书城科普宇宙大探秘
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第2章 浩瀚的宇宙(2)

第一层次是视界之外。所有的平行宇宙组成第一层多重宇宙。所有人都接受这样一个事实:虽然我们此时此刻看不见另一个自己,但换一个地方或者简单地在原地等上足够长的时间以后就能观察到了。

第二层次是膨胀后留下的气泡。我们的宇宙之所以如此之大而又如此的规整、光滑和平坦,是因为空间经历了一个快速的拉伸过程,由此产生了独立的“气泡”,好像膨胀的烤面包内部的气泡一样。这种气泡有无数个。它们每个都是第一层多重宇宙,在尺寸上无限而且充满因能量场涨落而析出的物质。

第三层次是量子平行世界。这直接源于量子力学解释,即任何随机量子过程都导致宇宙分裂成多个,每种可能性只有一个。比如当你掷骰子时,那一瞬间你实际上掷出了每一个状态,骰子在不同的宇宙中停在不同的点数。其中一个宇宙里,你掷出了1,另一个宇宙里你掷出了2……然而我们仅能看到全部真实的一小部分——其中一个宇宙。

第四层次是其他数学界构。平行宇宙的第四层包含了所有可能的宇宙。宇宙之间的差异不仅在表现物理位置、属性或者量子状态,还可能是基本物理规律。它们在理论上几乎就是不能被观测的,我们能做的只有抽象思考。该模型解决了物理学中的很多基础问题。

宇宙平衡论的理论依据

事实上,根据平行宇宙理论,在某个宇宙中,就存在着无数个星系,几乎和我们的宇宙完全一模一样,看上去就像是我们自己一样,在那个宇宙中,也存在着你和你的亲人,还有同样的生活方式,但是有一点必须说明:虽然在两个宇宙中你们是非常非常的相似,几乎相似到画上等号,但是这种相似度能且只能用来描述过去发生的事件。

37亿年前当我们的宇宙发出第一缕光线之后,就在宇宙空间中传播开来,而宇宙最深处的光线还未到达到地球上,目前我们探测到最深的宇宙空间仅仅是在130亿光年左右,也就是在宇宙诞生后的7亿年左右,而在这7亿年内发生的事件,还没有直接的观测数据。由于这些来自宇宙遥远空间的光线还未到达地球上,使之超出了我们对宇宙观测的视野。

无法证实的平行宇宙理论

平行宇宙理论出现后引起了很多人的质疑。有时有些人认为我们的宇宙是唯一可能存在的宇宙。有些人认为平行宇宙理论缺乏实践经验且不可见、不可控制,同时缺乏物理学上的证据和可否定性,因为这个理论以目前的科学方法无法证实或否定。

神秘的宇宙黑洞

“黑洞”这个词是法国数学家、天文学家拉普拉斯在1798年提出来的,他认为宇宙中存在一种“捕捉”光线的天体,这种天体能吸收包括光线在内的所有物质,看上去像一个黑漆漆的洞,故命名为“黑洞”。

黑洞的产生

黑洞的前身是恒星,当老年的恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩,发生了强力爆炸。核心中所有的物质开始收缩,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。究竟黑洞里面是什么物质?具有什么样的特性?

宇宙中的“陷阱”

人们把黑洞称为宇宙中的“陷阱”。黑洞具有令人望而生畏的极强的吸引力,任何光和物质以及信号,都会由于它的强大吸引力而被吸入洞内无法“进而复出”。若是人类的宇宙飞船稍稍靠近黑洞,在一霎间就会被吸入洞内,顷刻之间不仅船体碎裂,连作为船体的金属也会被分解成微小的原子,原子再分解成更微小的电子或中子。

霍金的黑洞理论

1974年,英国著名天体物理学家霍金发现,当一个黑洞吞噬星际物质、气体和其他“信息”之后,就会放射出一种叫做“霍金辐射”的粒子,这种黑洞吞吃物质的现象,同20世纪初创立的量子力学理论相矛盾。霍金认为,唯一能拯救量子力学的办法是,这些被黑洞吞吃掉的物质再吐出来,进入另一个宇宙。

有些天文学家的研究成果恰好印证了霍金的这一发现,那些转速极快的黑洞确实会喷射出大量接近光速运动的物质,形成这些高速喷射物质流的原因就是黑洞自身的高速自转。

宇宙到底有多大

古往今来,人们对宇宙的大小这个问题有过许多说法,他们争论的焦点集中在宇宙是有限的还是无限的这个问题上。

宇宙有限论

在古代西方,人们认为宇宙是有限的。古希腊著名天文学家托勒密认为地球是宇宙的中心,太阳、月球、行星和恒星都围绕地球转动。波兰天文学家哥白尼则认为太阳是宇宙的中心,地球和其他行星都围绕太阳转动。

