(龍震南文)
每天晚上,當(dāng)我們仰望星空時,看到星光璀璨,繁星點點,猶如無數(shù)珍珠,懸浮在九霄云外;又似無數(shù)神眼腑視人間,賜予幸福平安。九天之上,有嫦娥奔月,夸父追日,七星北斗,牛郎織女,隔河相望……諸如此類神話傳說,膾炙人口,婦孺皆知,亙古相傳??傊铄涞奶?,承載著人類千百年來的浪漫想象和無限瑕想……由此,激起了人們對宇宙的探索、研究,開啟了天文學(xué)的新篇章。
人類身處宇宙之中,那么,宇宙到底是什么?這是一個寬泛而宏大的問題,不是一兩句話、一兩篇文章、一兩個故事或一兩個理論就能說清的。宇宙的浩瀚,總是超乎人類的想象。我們中國是最早產(chǎn)生天文學(xué)的國家之一,古人對“宇宙”一詞的理解是:“四方上下曰宇,往古來今曰宙,”含義:時間和空間?,F(xiàn)在,我們知道宇宙就是包括一切時間、空間和物質(zhì)的總稱。
在遠古時期,原始人類在具備了思維能力之后,仰望天空,看到日升月落,斗轉(zhuǎn)星移,晝夜交替現(xiàn)象,便引發(fā)了思考。這一切如何發(fā)生,天上的事物究竟是什么?從一個模糊概念,激起了人類的好奇心,更激勵著一代代人不斷地探索、研究。
那么,宇宙是如何產(chǎn)生的呢?何種形狀?建立哪種模型?它會否消亡?等等。這是一個復(fù)雜、深奧的問題,圍繞這個問題,總是困擾著我們。宇宙中的物質(zhì)和它們各種表現(xiàn)形式一直在不斷運動、發(fā)展、演化,像迷一樣的多姿多彩、不可思議。
古往今來,人們認識宇宙有個漫長過程?,F(xiàn)在,就從我們中國古代說起,我們的祖先認為宇宙是“天圓地方”的,并建立了蓋天說、渾天說和宣夜說三種。蓋天說“天圓如張蓋,地方如棋局;”詩曰:“天似穹廬,籠蓋四野?!苯又皽喬煺f”認為,“天圓如彈丸,地如雞子中黃,”通俗來講,宇宙像是雞蛋,地球是蛋黃。后來,宣夜說又誕生了,它最早出現(xiàn)于戰(zhàn)國時期,如《列子·天瑞篇》所說:“日月星宿亦積氣中之有光耀者?!碧貏e是到了西晉,又出現(xiàn)了一位學(xué)者叫楊泉,他著了一部《物理論》,書中有一段對宇宙的精彩描述:“日月眾星,自然浮生于虛空之中,其行其止,皆須氣焉;”他說:“夫天,元氣也,皓然而已,無他物焉?!薄段锢碚摗吩谒急嫘缘淖匀徽軐W(xué)中提出:“氣發(fā)而升,精華上浮,宛轉(zhuǎn)隨流,名之曰天河,一曰云漢,眾星出焉?!边@一論述與現(xiàn)代對銀河系的描述不謀而合,而且十分精辟獨到。我們再看古代印度,他們認為宇宙結(jié)構(gòu)“大象龜蛇說,”含意:一個大海里有一只烏龜,烏龜馱著四只大象,大象馱著一塊陸地,陸地上有座高高的山峰,中間有條巨蟒纏繞。這都是古代先人對宇宙的看法和想象。從托勒密的地心說到哥白尼的日心說,再到宇宙大爆炸學(xué)說,經(jīng)歷了漫長而艱辛的過程。
現(xiàn)在,我要介紹的是現(xiàn)代人對宇宙的描述和看法。從伽利略到牛頓時期,人們對宇宙認識有了科學(xué)依據(jù),普遍認為,宇宙是無限而永恒的,在空間上沒有范圍,在時間上沒有開始和結(jié)束,它是平直的。首先提出宇宙大爆炸理論的是比利時物理學(xué)家勒梅特,最初是由一個體積極小,質(zhì)量極大的宇宙原子的大爆炸產(chǎn)生的。1929年,美國科學(xué)家埃德溫.哈伯觀測到“紅移現(xiàn)象,”這一發(fā)現(xiàn),最具里程杯意義。
不管往哪個方向看,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時刻,當(dāng)時宇宙無限緊密。1942年,美國宇宙學(xué)家伽莫夫就開始醞釀并創(chuàng)建了宇宙大爆炸的理論模型。到了1948年,他的研究成果基本成熟,于是發(fā)表了一篇了不起的論文,詳細闡述了宇宙大爆炸理論。
