仔細看宇宙(看一看宇宙)
xj
2023-07-11
宇宙是廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱。
宇宙是物質(zhì)世界,它處于不斷的運動和發(fā)展中。
《淮南子·原道訓(xùn)》
注:“四方上下曰宇,古往今來曰宙,以喻天地。”即宇宙是天地萬物的總稱。
千百年來,科學(xué)家們一直在探尋宇宙是什么時候、如何形成的。直到今天,科學(xué)家們才確信,宇宙是由大約150億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。
在爆炸發(fā)生之前,宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起,并濃縮成很小的體積,溫度極高,密度極大,之后發(fā)生了大爆炸。
大爆炸使物質(zhì)四散出擊,宇宙空間不斷膨脹,溫度也相應(yīng)下降,后來相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中逐漸形成的。然而,大爆炸而產(chǎn)生宇宙的理論尚不能確切地解釋,“在所存物質(zhì)和能量聚集在一點上”之前到底存在著什么東西? “大爆炸理論”是伽莫夫于1946年創(chuàng)建的
根據(jù)彌漫說的理論,恒星形成可分為兩個階段,開始時先由極其稀薄的物質(zhì)凝聚成星云并進一步收縮成原恒星,然后原恒星才發(fā)展成為恒星。
凡是由熾熱氣態(tài)物質(zhì)組成,能自行發(fā)熱發(fā)光的球形或接近球形的天體都可以稱為恒星。
自古以來,為了便于說明研究對象在天空中的位置,都把天空的星斗劃分為若干區(qū)域,在我國春秋戰(zhàn)國時代,就把星空劃分為三垣四象二十八宿,在西方,巴比倫和古希臘把較亮的星劃分成若干個星座,并以神話中的人物或動物為星座命名。
根據(jù)中非Boshongo人的傳說,世界太初只有黑暗、水和偉大的Bumba上帝。一天,Bumba胃痛發(fā)作,嘔吐出太陽。太陽灼干了一些水,留下土地。他仍然胃痛不止,又吐出了月亮和星辰,然后吐出一些動物,豹、鱷魚、烏龜、最后是人。
這個創(chuàng)世紀(jì)的神話,和其它許多神話一樣,試圖回答我們大家都想詰問的問題:為何我們在此?我們從何而來?一般的答案是,人類的起源是發(fā)生在比較近期的事。人類正在知識上和技術(shù)上不斷地取得進步。這樣,它不可能存在那么久,否則的話,它應(yīng)該取得更大的進步。這一點甚至在更早的時候就應(yīng)該很清楚了。
亞里士多德:宇宙無開端
宇宙已經(jīng)存在了無限久的時間
例如,按照Usher主教《創(chuàng)世紀(jì)》把世界的創(chuàng)生定于公元前4004年10月23日上午9時。另一方面,諸如山岳和河流的自然環(huán)境,在人的生命周期里改變甚微。所以人們通常把它們當(dāng)作不變的背景。要么作為空洞的風(fēng)景已經(jīng)存在了無限久,要么是和人類在相同的時刻被創(chuàng)生出來。
但是并非所有人都喜歡宇宙有個開端的思想。例如,希臘最著名的哲學(xué)家亞里士多德,相信宇宙已經(jīng)存在了無限久的時間。某種永恒的東西比某種創(chuàng)生的東西更完美。他提出我們之所以看到發(fā)展處于這個情形,那是因為洪水或者其它自然災(zāi)害,不斷重復(fù)地讓文明回復(fù)到萌芽階段。信仰永恒宇宙的動機是想避免求助于神意的干涉,以創(chuàng)生宇宙并啟始運行。相反地,那些相信宇宙具有開端的人,將開端當(dāng)作上帝存在的論據(jù),把上帝當(dāng)作宇宙的第一原因或者原動力。
宇宙開端前 時間無意義
時間是絕對的,時間從無限的過去向無限的將來流逝
如果人們相信宇宙有一個開端,那么很明顯的問題是,在開端之前發(fā)生了甚么?上帝在創(chuàng)造宇宙之前,他在做甚么?他是在為那些詰問這類問題的人準(zhǔn)備地獄嗎?德國哲學(xué)家伊曼努爾.康德十分關(guān)心宇宙有無開端的問題。他覺得,不管宇宙有無開端,都會引起邏輯矛盾或者二律背反。如果宇宙有一個開端,為何在它起始之前要等待無限久。他將此稱為正題。另一方面,如果宇宙已經(jīng)存在無限久,為甚么它要花費無限長的時間才達到現(xiàn)在這個階段。他把此稱為反題。無論正題還是反題,都是基于康德的假設(shè),幾乎所有人也是這么辦的,那就是,時間是絕對的,也就是說,時間從無限的過去向無限的將來流逝。時間獨立于宇宙,在這個背景中,宇宙可以存在,也可以不存在。
直至今天,在許多科學(xué)家的心中,仍然保持這樣的圖景。然而,1915年愛因斯坦提出他的革命性的廣義相對論。在該理論中,空間和時間不再是絕對的,不再是事件的固定背景。相反地,它們是動力量,宇宙中的物質(zhì)和能量確定其形狀。它們只有在宇宙之中才能夠定義。這樣談?wù)撚钪骈_端之前的時間是毫無意義的。這有點兒像去尋找比南極還南的一點沒有意義一樣。它是沒有定義的 如果宇宙隨時間本質(zhì)上不變,正如20世紀(jì)20年代之前一般認為的那樣,就沒有理由阻止在過去任意早的時刻定義時間。人們總可以將歷史往更早的時刻延展,在這個意義上,任何所謂的宇宙開端都是人為的。于是,情形可以是這樣,這個宇宙是去年創(chuàng)生的,但是所有記憶和物理證據(jù)都顯得它要古老得多。這就產(chǎn)生了有關(guān)存在意義的高深哲學(xué)問題。我將采用所謂的實證主義方法來對付這些問題。在這個方法中,其思想是,我們按照我們構(gòu)造世界的模型來解釋自己感官的輸入。人們不能詢問這個模型是否代表實在,只能問它能否行得通。首先,如果按照一個簡單而優(yōu)雅的模型可以解釋大量的觀測;其次,如果這個模型作出可能被觀察檢驗,也可能被證偽的明確預(yù)言,這個模型即是一個好模型。
根據(jù)實證主義方法,人們可以比較宇宙的兩個模型。第一個模型,宇宙是去年創(chuàng)生的,而另一個是宇宙已經(jīng)存在了遠為長久的時間。一對孿生子在比一年前更早的時刻誕生,已經(jīng)存在了久于一年的宇宙的模型能夠解釋像孿生子這樣的事物。
哈勃發(fā)現(xiàn)星系飛離我們
恒星并非均勻地分布于整個空間
另一方面,宇宙去年創(chuàng)生的模型不能解釋這類事件,因此第二個模型更好。人們不能詰問宇宙是否在一年前確實存在過,或者僅僅顯得是那樣。在實證主義的方法中,它們沒有區(qū)別。
在一個不變的宇宙中,不存在一個自然的起始之點。然而,20世紀(jì)20年代當(dāng)埃德溫.哈勃在威爾遜山上開始利用100英寸的望遠鏡進行觀測時,情形發(fā)生了根本的改變。哈勃發(fā)現(xiàn),恒星并非均勻地分布于整個空間,而是大量地聚集在稱為星系的集團之中。
哈勃測量來自星系的光,進而能夠確定它們的速度。他預(yù)料向我們飛來的星系和離我們飛去的星系一樣多。這是在一個隨時間不變的宇宙中應(yīng)有的。但是令哈勃驚訝的是,他發(fā)現(xiàn)幾乎所有的星系都飛離我們而去。此外,星系離開我們越遠,則飛離得越快。宇宙不隨時間不變,不像原先所有人以為的那樣。它正在膨脹。星系之間的距離隨時間而增大。
最重要發(fā)現(xiàn):宇宙在膨脹
宇宙膨脹是20世紀(jì)或者任何世紀(jì)最重要的智力發(fā)現(xiàn)之一
宇宙膨脹是20世紀(jì)或者任何世紀(jì)最重要的智力發(fā)現(xiàn)之一。它轉(zhuǎn)變了宇宙是否有一個開端的爭論。如果星系現(xiàn)在正分開運動,那么,它們在過去一定更加靠近。如果它們過去的速度一直不變,則大約150億年之前,所有星系應(yīng)該一個落在另一個上。這個時刻是宇宙的開端嗎?
許多科學(xué)家仍然不喜歡宇宙具有開端。因為這似乎意味著物理學(xué)崩潰了。人們就不得不去求助于外界的作用,為方便起見,可以把它稱作上帝,去確定宇宙如何起始。因此他們提出一些理論。在這些理論中,宇宙此刻正在膨脹,但是沒有開端。其中之一便是邦迪、高爾德和霍伊爾于1948年提出的穩(wěn)恒態(tài)理論。
在穩(wěn)恒態(tài)理論中,其思想是,隨著星系離開,由假設(shè)中的在整個空間連續(xù)創(chuàng)生的物質(zhì)形成新的星系。宇宙會永遠存在,而且在所有時間中都顯得一樣。這最后的性質(zhì)從實證主義的觀點來看,作為一個可以用觀測來檢驗的明確預(yù)言,具有巨大的優(yōu)點。在馬丁.萊爾領(lǐng)導(dǎo)下的劍橋射電觀測天文小組,在20世紀(jì)60年代早期對弱射電源進行了調(diào)查。這些源在天空分布得相當(dāng)均勻,表明大部分源位于銀河系之外。平均而言,較弱的源離得較遠。
穩(wěn)恒態(tài)理論與觀測沖突
微弱的源比預(yù)言的更多,這表明在過去源的密度較高
穩(wěn)恒態(tài)理論預(yù)言了源的數(shù)目對應(yīng)于源強度的圖的形狀。但是觀測表明,微弱的源比預(yù)言的更多,這表明在過去源的密度較高。這就和穩(wěn)恒態(tài)理論的任何東西在時間中都是不變的基本假設(shè)相沖突。由于這個,也由于其它原因,穩(wěn)恒態(tài)理論被拋棄了。
還有另一種避免宇宙有一開端的企圖是,建議存在一個早先的收縮相,但是由于旋轉(zhuǎn)和局部的無規(guī)性,物質(zhì)不會落到同一點。相反,物質(zhì)的不同部分會相互錯開,宇宙會重新膨脹,這時密度保持有限。兩位俄國人利弗席茲和哈拉尼科夫?qū)嶋H上聲稱,他們證明了,沒有嚴格對稱的一般收縮總會引起反彈,而密度保持有限。這個結(jié)果對于馬克思主義列寧主義的唯物辯證法十分便利,因為它避免了有關(guān)宇宙創(chuàng)生的難以應(yīng)付的問題。因此,這對于蘇聯(lián)科學(xué)家而言成為一篇信仰的文章
當(dāng)利弗席茲和哈拉尼科夫發(fā)表其斷言時,我是一名21歲的研究生,為了完成博士論文,我正在尋找一個問題。我不相信他們所謂的證明,于是就著手和羅杰.彭羅斯一起發(fā)展新的數(shù)學(xué)方法去研究這個問題。我們證明了宇宙不能反彈。如果愛因斯坦的廣義相對論是正確的,就存在一個奇點,這是具有無限密度和無限時空曲率的點,時間在那里有一個開端。
在我得到第一個奇點結(jié)果數(shù)月之后,即1965年10月,人們得到了確認宇宙有一個非常密集開端的思想的觀察證據(jù),那是發(fā)現(xiàn)了貫穿整個空間的微弱的微波背景。這些微波和你使用的微波爐的微波是一樣的,但是比它微弱多了。它們只能將匹薩加熱到攝氏負270.4度,甚至無法將匹薩化凍,更不用說烤熟它。實際上你自己就可以觀察到這些微波。把你的電視調(diào)到一個空的頻道去,在熒幕上看到的雪花的百分之幾就歸因于這個微波背景。早期非常熱和密集狀態(tài)遺留下的輻射是對這個背景的僅有的合理解釋。隨著宇宙膨脹,輻射一直冷卻下來,直至我們今天觀察到它的微弱的殘余。
雖然彭羅斯和我自己的奇性定理預(yù)言,宇宙有一個開端,這些定理并沒有告訴宇宙如何起始。廣義相對論方程在奇點處崩潰了。這樣,愛因斯坦理論不能預(yù)言宇宙如何起始,它只能預(yù)言一旦起始后如何演化。人們對彭羅斯和我的結(jié)果可有兩種態(tài)度。一種是上帝由于我們不能理解的原因,選擇宇宙的啟始方式。這是約翰.保羅教的觀點。在梵蒂岡的一次宇宙論會議上,這位教皇告訴代表們,在宇宙起始之后,研究它是可以的。但是他們不應(yīng)該探究起始的本身,因為這是創(chuàng)生的時刻,這是上帝的事體。我暗自慶幸,他沒有意識到,我在會議上發(fā)表了一篇論文,剛好提出宇宙如何起始。我可不想象伽利略那樣被遞交給宗教裁判廳。
研宇宙起源 需量子理論
當(dāng)宇宙處于普朗克尺度,必須考慮量子理論
對我們結(jié)果的另外解釋,這也是得到大多數(shù)科學(xué)家贊同的解釋。這個結(jié)果顯示,在早期宇宙中的非常強大的引力場中,廣義相對論崩潰了,必須用一個更完備的理論來取代它。因為廣義相對論沒有注意到物質(zhì)小尺度結(jié)構(gòu),而后者是由量子理論制約的,所以人們預(yù)料總要進行這種取代。在通常情況下,因為宇宙的尺度和量子理論的微觀尺度相比較極為巨大,所以是否取代無所謂。但是當(dāng)宇宙處于普朗克尺度,也就是1千億億億億分之一米時,這兩個尺度變成相同,必須考慮量子理論。
為了理解宇宙的起源,我們必須把廣義相對論和量子理論相結(jié)合。里查德.費恩曼對歷史求和的思想似乎是實現(xiàn)這個目標(biāo)的最佳方法。里查德.費恩曼是一位多姿多彩的人物。他在帕沙迪那的脫衣舞酒吧里敲小鼓,又是加州理工學(xué)院卓越的物理學(xué)家。他提議一個系統(tǒng)從狀態(tài)A到狀態(tài)B經(jīng)過所有可能的路徑或歷史
環(huán)球旅行證明世界非平板
我環(huán)球旅行過,我并沒有掉下去
每個路徑或者歷史都有一定的振幅和強度。而系統(tǒng)從A到B的概率是將每個路徑的振幅加起來。存在一個由蘭干酪制成月亮的歷史。但是其振幅很低。這對于老鼠來說不是一個好消息。
宇宙現(xiàn)在狀態(tài)的概率可將結(jié)局為這個狀態(tài)的所有歷史迭加得到。但是這些歷史如何起始的呢?這是一個改頭換面的起源問題。是否需要一個造物主下達命令,宇宙如此這般起始呢?還是由科學(xué)定律來確定宇宙的初始條件呢?
