书城科普探索神秘的科学未知(新编科技大博览·B卷)
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第2章 宇宙未知(1)

宇宙生成之谜千年的狂欢不会让人忘掉一切,纪元的更迭也无法带走一切疑问。在新的世纪里,仍然有许多长期困惑着我们的问题在心头萦绕。20世纪末,科学家们对哈勃太空望远镜观测到的一些现象进行分析后发现,宇宙大爆炸理论出现了矛盾,宇宙可能并非由大爆炸而开始的。倘若真的如此.宇宙又是从何而来呢?

在人类历史的大部分时期,创世的问题是留给神去解决的。对于宇宙的起源和人类从哪里来等问题,许多宗教都给出了一份自圆其说的答案。直到近几个世纪人类才开始撇开神,从科学的角度去思考世界的本源。

20世纪初叶,爱因斯坦的“相对论”横空出世。这个推翻传统时间和空间观念的理论,给空间、时间和引力都赋予了完整的新概念。按照爱因斯坦的想法,宇宙应该是静态的。

1929年,美国天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃发现,距离越远的星系越以更快的速度远离我们而去。这个后来被称为“哈勃定律”的发现,阐明了宇宙在膨胀的事实。

1946年,美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论。此后,“大爆炸”理论逐渐形成体系,成为人们普遍接受的观点。大爆炸理论认为,宇宙诞生之前,没有时间、空间,没有物质,也没有能量。大约100亿年前,在这片“四大皆空”的虚无中,一个体积无限小的点爆炸了,宇宙随之诞生。大爆炸炸开了空间,也创造了时间,星星、地球、空气、水和生命等就在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。

此后,人们制造了以“哈勃”命名的太空望远镜,希望能够决定以“哈勃”命名的宇宙膨胀率——哈勃常数多年以来成为整个宇宙中最为重要的数字。它不仅牵涉到宇宙的过去,还将决定宇宙的未来。宇宙有一个开始,是否还会有一个结束?宇宙产生于“无”,是否还会最终回归到“无”?

围绕哈勃常数,一开始就展开了激烈的争论。按照哈勃本人测得的值推算,宇宙的年龄约为20亿岁,小于地球40亿岁的年纪,这显然不可能。显而易见,宇宙必须先于其他星球更早地诞生。因此,自20世纪70年代始,科学家们陆续用各种手段测出了不同的哈勃常数。然而根据这些值推算出的宇宙年龄,总是颇有偏差。

相对于围绕哈勃常数而展开的喋喋不休的争论而言,科学家们对某些确定星体年龄的测定却要确切得多。目前,天文学家们已经测知,银河系中一些最古老的星系的年龄约为160亿岁。这样,大爆炸只能发生在160亿年以前,但是,科学家们根据新近用哈勃望远镜观测的结果分析,推算出宇宙的年龄约为120亿岁左右。

这就意味着:宇宙的确比一些孕育其中的星系更年轻。

如果测算没有出现差错,解释只有一种——原先的假设出现了错误,宇宙可能并非从爆炸开始!

宇宙因为“年轻”而再度给自己的身世披上了神秘的色彩。

1999年9月,印度著名天文学家纳尔利卡尔等人提出一种新的宇宙起源理论,对大爆炸理论提出挑战。

在纳尔利卡尔和另外3名科学家共同提出的新概念中,他们把自己的研究成果定名为“亚稳状态宇宙论”。

他们相信,宇宙是由若干次小规模的爆炸而不是一次大爆炸形成的。新理论认为,宇宙在最初的时候是一个被称为“创物场”的巨大的能量库,而不是大爆炸理论所描述的没有时间、没有空间的起点。在这个能量场中,不断发生爆炸,逐渐形成了宇宙的雏形。此后,又接连不断地发生小规模的爆炸,导致局部空间的膨胀。而时快时慢的局部膨胀综合在一起便形成了整个宇宙范围的膨胀。

新理论如一块沉重的巨石,在人们平静的心海里激起狂澜。人们开始重新反思生命甚至赋予生命的茫茫宇宙。

早期人类看见浩瀚的天空,便说这是神的作为。但16世纪时期的天文学家开普勒却以三条自然定律来解释天体的活动,并启发牛顿发现了万有引力。科学的一大假说,便是宇宙乃是一个可预料而有秩序的系统,就如钟表结构一般,虽然有些现象比其他的复杂,难以理解,但其背后仍是有规律的。

然而,开普勒和牛顿在20世纪末期终于遇到对手。美国麻省理工学院两位科学家表示,整个太阳系根本是个无法预测的星系。宇宙变幻莫测这一说法的支持者也越来越多,他们相信,简单而严格的规律虽然会衍生出永恒及可预料的模式,但同样会导致混乱的复杂。

科学目前仍未能解释为什么宇宙会从混乱复杂中制造秩序,我们只能说:宇宙本身似乎浩瀚宇宙从何而来,至今仍困扰着人类是倾向创造规律模式的。

在空间和寿命上,宇宙真是无限的吗?也就是说,宇宙到底有多大?