宇宙起源于137億年前的一次大爆炸,由一個最初極小致密的點,在巨大的高溫高壓下,產(chǎn)生了大爆炸,萬事萬物誕生了。宇宙出現(xiàn)了物質(zhì)、時間和空間,大爆炸使物質(zhì)四散出去,宇宙空間不斷膨脹,溫度也相應(yīng)下降,在一定條件下,物質(zhì)又重新組合,從而形成了星系、恒星、行星和生命。與大爆炸相關(guān)的一些原理,就是物理學(xué)家們所說的量子物理、核物理,但是因為整個體系在不斷膨脹,溫度逐漸下降。隨著溫度降低、冷卻,逐步形成原子、原子核、分子,并復(fù)合成為氣體。氣體在引力作用下,逐漸凝聚成星云,星云進一步形成各種各樣的恒星、星系、行星和生命,最終形成我們?nèi)缃袼吹降挠钪?。支持大爆炸理論的最強有利證據(jù)是后來觀測到的宇宙背景輻射。
宇宙大爆炸示意圖
宇宙起源經(jīng)歷了三個階段:一:宇宙創(chuàng)生階段:它是宇宙誕生的起點,大約在137億年前大爆炸的奇點,此時的宇宙具有極高溫度、密度和壓力;接下來很快進入普朗克時代,大爆炸后的10的負34次方秒,溫度下降到10的32次方K,密度為每立方米10的93次方千克;很快到了大統(tǒng)一時期,也就是10的負35次方秒,溫度為10的28次方K,引力、電磁作用力、強作用力、弱作用力四大作用力統(tǒng)一為一體;進入強子時期,是10的負6次方秒,溫度為10的14次方K;進入輕子時期,是10的負2次方秒,溫度為10的12次方K;此時,從四大作用力中分離出來,粒子開始出現(xiàn),原子尚未形成。
二:氫、氦等簡單元素產(chǎn)生階段:首先是輻射時期,1——10秒,溫度為10的10次方——10的9次方K;氦形成時期,3分鐘,溫度為10的9次方K,直徑約1光年,有將近30%氫反應(yīng)生成氦;粒子穩(wěn)定時期,30分鐘,溫度為10的8次方K;物質(zhì)時期,1000——2000年,溫度為10的5次方K;物質(zhì)從背景輻射中透明出來,10萬年,溫度約為5000K。
三:是星系、星體和生命誕生階段:到了1億年,溫度為100K,星系開始形成;到了10億年,溫度為12K,類星體、恒星、行星和生命開始誕生;到100億年,宇宙溫度為3K,而我們?nèi)祟惥吞幱谶@一時期。為了證明宇宙大爆炸學(xué)說,科學(xué)家們提出許多不同的證據(jù)。
證據(jù)一:通過觀測計算出的宇宙年齡與大爆炸理論所測算出的數(shù)值相符,還尚未發(fā)現(xiàn)比這數(shù)值年齡更大的天體。
證據(jù)二:氫和氦的豐度比例與大爆炸理論所給出的數(shù)值相符。我們知道,在氦形成時期,有近30%的氫反應(yīng)生成氦??茖W(xué)家們對當(dāng)前宇宙各個角落進行觀測和計算,得出所有數(shù)值都與這一比例相符。
證據(jù)三:就是觀測到宇宙微波背景輻射,這是大爆炸學(xué)說的最關(guān)鍵證據(jù)。發(fā)現(xiàn)這一最關(guān)鍵證據(jù)的人是美國貝爾電話實驗室的兩位無線電工程師彭齊亞斯和威爾遜,他們在工作中偶然用天線接收到強烈的噪聲,無論天線朝哪個方向,都無法停止,即使排除一切干擾因素,噪聲依舊存在。他們最終確認處于微波波段大約3K等效溫度的位置,發(fā)現(xiàn)一種來自空間且各個方向同性均等的噪聲。
這個發(fā)現(xiàn)一公布,很快引起美國物理學(xué)家迪克的重視。迪克認為,根據(jù)宇宙大爆炸理論,爆炸后產(chǎn)生的能量逐漸冷卻,到現(xiàn)在為止應(yīng)該殘留一絲痕跡,他和他的團隊一直在尋找這個遺跡,還沒找到,就意外地送上門來了。彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)恰好證實這個遺跡——宇宙微波背景輻射。后來,人們每次進入宇宙空間探索時,都要驗證一下微波背景輻射,發(fā)現(xiàn)它充斥著整個宇宙空間,個別區(qū)域還發(fā)現(xiàn)了漲落現(xiàn)象,這也印證了宇宙大爆炸學(xué)說是正確的。
