你一定好奇什么是“量子”？它不是一种粒子，而是一种概念。它指的是小尺度世界的一种倾向：物质的能量和其他一些属性都倾向于以特定的方式不连续地变化。

空间可以折叠吗？
时间倒流吗？
可以超越光速吗？
构成物质的基本元素、粒子是什么？
光是什么,有什么特性？
隧道穿梭？
光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜原理是什么？
原子可以按意愿堆叠吗？
真的存在平行宇宙吗？
...

量子世界的探索

“量子”这个概念最早源自科学家对光的认识，但在17世纪，对于光的性质却发生了似乎是水火不容的争论：牛顿认为光是一种粒子，而惠更斯却认为光是一种波。

• 惠更斯的波动学说
  光波向外辐射时，光的传播介质中的每一物质粒子不只是把运动传给前面的相邻粒子，而且还传给周围所有其他和自己接触并阻碍自己运动的粒子。因此，在每一粒子周围就产生以此粒子为中心的波。

*牛顿的粒子学说
牛顿认为，既然光是沿直线传播的，那就应该是粒子，因为波会弥散在空间中，不会聚成一条直线。最直观的实验证明就是物体能挡住光而形成阴影

*著名实验

• 杨氏双缝干涉实验--测定了光的波长，从而为光的波动性提供了重要的实验依据

  
  
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*泊松的乌龙球
当单色光照射在宽度小于或等于光源波长的小圆盘上时，会在后面的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在圆心处会出现一个极小的亮斑，这个亮斑被称为泊松亮斑

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*麦克斯韦--光就是电磁波
英国科学家麦克斯韦在建立电磁理论的研究过程中，于1862年就预见到光是起源于电磁现象的一种横波
“我们很难避免得出这样的结论，即光是由引起电现象和磁现象的同一介质中的横波组成的。”

• 电磁波能量谜团：能量竟然不连续？
  黑体辐射--其实是一种热辐射。任何物体只要处于绝对零度（−273.15℃）以上，其原子、分子都在不断地热运动，都会辐射电磁波（称为热辐射）。温度越高，辐射能力越强。

  
  
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普朗克：量子化假设解释了黑体辐射 E = hν，2hν，3hν，4hν，5hν，6hν，…

光产生电的效应。1887年，赫兹发现紫外线照射到某些金属板上，可以将金属中的电子打出来，在两个相对的金属板上加上电压，被打出来的电子就会形成电流。

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原子光谱是原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的特定频率的光波。每种原子都有自己的特征光谱，它们是一条条离散的谱线

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• 时空是量子化的

  
  
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  时空也是不连续的，也是量子化的，时空流逝就像放电影一样，一帧一帧叠加起来，看上去是连续的，实际上是以我们人类察觉不到的微小单元在前进。

但是问题又来了：运动是连续性的吗？

• 爱因斯坦的光子理论，提出光具有波粒二象性
  爱因斯坦给出了光子的能量公式，
  <center>即E=hν式中</center>
  E为每个光子的能量，ν为光的频率。
  1909年，爱因斯坦在一次国际会议上进一步提出光子应该具有动量,1916年提出了光子的动量公式为：
  <center>p=h/λ</center>
  p为每个光子的动量，λ为光的波长。
  狭义相对论： E=mc2
  而在他的光量子理论中光子动能为E=hν=hc/λ二者联立起来，就得到p=mc=h/λ
  c为光速

• 光与电磁波--电磁波与光就是同一事物的两种不同叫法

  
  
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电磁波的波长λ和频率ν的乘积是光速c，即
<center>νλ=c</center>
也就是说，光的频率越高，波长就越短；频率越低，波长就越长。电磁波的所有波段都是靠E=hν的光子来携带能量的，只不过不同波段ν不同，光子的能量也不同而已。光子就是分立的电磁波载体粒子。

• 德布罗意的惊人假设
  微观世界的重大发现很多源于科学家们的大胆假设。
  实物粒子和光一样，也具有波粒二象性！

汤姆逊用多晶金属箔薄膜透射法发现了电子衍射现象（见图6-1），证实了德布罗意波的存在

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• 德布罗意波的应用
  电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是电子显微镜用电子束作“光源”，用电磁场作透镜。现代电子显微镜中使用的都是磁透镜，这些透镜具有与光学透镜相类似的功能，可以使电子束产生折射，从而具有放大功能。

