或許整個自然界可歸結為某種深刻的對稱性。一些物理學家也試圖找出這樣的“超統一理論”，從而打破“物質（matter）”與“相互作用”之間的傳統的界限。四種基本相互作用在現代粒子物理標準模型的“規范理論”中，統稱為規范相互作用，它們已得到了實驗的驗證。除了這幾種規范相互作用外，標準模型認為還存在一種非規范相互作用，稱為希格斯粒子湯川樸作用。它的媒介粒子是希格斯粒子，這種相互作用的力程比弱相互作用還要短，即小于。到目前為止希格斯粒子還沒有被直接觀察到。 物質存在的基本形式物質存在有兩種基本形式：場和

19、粒子。在物理學的發展過程中，最初人們認為微粒是物質存在的基本形式，微粒的空間占有一定的有限體積。為了描述微粒之間的相互作用，人們引進了“場（field）”的概念，例如電磁場和引力場等。隨著科學技術的發展，人們逐漸發現，場與微粒一樣具有能量和動量，也具有不連續的微觀結構。因此，人們就把微粒和場看成物質存在的兩種基本形式。現在，量子場論則明確指出：物質存在的兩種基本形式中，場是更基本的。量子場論所給出的新的基本物理圖象是：與每種粒子（particle）相對應存在一種場，場具有可入性，充滿全空間，不同粒子的場在空間中互相重疊地充滿全空間。例如，與光子相對應存在電磁場、與電子相對應存在電子場等等，它們

20、同時存在于全空間。場具有不同的能量狀態，能量最低態稱為基態。當一種場處于基態時，這種場就不會通過狀態的變化釋放能量而輸出信號，從而不會顯現出直接的物理效應，這時表現為看不到對應粒子的存在。按照這種的觀點，當所有的場都處于基態時，任何一個場都不可能給出信號顯現出粒子，這時就是物理上的“真空”。因此，真空并不是“真”的“空”無一物。真空態時，全空間仍充滿各種場，只是所有的場都處于能量基態而不可能表現出任何釋放能量的物理效應。當場處于激發態時，表現為出現相應的粒子（產生一種粒子），如：光子是電磁場的激發態。場的不同激發態表現為粒子的數目和運動狀態不同。在量子場論中，場和場的激發態都用復數描寫，互為復

21、共軛的兩種激發狀態表現為粒子和反粒子（antiparticle）互換的兩種物理狀態，粒子之間的相互作用來自場之間的相互作用。所以，物質存在的兩種形式中，場更基本，粒子只是場的激發態的表現。當代物理學研究表明：物質的組成結構在尺度和能量上呈現不同的層次，如圖1-2-1所示。各種相互作用則存在于場之間，無論是處于基態還是處于激發態的場，都可以與其他的場相互作用。不同的粒子參與不同的相互作用，按參與的主要相互作用，可將基本粒子分為三類。第一類是傳遞力的粒子。按照量子場論。基本相互作用是通過在相互作用著的粒子之間交換某種粒子來傳遞的。這些粒子統稱為規范玻色子（gauge boson）。光子（photo

22、n）是傳遞電磁相互作用的媒介粒子，靜止質量為0，自旋為1。1983年發現的、和三種中間玻色子（intermediate boson）是傳遞弱相互作用的媒介粒子，它們的質量極大，自旋為1。量子色動力學預言，傳遞強相互作用的原始媒介粒子是8種膠子，它們在強子內部夸克之間所傳遞的原始相互作用稱為色相互作用。實驗上已經得到膠子存在的證據（是間接的實驗證據）。象光子一樣，膠子的靜止質量為零，自旋為1。但鑒于夸克禁閉，色相互作用的距離不超過強子的尺度。在實驗室所觀測到的在復合粒子強子之間的所謂相互作用是色相互作用的剩余相互作用。理論預言，傳遞引力相互作用的媒介粒子是引力子其靜止質量為0，自旋為2。但是，迄