事實上,即便宇宙的歷史回到無限的過去,這個問題仍然存在。但是如果宇宙只在150億年前起始,這個問題就更加急切。詢問在時間的開端會發(fā)生甚么,有點像當(dāng)人們認為世界是平坦的,詢問在世界的邊緣會發(fā)生甚么一樣。世界是一塊平板嗎?海洋從它邊緣上傾瀉下去嗎?我已經(jīng)用實驗對此驗證過。我環(huán)球旅行過,我并沒有掉下去。
正如大家知道的,當(dāng)人們意識到世界不是一塊平板,而是一個彎曲的面時,在宇宙的邊緣發(fā)生甚么的問題就被解決了。然而,時間似乎不同。它顯得和空間相分離。像是一個鐵軌模型。如果它有一個開端,就必須有人去啟動火車運行。
再無法反對宇宙有開端
宇宙的開端由科學(xué)定律來制約
愛因斯坦的廣義相對論將時間和空間統(tǒng)一成時空。但是時間仍然和空間不同,它正像一個通道,要么有開端和終結(jié),要么無限地伸展出去。然而,詹姆.哈特爾和我意識到,當(dāng)廣義相對論和量子論相結(jié)合時,在極端情形下,時間可以像空間中另一方向那樣行為。這意味著,和我們擺脫世界邊緣的方法類似,可以擺脫時間具有開端的問題。
假定宇宙的開端正如地球的南極,其緯度取時間的角色。宇宙就在南極作為一個起始點。隨著往北運動,代表宇宙尺度的常緯度的圓就膨脹。詰問在宇宙開端之前發(fā)生了甚么是沒有意義的問題。因為在南極的南邊沒有任何東西。
時間,用緯度來測量,在南極處有一個開端。但是南極和其它的點非常相像。至少我聽別人這么講的。我去過南極洲,沒有去過南極。
同樣的自然定律正如在其它地方一樣,在南極成立。長期以來,人們說宇宙的開端是正常定律失效之處,所以宇宙不應(yīng)該有開端。而現(xiàn)在,宇宙的開端由科學(xué)定律來制約,所以反對宇宙有開端的論證不再成立。
宇宙膨脹有如沸水泡泡
宇宙最可能的歷史像是泡泡的表面。許多小泡泡出現(xiàn),然后再消失
詹姆.哈特爾和我發(fā)展宇宙自發(fā)創(chuàng)生的圖景有一點像泡泡在沸騰的水中形成。
其思想是,宇宙最可能的歷史像是泡泡的表面。許多小泡泡出現(xiàn),然后再消失。這些對應(yīng)于微小的宇宙,它們膨脹,但在仍然處于微觀尺度時再次坍縮。它們是另外可能的宇宙,由于不能維持足夠長的時間,來不及發(fā)展星系和恒星,更不用說智慧生命了,所以我們對它們沒有多大興趣。然而,這些小泡泡中的一些會膨脹到一定的尺度,到那時可以安全地逃避坍縮。它們會繼續(xù)以不斷增大的速率膨脹,形成我們看到的泡泡。它們對應(yīng)于開始以不斷增加的速率膨脹的宇宙。這就是所謂的暴脹,正如每年的價格上漲一樣。
通貨膨脹的世界紀(jì)錄應(yīng)歸一戰(zhàn)以后的德國。在18月期間價格增大了一千萬倍。但是,它和早期宇宙中的暴脹相比實在微不足道。宇宙在比一秒還微小得多的時間里膨脹了十的30次方倍。和通貨膨脹不同,早期宇宙的暴脹是非常好的事情。它產(chǎn)生了一個非常巨大的均勻的宇宙,正如我們觀察到的。然而,它不是完全均勻的。在對歷史求和中,稍微具有無規(guī)性的歷史和完全均勻和規(guī)則歷史的概率幾乎相同。因此,理論預(yù)言早期宇宙很可能是稍微不均勻的。這些無規(guī)性在從不同方向來的微波背景強度上引起小的變化。利用MAP(微波各向異性)衛(wèi)星已經(jīng)觀察到微波背景,發(fā)現(xiàn)了和預(yù)言完全一致的變化。這樣,我們知道自己正在正確的道路上前進。
“上帝的確在擲骰子”
我們是極早期宇宙的量子起伏的產(chǎn)物
早期宇宙中的無規(guī)性,意味著在有些區(qū)域的密度,比其它地方的稍高。這些額外密度的引力吸引使這個區(qū)域的膨脹減緩,而且最終能夠使這些區(qū)域坍縮形成星系和恒星。請仔細看這張微波天圖。它是宇宙中一切結(jié)構(gòu)的藍圖。我們是極早期宇宙的量子起伏的產(chǎn)物。上帝的確在擲骰子。
在過去的百年間,我們在宇宙學(xué)中取得了驚人的進步。廣義相對論和宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn),粉碎了永遠存在并將永遠繼續(xù)存在的宇宙的古老圖像。取而代之,廣義相對論預(yù)言,宇宙和時間本身都在大爆炸處起始。它還預(yù)言時間在黑洞里終結(jié)。宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn),以及黑洞的觀測,支持這些結(jié)論。這是我們的宇宙圖像和實在本身的一個深刻的改變。
雖然廣義相對論預(yù)言了,宇宙來自于過去一個高曲率的時期,但它不能預(yù)言宇宙如何從大爆炸形成。這樣,廣義相對論自身不能回答宇宙學(xué)的核心問題,為何宇宙如此這般。然而,如果廣義相對論和量子論相合并,就可能預(yù)言宇宙是如何起始的。它開始以不斷增大的速率膨脹。這兩個理論的結(jié)合預(yù)言,在這個稱作暴脹的時期,微小的起伏會發(fā)展,導(dǎo)致星系、恒星以及宇宙中所有其它結(jié)構(gòu)的形成。對宇宙微波背景中的小的非均勻性的觀測,完全證實了預(yù)言的性質(zhì)。這樣,我們似乎正朝著理解宇宙起源的正確方向前進,盡管還有許多工作要做。當(dāng)我們通過精密測量空間航空器之間距離,進而能夠檢測到引力波,就會打開極早期宇宙的新窗口。引力波從最早的時刻自由地向我們傳播,所有介入的物質(zhì)都無法阻礙它。與此相比較,自由電子多次地散射光。這種散射一直進行到30萬年后電子被凝結(jié)之前。
關(guān)于宇宙起源宇宙的起源
宇宙是廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱。
宇宙是物質(zhì)世界,它處于不斷的運動和發(fā)展中。
《淮南子·原道訓(xùn)》
注:“四方上下曰宇,古往今來曰宙,以喻天地。”即宇宙是天地萬物的總稱。
千百年來,科學(xué)家們一直在探尋宇宙是什么時候、如何形成的。直到今天,科學(xué)家們才確信,宇宙是由大約150億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。
在爆炸發(fā)生之前,宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起,并濃縮成很小的體積,溫度極高,密度極大,之后發(fā)生了大爆炸。
大爆炸使物質(zhì)四散出擊,宇宙空間不斷膨脹,溫度也相應(yīng)下降,后來相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中逐漸形成的。然而,大爆炸而產(chǎn)生宇宙的理論尚不能確切地解釋,“在所存物質(zhì)和能量聚集在一點上”之前到底存在著什么東西? “大爆炸理論”是伽莫夫于1946年創(chuàng)建的。
大爆炸理論:注釋:大爆炸理論
(big-bang cosmology)現(xiàn)代宇宙系中最有影響的一種學(xué)說,又稱大爆炸宇宙學(xué)。與其他宇宙模型相比,它能說明較多的觀測事實。它的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里,宇宙體系并不是靜止的,而是在不斷地膨脹,使物質(zhì)密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點,大爆炸的整個過程是:在宇宙的早期,溫度極高,在100億度以上。物質(zhì)密度也相當(dāng)大,整個宇宙體系達到平衡。宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。但是因為整個體系在不斷膨脹,結(jié)果溫度很快下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時,中子開始失去自由存在的條件,它要么發(fā)生衰變,要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素;化學(xué)元素就是從這一時期開始形成的。溫度進一步下降到100萬度后,早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束(見元素合成理論)。宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當(dāng)溫度降到幾千度時,輻射減退,宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì),氣體逐漸凝聚成氣云,再進一步形成各種各樣的恒星體系,成為我們今天看到的宇宙。大爆炸模型能統(tǒng)一地說明以下幾個觀測事實:(1)大爆炸理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的,因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度下降至今天這一段時間為短,即應(yīng)小于200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。(2)觀測到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應(yīng)來解釋,那么紅移就是宇宙膨脹的反映。(3)在各種不同天體上,氦豐度相當(dāng)大,而且大都是30%。用恒星核反應(yīng)機制不足以說明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論,早期溫度很高,產(chǎn)生氦的效率也很高,則可以說明這一事實。(4)根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等,可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。大爆炸理論的創(chuàng)始人之一伽莫夫曾預(yù)言,今天的宇宙已經(jīng)很冷,只有絕對溫度幾度。1965年,果然在微波波段上探測到具有熱輻射譜的微波背景輻射,溫度約為3K。
蜚聲國際、被視為當(dāng)今最具有影響力的著名天體物理學(xué)家霍金教授,昨天下午在香港科技大學(xué)主持講座,講題為《宇宙的起源》。這位有“現(xiàn)代愛因斯坦”之稱的科學(xué)者宣告:宇宙學(xué)是一個非常激動人心和活躍的學(xué)科。我們正接近回答這古老的問題:我們?yōu)楹卧诖耍课覀儚暮味鴣恚恳磺О税俣嗝F(xiàn)場觀眾和數(shù)以十萬計的香港人在電視機屏幕前傾聽了霍金透過語音合成器的演說。
霍金的演講全文如下:
根據(jù)中非Boshongo人的傳說,世界太初只有黑暗、水和偉大的Bumba上帝。一天,Bumba胃痛發(fā)作,嘔吐出太陽。太陽灼干了一些水,留下土地。他仍然胃痛不止,又吐出了月亮和星辰,然后吐出一些動物,豹、鱷魚、烏龜、最后是人。
這個創(chuàng)世紀(jì)的神話,和其它許多神話一樣,試圖回答我們大家都想詰問的問題:為何我們在此?我們從何而來?一般的答案是,人類的起源是發(fā)生在比較近期的事。人類正在知識上和技術(shù)上不斷地取得進步。這樣,它不可能存在那么久,否則的話,它應(yīng)該取得更大的進步。這一點甚至在更早的時候就應(yīng)該很清楚了。
亞里士多德:宇宙無開端
宇宙已經(jīng)存在了無限久的時間
例如,按照Usher主教《創(chuàng)世紀(jì)》把世界的創(chuàng)生定于公元前4004年10月23日上午9時。另一方面,諸如山岳和河流的自然環(huán)境,在人的生命周期里改變甚微。所以人們通常把它們當(dāng)作不變的背景。要么作為空洞的風(fēng)景已經(jīng)存在了無限久,要么是和人類在相同的時刻被創(chuàng)生出來。