显微镜的分辨率正比于照射光的波长，可见光的波长范围为400～700nm，所以光学显微镜的分辨率极限约200nm，再小的东西就看不到了。而电子显微镜的“光源”是电子束，高速电子的波长比可见光的波长短得多，可以小到可见光波长的百万分之一。大型透射电镜一般采用80～300kV的电压加速电子束，其分辨率可达0.1～0.2nm。图6-7所示为用TEM观测晶体硅（110）晶面得到的Si原子排布图像。

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德布罗意的工作，引起了薛定谔（深厚的微分数学功底+物理学功底，奥地利理论物理学家，量子力学的奠基人之一）浓厚的兴趣。

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量子力学

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*1. 概率论与决定论的争论：上帝掷骰子吗？
波动力学和矩阵力学虽然等价，但由于矩阵力学高度抽象，数学处理更为复杂，缺乏直观性，而波动力学则建立在理论物理常用的数学方法之上，物理图像也比较容易理解，所以大多数人还是习惯于使用波动力学，尽管薛定谔方程求解起来实际上也是很复杂的。玻恩的概率波把物质的波粒二象性统一在一起，这样，微观粒子的运动状态不再遵从“决定论”或严格的“因果律”，而是服从一种不确定的统计性规律。概率波的建立使人们对原子微观结构的认识又一次产生了飞跃，并经受了无数次实验的考验。

这也引起了著名的 爱因斯坦（坚定论）和波尔（概率论）的争论。

持决定论的物理学家们认为，目前量子理论之所以是一个概率统计理论，是因为还存在着尚未发现的隐藏变量（简称为“隐变量”），如果能找出这些隐变量加入到量子力学的方程里，就可以对微观粒子的运动状态做出“精确”的描述，而不只是“概率”性的描述。

单个电子的双缝干涉实验证明：单个粒子也能表现出波动性，波粒二象性是一种整体性质！

量子力学正统解释--哥本哈根解释

• 1.不确定性原理
  海森堡在1930年所著的《量子论的物理原理》一书中提出：
  不确定原理这样表述：有一些成对的物理量（例如，坐标与相应的动量分量、能量与时间等，它们相乘后的单位正好是普朗克常数的单位J∙s），要同时测定它们的任意精确值是不可能的，其中一个量被测得越精确，其共轭量就变得越不确定。

  
  
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电子的运动轨迹是无法测量的。或者说，电子本来就不存在运动轨迹，因为轨迹的概念是一个宏观概念，一旦到了尺度极小的微观世界，轨迹就失去了意义。

2.薛定谔猫

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• 量子计算机
  ** 量子计算机的信息单元是量子位。量子位最大的特点是它可以处于“0”和“1”的叠加态，即一个量子位可以同时存储“0”和“1”两个数据，而传统计算机只能存储其中一个数据。比如一个两位存储器，量子存储器可同时存储“00”“01”“10”“11”四个数据，而传统存储器只能存储其中一个数据。
  很容易就能算出，n位量子存储器可同时存储2n个数据，它的存储能力是传统存储器的2n倍。一台由10个量子位组成的量子计算机，其运算能力就相当于1024位的传统计算机。对于一台由250个量子位组成的量子计算机（n=250），它能存储的数据比宇宙中所有原子的数目还要多。这就是说，即使把宇宙中所有原子都用来造成一台传统计算机，也比不上一台250位的量子计算机。**

但是，究竟以怎样的方式才能把这些量子位连接起来，怎样为量子计算机编写程序，以及怎样编译它的输出信号，这些方面都面临着严峻的挑战。1994年，计算机科学家Peter Shor给出了一个大数因子分解的量子算法，它能在几秒内破译常规计算机几个月也无法破译的密码。这是一个革命性的突破，显示出量子计算机是可以进行计算的，由此引发了大量的量子计算和信息方面的研究工作，关于量子逻辑门、量子电路等许多设计方案不断涌现，使得量子计算的理论和实验研究蓬勃发展。
现在人们需要做的，就是如何造出一台量子计算机。近20年来，相关领域的科学家纷纷投入研制工作，虽然面临重重技术障碍，但也取得了一些进展。2001年，科学家在具有15个量子位的核磁共振量子计算机上成功利用Shor算法对“15”进行了因式分解。2011年，科学家使用4个量子位成功对“143”进行了因式分解。