没有人知道宇宙有多大,因为人的头脑根本无法想象出宇宙大到什么程度。

如果我们从地球出发,来看看四周,便可明白究竟。地球是太阳系中的一个行星,而且只不过是太阳系中很小的部分。太阳系中包括太阳、环绕太阳运行的地球等九大行星以及许多小行星和流星。

而太阳系不仅是大“银河系”的一小部分。在银河系中有千千万万的恒星,其中有些恒星都比我们的太阳大得多,同时这些恒星也都自成一个“太阳系”。

因此我们夜晚在“银河”中看到的那些数不尽的星星,每个星星都是一个“太阳”。这些星星离我们很远,远得不能用千米而必须用光年计算,1光年就是光在1年里走过的距离。光的速度为每秒30万千米,1光年为9.65万亿千米。我们能看到最亮的也就是离地球最近的一颗是“人马星”,但你可知道它离我们多远吗?110万亿千米!

现在我们还只谈到我们自己的银河系呢,这条银河系的宽度据估计大约为10万光年,我们的银河系却又是一个更大体系的一小部分。

在我们的银河系以外还有千千万万个银河系。而这千千万万个银河系的整体,又可能只是另一个更大体系的一部分罢了!

现在你可以明白我们无法想象出宇宙有多大的原因了吧。另外,据科学家说,宇宙的范围还在继续不断地膨胀呢!也就是说,每隔几十亿年两个银河系之间的距离就增加一倍。

以前我们认为,宇宙是无限的,时间是无始无终的,空间是无穷无尽的,因而是不生不灭的。自从人们在观测中知道宇宙正在膨胀,速度又正在减慢下来,于是一个全新的宇宙有限观,几乎代替了宇宙无限的旧观念。宇宙学家根据观测估计,宇宙在超空间中的一个小点上爆炸,经过膨胀再收缩,最后崩溃死亡,大约要经过800亿年,目前大约只过了160亿年。但在以后的600多亿年中,宇宙间的一切,正向中心一点集拢,走向末日。当时空都到了尽头,我们的宇宙便“消失”了。正如超级巨星在热核燃烧净尽,引力崩溃,所有物质瞬间向中心收缩,形成不可见的黑洞,成为存在而不可见的超物质,这便是宇宙死亡的模型。

宇宙的大小跟它的年龄是一而二、二而一的问题。部分天文学家相信,宇宙是经历了一次大爆炸后诞生的,诞生后随即不断扩展。因此若以地球为中心,一直伸展至看得见的宇宙边缘,这距离(以光年计算),就透露了宇宙的年龄。

天文学家尚未能一致肯定看得见的宇宙究竟有多大,其中一个主要原因在于大爆炸发生的确切时间是个谜。

20世纪20年代,天文学家哈勃发现,宇宙原来是以恒速扩张的。宇宙中的星体就如气球上的波点。当气球愈胀愈大,波点之间的距离也愈大,换句话说,两个星体之间的距离愈大,它们互相抛离的速度便愈高。

“哈勃常数”就是星体互相抛离的速度和距离之比例。常数数值愈高,表示宇宙扩张至现今的“尺码”所需的时间愈短,宇宙也就愈年轻。

不过,天文学家对“哈勃常数”的数值仍未有一致意见,但大多数天文学家均认同宇宙较老的说法,因为有些银河系存在已有150亿年,而地球一些石层,也有40亿年的历史了。

星体互相吞食之谜

我们知道,宇宙中星体之间相距十分遥远,相互靠近的机会很少,但经过天文学家的观测和研究,发现星球之间也在互相吞食,互相残杀。科学家们把这类星球称为宇宙中的“杀星”。

前不久,美国天文学家就发现了这样一颗“杀星”。这两颗恒星本来是一对双星,都已进入晚年,均属白矮星。这两个星球体积很小,可质量要比太阳大得多。经观测发现,这两颗星体靠得很近,相互围绕对方旋转运动。其中一颗大的恒星,时刻都在吞吃比它小的那一个。大恒星把小恒星的外层物质剥下来吸到自己身上,使自己越来越胖,体积和质量不断增大。而那颗被吞食的恒星,逐渐变得骨瘦如柴,现在只剩下一个光秃秃的星核了。