宇宙微波背景輻射
宇宙在真空中誕生,它是“無中生有”的?!胺序v的真空”說法是英國物理學(xué)家狄拉克在1930年提出來的。他認為,真空中充斥著正負電子,當(dāng)具備一定條件,也就是“真空極化”時,負能粒子會轉(zhuǎn)變成正能粒子。
那么,也許有人會問,在宇宙誕生之前,還有沒有宇宙?它是什么樣子?等等問題,這些都是不成立的。直到進入普朗克時期,10的負34方秒后,連續(xù)的時間和空間才真正形成。在此之前,時間和空間是量子化、不連續(xù)的,時空處于混沌狀態(tài)。
宇宙是個“無中生有”的事物,宇宙中的所有物質(zhì)都在飛速運動,不可能靜止的。那么,這些物質(zhì)為什么能在真空中運動?它又靠哪種神秘力量推動的呢?如果無外力施加,或許是靜止、穩(wěn)定的。比如,一根木頭,如果不施加外力,它就是靜止的。一個氣球,如果不往里吹氣,它就不會膨脹,因為氣球內(nèi)部沒有任何支撐力,就是扁平或靜止的。如果你往里吹氣,它就會膨脹起來,氣吹得越多,膨脹越大。當(dāng)然,一旦發(fā)生漏氣,失去支撐力,就會劇烈地坍縮。而且,體積越大,坍縮得越快。如果宇宙中不能源源不斷地提供足夠的物質(zhì)和能量,一旦失去支撐力,將會發(fā)生什么呢?就讓我們發(fā)揮一下想象力吧。我想,無非是三種可能:
一、當(dāng)宇宙不能源源不斷地提供足夠的物質(zhì)和能量時,在萬有引力作用下,會發(fā)生坍縮,這就是科學(xué)家們常說的“閉合宇宙?!标P(guān)于“閉合宇宙”理論,首先由前蘇聯(lián)科學(xué)家弗里德曼提出的。他根據(jù)愛因斯坦《廣義相對論》里的方程:R_uv-1/2*R*g_uv=κ*T_uv進行計算,發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹,當(dāng)宇宙所有質(zhì)量產(chǎn)生的引力壓超出膨脹力時,就會發(fā)生劇烈的坍縮,坍縮后的宇宙又恢復(fù)了原狀。
二、支撐力固定了,宇宙安靜了,不膨脹不收縮,這就是“靜態(tài)宇宙?!币驗?,在愛因斯坦的頭腦里認定宇宙是安靜的,不膨脹不收縮的。他加了一個宇宙學(xué)常數(shù):R_uv-1/2*R*g_uv+Λ*g_uv=κ*T_uv,
建立起一個有限、無界、靜態(tài)的宇宙模型。
三、宇宙能在真空中源源不斷地產(chǎn)生足夠物質(zhì)和能量,有強勁、的支撐力,而永遠膨脹下去,這就是“膨脹宇宙。
三種宇宙模型示意圖
以上三種模型揭示了宇宙未來演化的情形。一是“閉合宇宙,” 宇宙從誕生之時起,就決定了它未來的走向。它猶如一個正在膨脹的氣球一樣,當(dāng)在某一時刻停止了充氣或者漏氣,會發(fā)生什么呢?開動腦筋發(fā)揮想象吧,如果內(nèi)部氣體消失了,意味著失掉支撐力,要么向內(nèi)收縮,回到原點;二是“宇宙大解體,”它猶如一團綻放的煙花一樣,當(dāng)焰火耗盡之時,就會發(fā)生解體,最終消失得無影無蹤;三是“永恒宇宙,”它猶如一個正在膨脹的氣球,在真空中不斷產(chǎn)生足夠的物質(zhì)和能量,而永遠膨脹下去。
據(jù)科學(xué)家觀測發(fā)現(xiàn),宇宙中可見物質(zhì)的分布并不均勻,它們懸浮在137億光年的哈勃球內(nèi)。而且,星系之間彼此遠離或接近,或相互碰撞與融合等,都受到引力牽引的作用。也就是說,兩個或多個物質(zhì)的相互靠近和吸引,取決于質(zhì)量大小,大質(zhì)量的物體吸引小質(zhì)量的物體,最終相互融合,相互作用,形成更大的物體,這是萬物演化的基本規(guī)律。比如,地球受到太陽強大的引力牽引,而圍繞太陽運轉(zhuǎn),始終擺脫不了它的束縛。除非地球運轉(zhuǎn)速度超出太陽引力,達到逃逸速度,而飛出太陽系。