但是并非所有人都喜歡宇宙有個開端的思想。例如,希臘最著名的哲學(xué)家亞里士多德,相信宇宙已經(jīng)存在了無限久的時間。某種永恒的東西比某種創(chuàng)生的東西更完美。他提出我們之所以看到發(fā)展處于這個情形,那是因為洪水或者其它自然災(zāi)害,不斷重復(fù)地讓文明回復(fù)到萌芽階段。信仰永恒宇宙的動機是想避免求助于神意的干涉,以創(chuàng)生宇宙并啟始運行。相反地,那些相信宇宙具有開端的人,將開端當(dāng)作上帝存在的論據(jù),把上帝當(dāng)作宇宙的第一原因或者原動力。
宇宙開端前 時間無意義
時間是絕對的,時間從無限的過去向無限的將來流逝
如果人們相信宇宙有一個開端,那么很明顯的問題是,在開端之前發(fā)生了甚么?上帝在創(chuàng)造宇宙之前,他在做甚么?他是在為那些詰問這類問題的人準(zhǔn)備地獄嗎?德國哲學(xué)家伊曼努爾.康德十分關(guān)心宇宙有無開端的問題。他覺得,不管宇宙有無開端,都會引起邏輯矛盾或者二律背反。如果宇宙有一個開端,為何在它起始之前要等待無限久。他將此稱為正題。另一方面,如果宇宙已經(jīng)存在無限久,為甚么它要花費無限長的時間才達到現(xiàn)在這個階段。他把此稱為反題。無論正題還是反題,都是基于康德的假設(shè),幾乎所有人也是這么辦的,那就是,時間是絕對的,也就是說,時間從無限的過去向無限的將來流逝。時間獨立于宇宙,在這個背景中,宇宙可以存在,也可以不存在。
直至今天,在許多科學(xué)家的心中,仍然保持這樣的圖景。然而,1915年愛因斯坦提出他的革命性的廣義相對論。在該理論中,空間和時間不再是絕對的,不再是事件的固定背景。相反地,它們是動力量,宇宙中的物質(zhì)和能量確定其形狀。它們只有在宇宙之中才能夠定義。這樣談?wù)撚钪骈_端之前的時間是毫無意義的。這有點兒像去尋找比南極還南的一點沒有意義一樣。它是沒有定義的。
大爆炸宇宙學(xué)
大爆炸宇宙學(xué)是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說,與其它宇宙模型相比,它能說明較多的觀測事實。它的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里,宇宙體系并不是靜止的,而是在不斷地膨脹,使物質(zhì)密度從密到稀地演化。這一從冷到熱,從密到稀的過程如同一次規(guī)模很大的爆發(fā)。
根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點,大爆炸的整個過程是:在宇宙的早期,溫度極高,在100億度以上。物質(zhì)密度也相當(dāng)大,整個宇宙體系達到平衡。宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。但是因為整個體系在不斷膨脹,結(jié)果溫度很快下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時,中子開始失去自由存在的條件,它要么發(fā)生衰變,要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素;化學(xué)元素就是從這一時期開始形成的。
溫度進一步下降到100萬度后,早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束。宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當(dāng)溫度降到幾千度時,輻射減退,宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì),氣體逐漸凝聚成氣云,再進一步形成各種各樣的恒星體系,成為我們今天看到的宇宙。
大爆炸模型能統(tǒng)一說明以下幾個觀測事實:
1、大爆炸理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的,因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度至今天這一段時間為短,即應(yīng)小于200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。
2、觀測到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應(yīng)來解釋,那么紅移就是宇宙膨脹的反映。
3、在各種不同天體上,氦豐度相當(dāng)大,而且大都是30%。用恒星核反應(yīng)機制不足以說明為什么又如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論,早期溫度很高,產(chǎn)生氦的效率也很高,則可以說明這一事實。
4、根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等,可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。大爆炸理論的創(chuàng)始人之一伽莫夫曾預(yù)言今天的宇宙已經(jīng)很冷,只有絕對溫度幾度。1965年,果然在微波波段上探測到具有熱輻射譜的微波背景輻射,溫度大約為3K。這一結(jié)果無論在定性上或者定量上都與大爆炸理論的預(yù)言相符。但是,在星系的起源和各向同性分布等方面,大爆炸宇宙學(xué)還存在一些未解決的困難問題。
宇宙自然選擇學(xué)說簡介
為什么宇宙會是我們觀測到的這副樣子?為什么它具有目前已測知的那些基本常數(shù)值?80年代初,在宇宙創(chuàng)生大爆炸框架下發(fā)展了目前最流行的暴脹宇宙模型:宇宙在大爆炸后不到1秒的時間里膨脹了大約10-30倍,大約和橘子一般大小,然后開始以較穩(wěn)定的膨脹速率,直到現(xiàn)在,大約150億年,成為目前的樣子。在這個過程中,物質(zhì)“疙瘩”逐步形成了星系、恒星以及生命。這個模型暴脹期的長短是個關(guān)鍵。若稍短,物質(zhì)為充分散開,原生宇宙就有重新坍縮為起點;若稍長,原生宇宙的物質(zhì)則過于分散,形不成星系和恒星,自然也就不會出現(xiàn)生命和人類。因此出現(xiàn)了暴脹為何如此精確的問題,按照現(xiàn)行的物理學(xué)基本定律,大爆炸產(chǎn)生的宇宙其“自然尺寸”應(yīng)該只有亞原子大小,即普克郎長度10 ^-35量級,而這樣的宇宙是短命的。前蘇聯(lián)科學(xué)家林德提出“自我增殖的宇宙”概念——“最有可能的是,我們正在研究的宇宙是由早期的若干宇宙所形成的。”1987年霍金進一步提出了“嬰兒宇宙”模型,兩個大宇宙通過一個細“管子”連接起來,這個細管子稱為“蟲洞”,大宇宙為母宇宙,可能存在著從母宇宙分岔出去的另一端是自由的蟲洞,這樣的管子成為子宇宙、嬰兒宇宙。就是說除了我們生存的宇宙之外還可能存在著眾多的由蟲洞連接起來的其他宇宙。1992年,薩莫林在前人基礎(chǔ)上提出了宇宙自然選擇學(xué)說。母宇宙是空間閉合的,猶如一個黑洞,該黑洞在生存了一段時間后坍縮為一個奇點,奇點又會反彈爆炸膨脹為新的下一代宇宙。這個學(xué)說的要點是,子宇宙中的物理常數(shù)較之母宇宙的物理常數(shù)會有小的、或強或弱的隨機變異,新生的嬰兒宇宙在再次坍縮成奇點前能膨脹到幾倍普克郎長度大小,隨機變異的物理常數(shù)有可能允許小小的暴脹,子宇宙可變的較大,當(dāng)它足夠大時,可分隔為兩個或更多的不同區(qū)域,每個區(qū)域又坍縮為一個新的奇點,新奇點又觸發(fā)下一代的子宇宙,如此時代相傳,有的小宇宙重又坍縮,有的具有某些基本常數(shù)值的宇宙能更有效的產(chǎn)生許多黑洞,從而較具有其他某些基本常數(shù)值的宇宙留下更多的后代,借用生物進化論的術(shù)語,它們是被“自然選擇”下來的,經(jīng)“選擇”作用,產(chǎn)生越來越多的黑洞,也就形成了更多的宇宙。如果宇宙確是由以前的宇宙世代經(jīng)過這種“自然選擇”而產(chǎn)生的話,那么應(yīng)該預(yù)期我們生存在其中的宇宙會具有所觀測到的樣子并正好具有目前測知的基本常數(shù)值。這個學(xué)說的另一要點是關(guān)于恒星的存在。在許多情況下,恒星是黑洞的前身。在氣體和塵埃云中,恒星仍在形成。在碳塵埃微粒表面進行著的化學(xué)反應(yīng)使氣體冷卻并促使氣云坍縮。但碳塵埃粒子是從那里來的呢?斯莫林指出碳元素是由核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的這一情況只有在質(zhì)子的質(zhì)量稍大于中子的質(zhì)量時才會發(fā)生,如果兩者質(zhì)量之差比氦核的結(jié)合能大的多,則質(zhì)子和中子不可能粘在一起形成氦核,沒有氦,聚變反應(yīng)鏈在第一階段便終止了,根本形不成更重的元素,從而使恒星將少得多,自然也不會有多少黑洞,因此在任何一個宇宙中,若其中質(zhì)子與中子的質(zhì)量相差較大,將只能產(chǎn)生很少的宇宙,也就沒有什么“選擇”的余地了。
宇宙最初是一無所有的真空。此時,時間為零(由正負態(tài)虛時間相互抵消而表現(xiàn)為零態(tài)時間);空間為零(正負態(tài)虛空間相互抵消而表現(xiàn)為零態(tài)空間);物質(zhì)為零(正反粒子或正負粒子均未產(chǎn)生);能量為零(但其中蘊藏著無窮大的正能量和無窮大的負能量);信息為零(內(nèi)含一切正負信息,但對外表現(xiàn)為混沌無信息態(tài));精神為零(此時為無意識狀態(tài),“無意之中是真意”)。此時為“道”、“無極”、“零”、“空在”、“真空”。
由于真空中正負對稱被打破,即物理學(xué)上的“對稱的破缺”,宇宙開始孕育出一個虛點(又叫大爆炸宇宙論的“宇宙奇點”)。此時處于“道生一”、“無極生太極”、“虛在”狀態(tài)。
宇宙奇點大爆炸,同時釋放產(chǎn)生正負態(tài)實時空、正負(或正反)實粒子、正負信息波,宇宙開始大膨脹。即宇宙的外旋。
當(dāng)宇宙外旋膨脹速度不斷加速至超光速后,物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為超高能量的信息波(物理學(xué)波粒二象互變原理:超光速后粒子變波,次光速后波變粒子,光速時既是粒子又是波)。同時,按超光速運動則時間倒流的原理,宇宙開始由外旋轉(zhuǎn)為時間場逆轉(zhuǎn)的內(nèi)旋。表現(xiàn)為宇宙大收縮。
當(dāng)宇宙收縮至當(dāng)初誕生的奇點處時,正負信息波開始相互湮滅。正N+負N=O,最終整個宇宙都湮滅消失在奇點處。
宇宙千差萬別的現(xiàn)象源自于旋律的不同。而表現(xiàn)為光、磁、聲 、熱、電,表現(xiàn)為五顏六色,表現(xiàn)為春夏秋冬,表現(xiàn)為冷熱、美丑、善惡、陰陽、動靜、生死、虛實、有無等等。
相同的旋律則表現(xiàn)為共振、共鳴、志同道合等等。
人與天的旋律相近,稱為天人合一。
物理學(xué)的“孿生子現(xiàn)象”,即為雙胞胎之間由于旋律相同或相近而產(chǎn)生的心靈感應(yīng)、離奇巧合等。
宇宙信息場的波動,必然會對宇宙萬物產(chǎn)生影響,稱為宇宙全息統(tǒng)一場。
很多問題我們只能增加自己的煩惱,既然我們不會去宇宙外,我們暫時還可以步了解它的外面是什么。我們看看宇宙的定義:“宇”指無限空間,“宙”指無限時間。一切物質(zhì)及其存在形式的總體。哲學(xué)上又叫“世界”。時間無限,空間也無限,我們真的能了解它的外面嗎?