不但星体之间存在着互相吞食的现象,星系之间也在互相吞食和残杀。现在有一种理论认为,宇宙中的椭圆星系就是由两个漩涡扁平星系互相碰撞、混合、吞食而成。有人曾用计算机做过模拟实验:用两组质点代表星系内的恒星,分布在两个平面内,由于引力作用,以一定的规律相向而行,逐渐趋于混合。在一定条件下,两个扁平星系经过混合确能发展成一个椭圆星系。

在宇宙中,除漩涡扁平星系和椭圆星系外,还有一种环状星系。天文学家们发现,这类星系从外形看,恒星分布在环状圈内,有时环中央没有任何天体,有时有天体,有时环上还有结点。有人认为,这种环状星系的形成,是由两个星系碰撞,互相吞食的结果。环中心的天体和环上结点,就是相互吞食后留下的痕迹。

加拿大天文学家科门迪通过观测还发现,某些巨椭圆形星系,其亮度分布异常,好像中心部位另有一个小核。他认为,这就是一个质量小的椭圆星系被巨椭圆星系吞食的结果。

前面说过,天体之间、星系之间距离都非常遥远,碰撞和吞食的机会很少。所以,要想证实以上说法能否成立,还需一定的时间。

大吸引体之谜

什么是大吸引体?到目前为止,这还是个未被破译的谜。

1986年,天文学家发现银河系北、南两面的几千个星系除参与宇宙膨胀外,还以每秒600公里的速度涌向同一方向——南十字星座,这被称为哈勃星系流。通过对它的进一步分析,表明我们正被一个众多星系组成的大物质集团——直径3亿光年、质量相当于1万多倍银河系的所谓大吸引体所吸引。这个大吸引体离我们大约有2亿光年。

1987年以前,天文学家德雷斯勒等人对星系运动的测量既未达到大吸引体的中心,更未超出它远离银河系那一边的边界。打个比方说,大吸引体就好像坐落在银河系南面的一座大山,山峰是大吸引体的中心,他们只测量了处于山北坡诸星系的运动。1988年以来,他们又进行了延伸测量工作,既测量了椭圆星系的运动,也测量了漩涡星系的运动,所测星系是过去测量的5倍。测量结果表明:处于大吸引体中心的星系,对于银河系来说,很难看出有什么运动,而更远的星系则向我们涌来,恰与已知的哈勃星系流形成镜像。

大吸引体究竟是什么?现在还不能做结论。目前虽已探测到发光星系是其质量的组成部分,但90%的质量可能是不易被探测到的暗物质。

反物质之谜

要想弄明白宇宙中有没有反物质,首先要弄明白什么是反物质。

反物质是和物质相对立的一个概念。众所周知,世界是由物质构成的,而物质又是由原子构成的,原子的中心是原子核,原子核由质子和中子组成,有个电子围绕原子核旋转。原子核里的质子带正电核,电子带负电核,它们携带的电量相等,不过一正一负,是相反的。从它们的质量角度看,质子是电子的1840倍,形成了强烈的不对称性。因此,20世纪初有一些科学家就提出疑问,二者相差这么悬殊,茫茫宇宙中存在着不为人知的反物质吗,我们生活的地球还有它的另外一面会不会存在另外一种粒子,它们的电量相等而符号相反,如:一个同质子质量相等的粒子,可带的是负电荷,另一个同电子质量相等的电子,可带的是正电荷?这就是反物质概念的最初观点。

1928年,英国青年物理学家狄拉克从理论上提出了带正电荷电子的可能性。这种粒子,除电荷同电子相反外,其他都一样。1932年,美国物理学家安德逊经过实验,把狄拉克的预言变成了现实。他把一束γ射线变成了一对粒子,其中一个就是电子,而另一个同电子质量相同的粒子,带的就是正电荷。1955年,美国物理学家西格雷等人在高能质子同步加速器中,用人工方法获得了反质子,即质量同质子相等,却带负电荷。1978年8月,欧洲一些物理学家又成功地分离并储存了300个反质子达85个小时。1979年,美国新墨西哥州立大学的科学家把一个有60层楼高的巨大氦气球放到离地面35公里的高空,飞行了8个小时,捕获了28个反质子。从此,人们知道了每种粒子都有相应的反粒子。

人们从反粒子自然联想到反原子的存在。一个质子和一个带负电的电子结合,便形成了氢原子。那么,一个反质子和一个正电子结合,不就形成了一个反氢原子了吗?类推下去,岂不会形成反氢分子、反元素、反分子吗?由此便构成了一个反物质世界。有人认为,宇宙是由等量的物质和反物质构成的。