從牛頓那時起,他看見蘋果從樹上落下,便引起了思考,最終發(fā)現(xiàn)了萬有引力。他在前人研究的基礎(chǔ)上,完整地建立了力學(xué)三定律和萬有引力定律,以思辨性的科學(xué)思維,進行了艱苦卓絕地研究,著了一部聞名世界的科學(xué)巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。它的問世,對世界科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。英國科學(xué)家愛德蒙·哈雷利用萬有引力定律首先測定彗星軌道數(shù)據(jù)并成功預(yù)言每76年回歸周期,這就是“哈雷彗星?!?而且,人們利用萬有引力,印證了潮汐現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)海王星。
愛因斯坦在《廣義相對論》中提出,物體的存在,導(dǎo)致時空的彎曲,萬有引力不是力,而是時空彎曲的表現(xiàn)。宇宙是“無中生有,”而所有物質(zhì)在真空中不斷產(chǎn)生,不斷運動,不斷融合,不斷演化,最終形成了宇宙。宇宙是由質(zhì)子、中子、電子、光子和中微子等基本粒子的形態(tài)物質(zhì)。
宇宙物質(zhì)分布圖
從這張圖中可以看出:我們所看得見的如星云、星系、恒星、行星、生命等重子構(gòu)成的物質(zhì),在浩瀚宇宙中僅占4.6%,有95.4%的物質(zhì)是不知道的,據(jù)初步猜測,其中23%稱暗物質(zhì),72.4%為暗能量。到目前為止,人類在實驗室環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的唯一暗物質(zhì)粒子就是中微子,這種粒子的質(zhì)量幾乎為零,它在全部暗物質(zhì)中占的比例非常小。其它的暗物質(zhì)粒子是由大質(zhì)量弱相互作用粒子構(gòu)成的,這些粒子比質(zhì)子的能量大10——1000倍。當(dāng)兩個暗物質(zhì)粒子相撞時,會發(fā)生湮滅現(xiàn)象,并釋放出r射線。由此可見,相對浩瀚宇宙來說,人類只是極其微不足道的渺小塵埃,甚至是塵埃中的塵埃。但作為碳元素的智慧生命——人類,好奇心和求知欲絕不滿足于眼前的認知,而是驅(qū)使我們將眼界伸向宇宙深處,去追根溯源。
自宇宙誕生之初,物質(zhì)在時空中四散開來,就像煙云似的游蕩,之后在引力作用下,又開始逐漸收縮,形成了最初的星系。星系在空間中游蕩,又不斷在靠近或遠離。原始星系中大部分都是小星系,星系之間在引力牽引下,相互碰撞與融合,形成大星系。大星系吞噬小星系,這是宇宙演化的基本規(guī)律。就我們的銀河系來說,也是如此。據(jù)觀測表明:大約在100億年后,銀河系可能跟距離我們220萬光年的仙女座大星系發(fā)生碰撞、合并,形成更大的星系。
星系碰撞融合演示圖
所有物質(zhì)在宇宙空間中飛速運動,銀河系也是如此??茖W(xué)研究證明,銀河系內(nèi)部的引力是不足以使其運轉(zhuǎn)和力量平衡。對此,科學(xué)家們產(chǎn)生了濃厚的研究興趣,通過觀測和計算,結(jié)果間接發(fā)現(xiàn)星系中有一種神秘的物質(zhì)跑到發(fā)光物質(zhì)的前面,這就是“暗物質(zhì),”它對星系運動產(chǎn)生了巨大影響。
暗物質(zhì)示意圖
星系運動示意圖