• 微观世界的隧道壁垒
  如：扫描隧道显微镜、黑洞物质单向壁物质隧道逸出，电子穿过绝缘层等

扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope, STM）就是一个典型的例子。它是由IBM苏黎世实验室的宾宁（G．Binnig）及罗雷尔（H．Rohrer）于1981年发明的。

扫描隧道显微镜是利用隧道效应工作的。以一个非常尖锐的金属（如钨）探针（针尖顶端只有几个原子大小）为一电极，被测样品为另一电极，在它们之间加上高压。当它们之间的距离小到1nm左右时，就会出现隧道效应，电子从一个电极穿过表面空间势垒到达另一电极形成电流。隧道电流与两电极间的距离成指数关系，对距离的变化非常敏感。用宾宁和罗雷尔的话说：“距离的变化即使只有一个原子直径，也会引起隧道电流变化1000倍。”因此，当针尖在被测样品表面上方做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流非常显著的、甚至接近数量级的变化。这样就可以通过测量电流的变化来反映表面上原子尺度的起伏，从而得到样品表面形貌。扫描隧道显微镜的放大倍数可高达一亿倍，分辨率达0.01nm，使人类第一次“看见”了单个原子。

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STM不但可以用来观察材料表面的原子排列，而且能用来移动原子。可以用它的针尖吸住一个孤立原子，然后把它放到另一个位置。这就迈出了人类用单个原子这样的“砖块”来建造物质“大厦”的第一步。如图10-4所示为IBM公司的科学家精心制作的“量子围栏”。他们在4K的温度下用STM的针尖把48个铁原子一个个地排列到一块精制的铜表面上，围成一个围栏，把铜表面的电子圈了起来。图中圈内的圆形波纹就是这些电子的概率波图景，电子出现概率大的地方波峰就高。

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• 费曼的路径积分
  爱因斯坦看了论文，沉思了一会儿，说：“我还是不相信上帝会掷骰子……可也许我现在终于可以说是我错了。”
  现在，量子力学已经有三种表述形式，即薛定谔的波动力学、海森堡的矩阵力学和费曼的路径积分。

幽灵般的超距作用：纠缠态之谜

爱因斯坦可以说是量子力学的奠基人之一，但是他对概率论和不确定原理却持反对态度。为了证明量子力学是不完备的，他想方设法地设计各种思维实验来考验量子力学。他发现在量子力学的某些情况下，将两个粒子分离至任意远的距离，对一个粒子的测量能瞬间改变另一个粒子的状态，这种改变并不受光速的限制。爱因斯坦认为这是绝对不可能的，称之为“幽灵般的超距作用”，以此来证明量子力学是不完备的。那么，结果到底如何呢？

对于某些特殊的激发态原子，电子从激发态经过连续两次量子跃迁返回到基态，可以同时释放出两个沿相反方向飞出的光子，而且这个光子对的净角动量为0，这种光子称为“孪生光子”。
孪生光子产生后沿相反方向飞出，已经没有任何联系，但是因为它们的净角动量为0，所以从量子理论来讲，如果你对其中一个光子进行偏振方向测量，另一个光子就必须得和这个光子保持偏振方向一致，否则就没法维持净角动量为0。

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（1）光子1通过偏振片1这时，你在光子2的前方摆放偏振片2。你会发现，如果偏振片2是垂直方向，光子2肯定能通过；如果偏振片2是水平方向，光子2肯定通不过。（2）光子1没通过偏振片1这时，你在光子2的前方摆放偏振片2。你会发现，如果偏振片2是垂直方向，光子2肯定通不过；如果偏振片2是水平方向，光子2肯定能通过。显然，上述实验结果表明，在光子1被进行偏振测量后，光子2的偏振瞬间也被确定，保持和光子1的偏振方向一致。