现代有一部分人也认为,宇宙是有限的。他们的理由是宇宙起源于大爆炸,大爆炸至今的时间是有限的,宇宙膨胀的速度是一定的,宇宙的大小也一定是有限的。

宇宙无限论

1584年,意大利哲学家布鲁诺在其编著的《论无限宇宙和世界》一书中,十分明确地提出了宇宙无限的理论。

目前,大型天文望远镜已能观测到100多亿光年以外的天体,但是还远没有发现宇宙的边沿,因此,多数天文学家认为宇宙是无限的,是没有边界和中心的。

宇宙大小的争论分析

任何空间都是指某物的空间大小,任何时间都是指某物的时间长短,故宇宙是指某物所占据的空间与时间。如果撇开“某物”这一主词,而去问一种抽象的时空尺度是没有意义的,这就如同问一个抽象“生物”的身高与年龄一样,让人无法回答。

其实,人们在讨论“宇宙”问题的时候,往往站在完全不同的角度。物理学家们所说的宇宙完全不同于哲学家们所说的宇宙,哲学家们所说的宇宙又完全不同于神学家们所说的宇宙。这倒不是因为宇宙中的空间、时间有什么不同,而在于人们研究时空的方法与途径完全不同。

关于宇宙尺度等问题,还有待留出时间去探讨。如果找不到宇宙的深度和找不到膨胀的极限,那么宇宙尺度问题可能永远是个谜。

探秘宇宙的中心

宇宙的中心在哪里?自从人类诞生之日起,这个问题就一直萦绕在求知者的心中。但是,这个问题直到现在也没有找到答案。

宇宙有中心说

公元前340年,希腊哲学家亚里士多德在其著作《论天》一书中指出,地球是球形的,地球同时是不动的,地球是宇宙的中心。

后来,哥白尼、开普勒、伽利略又提出了日心说,这使人类第一次把自己的地位从中心移开。再后来出现了牛顿以及他的万有引力定律。在这个定律的摆布下,人们一度认为宇宙是无限的,而每一点都是宇宙的中心。因为对每点来说,各个方向都是平权的,没有任何区别。但后来由于种种反驳,这种说法被打破。

宇宙无中心说

爱因斯坦的广义相对论的发表,给人们探索宇宙提供了新方法。1922年,俄国物理学家亚历山大·弗利德曼作了如下假说:我们不论往哪个方向看,也不论在任何地方进行观察,宇宙看起来都是一样的。1929年的哈勃观测证了这个假设。他观测到各个星系相对于我们快速退去,也就是说宇宙在膨胀。同时他还观测到从各个方向看去宇宙膨胀速度是等同的。人们迷惑了,难道我们真的仍是宇宙的中心吗?事实上,这种情形很像一个画有好多斑点的气球被逐渐吹胀。当气球膨胀时,任何两个斑点之间的距离加大,但是没有一个斑点可认为是膨胀的中心。也就是说宇宙是没有中心的。

哈金斯的发现

哈金斯发现,太阳和恒星的光谱线中,都有着清晰的氢和氦的特征线。于是他得出结论:太阳和恒星主要是由氢和氦构成的。这一发现等于宣告,太阳和一颗恒星没有什么差别。人类也因此彻底了解到,地球不是宇宙的中心,太阳也同样不是宇宙的中心。

宇宙的最终归宿

一切生物都是有生命的,生生不息,周而复始。可是作为这一切生物生存之地的宇宙有没有生命呢?它会不会终结呢?它的归宿何在?对于这些问题,科学家们推测出了结果。

恒星的年龄

多数恒星的年龄在10亿至100亿岁之间,有些恒星甚至接近测到的宇宙年龄——137亿岁。目前发现最老的恒星年龄是132亿岁。

质量越大的恒星,寿命越短暂,主要是因为质量越大的恒星核心的压力也越高,造成燃烧氢的速度也越快。许多大质量的恒星平均只有100万年的寿命,但质量最轻的恒星(红矮星)以很慢的速率燃烧它们的燃料,寿命可达数百亿年甚至更大。

恒星的死亡

各国天文观察结果表明,宇宙中的很多恒星也同人类一样在进行着生与死的更替轮回,不过因为形成新恒星的氢物质正在渐渐减少,所以,从总体上看,死星的数量是多于新生恒星的。天文学家计算表明,再过100亿年,所有的恒星都有可能进入生命晚期,那时,茫茫宇宙中将只能见到点点星光了,恒星仍然在散发着自己的余热,不过这种散发余热的过程并不能持续多久,到时候,宇宙中将不会再有生命了。

但是没有生命并不就代表物质运动会终止,宇宙中的物质还会继续运动。

恒星的碰撞

据天文学家们的计算,任何恒星在100亿年以后都会与另一颗恒星接近一次。若是经过1亿年,每颗恒星都会发生100次这样的接近。这样,在这颗恒星周围的行星就会被撞得流离失所。

恒星与恒星之间还会发生碰撞事件,但机会比较小。相撞的时候,一颗恒星的能量会被另一颗恒星获取,而获取能量的恒星就会脱离星系。假如是这样的话,100亿年以后,九成的恒星将会逃离星系,剩余的将会形成一个大黑洞。这样,宇宙的最终结局就是收缩。