宇宙中有無數(shù)星系,它們既相互靠近,又彼此遠離,而絕大部分都是彼此遠離。紅移現(xiàn)象說明,星系之間彼此遠離而去,這印證了宇宙在膨脹,而且由減速膨脹變?yōu)榧铀倥蛎?。這令天文學(xué)家們迷惑不解,由此做了大量地觀測和研究,經(jīng)過反復(fù)觀測和計算,間接發(fā)現(xiàn)一種神秘的排斥力——暗能量。暗物質(zhì)還不清楚,又來暗能量。暗物質(zhì)是相互吸引,暗能量是彼此排斥。
暗能量示意圖
暗能量到底是什么?不清楚!宇宙中絕大部分問題,我們一無所知。據(jù)猜測,暗能量可能是愛因斯坦在《廣義相對論》的方程中:R_uv-1/2*R*g_uv+Λ*g_uv=κ*T_uv,后加的那個宇宙學(xué)常數(shù)“∧”拉米塔,如果是的話,愛因斯坦認為是錯誤,可能不是錯誤,而是一個重大成就。但是,宇宙學(xué)常數(shù)“∧”拉米塔又顯得過于簡單或牽強了??傊瑥母绨啄岬娜招恼f到現(xiàn)在才過了500年,我們不可能什么都知道,但人類探索求知的欲望、雄心和腳步,始終不會停止。
那么,也許有人會問,宇宙有多大?星系有多少?恒星有多少?是否有外星文明等一系列問題。下面,一一說道……
浩瀚的宇宙有為數(shù)眾多,大小不一的星系,目前人類所觀測到的大約1000億——2000億個星系,它們分布在137億光年的空間范圍內(nèi)。什么是光年?顧名思義,也就是光在一年所行的距離,就叫“光年,”(代號:ly),星系之間的距離很遙遠,用一般的長度單位很難代表,宇宙中最快的就是光速,每秒30萬公里,要想測量星系之間的距離只能用光年,數(shù)據(jù)約(300,000×3600×24×360=9.5萬億公里)這就是1光年;宇宙中恒星約為1000億×1000億,也就是10的22次方,這只是下限。由此可見,宇宙大得讓人不可思議。
星系,康德稱為“宇宙島?!毙窍荡笾路譃椋簷E圓星系、球狀星團、旋渦星系和不規(guī)則星系:
球狀星團
旋渦星系
橢圓星系
不規(guī)則星系
而不規(guī)則星系其實就是兩個星系正在碰撞、合并,形成的不規(guī)則形狀,因此稱為“不規(guī)則星系?!毙郎u星系,又叫“棒旋星系?!便y河系,就屬于棒旋星系。
銀河系全景圖
銀河系是一個盤狀的、帶有旋臂結(jié)構(gòu)的、密集的星系群體,而它在浩瀚的宇宙中只是眾多星系中的一個,不是最大的,但也不是最小。銀河系是一個棒旋星系,質(zhì)量大約是太陽的1萬億倍,直徑為10萬光年,中心厚度為1萬光,銀河直徑為7000光年。銀河系有四條旋臂,分別是:人馬臂、獵戶臂、英仙臂和天鵝臂。我們的太陽系就處在獵戶臂,距離銀心不到3萬光年。天文學(xué)家們曾于2008年證實,位于銀河系中心,距離地球2.6萬光年的'人馬座A'其實是一個質(zhì)量超大的黑洞(約為太陽的400萬倍)。這個巨型黑洞,是凝聚銀河系的唯一源頭。如果把銀河系看作是我們在宇宙中的國,那么,太陽系自然而然就是我們的家。銀河系,據(jù)天文學(xué)家們預(yù)測,預(yù)計在100億年后,可能會跟距離我們230萬光年的仙女座大星系碰撞、合并,到那時候,銀河系就會發(fā)翻天覆地的變化。大家不用緊張,我們?nèi)祟惸芊窨吹?,還是未知數(shù)。
什么是恒星?它有什么特征?顧名思義,恒星就是自身能發(fā)生熱核反應(yīng),發(fā)光發(fā)熱,最終演化成致密殘骸的星體。星云是恒星誕生的原材料,它曾經(jīng)是一顆紅超巨星死亡后的產(chǎn)物,飄散在空間中,在一定條件下,物質(zhì)受到彼此引力牽引作用,而逐漸凝聚,專業(yè)術(shù)語叫:“引力收縮,” 像滾雪球一樣,越滾越大,物質(zhì)因凝聚而升溫,當(dāng)質(zhì)量和體積達到一定程度時,點燃了熱核反應(yīng),也就是氫聚變成氦的核反應(yīng),此時,引力壓和膨脹壓達到了平衡,一個輝煌壯麗的恒星誕生了。形成恒星的相關(guān)條件,取決于星胚質(zhì)量和體積的大小,至少要達到8%m⊙(太陽質(zhì)量)以上,如果小于8% m⊙,就無法產(chǎn)生足夠的高溫高壓,點不燃熱核反應(yīng),也形不成恒星。