量子隐形传态最容易引起人们遐想的地方，莫过于它是否可以实现人的远距离传送，毕竟，人也是由微观粒子组成的，尽管数量大到近乎天文数字。其设想是，是否可以把一个人身上所有粒子的量子信息传递到了另一地的粒子上进行人体重组？

1911年10月末，第一次索尔维会议在比利时首都布鲁塞尔举办。当时最著名的物理学家都收到了邀请，其中包括爱因斯坦、普朗克、居里夫人、洛仑兹等人

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原子还不是最小

1898年7月，他们从沥青铀矿中分离出放射性比铀强400倍的物质，是一种新元素的硫化物。居里夫人把这种新元素命名为Polonium（钋），以纪念她的祖国波兰。
发现钋以后，居里夫妇再接再厉。1898年12月，他们又从沥青铀矿中分离出放射性比铀强900倍的物质，光谱分析表明，这种物质由大量钡化合物与一种新元素化合物混合而成，放射性正是这种新元素所致。他们把新元素命名为Radium（镭），来源于拉丁文radius，意为“射线”。

卢瑟福发现镭射线是由α射线、β射线和γ射线组成的，其中α射线、β射线是带电的粒子流（现在我们知道，α射线是氦原子核，β射线是电子），γ射线是光子流。

原子永恒不变，不可分割的说法被打破了，原子竟会放出α粒子、β粒子，原子内部竟然隐藏着另一个世界！

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根据新的设想，原子核内不再有电子。尽管如此，仍然存在着一个问题：为什么在如此小的空间里多个质子不会由于电荷间的同号排斥作用而产生波动？

因为原子核内的核子之间存在一种强相互作用力——强力，强力是四种基本作用力之一。强力是短程力，作用范围只在原子核尺度范围内，超出这个尺度迅速衰减为零。在原子核尺度内强力比电磁力大得多，所以质子之间不会互相排斥。正是强力的存在才维持了原子核的稳定。质子和中子因为存在强相互作用才能结合成稳定的原子核，人们把可以直接参与强相互作用的粒子称为“强子”

• 什么事物质的镜像：反物质？
  地球中所包含的负电子和正质子占多数，我们更应该把这看作是一种偶然现象。对其他星球很可能是另一番情景，那些星球有可能主要是由正电子和负质子构成的。

• 宇宙隐形人：中微子--微小的中性粒子
  1899年，卢瑟福发现β衰变现象，它涉及的是原子核中的一个中子转化成一个质子，并伴随着一个高速电子的释放。

1934年，费米在中微子理论研究中做出了重大贡献，他的创举在于将β衰变归结于粒子的产生和湮灭，该理论直接为量子物理带来了一个至今仍占中心地位的重要思想：微观世界中的相互作用都是通过产生和湮灭粒子发生的。

中微子个头小，不带电，只参与非常微弱的弱相互作用，具有极强的穿透力，能轻松穿透地球，就像宇宙间的“隐形人”。地球上每平方厘米每秒有600亿～1200亿个中微子穿过，但是在100亿个中微子中才有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。直到1956年中微子才被观测到，证明了它的存在

• 构成物质的基本粒子--夸克
  电子和夸克 都是基本粒子。
  宇宙中存在有6种不同类型的夸克，我们分别将之称为上、下、奇、粲、底、顶夸克。每种夸克都带有3种“色荷”——红、绿、蓝。由于夸克有6种类型，每种类型有3种“颜色”，所以共有18种夸克。
  夸克的色荷在强相互作用中守恒，因此，色荷是强力的源。两个夸克之间通过交换“胶子”而发生强相互作用。
  由三个夸克组合成的粒子称为“重子”，质子和中子就是重子。每个重子都是由3个夸克组成，同时每一个夸克都各具有一种颜色。当三个夸克组合在一起时，红、绿、蓝相互抵消，变成“无色”，色荷守恒，于是他们就结合在一起了。

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四种基本力和力的传递粒子

这四种基本作用力是：引力、电磁力、强力和弱力。

• 1.引力
  引力就是大家常说的万有引力，有质量或者能量的任何物体都会感受到引力。

  
  