[img]宇宙有多大 可視半徑為460億光年(只是宇宙的一部分)(2)當(dāng)然也有科學(xué)家認為宇宙是平坦的,而根據(jù)美國宇航局的調(diào)查,宇宙可能是平坦而無限的,2013年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)如果宇宙是平坦的,那么誤差只有0.4%。當(dāng)然這一切都建立在目前對于宇宙觀測是準(zhǔn)確而言的。但是無論宇宙到底有多大,關(guān)于外星人的存在是肯定的,因為銀河系也只不過是宇宙中大約一千億個星系中的一個。
每個星系里,都有幾十億,甚至幾千億顆恒星,全部加起來,整個宇宙內(nèi)所擁有的恒星數(shù)目多到讓大多數(shù)人無法想象。這些恒星中有很多顆,就像我們的太陽一般,所以會不會有外星人住在環(huán)繞這些恒星的行星上?很多時候每當(dāng)我們仰望天空,都會自問是否有其他類似我們的世界存在,有沒有別的行星像我們的一樣足以維系生命存活呢?
現(xiàn)在天文學(xué)家已經(jīng)開始搜尋像地球一般的巖質(zhì)行星,科學(xué)家認為這類行星最具有支持生命的條件,已經(jīng)展開的太空任務(wù),目的即是發(fā)掘類似地球的行星,這項任務(wù)稱為開普勒計劃。少有別的行動像開普勒計劃這樣讓天文學(xué)家興奮不已,雖然它還不能告訴我們自己在宇宙中是否形單影只,但它絕對能告訴我們該到哪里去找尋答案。
我們相信宇宙中一定會有別的生命存在,只是目前人類還無法仔細看到宇宙的其他地域,但我們相信,隨著科技的進步,終有一天能夠證明我們地球并不是形單影只,畢竟宇宙這么大,而地球只是其中不起眼的一點。 上一頁 1 /2 下一頁
關(guān)于宇宙的起源,不僅僅有大爆炸理論,你最認同哪種理論?我們的傳統(tǒng)認知是這樣的:萬事萬物都應(yīng)該有一個開端。我們理所當(dāng)然地認為宇宙也會如此,那么宇宙到底是如何開始的呢?在宇宙起源之前又是一個什么樣的存在狀態(tài)呢?
古代人類對于宇宙起源這樣的終極奧秘,給出了非常簡單的詮釋:神創(chuàng)論,認為“神”創(chuàng)造了萬事萬物。這種詮釋比較簡單也很容易理解,但有個致命的弱點:沒有強有力的證據(jù)支撐。還有一點:如果神創(chuàng)造了一切,那么“誰”創(chuàng)造了神呢?
當(dāng)然,也不應(yīng)該讓“神”左右我們的思想,我們應(yīng)該用科學(xué)的力量去詮釋宇宙未解之謎,畢竟我們?nèi)粘I钪械狞c點滴滴無不體現(xiàn)著科學(xué)的力量,我們有什么理由不相信科學(xué)呢?
從科學(xué)的角度講,目前有以下幾個關(guān)于宇宙起源的理論。
宇宙大爆炸
宇宙大爆炸理論是當(dāng)今科學(xué)家最被接受的理論,一開始只是一種假說,甚至帶著某種諷刺的味道,但隨著現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展,不少證據(jù)都有力地支撐著宇宙大爆炸理論,比如說哈勃定律,宇宙微波背景輻射,宇宙中的元素豐度,引力波等。
宇宙大爆炸理論發(fā)展至今,已經(jīng)不僅僅是一個假說,更是一個相對完整的理論。大爆炸理論表明,宇宙起源于138億年前的一次大爆炸,一個體積無限小溫度密度無限大的奇點突然發(fā)生急劇膨脹,之后開始了漫長的演化過程,誕生了星系,恒星,行星等如今我們看到的一切。
當(dāng)然,宇宙大爆炸理論也并不是完美的理論,比如說我們無法理解奇點到底是一個怎樣的存在,所有人類已知的大自然法則在奇點面前都失效了,科學(xué)家只有等待更高級的物理定律來詮釋奇點。
白洞“吐”出宇宙
我們都知道,黑洞是非常恐怖的天體,能吞噬一切靠近的天體,哪怕是光也不會放過。所以,可以簡單認為黑洞“只吃不吐”(實際上黑洞也會通過“霍金輻射”不斷蒸發(fā),但是過程極其緩慢)。
而白洞的性質(zhì)正好與黑洞相反,它“只吐不吃”,不斷向外釋放物質(zhì)。
白洞的定義目前只是一種假設(shè),并沒有強有力的證據(jù)證明白洞的存在。不過按照愛因斯坦廣義相對論的詮釋,宇宙中確實有可能存在白洞這種天體,甚至黑洞,白洞和蟲洞是連接在一起的整體結(jié)構(gòu)。
黑洞不斷吞噬物體,然后穿越蟲洞,最后通過白洞“吐”出來。
科學(xué)家們據(jù)此猜測,我們的宇宙可能也是通過白洞“吐”出來的,這種猜測看起來非常大膽,也讓人不太容易理解,不過如果真的如此,宇宙的起源就變得很簡單了。
高維宇宙的全息投影
有科學(xué)家認為,我們的宇宙有可能只是高維宇宙的全息投影,言外之意,我們的宇宙可能并不是真實的,只是一種虛擬的存在。
這種觀點并非空穴來風(fēng)。科學(xué)家們在研究黑洞的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn),黑洞在吞噬物質(zhì)的過程中,物質(zhì)的信息很可能被保留在了黑洞事件視界,也就是一個二維的面,看起來就像是某種投影。我們看到的三維圖像其實只是被編碼在了二維表面,就好像信用卡上的全息圖,看起來是三維的,其實只是二維面。
這種觀點雖然看起來很瘋狂,但仔細想來確實有一定道理。人類所有的感知都只是停留在物質(zhì)層面,我們當(dāng)然會理所當(dāng)然地用物質(zhì)的視角去看待周圍的世界。就像我們在電影院觀看3D電影,我們以為電視是三維的,其實只是二維平面,我們的感知只是一種錯覺。
宇宙膜的碰撞
該理論認為,我們的宇宙產(chǎn)生于兩個巨大的宇宙膜之間的隨機碰撞,這種碰撞會一直上演。宇宙膜可以看做是近似二維平面的巨大結(jié)構(gòu),當(dāng)兩個宇宙膜靠近時,就可能會產(chǎn)生劇烈的碰撞,而宇宙大爆炸其實就是宇宙膜之間的碰撞,碰撞引發(fā)了一個新宇宙的誕生,而我們的宇宙其實就“漂浮”在宇宙膜上。
慢凍結(jié)理論
該理論認為,或許宇宙大爆炸并不是宇宙真正的起源,而只是其中的一個過程。也就是說,在宇宙大爆炸之前,我們的宇宙早就存在了,當(dāng)時宇宙的狀態(tài)是一個空虛寒冷的存在方式。
宇宙大爆發(fā)只是整個宇宙存在過程中的一部分,在不斷膨脹的過程中產(chǎn)生了星系,恒星等豐富多彩的世界。
無始無終理論
該理論也是流行一時的“宇宙穩(wěn)態(tài)理論”,認為宇宙根本沒有發(fā)生什么大爆炸,宇宙就是那樣存在著,沒有開始,也不會有終點,永遠存在著。這種理論與我們的觀測也比較相似,比如說在浩瀚宇宙中,無論我們朝哪個方向看,宇宙都是相同的,這也是各向同性。
如果這個理論是正確的,我們也就不用為宇宙的起源“操心”了,因為宇宙根本沒有起源,它是無始無終的。
不過從我們的日常生活經(jīng)驗來講,這個理論不太容易被人接受,畢竟一件事如果“沒有開始”太不容易理解了,我們?nèi)粘R姷降娜魏问挛锒紩虚_端,“沒有開始”理解起來有些抽象,也與我們經(jīng)常所說的“因果關(guān)系”不太相符。
無限循環(huán)宇宙
其實也就是宇宙大爆炸理論的延伸,該理論認為我們的宇宙是一個無限循環(huán)的過程,如今的宇宙一直在不斷膨脹中,但遙遠的未來,宇宙會發(fā)生反轉(zhuǎn),開始收縮,最終會坍縮為奇點,然后又會開始宇宙大爆炸,開始了新一輪的循環(huán),如此無限循環(huán)下去,沒有盡頭。
關(guān)于宇宙起源,本來就是宇宙終極奧秘,或許人類永遠也無法揭開這個終極奧秘,但無論如何我們都會努力朝著那個方向努力,畢竟人類對未知事物的 探索 欲望是不會停止的。
目前來看,宇宙大爆炸理論是科學(xué)界關(guān)于宇宙起源的主流理論,被大眾所認可,但這并不代表著大爆炸理論一定是正確的,科學(xué)是一直向前發(fā)展的。那么你認為我們的宇宙起源是什么呢?你認可上面哪一種理論?或者說你還有其他的觀點?