恒星的一生主要經(jīng)歷漫長的演化過程,它生于星云,死于星云??煞譃椋盒桥?、主序星、紅巨星和致密星四個階段。星胚是恒星的胚胎階段;主序星是恒星的青壯年階段;紅巨星是恒星的衰老階段;致密星是恒星的死亡階段。致密星又可分為:白矮星、中子星和黑洞。質(zhì)量越大的恒星,壽命越短,質(zhì)量越小的恒星,壽命越長。質(zhì)量大于10倍m⊙(太陽質(zhì)量)以上的恒星死亡后,即超新星爆發(fā),拋出去的物質(zhì),形成了星云。在引力牽引下,星云又重新凝聚,從而為下一代恒星的誕生,創(chuàng)造了條件??芍^分久必合,合久必分,遵循這樣“周而復(fù)始,始而不同”的演化規(guī)律。
當(dāng)一顆紅巨星步入致密星階段,核燃料快要耗盡時,使多級核反應(yīng)并存,能量超常,膨脹力克服中心的引力,體積不斷向外擴展,一旦核燃料耗盡后,膨脹壓撤銷了,引力壓超出膨脹壓,會發(fā)生劇烈的坍縮,在巨大的高溫高壓下,砸成一個致密的星核,可能形成白矮星、中子星和黑洞。關(guān)于三種致密星的數(shù)據(jù)資料,首先看一下白矮星,圖例:
白矮星
中間的白點就是白矮星,它的表面重力等于地球表面的10億倍。在這樣高的壓力下,任何物體都已不復(fù)存在,連原子都被壓碎了:電子脫離了原子軌道變?yōu)樽杂呻娮?。體積小,它的半徑接近于行星半徑,平均小于10的3次方千米。光度即恒星每秒鐘內(nèi)輻射的總能量,即恒星發(fā)光本領(lǐng)的大小。白矮星的光度非常小,是正常恒星平均的10的3次方分之一。質(zhì)量為2.213248萬億噸。密度高達1,000,000 g/cm3(地球密度為5.5g/cm3),一顆與地球體積相當(dāng)?shù)陌装?比如說天狼星的鄰星Sirius B)的表面重力約等于地球表面的18萬倍。表面溫度很高,平均為10的4次方℃。磁場高達10的5次方--10的7次方高斯。從白矮星到黑矮星,需要100億年,黑矮星就是一個巨大的金剛石,到目前為止,一顆黑矮星都沒找到。因為宇宙年齡才137億年,還早著呢。
中子星
中子星,也叫脈沖星,它是宇宙中的“燈塔,”當(dāng)你在星際航行中看到脈沖信號和物質(zhì)奔流時,很有可能是中子星。1932年,英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室的詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了中子,并因此獲得1935年5月18日的諾貝爾物理學(xué)獎。俄國著名物理學(xué)家列夫·朗道及其同事們隨即預(yù)測存在一種完全由中子組成的星,但他們的想法并沒有及時發(fā)表。真正計算驗證和發(fā)現(xiàn)中子星的時間要早一些。首先,驗證中子星的人是印度天體物理學(xué)家錢德拉塞卡,1930年,20歲的錢德拉塞卡在去英國留學(xué)的輪船上對白矮星的質(zhì)量和體積進行精心計算,發(fā)現(xiàn)白矮星有個質(zhì)量上限,不能超過1.44m⊙(太陽質(zhì)量),如果超過上限,就會進一步坍縮成更致密的星體,被譽為“錢德拉塞卡極限。”中子星半徑則在10至20公里之間,質(zhì)量密度為每立方厘米1億到10億噸,硬度是鋼鐵的1億倍,逃逸速度在10,000至150,000千米/秒之間,表面溫度超過1000萬攝氏度,中心溫度超過60億攝氏度,因為角動量守衡,每秒自轉(zhuǎn)幾千次,并發(fā)出規(guī)則的脈沖信號,讓人誤以為是外星人。1969年,發(fā)現(xiàn)中子星的人是兩位射電天文學(xué)家休伊士和貝爾,那是在公元1054年(中國宋朝年間)在金牛座有一顆超新星爆發(fā)的殘骸蟹狀星云中,發(fā)現(xiàn)了一顆射電脈沖星(中子星),證明了脈沖星、中子星和超新星之間的關(guān)系。根據(jù)泡利不相容原理,不論任何物體,它的結(jié)構(gòu)支撐靠電子簡并壓,通常來說,就是電子與電子之間斥力來支撐。如果引力壓超強,泡利斥力頂不住了,它會進一步坍縮,把質(zhì)子壓進原子核里去了,質(zhì)子之間挨得很近,變成了中子,由中子構(gòu)成的星體,俗稱“中子星,”也稱“脈沖星?!?/p>