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• 2.电磁力
  带电荷的粒子会相互吸引或者相互排斥，这种力就叫电磁力。电荷间同性相斥、异性相吸。就像质量一样，电荷也是粒子的基本性质。原子中电子带负电荷，质子带正电荷，大小都为e（e=1.6×10−19库仑）。因为正、负电荷相互抵消，所以原子是电中性的。虽然夸克具有分数电荷，但夸克不能被单独探测到，所以e是电荷的基本单位。
  电磁力比引力强得多，两个电子之间的电磁力比引力大36个数量级。好在我们常见的物体都是电中性的，所以不会产生强大的吸引力或排斥力。

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• 3.弱力
  弱力会导致原子核的β衰变（质子和中子间的一种转变），带来放射性。

*4.强力
强力将夸克“胶结”在质子和中子内，又把质子和中子紧紧束缚在一起形成原子核。强力是四种力里强度最大的力，比电磁力强100倍。

物体之间产生的各种力都不是凭空就能相互作用的，而要靠一定的粒子来进行力的传递。

强力的传递粒子是胶子。胶子共有8种，静止质量为零，电荷为零，具有色荷。

弱力的传递粒子是W粒子和Z粒子。W粒子有两种，质量相同但分别带一个正电荷和一个负电荷，记为W+和W−粒子。Z粒子是一种电中性的粒子，记为Z0。

引力的传递粒子是引力子。这是物理学家预言的，因为到现在还没有找到引力子。如果能找到引力子，它应该是一个静止质量为零，电荷为零的粒子。

电磁力的传递粒子就是光子。两个带电粒子之间的电磁力是通过互相交换光子而产生相互作用的。

在力的传递粒子中，光子、胶子、引力子静止质量均为零，而W粒子和Z粒子却有静止质量，而且非常大。W粒子的质量是电子的157400倍，Z粒子的质量是电子的178450倍。

• 泡利不相容原理
  比如Li原子有三个电子，两个处在能量最低的1s轨道，而另一个则处在能量更高的2s轨道（见图18-1）。为什么不能三个电子都处于1s轨道呢？

1925年，泡利根据对原子经验数据的分析提出一条原理：原子中任意两个电子不可能处于完全相同的量子态，称为泡利不相容原理。

时空逆流

• 时间逆流
  爱因斯坦曾指出：“空间–时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性。这样看来，关于‘一无所有的空间’的概念就失去了意义。”

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这里又出现A和B两个顶点。在A点，入射电子发射一个光子，并且产生一个新的电子，新电子向B飞去，并在那里遇到一个入射的正电子，二者互相湮灭并且发射出另外一个光子。

从图19-4可以看出，费曼图的奇妙之处在于，一个沿正时间移动的正电子等价于一个沿负时间移动的电子。不光电子如此，其他粒子也一样，这就意味着量子场论在微观尺度上允许时间倒流。正负电子的湮灭过程也可以这样理解：在A点，入射电子发射一个光子，并且产生一个新的电子，新电子向B飞去，在那里它发射出另外一个光子，然后变成一个沿负时间运动的带负能量的电子。不可思议是吗？但费曼认为可以，因为两种方式在数学上是完全等价而没有区别的。时间到底能不能倒流？目前看来，还是存在一个时间箭头能将过去和将来区分开来，那就是热力学第二定律。这个定律指出，在任何闭合系统中混乱度总是随时间而增加。这样就使时间有了方向，时间倒流看来是不可能实现的。

宇宙大爆炸

2013年3月21日，欧洲航天局把宇宙的精确年龄修正为138.2亿岁。尽管宇宙如此古老，物理学家们仍然能根据天文学观测结果和广义相对论等理论提出合理的模型来计算宇宙的过去，推断宇宙的演化图景，实在让人惊叹。根据量子宇宙论、大爆炸宇宙论（含暴胀宇宙论的修正），我们可以大致勾勒出宇宙的起源和演化的历程。