宇宙结局的推论

宇宙的终极命运是物理宇宙学中一个主要的议题。许多科学理论都对宇宙的命运做出预测,包括时间的无限及有限的争论。有人说世界将终结于烈火,有人说将终结于寒冰,宇宙最终的命运将会怎样?近年来,有科学家发现,宇宙正在加速膨胀、变冷,整个宇宙最终将变成冰。也有的科学家认为,宇宙最终的结局可分为两种:

1.大爆炸→大解体大冷却→大坍缩期→最后又成为一点。

2.大爆炸→大解体大冷却→暗能量作用→最后成为没有光极度寒冷的宇宙(即最后的宇宙是无限大)。

宇宙膨胀的最终结果

近一个世纪以来,人们已经知道宇宙正在膨胀,这是大约140亿年前宇宙大爆炸的结果。自从大爆炸理论被科学家广泛的接受后,宇宙的终极命运也就成为一个可以被探讨的问题。如果宇宙无限膨胀下去,那么最后的结局会怎样呢?

宇宙的形状根据天文观测和宇宙学理论,可以对可观测宇宙未来的演化作出预言。人们认为,物质的引力会导致宇宙的膨胀减速。宇宙的最终命运决定于物质的多少:理论上存在某种临界密度。如果物质密度超过临界密度,宇宙的膨胀最后会停止,并逆转为收缩,最终形成与大爆炸相对的一个“大挤压”,称为“闭宇宙”;如果物质密度等于或低于临界密度,则宇宙会一直膨胀下去称为“开宇宙”。

根据质能守恒定律(质子是否会衰变还未得到结论),宇宙中的质能会不停的转换。通过蒸发作用,有能量的粒子会从巨大的黑洞中逃逸出。宇宙将归于一片黑暗。这也许就是开宇宙“末日”到来时的景象,但它仍然在不断地、缓慢地膨胀着。

闭宇宙中,膨胀过程结束时间的早晚取决于宇宙平均密度的大小。如果假设平均密度是临界密度的2倍,那么根据一种简单的理论模型,经过400~500亿年后,当宇宙半径扩大到目前的2倍左右时,引力开始占上风,膨胀即告停止,而接下来宇宙便开始收缩。以后的情况差不多就像一部宇宙影片放映结束后再倒放一样,大爆炸后宇宙中所发生的一切重大变化将会反演。收缩几百亿年后,宇宙的平均密度又大致回到目前的状态。不过,原来星系远离地球的退行运动将代之以向地球接近的运动。再过几十亿年,宇宙背景辐射会上升到400开,并继续上升,于是,宇宙变得非常炽热而又稠密。在坍缩过程中,星系会彼此并合,恒星间碰撞频繁。

近年来,西方的天文学家发表了关于“宇宙无始无终”的新论断。他们认为,宇宙是在一次又一次的大爆炸中进行运动,循环往复,没有终止。这些说法也只是假想推论的,宇宙最终的结局如何还有待科学的进步和发展来解答。

宇宙岛漂浮之谜

宇宙岛,是人们对星系极其形象的称呼。在宇宙大爆炸之后的膨胀过程中,分布不均匀的物质受到引力的作用逐渐聚集而形成一个个星系,即宇宙岛。

宇宙岛假说

英国天文学家赫歇尔发现许多星云可分解成恒星群,而另一些星云无法分解,于是他提出了星系并非宇宙岛的观点。到了20世纪,科学家们经过精确的测量和论证,才把河外星系定名为宇宙岛。

星系的起源

关于星系起源的理论有很多,有代表性的是引力不稳定性假说和宇宙湍流假说。前者认为,在30亿年间,星系团物质由于引力的不稳定而形成原星系,并进一步形成星系或恒星;后者认为,宇宙膨胀时形成旋涡,它可以阻止膨胀,并在旋涡处形成原星系。二者都认为星系形成了100亿年。现在人们观测到的河外星系已达上万个,最远者距银河系达70亿光年。估计河外星系数目大得惊人,若画一个半径达20亿光年的圆球,其内含有约30亿个星系,每个星系都包含着数以千亿计的恒星。

爱装饰自己的星系

人们发现星星会用环状物装饰自己。不但土星、木星会这样,就是庞大的星系也会用环状物来装饰自己。天空中有这样一类星系:它们的中心呈恒星状,周围有一个光度均匀、结构对称的环。它们虽有着酷似行星状星云的美丽外表,实质上却是一个星系。用世界上最大的天文望远镜可以看见它清晰的倩影:核心呈红色,环则有些发蓝。这类天空中的特殊星系又叫“华格天体”。

奇特的星系环

与椭圆星系的环相比,华格天体的环具有特殊性,它光度均匀,结构对称,十分完美。华格天体的光谱谱线红移相当于每秒12750千米,证明这种天体确实是在银河系之外。科学家发现,华格天体的环发出的光比核发出的光还要强。他们认为华格天体的环属于旋涡星系环中的一种特例,是由星系盘的某种不稳定性造成的,也就是说,星系中棒状结构的不稳定性,搅动星系盘而形成了星系的环状结构。

恒星诞生的“摇篮”:暗星云

暗星云是星际云的一种,它的密度足以遮蔽来自背景的发射星云或反射星云的光,或是遮蔽背景的恒星。它们是恒星诞生的“摇篮”。

宇宙中的暗星云