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第1章 引人向往的宇宙太空(1)

人类眼中的宇宙是一个无限延展的空间,几千年来,关于宇宙产生了种种既令人兴奋又令人着迷的话题:宇宙究竟从何而来?它有多大,边界在哪儿?它会消亡吗?它又包含多少物质,各自又有怎样的特点?近百年来,人类不断地研制各式各样的望远镜及空间探测器,希望它们能够帮助我们早日揭开宇宙的神秘面纱。

(第一节)仰望太空——神秘的宇宙

人类对宇宙的认识是一个不断探索研究和发展的过程,从“天圆地方说”到“地心说”,再到“日心说”。直到17世纪,牛顿的万有引力定律,奠定了经典的宇宙学基础。以上这些宇宙观基本上只是局限于太阳系范围,还称不上宇宙结构。随着近代科学的进步,人类对宇宙的认识有了转变。20世纪初德国物理学家爱因斯坦发表了,“广义相对论”,并率先运用这一理论考察了宇宙整体的运动特征和可能的演变方式,从理论上开创了现代宇宙学。

一、蒙昧到睿智——人类对宇宙的认识

公元前7世纪,巴比伦人认为,天和地都是拱形的,大地被海洋所环绕,而其中央则是高山。古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子,大地的中央则是尼罗河。古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象身上,而象则站在巨大的龟背上。公元前7世纪末,古希腊的泰勒斯认为,大地是浮在水面上的巨大圆盘。上面笼罩着拱形的天穹。

公元2世纪,古希腊天文学家托勒密在总结前人对宇宙认识的基础上,提出“地球中心说”的宇宙模式。这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动,月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星都在以不同的速度绕着地球旋转。为了说明行星运动的不均匀性,他还认为行星在本轮上绕其中心转动,而本轮中心则沿均轮绕地球转动。地心说曾在欧洲流传了1000多年。

1543年,哥白尼在他出版的不朽名著《天体运行论》中系统地提出了“日心说”。在他的日心体系中,太阳居于宇宙的中心静止不动,包括地球在内的所有行星都围绕太阳转动,它们离太阳由近及远的排列次序为水星、金星、地球、火星、木星、土星(当时还没有发现天王星、海王星),而月亮则绕地球转动。恒星在离开太阳很远很远的一个圆球面上静止不动。

1687年,牛顿通过苹果落地得到启示而提出了万有引力定律和牛顿三大定律,深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因,使日心说有了牢固的力学基础。牛顿创立了天体力学,使人们在这以后可以以力学方法研究宇宙学。

由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点运动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转。最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生1.7秒的偏转。这一预言后来被英国天文学家爱丁顿的实验研究所证实。

二、探索宇宙的起源

宇宙,是所有天体共同的家园。但宇宙是什么时候、如何形成的?千百年来,一直是人类探讨的话题,并随着人类文明的进步和科学技术的发展而逐步加深。20世纪初期,人们开始科学地探讨宇宙的起源,科学家提出了“宇宙大爆炸理论”。今日之宇宙是在大约150亿年前发生的一次无比壮观的大爆炸中形成的。

20世纪以来,有两种“宇宙模型”比较有影响。一是稳态理论,它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是不随时间变化的,是稳恒不变的。不仅在空间上是均匀的,各向同性的,而且在时间上也是稳定的。另一类叫演化态模型,它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是随时间在变化的。1917年,爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个静态、有限、无界的宇宙模型,奠定了现代宇宙学的基础。但在众多的宇宙模型中,目前影响较大的是热大爆炸宇宙学说。

乔治·伽莫夫(1904~1968),美籍俄裔物理学家、天文学家、科普作家,热大爆炸宇宙学模型的创立者。它在1948年提出宇宙大爆炸理论。这一理论认为,宇宙开始是个高温致密的火球,它不断地向各个方向迅速膨胀。当温度和密度降低到一定程度,这个火球就会发生剧烈的核聚变反应。随着温度和密度的降低,宇宙早期存在的微粒在引力作用下不断聚集,最后逐渐形成今天宇宙中的各种天体。

在爆炸发生之前,宇宙内的物质和能量都聚集到了一起,并浓缩成很小的体积,温度极高,密度极大,之后发生了大爆炸。大爆炸使物质四散出去,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降,后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。

20世纪20年代后期,爱德温·哈勃发现了红移现象,说明宇宙正在膨胀。60年代中期,阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。另一重要证据是空气中氢气和氮气的比例。最新的科学测算表明,当前宇宙中氢和氮的比例与大爆炸残余物中的氢氮比例相差不多。假如宇宙没有开端,是永恒存在的,那么宇宙中的氢早就该被消耗殆尽,全部转化为氮了。现在,大爆炸理论广泛地为人们所接受。

1929年,哈勃发现了星系红移与它的距离成正比,建立了著名的哈勃定律。这一定律揭示宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大。

红移在物理学和天文学领域,指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象。在可见光波段,表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离,即波长变长、频率降低;相反的,波长变短、频率升高的现象则被称为蓝移,通常认为它是多普勒效应所致,即当一个波源(光波或射电波)和一个观测者互裙快速运动时所造成的波长变化。

三、神奇的大爆炸理论

大爆炸是时间、空间,以及宇宙中所有物质等构架的开端。在爆炸之初,宇宙只是一片由微观粒子构成的均匀气体,它温度高、密度大,并以很大的速率膨胀。气体的热膨胀使温度降低,原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现,最终逐渐形成今天宇宙中的各种天体。