23、今為止在實驗上還沒有發現引力子。第二類是輕子。電子、子、子及相應的中微子都是輕子。輕子都是費米子。輕子只參與弱相互作用和電磁相互作用，不受強力影響，其中中微子只參與弱相互作用，帶電的還參與電磁相互作用；輕子必定以粒子反粒子對的形式產生和湮滅，總的輕子數（輕子的數目減去反輕子的數目）在一切過程中是保持不變。圖1-2-1 物質組成的層次已知的輕子有六種，它們成對出現，每一對包括一個荷電輕子和一個中性輕子。這個中性輕子稱為中微子。每一對稱為一代，而且每一代中的中微子質量都比相應的荷電輕子的質量小得多。只有成對的輕子之間才發生相互作用。表給出了成對排列的六種輕子表 已知六種輕子的成對排列代粒子電荷質量

24、（MeV/）1電子（e）電子中微子（）2子（）中微子（）3子（）中微子（）第三類基本粒子是強子。一切參與強相互作用的粒子統稱強子，它們之間的主要作用是強相互作用（也參與弱相互作用，帶電的或中性帶磁矩的強子還參與電磁相互作用）。根據粒子的自旋，強子分為重子和介子。重子是強子中的費米子，分為質子、中子和超子（質量超過核子的重子）；介子是強子中的玻色子，是傳遞核力的粒子，包括介子、介子、介子等等以及它們的反粒子。新的發現證明，強子不是基本粒子，而是亞核粒子。強子還有內部結構，高能物理實驗證實它是由幾種稱為“夸克”（國內也叫“層子”）的更基本的（簡單的）粒子所構成，夸克已發現有6種，且各有自己的反夸克

25、。六種夸克的最基本性質見表。表 夸克的最基本的特性夸克特性udscbt質量（MeV/）約4約7約150約約約電荷Q自旋J由于人們在粒子物理實驗中從來沒有觀察到自由夸克。這就意味著夸克之間的作用必定超乎尋常的強，永遠被囚禁。這稱為“夸克禁閉”。每一種基本粒子都有反粒子，一般來說，反粒子的質量、壽命、自旋三項與粒子是相同的，只有電荷的符號相反。但是，也有幾種中性粒子（如中微子、和介子）和它們的反粒子不是相同的粒子。、的反粒子就是它們本身，沒有區別。在碰撞過程中，粒子和它們的反粒子湮滅成了能量（以光子形式出現）。兩個高能粒子相碰撞時，有可能產生新的正反粒子對，這時一部分碰撞能量轉換成了正反粒子對的能

26、量。1.2.3 物質存在的狀態要認識物質存在的形態，首先要了解物質的基本微觀結構層次及各層次的粒子運動。“一尺之棰，月取其半，萬世不竭”，實體物質是由分子組成，分子是由原子組成。到目前為止，化學上已發現109種元素，數千種同位素。而原子呢，在化學反應里是不能再分的微粒。但在物理學里，卻是可分的。原子是由帶正電的原子核和繞核運轉的帶負電的若干電子所組成。電子做兩種運動：繞核公轉和自旋運動，電子很小，其線度小于米，帶一個負電荷，尚未發現有任何結構，是基本粒子。而原子核是由質子和中子組成的，質子和中子統稱為核子，核子有結構，它是由夸克組成。近代物理告訴我們，處于各個層次的物理微粒，都在一定的范圍內運

27、動變化著，對應著一定的能量和相互作用。研究這些層次的科學分別叫固體物理學、分子物理學、原子物理學、核物理學、粒子物理學等。使用的探測儀器有各種計數器、正比室、云霧室、氣泡室、質譜儀等，還有現代物理實驗必備的加速器和對撞機。自然界的物質存在形態中，除了常見的固態、液態、氣態外，還有幾種形態：等離子態。就是在一定的條件下，將原子核外的電子全部剝離，成為赤裸裸的核與游離態電子的共存體。例如，在研究受控熱核聚變時，氘在K時，就成了等離子態。宇宙中的大多數可見物質都處在等離子態。超固態。最早發現的是天狼星的伴星，這是恒星演化到后期，中子簡并壓與引力壓平衡，影響到核外電子的活動范圍從米縮小到米，原子塌縮到

28、原子核的線度，形成了致密天體，天文學上叫“白矮星”。這種物質的密度遠遠超過了固態物質的密度，故叫超固態。超密態。1967年天文觀察發現一種“奇特”的新天體，它以極其精確的時間間隔發出極規則而又短促的無線電脈沖信號。最初人們以為是天上有文明的生物向地球發來的電報，所以曾一度把這種信號源叫做“小綠人”。后來經過科學研究才知道，發射這種信號的并不是什么“小綠人”，而是一種星體，天文學上叫它為脈沖星。現在已發現354顆，其物理特征是：質量和太陽相當，體積卻很小，直徑為20千米左右。因此，密度極高，每立方厘米有2億多噸；它的輻射能極大，為太陽的100萬倍。現代科學認為，脈沖星是一種高速自轉的中子星，脈沖