關(guān)于宇宙的資料50字“宇宙到底是什么樣子?”目前尚無定論。值得一提的是史蒂芬·霍金的觀點比較讓人容易接受:宇宙有限而無界,只不過比地球多了幾維。比如,我們的地球就是有限而無界的。在地球上,無論從南極走到北極,還是從北極走到南極,你始終不可能找到地球的邊界,但你不能由此認為地球是無限的。實際上,我們都知道地球是有限的。地球如此,宇宙亦是如此。
怎么理解宇宙比地球多了幾維呢?舉個例子:一個小球沿地面滾動并掉進了一個小洞中,在我們看來,小球是存在的,它還在洞里面,因為我們?nèi)祟愂恰叭S”的;而對于一個動物來說,它得出的結(jié)論就會是:小球已經(jīng)不存在了!它消失了。為什么會得出這樣的結(jié)論呢?因為它生活在“二維”世界里,對“三維”事件是無法清楚理解的。同樣的道理,我們?nèi)祟惿钤凇叭S”世界里,對于比我們多幾維的宇宙,也是很難理解清楚的。這也正是對于“宇宙是什么樣子”這個問題無法解釋清楚的原因。
1、均勻的宇宙
長期以來,人們相信地球是宇宙的中心。哥白尼把這個觀點顛倒了過來,他認為太陽才是宇宙的中心。地球和其他行星都圍繞著太陽轉(zhuǎn)動,恒星則鑲嵌在天球的最外層上。布魯諾進一步認為,宇宙沒有中心,恒星都是遙遠的太陽。
無論是托勒密的地心說還是哥白尼的日心說,都認為宇宙是有限的。教會支持宇宙有限的論點。但是,布魯諾居然敢說宇宙.是無限的,從而挑起了宇宙究竟有限還是無限的長期論戰(zhàn)。這場論戰(zhàn)并沒有因為教會燒死布魯諾而停止下來。主張宇宙有限的人說:“宇宙怎么可能是無限的呢?”這個問題確實不容易說清楚。主張宇宙無限的人則反問:“宇宙怎么可能是有限的呢?”這個問題同樣也不好回答。
隨著天文觀測技術(shù)的發(fā)展,人們看到,確實像布魯諾所說的那樣,恒星是遙遠的太陽。人們還進一步認識到,銀河是由無數(shù)個太陽系組成的大星系,我們的太陽系處在銀河系的邊緣,圍繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速大約每秒250千米,圍繞銀心轉(zhuǎn)一圈約需2.5億年。太陽系的直徑充其量約1光年,而銀河系的直徑則高達10萬光年。銀河系由1000多億顆恒星組成,太陽系在銀河系中的地位,真像一粒砂子處在北京城中。后來又發(fā)現(xiàn),我們的銀河系還與其他銀河系組成更大的星系團,星系團的直徑約為107光年(1000萬光年)。目前,望遠鏡觀測距離已達100億光年以上,在所見的范圍內(nèi),有無數(shù)的星系團存在,這些星系團不再組成更大的團,而是均勻各向同性地分布著。這就是說,在10的7次方光年的尺度以下,物質(zhì)是成團分布的。衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)動,行星、彗星則繞著恒星轉(zhuǎn)動,形成一個個太陽系。這些太陽系分別由一個、兩個、三個或更多個太陽以及它們的行星組成。有兩個太陽的稱為雙星系,有三個以上太陽的稱為聚星系。成千億個太陽系聚集在一起,形成銀河系,組成銀河系的恒星(太陽系)都圍繞著共同的重心——銀心轉(zhuǎn)動。無數(shù)的銀河系組成星系團,團中的各銀河系同樣也圍繞它們共同的重心轉(zhuǎn)動。但是,星系團之間,不再有成團結(jié)構(gòu)。各個星系團均勻地分布著,無規(guī)則地運動著。從我們地球上往四面八方看,情況都差不多。粗略地說,星系固有點像容器中的氣體分子,均勻分布著,做著無規(guī)則運動。這就是說,在10的8次方光年(一億光年)的尺度以上,宇宙中物質(zhì)的分布不再是成團的,而是均勻分布的。由于光的傳播需要時間,我們看到的距離我們一億光年的星系,實際上是那個星系一億年以前的樣子。所以,我們用望遠鏡看到的,不僅是空間距離遙遠的星系,而且是它們的過去。從望遠鏡看來,不管多遠距離的星系團,都均勻各向同性地分布著。
因而我們可以認為,宇觀尺度上(10的5次方光年以上)物質(zhì)分布的均勻狀態(tài),不是現(xiàn)在才有的,而是早已如此。
于是,天體物理學(xué)家提出一條規(guī)律,即所謂宇宙學(xué)原理。這條原理說,在宇觀尺度上,三維空間在任何時刻都是均勻各向同性的。現(xiàn)在看來,宇宙學(xué)原理是對的。所有的星系都差不多,都有相似的演化歷程。因此我們用望遠鏡看到的遙遠星系,既是它們過去的形象,也是我們星系過去的形象。望遠鏡不僅在看空間,而且在看時間,在看我們的歷史。
2、有限而無邊的宇宙
愛因斯坦發(fā)表廣義相對論后,考慮到萬有引力比電磁力弱得多,不可能在分子、原子、原子核等研究中產(chǎn)生重要的影響,因而他把注意力放在了天體物理上。他認為,宇宙才是廣義相對論大有用武之地的領(lǐng)域。
愛因斯坦1915年發(fā)表廣義相對論,1917年就提出一個建立在廣義相對論基礎(chǔ)上的宇宙模型。這是一個人們完全意想不到的模型。在這個模型中,宇宙的三維空間是有限無邊的,而且不隨時間變化。以往人們認為,有限就是有邊,無限就是無邊。愛因斯坦把有限和有邊這兩個概念區(qū)分開來。
一個長方形的桌面,有確定的長和寬,也有確定的面積,因而大小是有限的。同時它有明顯的四條邊,因此是有邊的。如果有一個小甲蟲在它上面爬,無論朝哪個方向爬,都會很快到達桌面的邊緣。所以桌面是有限有邊的二維空間。如果桌面向四面八方無限伸展,成為歐氏幾何中的平面,那么,這個歐氏平面是無限無邊的二維空間。
我們再看一個籃球的表面,如果籃球的半徑為r,那么球面的面積是4πr的2次方,大小是有限的。但是,這個二維球面是無邊的。假如有一個小甲蟲在它上面爬,永遠也不會走到盡頭。所以,籃球面是一個有限無邊的二維空間。
按照宇宙學(xué)原理,在宇觀尺度上,三維空間是均勻各向同性的。愛因斯坦認為,這樣的三維空間必定是常曲率空間,也就是說空間各點的彎曲程度應(yīng)該相同,即應(yīng)該有相同的曲率。由于有物質(zhì)存在,四維時空應(yīng)該是彎曲的。三維空間也應(yīng)是彎的而不應(yīng)是平的。愛因斯坦覺得,這樣的宇宙很可能是三維超球面。三維超球面不是通常的球體,而是二維球面的推廣。通常的球體是有限有邊的,體積是4/3πr的3次方,它的邊就是二維球面。三維超球面是有限無邊的,生活在其中的三維生物(例如我們?nèi)祟惥褪怯虚L、寬、高的三維生物),無論朝哪個方向前進均碰不到邊。假如它一直朝北走,最終會從南邊走回來。
宇宙學(xué)原理還認為,三維空間的均勻各向同性是在任何時刻都保持的。愛因斯坦覺得其中最簡單階情況就是靜態(tài)宇宙,也就是說,不隨時間變化的宇宙。這樣的宇宙只要在某一時刻均勻各向同性,就永遠保持均勻各向同性。
愛因斯坦試圖在三維空間均勻各向同性、且不隨時間變化的假定下,救解廣義相對論的場方程。場方程非常復(fù)雜,而且需要知道初始條件(宇宙最初的情況)和邊界條件(宇宙邊緣處的情況)才能求解。本來,解這樣的方程是十分困難的事情,但是愛因斯坦非常聰明,他設(shè)想宇宙是有限無邊的,沒有邊自然就不需要邊界條件。他又設(shè)想宇宙是靜態(tài)的,現(xiàn)在和過去都一樣,初始條件也就不需要了。再加上對稱性的限制(要求三維空間均勻各向同性),場方程就變得好解多了。但還是得不出結(jié)果。反復(fù)思考后,愛因斯坦終于明白了求不出解的原因:廣義相對論可以看作萬有引力定律的推廣,只包含“吸引效應(yīng)”不包含“排斥效應(yīng)”。而維持一個不隨時間變化的宇宙,必須有排斥效應(yīng)與吸引效應(yīng)相平衡才行。這就是說,從廣義相對論場方程不可能得出“靜態(tài)”宇宙。要想得出靜態(tài)宇宙,必須修改場方程。于是他在方程中增加了一個“排斥項”,叫做宇宙項。這樣,愛因斯坦終于計算出了一個靜態(tài)的、均勻各向同性的、有限無邊的宇宙模型。一時間大家非常興奮,科學(xué)終于告訴我們,宇宙是不隨時間變化的、是有限無邊的。看來,關(guān)于宇宙有限還是無限的爭論似乎可以畫上一個句號了。
3、膨脹或脈動的宇宙
幾年之后,一個名不見經(jīng)傳的前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗利德曼,應(yīng)用不加宇宙項的場方程,得到一個膨脹的、或脈動的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三維空間上也是均勻、各向同性的,但是,它不是靜態(tài)的。這個宇宙模型隨時間變化,分三種情況。第一種情況,三維空間的曲率是負的;第二種情況,三維空間的曲率為零,也就是說,三維空間是平直的;第三種情況,三維空間的曲率是正的。前兩種情況,宇宙不停地膨脹;第三種情況,宇宙先膨脹,達到一個極大值后開始收縮,然后再膨脹,再收縮……因此第三種宇宙是脈動的。弗利德曼的宇宙最初發(fā)表在一個不太著名的雜志上。后來,西歐一些數(shù)學(xué)家物理學(xué)家得到類似的宇宙模型。愛因斯坦得知這類膨脹或脈動的宇宙模型后,十分興奮。他認為自己的模型不好,應(yīng)該放棄,弗利德曼模型才是正確的宇宙模型。
同時,愛因斯坦宣稱,自己在廣義相對論的場方程上加宇宙項是錯誤的,場方程不應(yīng)該含有宇宙項,而應(yīng)該是原來的老樣子。但是,宇宙項就像“天方夜譚”中從瓶子里放出的魔鬼,再也收不回去了。后人沒有理睬愛因斯坦的意見,繼續(xù)討論宇宙項的意義。今天,廣義相對論的場方程有兩種,一種不含宇宙項,另一種含宇宙項,都在專家們的應(yīng)用和研究中。
早在1910年前后,天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜有紅移現(xiàn)象,個別星系的光譜還有紫移現(xiàn)象。這些現(xiàn)象可以用多譜勒效應(yīng)來解釋。遠離我們而去的光源發(fā)出的光,我們收到時會感到其頻率降低,波長變長,并出現(xiàn)光譜線紅移的現(xiàn)象,即光譜線向長波方向移動的現(xiàn)象。反之,向著我們迎面而來的光源,光譜線會向短波方向移動,出現(xiàn)紫移現(xiàn)象。這種現(xiàn)象與聲音的多普勒效應(yīng)相似。許多人都有過這樣的感受:迎面而來的火車其鳴叫聲特別尖銳刺耳,遠離我們而去的火車其鳴叫聲則明顯遲鈍。這就是聲波的多普勒效應(yīng),迎面而來的聲源發(fā)出的聲波,我們感到其頻率升高,遠離我們而去的聲源發(fā)出的聲波,我們則感到其頻率降低。
如果認為星系的紅移、紫移是多普勒效應(yīng),那么大多數(shù)星系都在遠離我們,只有個別星系向我們靠近。隨之進行的研究發(fā)現(xiàn),那些個別向我們靠近的紫移星系,都在我們自己的本星系團中(我們銀河系所在的星系團稱本星系團)。本星系團中的星系,多數(shù)紅移,少數(shù)紫移;而其他星系團中的星系就全是紅移了。
1929年,美國天文學(xué)家哈勃總結(jié)了當(dāng)時的一些觀測數(shù)據(jù),提出一條經(jīng)驗規(guī)律,河外星系(即我們銀河系之外的其他銀河系)的紅移大小正比于它們離開我們銀河系中心的距離。由于多普勒效應(yīng)的紅移量與光源的速度成正比,所以,上述定律又表述為:河外星系的退行速度與它們離我們的距離成正比:
V=HD
式中V是河外星系的退行速度,D是它們到我們銀河系中心的距離。這個定律稱為哈勃定律,比例常數(shù)H稱為哈勃常數(shù)。按照哈勃定律,所有的河外星系都在遠離我們,而且,離我們越遠的河外星系,逃離得越快。
哈勃定律反映的規(guī)律與宇宙膨脹理論正好相符。個別星系的紫移可以這樣解釋,本星系團內(nèi)部各星系要圍繞它們的共同重心轉(zhuǎn)動,因此總會有少數(shù)星系在一定時間內(nèi)向我們的銀河系靠近。這種紫移現(xiàn)象與整體的宇宙膨脹無關(guān)。
哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不過,如果查看一下當(dāng)年哈勃得出定律時所用的數(shù)據(jù)圖,人們會感到驚訝。在距離與紅移量的關(guān)系圖中,哈勃標(biāo)出的點并不集中在一條直線附近,而是比較分散的。哈勃怎么敢于斷定這些點應(yīng)該描繪成一條直線呢?一個可能的答案是,哈勃抓住了規(guī)律的本質(zhì),拋開了細節(jié)。另一個可能是,哈勃已經(jīng)知道當(dāng)時的宇宙膨脹理論,所以大膽認為自己的觀測與該理論一致。以后的觀測數(shù)據(jù)越來越精,數(shù)據(jù)圖中的點也越來越集中在直線附近,哈勃定律終于被大量實驗觀測所確認。
4、宇宙有限還是無限
現(xiàn)在,我們又回到前面的話題,宇宙到底有限還是無限?有邊還是無邊?對此,我們從廣義相對論、大爆炸宇宙模型和天文觀測的角度來探討這一問題。
滿足宇宙學(xué)原理(三維空間均勻各向同性)的宇宙,肯定是無邊的。但是否有限,卻要分三種情況來討論。
如果三維空間的曲率是正的,那么宇宙將是有限無邊的。不過,它不同于愛因斯坦的有限無邊的靜態(tài)宇宙,這個宇宙是動態(tài)的,將隨時間變化,不斷地脈動,不可能靜止。這個宇宙從空間體積無限小的奇點開始爆炸、膨脹。此奇點的物質(zhì)密度無限大、溫度無限高、空間曲率無限大、四維時空曲率也無限大。在膨脹過程中宇宙的溫度逐漸降低,物質(zhì)密度、空間曲率和時空曲率都逐漸減小。體積膨脹到一個最大值后,將轉(zhuǎn)為收縮。在收縮過程中,溫度重新升高、物質(zhì)密度、空間曲率和時空曲率逐漸增大,最后到達一個新奇點。許多人認為,這個宇宙在到達新奇點之后將重新開始膨脹。顯然,這個宇宙的體積是有限的,這是一個脈動的、有限無邊的宇宙。
如果三維空間的曲率為零,也就是說,三維空間是平直的(宇宙中有物質(zhì)存在,四維時空是彎曲的),那么這個宇宙一開始就具有無限大的三維體積,這個初始的無限大三維體積是奇異的(即“無窮大”的奇點)。大爆炸就從這個“無窮大”奇點開始,爆炸不是發(fā)生在初始三維空間中的某一點,而是發(fā)生在初始三維空間的每一點。即大爆炸發(fā)生在整個“無窮大”奇點上。這個“無窮大”奇點。溫度無限高、密度無限大、時空曲率也無限大(三維空間曲率為零)。爆炸發(fā)生后,整個“奇點”開始膨脹,成為正常的非奇異時空,溫度、密度和時空曲率都逐漸降低。這個過程將永遠地進行下去。這是一種不大容易理解的圖像:一個無窮大的體積在不斷地膨脹。顯然,這種宇宙是無限的,它是一個無限無邊的宇宙。
三維空間曲率為負的情況與三維空間曲率為零的情況比較相似。宇宙一開始就有無窮大的三維體積,這個初始體積也是奇異的,即三維“無窮大”奇點。它的溫度、密度無限高,三維、四維曲率都無限大。大爆炸發(fā)生在整個“奇點”上,爆炸后,無限大的三維體積將永遠膨脹下去,溫度、密度和曲率都將逐漸降下來。這也是一個無限的宇宙,確切地說是無限無邊的宇宙。
那么,我們的宇宙到底屬于上述三種情況的哪一種呢?我們宇宙的空間曲率到底為正,為負,還是為零呢?這個問題要由觀測來決定。
廣義相對論的研究表明,宇宙中的物質(zhì)存在一個臨界密度ρc,大約是每立方米三個核子(質(zhì)子或中子)。如果我們宇宙中物質(zhì)的密度ρ大于ρc,則三維空間曲率為正,宇宙是有限無邊的;如果ρ小于ρc,則三維空間曲率為負,宇宙也是無限無邊的。因此,觀測宇宙中物質(zhì)的平均密度,可以判定我們的宇宙究竟屬于哪一種,究競有限還是無限。
此外,還有另一個判據(jù),那就是減速因子。河外星系的紅移,反映的膨脹是減速膨脹,也就是說,河外星系遠離我們的速度在不斷減小。從減速的快慢,也可以判定宇宙的類型。如果減速因子q大于1/2,三維空間曲率將是正的,宇宙膨脹到一定程度將收縮;如果q等于1/2,三維空間曲率為零,宇宙將永遠膨脹下去;如果q小于1/2,三維空間曲率將是負的,宇宙也將永遠膨脹下去。
表3列出了有關(guān)的情況:
表3
宇宙中物質(zhì)密度 紅移的減速因子 三維空間曲率 宇宙類型 膨脹特點
ρ>ρc q>1/2 正 有限無邊 脈動
ρ=ρc q=1/2 零 無限無邊 永遠膨脹
ρ<ρc q<1/2 負 無限無邊 永遠膨脹
我們有了兩個判據(jù),可以決定我們的宇宙究竟屬于哪一種了。觀測結(jié)果表明,ρ<ρc,我們宇宙的空間曲率為負,是無限無邊的宇宙,將永遠膨脹下去!不幸的是,減速因子觀測給出了相反的結(jié)果,q>1/2,這表明我們宇宙的空間曲率為正,宇宙是有限無邊的,脈動的,膨脹到一定程度會收縮回來。哪一種結(jié)論正確呢?有些人傾向于認為減速因子的觀測更可靠,推測宇宙中可能有某些暗物質(zhì)被忽略了,如果找到這些暗物質(zhì),就會發(fā)現(xiàn)ρ實際上是大于ρc的。另一些人則持相反的看法。還有一些人認為,兩種觀測方式雖然結(jié)論相反,但得到的空間曲率都與零相差不大,可能宇宙的空間曲率就是零。然而,要統(tǒng)一大家的認識,還需要進一步的實驗觀測和理論推敲。今天,我們?nèi)匀豢隙ú涣擞钪婢烤褂邢捱€是無限,只能肯定宇宙無邊,而且現(xiàn)在正在膨脹!此外,還知道膨脹大約開始于100億-200億年以前,這就是說,我們的宇宙大約起源于100億-200億年之前。
5、愛因斯坦宇宙模型
根據(jù)物理理論,在一定的假設(shè)前提下提出的關(guān)于宇宙的設(shè)想與推測,稱為宇宙模型。
著名科學(xué)家愛因斯坦于1915年建立了廣義相對論的物理理論。這一理論認為,宇宙中沒有絕對空間和絕對時間,無論是空間和時間都不能與物質(zhì)隔開來,空間和時間均受物質(zhì)影響;引力是空間彎曲的效應(yīng),而空間彎曲是由物質(zhì)存在決定的。愛因斯坦將他的理論應(yīng)用于宇宙研究,1917年發(fā)表了《根據(jù)廣義相對論的宇宙學(xué)考察》的論文,他將廣義相對論的引力場方程用于整個宇宙,建立起一種宇宙模型。
當(dāng)時科學(xué)家普遍認為宇宙是靜止的,不隨時間變化的。雖然在幾年前,美國天文學(xué)家斯里弗已發(fā)現(xiàn)了河外星系的譜線紅移(顯然這是對靜止宇宙的挑戰(zhàn)),但由于當(dāng)時正值第一次世界大戰(zhàn),這一消息并沒有傳到歐洲。因此,愛因斯坦也和大多數(shù)科學(xué)家一樣,認為宇宙是靜態(tài)的。愛因斯坦想從引力場方程著手,得出一個宇宙是靜態(tài)的、均勻的、各向同性的答案。但他得到的解是不穩(wěn)定的,表明全間和距離不是恒定不變的,而是隨時變化的。為了得到一個空間是穩(wěn)定的解,愛因斯坦人為地在引力場方程中引入一個叫做“宇宙常數(shù)”的項,讓它起斥力的作用。愛因斯坦得出一個有限無邊的靜態(tài)宇宙模型,稱為愛因斯坦宇宙模型。為了便于理解,可把它比喻為三維空間中的一個二維球面:球面的面積是有限的、但沿著球面沒有邊界,也無中心,球面保持靜態(tài)狀態(tài)。幾年以后,愛因斯坦得知河外星系退行,宇宙是膨脹的消息后,非常后悔在自己的模型中加了一個宇宙常數(shù)項,稱這是他一生中犯的最大錯誤。
最新發(fā)現(xiàn):銀河系奇異恒星的伴星現(xiàn)身
科學(xué)家利用NASA的遠紫外譜儀探索衛(wèi)星首次探測到船底座伊塔星(Eta Carinae)的伴星。船底座伊塔星是銀河系中最重最奇異的星體,座落在離地球7500光年船底座,在南半球用肉眼就可以清楚的看到。科學(xué)家認為船底座伊塔星是一個正迅速走向衰亡的不穩(wěn)定恒星。
長期以來,科學(xué)家們就推斷它應(yīng)該存在著一顆伴星,但是一直得不到直接的證據(jù)。間接的證據(jù)來自其亮度呈現(xiàn)的規(guī)則變化。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)船底座伊塔星在可見光,X-射線,射電波和紅外線波段的亮度都呈現(xiàn)規(guī)則的重覆模式,因此推測它可能是一個雙星系統(tǒng)。最有力的證據(jù)是每過5年半,船底座伊塔星系統(tǒng)發(fā)出的X-射線就會消失約三個月時間。科學(xué)家認為船底座伊塔星溫度太低,本身并不能發(fā)出X-射線,但是它以每秒300英里的速度向外噴發(fā)氣體粒子,這些氣體粒子和伴星發(fā)出的粒子相互碰撞后發(fā)出X-射線。科學(xué)家認為X-射線消失的原因是船底座伊塔星每隔5年半就擋住了這些X-射線。最近一次X-射線消失開始于2003年6月29日。
科學(xué)家推斷船底座伊塔星和其伴星的距離是地球到太陽之間的距離的10倍,因為它們距離太近,離地球又太遠,無法用望遠鏡直接將它們區(qū)分開。另外一種方法就是直接觀測伴星所發(fā)出的光。但是船底座伊塔星的伴星比其本身要暗的多,以前科學(xué)家曾經(jīng)試圖用地面望遠鏡和哈勃望遠鏡觀測,但都沒有成功。
美國天主教大學(xué)的科學(xué)家羅辛納. 而平(Rosina Iping)及其合作者利用遠紫外譜儀衛(wèi)星來觀測這顆伴星,因為它比哈勃望遠鏡能觀測到波長更短的紫外線。它們在6月10日,17日觀測到了遠紫外線,但是在6月27日,也就是在X-射線消失前的兩天遠紫外線消失了。觀測到的遠紫外線來自船底座伊塔星的伴星,因為船底座伊塔星溫度太低,本身不會發(fā)出遠紫外線。這意味著船底座伊塔星擋住了X-射線的同時也擋住了伴星。這是科學(xué)家首次觀測到船底座伊塔星的伴星發(fā)出的光,從而證實了這顆伴星的存在。
有三個太陽的恒星
據(jù)新華社14日電 據(jù)14日出版的《自然》雜志報道,美國天文學(xué)家在距離地球149光年的地方發(fā)現(xiàn)了一個具有三顆恒星的奇特星系,在這個星系內(nèi)的行星上,能看到天空中有三個太陽。
美國加州理工學(xué)院的天文學(xué)家在該雜志上報告說,他們發(fā)現(xiàn)天鵝星座中的HD188753星系中有3顆恒星。處于該星系中心的一顆恒星與太陽系中的太陽類似,它旁邊的行星體積至少比木星大14%。該行星與中心恒星的距離大約為800萬公里,是太陽和地球之間距離的二十分之一。而星系的另外兩顆恒星處于外圍,它們彼此相距不遠,也圍繞中心恒星公轉(zhuǎn)。
銀河系中的星系多為單星系或雙星系,具有三顆以上恒星的星系被稱為聚星系,不太多見。
恒星并不是平均分布在宇宙之中,多數(shù)的恒星會受彼此的引力影響,形成聚星系統(tǒng),如雙星、三恒星,甚至形成星團,及星系等由數(shù)以億計的恒星組成的恒星集團。
天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中生命誕生是普遍的現(xiàn)象
近日美國宇航局尋找地球以外生命物質(zhì)存在證據(jù)的科研小組研究發(fā)現(xiàn),某些在實際生命化學(xué)反應(yīng)中起到至關(guān)重要作用的有機化學(xué)物質(zhì),普遍存在于我們地球以外的浩瀚宇宙中。研究結(jié)果表明,在宇宙深處存在生命物質(zhì)、或者有孕育生命物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,這在浩瀚的宇宙中是一種普遍現(xiàn)象。
上述研究來自“美國宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)”的一個外空生物科研小組。在該小組工作的科學(xué)家道格拉斯-希金斯介紹時稱:“根據(jù)科研小組最新的研究結(jié)果顯示,一類在生物生命化學(xué)中起至關(guān)重要作用的化合物,在廣袤的宇宙空間中廣泛而且大量地存在著。” 作為該外空生物學(xué)研究小組的主要成員之一,道格拉斯-希金斯以第一作者的身份將他們的最新研究成果撰文發(fā)表在10月10日出版的《天體物理學(xué)》雜志上。