原子的产生是电磁力和核力的“杰作”。宇宙大爆炸后,最早的基本粒子之一——夸克,每三个一组结合产生质子和中子。将这些夸克联系在一起的是强大的核力。核力再集合质子和中子,形成氢和氦的核。宇宙大爆炸30万年之后,电磁力建构原子的物质,促使每个质子与一个电子相结合,形成一个氢原子。另外,电磁力使每个氢核与两个电子聚集,形成一个氦原子。

在时间的起点和终点,空间为零,这样的点称为奇点。当一颗具有足够质量的恒星到了生命的最后时期,就会在万有引力的作用下形成黑洞。黑洞巨大的引力使成千上万颗恒星都被卷入这个旋涡之中,产生一个具有巨大质量的集合体。物理学家将这个集合体视为大爆炸奇点的模式。

我们的宇宙由四种力支配,这四种力就是基本力,即引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。宇宙大爆炸后,基本粒子和四种基本力才逐渐分离出现。分离强作用力时,释放出巨大的能量,提供了宇宙膨胀的能源。这些基本粒子和基本力决定了所有物质的命运。

宇宙爆炸之后的一次快速膨胀,称为暴胀。暴胀前,宇宙体积极小,星系或其前身全都紧密地挤在一起。暴胀结束后,膨胀速度开始放慢。物理学家将暴胀所释放出的能量,归因于大爆炸之后一个新的量子场——“暴胀子”中所储存的势能。势能可以产生引力排斥效应,从而加速宇宙膨胀。

质子和中子是原子核的组成部分。质子是指原子核中的非基本粒子,带有+1的电荷。中子是指一种不带电荷的,通常可以在原子核中找到的非基本粒子。在宇宙大爆炸后的1秒钟内,宇宙中充满了亚原子微粒,它们相互碰撞,从而形成了质子和中子。

宇宙在暴胀过程中,产生了x和反x两种超重粒子。宇宙极速冷却后,这两种粒子变得不稳定而转变成夸克及轻子,同时也产生了反粒子。由于反粒子数量较少,所以在暴胀结束后物质和反物质粒子的相互消减过程中,物质最终得以保存下来。

反物质就是由反粒子组成的物质,所有粒子都有反粒子,反粒子的特点是其质量、寿命,自旋、同位旋与相应的粒子相同,但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数却与相应的粒子相反。当反物质和物质相遇时就会发生湮灭、爆炸,放出伽玛射线并产生大量的能量。

量子力学的不确定,性原理允许宇宙中的能量于短时间内在固定的总数值左右起伏,起伏越大则时间越短。从这种能量起伏中产生的粒子称为虚粒子。当能量恢复时虚粒子湮灭。宇宙大爆炸时产生的巨大能量生成了虚粒子对:物质和反物质,但它们几乎是在生成的同时又相互消减。

宇宙的冷却是指宇宙爆炸之后温度下降,同时原子产生并且不参与辐射,使光线能够以直线的形式前行的一种状态。当宇宙冷却到了足够的程度,才打破了这种物质的均匀分布。电子由于温度下降与核子结合成原子。原子不再发生辐射作用,光线能够直射,宇宙逐渐变得透明。

(第二节)不竭的财富——太空资源

地球大气层以外的宇宙空间,大气层空间以外的整个空间,都称之为太空。浩瀚的太空广袤无垠,随着人们对宇宙的认识和探索,人们的眼界从地球延伸到太阳系、银河系乃至河外星系。对于资源,人们往往以为,只有那些看得见、摸得着的才算是资源。然而,随着人类进入地球轨道和外层空间后,对许多未知领域的认识产生了飞跃,资源观念也发生了变化,资源由具有某种形态变为无形态,比如一种环境和条件;空间资源开发及推广应用,在短短几十年内硕果累累,取得了巨大的经济和社会效益,受到世界各国的普遍关注。

一、已利用的太空资料源

随着人类对宇宙探索的逐步深入,空间技术的发展,空间资源的利用,已是一个国家综合国力以及科学技术发展水平的重要标志。空间资源的利用,为人类社会的发展提供了强大的推动力。

利用通信卫星,人类实现了全球通信、电视转播,当今世界人类离开了通信卫星就无法生活。在现代社会,有100多种相关业务要靠通信卫星完成,从传送语言到文字,从图像到收据,从资料到各种控制信号,几乎人们的通信需要什么,它就能提供什么。今天,世界上80%的洲际通信业务和百分之百的洲际电视传播,以及为数众多的区域通信己由卫星担负。优越的通信能力和极高的投资效益比,使通信卫星的应用成为国际通信业的大走势,并每年以20%~30%的速度递增。通信卫星营造了一个遍地是黄金的市场,从而形成150亿美元的通信卫星产业。

气象卫星在进行天气预报、探测和跟踪台风和旋风、研究和监测地表以及海洋生物量等方面发挥了重要作用。还为洪涝灾害预警和赈灾等提供服务。据有关资料统计,人类依靠气象卫星每年避免的天气灾害损失达数千亿美元。

导航定位卫星不仅为飞机、船舶、公路、铁路交通提供导航服务,还为搜索与救援进行准确定位。利用卫星建立交通系统,使航天、航空、航海、铁路、公路相互结合,建立现代化的高速立体交通管制网络。卫星导航定位系统广泛应用于舰船、飞机、车辆,为交通安全与提高运输效率提供有力的保证。

遥感卫星发射成功后,人们应用卫星遥感技术监测森林砍伐、森林再造、土地使用变化情况;用于研究水涝和盐化、沙漠化、海岸线动态、干旱和农产品估算等;用于评估和开发水资源、自然资源勘探、污染监测和更新地图等,遥感卫星解决了人类用常规手段无法观测或观测不足的难题,不仅大大提高了效率,而且大大提高了观测精度、范围和准确性。