黑洞
黑洞——宇宙中的怪物,它是超大質(zhì)量恒星死亡的殘骸。早在200多年前,首先由法國天體物理學(xué)家拉普拉斯和英國劍橋大學(xué)學(xué)監(jiān)米歇爾幾乎同時預(yù)言暗星。拉普拉斯在他的書中寫道:“天空中存在著黑暗的天體,像恒星那樣大,或許像恒星那樣多。一個具有與地球同樣密度,而直徑約為太陽250倍的明亮星體,它發(fā)射的光將被它自身的引力拉住,而不能被我們接收。正是由于這個道理,宇宙中最明亮的天體很可能卻是看不見的?!毙纬砂敌堑臈l件:R=2GM/c平方。
1939年,美國原子彈之父(奧本海默)在研究中子星結(jié)構(gòu)的時候,再次用廣義相對論預(yù)言了暗星。他經(jīng)過計算,中子星也有個質(zhì)量上限,不能超過3.5 m⊙(太陽質(zhì)量),如果超過這個質(zhì)量上限,也會進一步坍縮成暗星(黑洞)。如果太陽要成為黑洞的話,從半徑70萬千米,縮小到3千米,密度為每立方厘米100億噸。如果地球變成黑洞,所有物質(zhì)縮到乒乓球大小。黑洞,有恒星級的,也有星系級的。恒星級的較小,星系級的較大。黑洞內(nèi)部大部分是真空,它吞噬著周圍的物質(zhì),當(dāng)物質(zhì)接近黑洞,會被強大的萬有引力吸進去,進去之后,潮汐力將其撕碎,就直奔奇點,只有奇點無窮大。球?qū)ΨQ的黑洞叫做“史瓦西黑洞,”不隨時間變化的,它有一個表面,中心在r=0,有一個奇點,黑洞里邊和外邊時空是區(qū)別的,在黑洞里邊的時空坐標(biāo)互換了,它的半徑r變成了時間,而時間t變成了空間,黑洞里邊的時間是朝里的,白洞里邊的時間是朝外的。黑洞的奇點是時間結(jié)束的地方,白洞的奇點是時間開始的地方。因此,我懷疑黑洞的背面可能存在白洞,反之,白洞背面可能存在黑洞。黑洞和白洞的接口處可能存在蟲洞,蟲洞也叫“愛因斯坦羅森橋,”據(jù)猜測,它可能是進入其他宇宙的通道。
蟲洞(愛因斯坦羅森橋)
太陽系全景圖
就我們的太陽來說,在50億年前,由一團星云受到引力的牽引而慢慢凝聚,隨著氣體越積越多,越聚越大,越凝聚就越升溫,中心形成了一個大亮團,大大大……大到一定程度后,點燃了核反應(yīng),此時,引力壓和膨脹壓達到了平衡,一個輝煌、壯麗的恒星就誕生了。恒星的誕生,會迅速掃清周圍的碎片,形成了圍繞恒星運轉(zhuǎn)的行星或小行星,也就是我們所熟知太陽系的水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星八大行星,以及二級行星(矮行星)和小行星等天體,從而形成我們的太陽系。水星、金星、地球和火星是固體星球;木星、土星、天王星和海王星都是氣態(tài)或液態(tài)星球。
太陽是一顆恒星,它是太陽系的偉大主宰,處在中心位置。半徑70萬千米,表面溫度高達6000℃,核心溫度1500萬℃,核心壓力是地球大氣壓的340億倍,體積是地球的33萬倍,占整個太陽系總質(zhì)量的99.7%,直徑是地球的109倍,內(nèi)部正在發(fā)生劇烈的熱核聚變,4個氫聚變成一個氦,熊熊烈焰燃燒50億年了,剩余的氫還可燃燒50億年。假如,我們乘坐宇宙飛船去那里旅游,可行嗎?它就是火的海洋,別說接近,日珥就能把你烤化了。再過50億年后,中心的燃料燃燒差不多了,表面向外蔓延,產(chǎn)生大量的氦,在巨大高溫高壓下,再進一步點燃,3個氦聚變成一個碳。兩級核反應(yīng)并存,使它的能量超常,巨大的膨脹壓力,克服了中心的引力,體積會膨脹,迅速吞掉水星、金星、地球,一直蔓延到接近火星軌道。待能量燃燒完以后,發(fā)生坍縮。為什么?因為燃燒的膨脹壓力撤銷了,萬有引力壓就大,當(dāng)引力壓大于膨脹壓時,就會發(fā)生劇烈的坍縮、反彈、爆發(fā),最終坍縮成白矮星,安靜而孤獨,也走完它的生命旅程。