希金斯在描述其研究結(jié)果時介紹:“利用美國宇航局斯皮策太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)最近的觀測結(jié)果,天文學(xué)家在我們所居住的銀河系內(nèi),到處都發(fā)現(xiàn)了一種復(fù)雜有機物‘多環(huán)芳烴’(PAHs)存在的證據(jù)。但是這項發(fā)現(xiàn)一開始只得到天文學(xué)家的重視,并沒有引起對外空生物進行研究的天體生物學(xué)家們的興趣。因為對于生物學(xué)而言,普通的多環(huán)芳烴物質(zhì)存在并不能說明什么實質(zhì)問題。但是,我們的研究小組在最近一項分析結(jié)果中卻驚喜的發(fā)現(xiàn),宇宙中看到的這些多環(huán)芳烴物質(zhì),其分子結(jié)構(gòu)中含有‘氮’元素(N)的成分,這一意外發(fā)現(xiàn)使我們的研究發(fā)生了戲劇性改變。”
該研究小組的另一成員,來自美國宇航局艾姆斯研究中心的天體生物學(xué)家路易斯-埃蘭曼德拉說:“包括DNA分子在內(nèi),對于大多數(shù)構(gòu)成生命的化學(xué)物質(zhì)而言,含氮的有機分子參與是必須的條件。舉一個含氮有機物質(zhì)在生命物質(zhì)意義上最典型的例子,象我們所熟悉的葉綠素,其對于植物的光合作用起著關(guān)鍵作用,而葉綠素分子中富含這種含氮多環(huán)芳烴(PANHs)成分。”
據(jù)介紹,在科研小組的研究工作中,除了利用來自斯皮策望遠鏡得到的觀測數(shù)據(jù)外,科研人員還使用了歐洲宇航局太空紅外天文觀測衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)。在美國宇航局艾姆斯研究中心的實驗室中,研究人員對這類特殊的多環(huán)芳烴,利用紅外光譜化學(xué)鑒定技術(shù)對其分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進行了全面分析,找到其中氮元素存在的證據(jù)。同時科學(xué)家利用計算機技術(shù)對這些宇宙中普遍存在的含氮多環(huán)芳烴,進行了紅外射線光譜模擬分析。
路易斯-埃蘭曼德拉同時還表示:“除去上述分析結(jié)論以外,更加富有戲劇性的發(fā)現(xiàn)是,在斯皮策太空望遠鏡的觀測中還顯示出,在宇宙中一些即將死亡的恒星天體周圍,環(huán)繞其外的眾多星際物質(zhì)中,都大量蘊藏著這種特殊的含氮多環(huán)芳烴成分。這一發(fā)現(xiàn)從某種意義上似乎也告訴我們,在浩瀚的宇宙星空中,即使在死亡來臨的時候,同時也孕育著新生命開始的火種。”
本年度最大科學(xué)突破:宇宙正膨脹 發(fā)現(xiàn)暗能量
通過分析星系團(圖中左側(cè)的點),斯隆數(shù)字天空觀測計劃天文學(xué)家確定,暗能量正在驅(qū)動著宇宙不斷地膨脹。
據(jù)英國《衛(wèi)報》報道,證實宇宙正在膨脹是本年度最重大的科學(xué)突破。
報道說,近73%的宇宙由神秘的暗能量組成,它是一種反重力。在19日出版的美國《科學(xué)》雜志上,暗能量的發(fā)現(xiàn)被評為本年度最重大的科學(xué)突破。通過望遠鏡,人類在宇宙中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)近2000億個星系,每一個星系中又有約2000億顆星球。但所有這些加起來僅占整個宇宙的4%。
現(xiàn)在,在新的太空探索基礎(chǔ)上,以及通過對100萬個星系進行仔細研究,天文學(xué)家們至少已經(jīng)弄清了部分情況。約23%的宇宙物質(zhì)是“暗物質(zhì)”。沒有人知道它們究竟是什么,因為它們無法被檢測到,但它們的質(zhì)量大大超過了可見宇宙的總和。而近73%的宇宙是最新發(fā)現(xiàn)的暗能量。這種奇特的力量似乎正在使宇宙加速膨脹。英國皇家天文學(xué)家馬丁·里斯爵士將這一發(fā)現(xiàn)稱為“最重要的發(fā)現(xiàn)”。
這一發(fā)現(xiàn)是繞軌道運行的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和斯隆數(shù)字天文臺(SDSS)的成果。它解決了關(guān)于宇宙的年齡、膨脹的速度及組成宇宙的成分等一系列問題的長期爭論。天文學(xué)家現(xiàn)在相信宇宙的年齡是137億年
關(guān)于宇宙的知識宇宙及其組成和結(jié)構(gòu)
"宇宙是有限的還是無限的?有沒有中心有沒有邊?有沒有生老病死有沒有年齡?"這些恐怕是自從有人類的活動以來一直被關(guān)心的問題。為了有一個更清楚的答案,讓我們先來看看它的組成和結(jié)構(gòu)吧。宇宙中的天體絢麗多彩,表現(xiàn)出了極高的層次性。
(1) 行星
我們居住的地球是太陽系的一顆大行星。太陽系一共有九顆大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除了大行星以外,還有60多顆衛(wèi)星、為數(shù)眾多的小行星、難以計數(shù)的彗星和流星體等。他們都是離我們地球較近的,是人們了解的較多的天體。那么,除了這些以外,茫茫宇宙空間還有一些什么呢?
(2) 恒星和星云
晴夜,我們用肉眼可以看到許多閃閃發(fā)光的星星,他們絕大多數(shù)是恒星,恒星就是象太陽一樣本身能發(fā)光發(fā)熱的星球。我們銀河系內(nèi)就有1000多億顆恒星。恒星常常愛好"群居",有許多是"成雙成對"地緊密靠在一起的,按照一定的規(guī)律互相繞轉(zhuǎn)著,這稱為雙星。還有一些是3顆、4顆或更多顆恒星聚在一起,稱為聚星。如果是十顆以上,甚至成千上萬顆星聚在一起,形成一團星,這就是星團。銀河系里就發(fā)現(xiàn)1000多個這樣的星團。
在恒星世界中還有一些亮度會發(fā)生變化的星-變星。它們有的變化很有規(guī)律,有的沒有什么規(guī)律。現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了2萬多顆變星。有時侯天空中會突然出現(xiàn)一顆很亮的星,在兩三天內(nèi)會突然變亮幾萬倍甚至幾百萬倍,我們稱它們?yōu)樾滦恰_€有一種亮度增加得更厲害的恒星,會突然變亮幾千萬倍甚至幾億倍,這就是超新星。
除了恒星之外,還有一種云霧似的天體,稱為星云。星云由極其稀薄的氣體和塵埃組成,形狀很不規(guī)則,如有名的獵戶座星云。
在沒有恒星又沒有星云的廣闊的星際空間里,還有些什么呢?是絕對的真空嗎?當(dāng)然不是。那里充滿著非常稀薄的星際氣體、星際塵埃、宇宙線和極其微弱的星際磁場。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們必定可以發(fā)現(xiàn)越來越多的新天體。
(3) 銀河系及河外星系
隨著測距能力的逐步提高,人們逐漸在越來越大的尺度上對宇宙的結(jié)構(gòu)建立了立體的觀念。這里第一個重要的發(fā)展,是認識了銀河。它包含兩重含義,一是了解了銀河的形狀,二是認識了河外天體的存在。
銀河系是太陽所屬的一個龐大的恒星集團,約包括1011顆恒星。這種恒星集團叫星系。銀河系中大部分恒星分布成扁平的盤狀。盤的直徑為25kpc(千秒差距,1秒差距=3.26光年=3.09億億米),厚度約為2kpc。盤的中心有一球狀隆起,稱為核球。盤的外部由幾條旋臂構(gòu)成。太陽位于其中一條旋臂上,距離銀心約7kpc。銀盤上下有球狀的延展區(qū),其中恒星分布較稀疏,稱為銀暈。暈的總質(zhì)量約占整體的10%,直徑約為30kpc。我們的太陽,就其光度,質(zhì)量和位置講,都只是銀河系中一個極普通的成員。
此外重要的是,并非天穹上一切發(fā)光體都是銀河系的一部分。設(shè)想有一個類似銀河系的恒星集團,處于500kpc的距離上(銀河自身大小為30kpc)。其表觀亮度與2pc遠處一顆類似太陽的恒星是一樣的。因此對天穹上的某個光點,只有測定它的距離,才能區(qū)分它是銀河系內(nèi)的恒星還是銀河系外的另一個星系。實際上,天穹上的大多數(shù)光點是銀河系的恒星,但也有相當(dāng)大量的發(fā)光體是與銀河系類似的巨大恒星集團,歷史上曾被誤認為是星云,我們稱它們?yōu)楹油庑窍担F(xiàn)在已知道存在1000億個以上的星系,著名的仙女星系、大小麥哲倫星云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(jié)構(gòu)中的一個層次,從宇宙演化的角度看,它是比恒星更基本的層次。
星系的質(zhì)量差別很大。銀河系的質(zhì)量約為1011M⊙(太陽質(zhì)量單位)。在明亮的星系中,這是典型的大小。質(zhì)量很小的星系太暗,不易看到。小星系的質(zhì)量可低達106M⊙。星系的典型尺度為幾十千秒差距。若對視星等在23等以內(nèi)的星系作統(tǒng)計,星系總數(shù)在109以上。
20世紀(jì)60年代以來,天文學(xué)家還找到一種在銀河系以外象恒星一樣表現(xiàn)為一個光點的天體,但實際上它的光度和質(zhì)量又和星系一樣,我們叫它類星體,現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個這種天體。
(4) 星系團
當(dāng)我們把觀測的尺度再放大,宇宙可看成由大量星系構(gòu)成的"介質(zhì)",而恒星只是星系內(nèi)部細致結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。這樣,為了了解宇宙結(jié)構(gòu),需關(guān)心星系在空間的分布規(guī)律。
星系的空間分布不是無規(guī)的,它也有成團現(xiàn)象。上千個以上的星系構(gòu)成的大集團叫星系團。大約只有10%星系屬于這種大星系團。大部分星系只結(jié)成十幾、幾十或上百個成員的小團。可以肯定的是,星系團代表了宇宙結(jié)構(gòu)中比星系更大的一個新層次。這層次的尺度大小為百萬秒差距,平均質(zhì)量是星系平均質(zhì)量的100倍。
(5) 大尺度結(jié)構(gòu)
今天人們把10Mpc以上的結(jié)構(gòu)稱為宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)(目前觀測到的宇宙的大小是104Mpc)。至今大尺度上的觀測事實遠不是十分明確的。有趣的是,有跡象表明,星系在大尺度上的分布呈泡沫狀。即有許多看不到星系的"空洞"區(qū),而星系聚集在空洞的壁上,呈纖維狀或片狀結(jié)構(gòu)。這一層次的結(jié)構(gòu)叫超星系團。它的典型尺度為幾十兆秒差距。
從演化理論來考慮,尺度大到一定程度,應(yīng)不再有結(jié)構(gòu)存在。這是否符合事實,以及這尺度多大,都是十分重要,并需要有大尺度觀測來回答的問題。現(xiàn)今對宇宙在50Mpc以上是否還有顯著的結(jié)構(gòu)現(xiàn)象存在,正是人們熱烈爭論中的焦點。
總之,若把星系看成宇宙物質(zhì)的基本單元,那么星系的分布狀況就是宇宙結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。現(xiàn)在看來,直至50Mpc的尺度為止,星系的分布呈現(xiàn)有層次的結(jié)構(gòu)。這就是我們對宇宙面貌的基本認識。