• （1）量子引力时代（0<t<5.4×10−44s）
  宇宙由一个不存在时间和空间的量子状态（“无”状态）自发跃迁（即所谓“大爆炸”）到具有空间、时间的量子状态。因为量子状态是量子化的，所以不存在中间过程，宇宙“无中生有”地诞生了。在这个时期，物质场的量子涨落导致时空本身发生量子涨落并不断地膨胀，空间和时间以混沌的方式交织在一起，时空没有连续性和序列性，因而前后不分、上下莫辨。此时四种基本力不可区分，是一种统一的力，此时的时空为虚时空。

• （2）普朗克时代（5.4×10−44s<t<10−36s）当时间等于普朗克时间（5.4×10−44s）时，虚时空发生超统一相变，实时空形成，粒子产生。相变点的能量是1019GeV，温度为1032K。此时时间和空间可以测量，但夸克和轻子不可区分，二者可以相互转化。相变破坏了力之间的对称性，引力首先分化出来，但强力、弱力、电磁力三种力仍不可区分。

• （3）大统一时代（10−36s<t<10−32s）随着宇宙温度继续下降，时间继续膨胀，当t=10−36s时，温度降至1028K，发生大统一真空相变。相变过程中释放的巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀，直到10−32s最后完成大统一相变。相变后，宇宙的空间尺度增加了1050倍，强力分化出来，夸克与轻子相互独立。

• （4）夸克—轻子时代（10−32s<t<10−6s）这段时期开始时，弱、电两种力不可区分。直到t=10−12s，温度降至1016K时，发生电弱统一相变，中间玻色子基本消失，电磁力与弱力成为两种力。

*（5）强子—轻子时代（10−6s<t<1s）
t=10−6s时，温度降至1012K（1万亿开尔文），发生夸克禁闭，凝聚成强子（即重子和介子）

• （6）辐射时代和核合成时代[1s<t<3.8×105a（38万年）]
  当t=1s时，温度降为100亿开尔文，中子转变为质子的反应率超过质子转变为中子的反应率，因而总体上中子开始衰变为质子。正负电子不断湮灭转化为光子。
• （7）星系形成时代[3.8×105a（38万年）<t<10亿年]
  在这个阶段，宇宙内的实物粒子从等离子气体演化为气状物质。随着宇宙进一步膨胀和温度下降，气状物质被拉开，形成原始星系，并进而形成星系团，然后再从中分化出星系。最初的一批星系和类星体诞生于大爆炸后10亿年

恒星的演化

目前观测宇宙学告诉我们，宇宙中可观测的天体可分为行星、恒星、星系、星系团、超星系团、观测所及的宇宙（总星系）等层次，但宇宙中大量的暗物质和暗能量对人类还是一个未解之谜。从大尺度来讲（大于1亿光年的尺度），宇宙中物质是均匀分布和各向同性的，据此可推断宇宙中所有位置都是等价的，不存在宇宙中心，也没有边界。

宇宙的一个重要特征是，它在不断地膨胀，因此，人们建立了以大爆炸为主要特征的宇宙模型来解释宇宙及物质的起源。

• 恒星的演化
  由炽热气体组成的、凭借内部核反应而能够自己发光的天体称为恒星。银河系就包含约2000亿颗恒星，太阳只是其中的普通一员。

恒星有其诞生、稳定和衰亡的演化过程，这一过程大约要持续几十亿甚至上百亿年。在恒星的形成和演化中，万有引力起着至关重要的作用。

大爆炸后约10亿年，宇宙中充满了以氢原子和氦原子组成的星际气体。星际气体透明、极度稀薄，在宇宙大尺度范围内基本均匀，然而也存在一些局部区域的密度涨落。如果某区域的气体密度稍高于周围其他区域，那么这一区域就会因引力稍强而吸引更多的物质到这里，使该区域的密度、温度变得更高一些。经过漫长岁月的演化，随着密度的增加，氢原子结合成H2分子，产生出巨大的星际分子云。

当星际分子云内部出现密度更高的部分时，在引力作用下，它会把周围物质吸引过来，这些物质旋转着向中心聚集，不断收缩，于是中心出现了一个核，核周围则形成旋转的气体圆盘。至此，一颗恒星的诞生条件已经具备。随着引力收缩的进行，核心的温度、压力、密度持续增高，H2分子重新分解为氢原子。当核心温度达到1×107℃（1000万摄氏度）时，氢聚变为氦的热核反应点燃，一颗耀眼的恒星自此诞生。

