昨天就是否将“宇宙中的微波背景辐射”放到博客中来，曾经犹豫了好一阵子，很担心大家觉得很深奥，没人理睬。没有想到虽然内容很深奥，但大家关注的热情非常高涨，这给了我很大的信心，今天再将剩余的部分放上来。

五、非重子暗物质观念的由来

今天大家已知道，宇宙中物质的主要组分不是重子，也就是说，不是我们今天熟悉的由质子和中子所组成的物质世界。

宇宙中存在暗物质，这是我们今天熟知的一个结论，不过这个观念的产生是在1981年。有趣的是它来源于一个错误的实验结果：中微子有30eV的静质量。(Liubimov)。宇宙学家在这个实验结果出来之际立刻意识到它的重大后果：假如这个实验结果成立的话，由于今天宇宙中存在着背景中微子，100个/cm³，根据粗略的估算，它对宇宙密度的贡献比常规重子物质高接近两个量级，我们是生活在中微子为主的宇宙中！更重要的是，在中微子为主的宇宙中小扰动增长要快得多，这样星系就能很快地形成了。

不过，没过多久，粒子物理学家就知道了Liubimov的发现是个错误。虽然这个发现是错误的，但它给宇宙学家一个启示：星系的形成是我们观察到的实际存在，因此宇宙以非重子为主很可能是事实，至于这些非重子是否是中微子并不重要。这是一个很大胆的假设。宇宙学家持之以恒地以此为前提研究结构形成问题，艰苦而有成效地奋斗了20年。

宇宙学家首先意识到，若宇宙以非重子为主，则宇宙微波背景辐射（CBR）上的温度起伏应当有满足△T/T > 1×10^－6这个条件。大家为此进行了非常精密的实验测量，到了80年代后期，小扰动测量的精度已提至△T/T < 1×10^－5，在这个精度上，依然没有观察到宇宙微波的小扰动现象，也就是说，测量的结果依然是零。大家意识到，若测量精度再提高一个量级依然是零结果，那么宇宙物质以非重子为主的观念就必须放弃了。

进一步精细测量的任务交给探测卫星COBE。在CBR上测量温度起伏很难，测量后的数据处理也十分繁复。从1989年开始测量，到三年后的1992，结果才出来：△T/T = 5×10^－6，也就是说在这个精度上测量到了宇宙微波背景辐射确实存在着小扰动的现象。早期的宇宙，正是因为这样扰动的存在，才逐渐凝聚成星系的。

这当然是又一个异常重要的结果，它明显地支持了非重子为主的猜想。通过这样的测量研究，理论家更确信：宇宙以非重子为主很可能是事实！

遗留的问题留给了下一颗卫星：WMAP。

六、WMAP（Willkinson Microwave Anisotropy Probe）的使命和结果

WMAP的使命是：高精度地测量CBR上的温度起伏。

想从它获取什么信息？

通过测量结果与理论的比较，可推算出若干重要的宇宙学参量，如：

哈勃（Hubble）常数H₀，真空能密度ρ_v，实物总密度ρ_m，重子物质密度ρ_B。

主要结果粗略地罗列如下：

Hubble常数　H₀ = 70 Km/s /Mpc

真空能密度        ρ_v = 0.76ρ_c

总实物密度        ρ_m = 0.24ρ_c

重子物质密度    ρ_B = 0.04ρ_c

    由这些基本参量可推断出很多派生量，如宇宙年龄t₀ = 140亿年，等等。更重要的是如下两点：

    第一，宇宙总密度约为10氢原子质量/m³，其中3/4来自真空的贡献。

    第二，实物约占总密度的1/4，其中重子物质只占1/6，而非重子物质占5/6。

这两方面通常称为暗物质和暗能量问题。它引起物理界极大的兴趣和关注。

七、暗物质和暗能量问题

1．关于真空能（暗能量）问题：

真空怎么会有能量？什么叫测到了真空能？真空能肯定被测到了吗？

要回答第一个问题，首先要明确什么是真空。经典物理认为：真空 = 完全没有物质；真空能密度只能是零。量子物理认为，真空 = 场处于基态，真空能密度不一定为零。真空中有能量，它就会产生引力，从而被我们所观察到。

在回答第二个问题时，天体物理学家获得了几点共识：其一，真空产生的引力只能用广义相对论处理；其二，真空产生的是斥性引力；其三，测到的是宇宙在加速膨胀，人们把它作为真空能存在的证据。真空能肯定能被测到吗？使今天物理学家困惑的是，用量子场论做粗略理论估算，真空能密度比实测值高10几个量级！

于是产生两种研究方向：第一，若观测到的加速膨胀来自真空能，它为什么这么小？第二，若不是，斥性引力是什么物质(exotic matter)产生的？这方面的探索将给物理基础研究带来革命性的变革。

2．关于非重子暗物质问题

    怎么知道有非重子物质存在？肯定吗？重子物质不是宇宙主体，意外吗？它的可能组分是什么？非重子为主是肯定的吗?回答是：Yes, absolutely！

实物总密度决定宇宙的膨胀进程，重子物质密度决定CBR的形成，理论上是把它们当两个独立参量处理的。若事实上一切实物都由重子组成，拟合后将表明它们接近相等。现在的结果是：两者差6倍!

这意外吗?回答是：No, completely！

宇宙家绝不意外：这是他们期盼出现的观测结果。粒子物理学家不会感到意外：尚未发现的粒子比已发现的更多。

    宇宙学的研究表明：暗物质一定存在。下面的问题又来了：

它可能是什么粒子？从宇宙学和粒子物理看：只要是稳定粒子，它今天就会大量存在；只要它没有电磁作用和强作用，它的存在就不容易被发现(表现为暗物质)。

在已发现的粒子中没有合适的候选者。

在探索性的粒子理论中有若干候选者。

它实际是什么粒子？目前没有答案。

八、结束语

宇宙背景辐射是我们今天的主题。

需要说明以下几点：

    第一，什么叫微波背景辐射？

   早期宇宙曾没有恒星和星系，那时它简单地是高温高密的均匀气体。宇宙膨胀降温过程中一定会形成背景辐射，今天观测到的是140亿年前留下的遗迹。

第二，这理论可靠到什么程度？

    2006年获Noble物理奖的COBE通过对其频谱的精确测量已把它的可信性提高到了无可争辩的地步。

    第三，关注宇宙背景辐射（CBR）的价值何在？

    * 它标志着宇宙理论已走向成熟。

    * 它正在影响整个物理学的发展。

    这正是当今物理学家普遍而深切地关注宇宙学的原因之所在。