什么是宇宙學(xué)
(1). 宇宙學(xué)-從整體角度探討宇宙結(jié)構(gòu)和演化的天文學(xué)分支學(xué)科
(2). 現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生
中國古代的宇宙觀
蓋天說(周初):地是平坦的,天如傘一樣覆蓋大地。
渾天說(戰(zhàn)國):天地有蛋形結(jié)構(gòu),地在中心,天在地周圍。
宣夜說(戰(zhàn)國):天無限而空虛,星辰懸浮空虛之中。
7世紀(jì) 牛頓開創(chuàng)用力學(xué)方法研究宇宙學(xué)的途徑,建立經(jīng)典宇宙學(xué)。
1917年 愛因斯坦根據(jù)廣義相對論建立了一個"靜止、有限、無界"的宇宙模型,引進宇宙學(xué)原理、彎曲時空等概念,從而開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的時代。
1922年 蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼探討非靜態(tài)宇宙及宇宙膨脹的可能性。
1927年 比利時主教、天文學(xué)家勒梅特提出均勻各向同性膨脹宇宙學(xué)模型。
1932年 勒梅特提出"原始原子"爆炸形成宇宙的概念。
1948年 美國天文學(xué)家伽莫夫發(fā)展勒梅特思想,奠定大爆炸宇宙論的基礎(chǔ)。
大爆炸宇宙論
宇宙并非永恒存在而是從虛無創(chuàng)生的思想在西方文化中可以說是根深蒂固。雖然希臘哲學(xué)家曾經(jīng)考慮過永恒宇宙的可能性,但是,所有西方主要的宗教一直堅持認為宇宙是上帝在過去某個特定時刻創(chuàng)造的。
象歷史學(xué)家一樣,宇宙學(xué)家意識到開啟未來的鑰匙在于過去。
早在1929年,埃德溫·哈勃作出了一個具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn),即不管你往哪個方向看,遠處的星系正急速地遠離我們而去。換言之,宇宙正在不斷膨脹。這意味著,在早先星體相互之間更加靠近。事實上,似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻,它們剛好在同一地方,所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個叫做大爆炸的時刻,當(dāng)時宇宙無限緊密。
1950年前后,伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個確定的點,然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸,而是一種在各處同時發(fā)生,從一開時就充滿整個空間的那種爆炸,爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。"整個空間"可以指的是整個無限的宇宙,或者指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。
根據(jù)大爆炸宇宙論,甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體,溫度極高,密度極大,且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)志,因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低,使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。
從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來,通過幾十年的努力,宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史:
大爆炸開始時 150-200億年前,極小體積,極高密度,極高溫度。
大爆炸后10-43秒 宇宙從量子背景出現(xiàn)。
大爆炸后10-35秒 同一場分解為強力、電弱力和引力。
大爆炸后10-5秒 10萬億度,質(zhì)子和中子形成。
大爆炸后0.01秒 1000億度,光子、電子、中微子為主,質(zhì)子中子僅占10億分之一,熱平衡態(tài),體系急劇膨脹,溫度和密度不斷下降。
大爆炸后0.1秒后 300億度,中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。
大爆炸后1秒后 100億度,中微子向外逃逸,正負電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn),核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。
大爆炸后13.8秒后 30億度,氘、氦類穩(wěn)定原子核(化學(xué)元素)形成。
大爆炸后35分鐘后 3億度,核過程停止,尚不能形成中性原子。
大爆炸后30萬年后 3000度,化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成,宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì),并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊,直至恒星和恒星系統(tǒng)。
大爆炸理論模型得到若干重要觀測事實的支持:
(1)星系距離越遠退行速度越大
大爆炸理論的科學(xué)性令人不得不信服。最直接的證據(jù)來自對遙遠星系光線特征的研究。20年代,天文學(xué)家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)研究了維斯托·斯里弗(Vesto Slipher)所作的觀測。他注意到,遠星系的顏色比近星系的要稍紅些。哈勃仔細測量了這種紅化,并作了一張圖。他發(fā)現(xiàn),這種紅化是系統(tǒng)性的,星系離我們越遠,它就顯得越紅。
光的顏色與它的波長有關(guān)。在白光光譜中藍光位于短波端,紅光位于長波端。遙遠星系的紅化意味著它們的光波波長已稍微變長了。在仔細測定許多星系光譜中特征譜線的位置后,哈勃證實了這個效應(yīng)。他認為,光波變長是由于宇宙正在膨脹的結(jié)果。哈勃的這個重大發(fā)現(xiàn)奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。
膨脹中宇宙的性質(zhì)使許多人困惑不解。從地球的角度來看,好象遙遠的星系都正飛快地遠離我們而去。但是,這并不意味著地球就是宇宙的中心。平均而言,宇宙不同地方的膨脹圖像都是相同的。可以說每一點都是中心,又沒有一點是中心。我們最好把它想象成星系間的空間在伸長或膨脹,而不是星系在空間中運動。這一點與我們?nèi)粘I钪幸姷降脑从谝稽c的爆炸不同。
空間可以伸長這一事實看上去似乎離奇古怪,不過這卻是1915年愛因斯坦廣義相對論發(fā)表以來科學(xué)家們早就熟知的概念。廣義相對論認為,引力實際上是空間(嚴格地說是時空)彎曲或變形的一種表現(xiàn)。從某種意義上來說空間是有彈性的,可以按某種方式彎曲或伸長,具體情況取決于物質(zhì)的排列。這個思想已為觀測所充分證實。
膨脹空間的基本概念可通過一項簡單的模擬來加以理解。想象在一條松緊帶上縫有一排鈕扣。現(xiàn)在假定從松緊帶的兩端把它拉長,結(jié)果所有的鈕扣都彼此遠離。不論我們選擇從哪個鈕扣來看,它鄰側(cè)的鈕扣似乎都在遠離,而且這種膨脹是處處相同的,不存在特殊的中心。當(dāng)然,我們在畫這排鈕扣時,它有一個中心鈕扣,但這與系統(tǒng)的膨脹方式毫不相干。只要把這條帶鈕扣的松緊帶無限加長,或環(huán)成一個圓圈,這個中心便不再存在了。
從任意一個鈕扣來看,離它最近的鈕扣以某種速度退行,再下一個鈕扣則以兩倍數(shù)度退行,依此類推。在你看來,鈕扣離得越遠,它退行得越快。因此這種膨脹意味著退行速度與距離成正比-這是一個極為重要的關(guān)系。借助這個圖像,我們現(xiàn)在就可想象出光波是如何在膨脹空間中或星系間傳播的。當(dāng)空間伸長時,光波波長也跟著變長,這就解釋了宇宙學(xué)紅移現(xiàn)象。哈勃發(fā)現(xiàn),紅移量與距離成正比,同這個簡單的圖像模擬結(jié)果完全一致。
(2)3K宇宙微波背景輻射(1978年諾貝爾物理獎)
早在四十年代末,大爆炸宇宙論的鼻祖伽莫夫認為,我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中,其溫度約為6K。正如一個火爐雖然不再有火了,還可以冒一點熱氣。
1964年,美國貝爾電話公司年輕的工程師-彭齊亞斯和威爾遜,在調(diào)試他們那巨大的喇叭形天線時,出乎意料地接收到一種無線電干擾噪聲,各個方向上信號的強度都一樣,而且歷時數(shù)月而無邊化。
難道是儀器本生有毛病嗎?或者是棲息在天線上的鴿子引起的?他們把天線拆開重新組裝,依然接收到那種無法解釋的噪聲。這種噪聲的波長在微波波段,對應(yīng)于有效溫度為3.5K的黑體輻射出的電磁波(它的譜與達到某種熱平衡態(tài)的熔爐內(nèi)的發(fā)光情況精確相符,這種輻射就是物理學(xué)家說熟知的"黑體輻射")。他們分析后認為,這種噪聲肯定不是來自人造衛(wèi)星,也不可能來自太陽、銀河系或某個河外星系射電源,因為在轉(zhuǎn)動天線時,噪聲強度始終不變。
后來,經(jīng)過進一步測量和計算。得出輻射溫度是2.7K,一般稱之為3K宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn),使許多從事大爆炸宇宙論研究的科學(xué)家們獲得了極大的鼓舞。因為彭齊亞斯和威爾遜等人的觀測竟與理論預(yù)言的溫度如此接近,正是對宇宙大爆炸論的一個非常有力的支持!這是繼1929年哈勃發(fā)現(xiàn)星系譜線紅移后的又一個重大的天文發(fā)現(xiàn)。
宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn),為觀測宇宙開辟了一個新領(lǐng)域,也為各種宇宙模型提供了一個新的觀測約束,它因此被列為20世紀(jì)60年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一。彭齊亞斯和威爾遜于1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。瑞典科學(xué)院在頒獎決定中指出:這一發(fā)現(xiàn),使我們能夠獲得很久以前宇宙創(chuàng)生時期所發(fā)生的宇宙過程的信息。
(3)宇宙氦豐度
最后還有一個證實熾熱高密度宇宙起源理論的證據(jù)。只要知道今天熱輻射的溫度,由熱大爆炸理論很容易計算出宇宙誕生后約1秒時各處的溫度約為100億度,這對現(xiàn)有的原子核的合成來說也是太高了。那時物質(zhì)必定被撕裂成最基本的成分,形成一鍋基本粒子湯,諸如質(zhì)子、中子和電子。但是,隨著這鍋湯變冷,核反應(yīng)就可能出現(xiàn)了。特別是,中子和質(zhì)子就很容易成對聚合在一起。接下來,這些粒子
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