恒星自诞生起，其中心就进行着熊熊的氢聚变反应，每4个氢原子核（即质子）聚变成一个氦原子。氢聚变反应放出的巨大核能向恒星外部猛烈冲击，阻止了引力收缩，从而维持了内部压力与引力的平衡，使恒星在这一过程中保持稳定。这一过程稳定而漫长，约占恒星整个核燃烧时长的99%，这一阶段的恒星被称为主序星。我们的太阳就处于主序星阶段，它每秒钟都会失去4.3×106t（430万吨）的质量（6亿吨氢聚变为5.957亿吨氦），即便如此，它也至少可以燃烧100亿年。今天的太阳已走过了其生命历程的一半。
当恒星中心的氢全部聚变为氦后，大小不同的恒星接下来会沿着不同的方向演化：
（1）质量比太阳质量的一半还小的恒星，由于中心温度和密度达不到点燃氦聚变反应的程度，将直接由主序星演化为白矮星。白矮星颜色呈白色，体积很小，多数比地球还小，但密度相当大，每立方米可达几百万吨到上亿吨之巨。
（2）质量比太阳的一半大、但比8个太阳质量小的恒星，将由主序星首先演化为红巨星，然后演化为白矮星。

50亿年后，太阳将变为红巨星，到那时，它的光亮度将增至如今的100倍，体积会膨胀100万倍以上，整个地球都会被膨胀的太阳所吞噬。当恒星中心区收缩到约1亿摄氏度的高温时，中心的氦被点燃，发生氦聚变反应，氦原子会聚变成碳原子和氧原子：

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于是恒星又进入了一个新的核燃烧阶段。
质量小于8个太阳质量的恒星在经历了红巨星阶段后，外层物质被大量抛洒到宇宙中形成星云，留下的核心质量小于1.44倍太阳质量，此核心会继续收缩，但它的引力还不足以引发碳元素的核聚变，所以最后会变成一颗碳−氧型白矮星。
（3）对于大于8个太阳质量的恒星，在经历红巨星阶段后会发生超新星爆发，把大部分物质抛洒到太空，最后剩下的核心变为中子星或黑洞。

如果恒星质量足够大，氦燃尽后，引力收缩又会使中心区的碳被点燃发生碳聚变，生成氧、氖、钠、镁、硅等较重元素。如此，新的核燃烧会一个接一个地进行：碳之后，氧燃烧，然后是硅、镁等，直到恒星中心区大部分是铁核时，核聚变反应终止。铁是核物质中最稳定的元素，它不会聚变，因此中心铁核不再产生热能，这样，恒星会因为核心失去支撑而极速坍缩，于是发生剧烈的核爆炸，称为超新星爆发。

超新星爆发是宇宙中最剧烈的爆炸，大恒星这种炫丽的死亡方式所释放的能量超过太阳在100亿年中放出的能量总和的100倍。如此巨大的能量会在一瞬间聚变出宇宙中所有的元素，这些元素就成为生命诞生的原材料。超新星爆炸喷发出的星尘在宇宙中飘荡，我们的星球和我们的身体都由这些星尘组成。可以说，生命产生的代价是昂贵的，它需要一颗大恒星壮烈的牺牲。

超新星爆发后恒星的中心残骸质量大于1.44倍太阳质量，巨大的压力会把电子挤压到原子核里与质子形成中子。最后形成的稳定天体就是中子星。中子星几乎就是把中子一个个紧挨着排列而成的巨大原子核。中子星的密度可达每立方厘米1×109t（10亿吨）。中子星的质量上限为3.2倍太阳质量。

如果超新星爆发后恒星的中心残骸质量大于3.2倍太阳质量，那么中子也无法抵挡引力坍缩，这时天体就会坍缩为黑洞。之所以称为黑洞是因为任何物质和辐射，包括光，在如此强大的引力作用下都不能逃离该天体，外部观测者无法观测到它。