地球全景圖
我們生活中的家園——地球,是太陽系中的第三顆星球。地球上的所有動植物的生存,都靠太陽的光和熱。地球處在太陽系中恰到好處的位置,也就是天文學(xué)家們所說的“行星適居帶?!?/p>
水,為生命的生存、進化和繁衍,提供了重要能源,特別是人類這樣的高級生命。越高級的生命,對生存環(huán)境的要求越是苛刻。地球上蘊藏著豐富的水、氧氣、煤、石油、天然氣等能源,
月球是地球的天然伙伴,它為地球自轉(zhuǎn)速度的減緩,起到關(guān)鍵作用,從而加速了生命的進化,由海洋轉(zhuǎn)上陸地。閃電、氮磷化合物、有機分子與地核內(nèi)部的巖漿提供適度的熱能,構(gòu)成了生命的催化劑。地殼運動,火山噴發(fā),造山開始,導(dǎo)致大陸板塊的飄移,以及綠色植被的生長,為早期生命的生存,提供了足夠的氧氣,從而形成了原始生態(tài)系統(tǒng)。
寒武紀(jì)是顯生宙的開始,標(biāo)志著地球生物演化史新的一幕。在寒武紀(jì)開始后的短短數(shù)百萬年時間里,包括現(xiàn)生動物幾乎所有類群祖先在內(nèi)的大量多細胞生物突然出現(xiàn),這一爆發(fā)式的生物演化事件被稱為'寒武紀(jì)生命大爆炸'。帶殼、具骨骼的海洋無脊椎動物趨向繁榮,它們營底棲生活,以微小的海藻和有機質(zhì)顆粒為食物,其中,最繁盛的是節(jié)肢動物三葉蟲,故寒武紀(jì)又稱為'三葉蟲時代',其次是腕足動物、古杯動物、棘皮動物和腹足動物,寒武紀(jì)的生物形態(tài)奇特,和我們現(xiàn)在地球上所能看見的生物極不相同。
而我們熟知的大形食肉動物——恐龍,就出現(xiàn)在距今6500萬年前的白堊紀(jì)。而恐龍的滅絕,據(jù)相關(guān)證據(jù)表明,是由一顆直徑約為40公里的小行星撞擊地球引起的。假如,恐龍還在的話,人類還能出現(xiàn)嗎?我們不得而知。但可以肯定的是,一個物種的消失,標(biāo)志著另一物種的開始;生命的演化絕非單純或單一的,演化歷程也是漫長而艱辛,萬物都是由低級向高級,由單一向多種,由簡單向復(fù)雜的進化規(guī)律。
人類,是由古猿進化而來的。由猿到人的過程中,經(jīng)歷了漫長艱難。從爬行到直立,從簡單到智慧,最終成為地球的主宰,無不遵循上述規(guī)律。
在現(xiàn)代文明的今天,人類在探索浩瀚的宇宙,不斷去追根溯源,利用先進的科學(xué)技術(shù),探尋地外文明??上?,至今尚未獲得有關(guān)證據(jù)。但是,人類決不是唯一的智慧生命,在浩瀚的宇宙中,在眾多的星系中,很有可能存在眾多的地外文明,甚至比人類更高級的地外文明。只是,人類目前還尚未達到生活在高維度的外星人先進的科技程度??梢姡壳叭祟惖恼J知和眼界是極其有限的。我們不可能什么都知道,也不可能一無所知,只是處于一知半解的發(fā)展階段??傊?,我們要相信自己有一天在宇宙中一定能找到地外文明的證據(jù),證明人類并不是孤獨的。并與他們建立某種溝通渠道,從而發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)劣,改進我們的思維,促進共同進步,作出不懈努力!
人類作為碳質(zhì)的智慧生命,在不斷地追根溯源,這是可以的。但關(guān)于宇宙之迷有太多太多,對于這樣深奧、宏大的課題,我們還要不斷努力去研究、探索……