29、周期即自旋周期。中子星有固定的亮斑，旋轉一周，亮斑發出的光束就傳出一個脈沖信號，這就是它呈現脈沖現象的原因。中子星是由質量大于太陽質量的恒星演化到后期，熱核反應已經停止，能源接近枯竭，發生猛烈爆發形成的。因為恒星猛烈爆發后的急劇收縮，使恒星內部產生了極大的擠壓力，把原子外層的電子“擠到”原子核里去了。整個星體則變成中子星了。這種中子態脈沖星，具有很強的磁場。30年代最先由蘇聯的朗道以猜測形式提出，美國的奧本海默曾經作出理論預言、但遭到人們的嘲諷，到70年代，英國的休伊斯發現脈沖星后，一時轟動世界。不管物質呈現哪種形態，它們都在不停地振動、平動或轉動或兼而有之。有的有秩有規則；有的無秩做熱運動；

30、有的低速，每秒零點幾個厘米；有的高速，每秒30萬千米；有的作用力程極短，只有費米量級（米）；有的力程很長，為無限遠。所以，從微觀結構看，物質皆處于永恒的運動變化之中，千姿態萬態，五彩繽紛。真正沒有不運動的微粒，沒有微粒不運動。場是一種物質形態。例如引力場，我們拋出一個物體總會落到地面，因為它受到引力場的作用；引力場具有能量，可以做功，說明引力場具有物質的基本特性；而且是既有物質的特性，又能為我們所感知。同樣，電磁場、原子核場等都是物質的一種形態。這就是所謂“場物質”。場物質和實體物質比較，有能量、動量，但沒有質量大量集中的表現。所以，有人說它是“特殊物質”。對這些物質的認識，是通過光和電信號探

31、測到并認識。這些物質可稱為“明物質”。真空態。當所有的場都處于基態時，任何一個場都不可能給出信號顯現出粒子，這時就是物理上的“真空”。因此，真空并不是“真”的“空”無一物。真空態時，全空間仍充滿各種場，只是所有的場都處于能量最低狀態。根據天文學的觀察和研究計算，“明物質”在銀河系和宇宙中僅占10%，那么還有占90%的物質狀態又呈什么樣呢？1933年，瑞士天文學家茲威基測量星系團的質量時，采用了兩個方法進行測量，先用光度方法，然后用動力學的方法，他驚奇的發現二者的結果差異十分大，。這就是歷史上著名的“質量短缺”現象，說明有些物質用光度方法是測不到的。據天體物理學家對引力束縛系統的研究推算，宇宙中

32、存在著大量的不發光的或發極微弱的光物質。科學家們稱其為“暗物質”。1978年，射電天文學家證實在星系團周圍存在著大量不發光的物質。1983年，英國天文學家霍金斯發現銀河系及其周圍可能存在著大量的暗物質。但暗物質是什么？則眾說紛紜。根據大爆炸理論可以推算發生大爆炸所對應的物質能量以及宇宙間應有的物質總量。如果宇宙每10億年膨脹5%10%的話，我們將銀河系和所有能看到的其他星系的質量加起來，甚至按膨脹率的最低估計值計算，其質量總量比用以阻止膨脹的臨界值的1%還少。實際上，由于宇宙間物質的引力，宇宙的膨脹速率是減小的。按照宇宙學的理論，宇宙的總質量應是我們迄今所觀測到的總質量的10倍左右。如果這一理論正確，則在我們的宇宙中還應有90%以上的物質尚未被發現。即宇宙中還應存在著大量的暗物質。如：根據愛因斯坦廣義相對論，允許有“黑洞”的存在，如克爾黑洞，席瓦茲黑洞等。當引力塌縮到一定程度時，連光也發不出去，就形成了所謂“黑洞”。在天體演化過程中，許多核反應都會產生中微子，且數量極大，估計宇宙中的中微子的數量是其他基本粒子的10萬億（）倍