宇宙的诞生

宇宙的诞生 人们常常会问: 宇宙是永远不变的吗 ? 宇宙有多大 ? 宇宙是 什么时候诞生的 ? 宇宙中的物质是怎么来的 ? 等等。 当人类第一次把眼睛投向天空时, 他就想知道这浩瀚无垠的天空以及那闪闪发光的星星是怎样产生的。所以, 各个民族, 各个时代都有种种关于宇宙形成的传说。不过那都是建立在想象和幻想基础上的。今天, 虽然科学技术已经有了重大进步, 但关于宇宙 的成因, 仍处在假说阶段。归纳起来, 大致有以下这么几种假说。 到目前为止, 许多科学家倾向于“宇宙大爆炸”的假说。这一观点是由美国著名天体物理学家加莫夫和弗里德曼提出来的。这 一假说认为, 大约在 200 亿年以前, 构成我们今天所看到的天体的物质都集中在一起, 密度极高, 温度高达 100 多亿度, 被称为原始 火球。这个时期的天空中, 没有恒星和星系, 只是充满了辐射。后 来不知什么原因, 原始火球发生了大爆炸, 组成火球的物质飞散到 四面八方, 高温的物质冷却起来, 密度也开始降低。在爆炸两秒钟 之后, 在 100 亿度高温下产生了质子和中子, 在随后的自由中子衰 变的 11 分钟之内, 形成了重元素的原子核。大约又过了 10000 年 , 产生了氢原子和氦原子。在这 10000 年的时间里, 散落在空间的物质便开始了局部的联合, 星云、星系和恒星, 就是由这些物质凝聚而成的。在星云的发展中, 大部分气体变成了星体, 其中一部 分物质因受到星体引力的作用, 变成了星际介质。 1929 年, 哈勃对 24 个星系进行了全面地观测和深入研究。他 发现这些星系的谱线都存在明显的红移。根据物理学中的多普勒 · 1 · 　 　 效应, 这些星系在朝远离我们的方向奔去, 即所谓的退行。而且, 哈勃发现这些星系退行的速度与它们的距离成正比。也就是说, 离我们越远的星系, 其退行速度越大。这种观测事实表明宇宙在 膨胀着。那么, 宇宙从什么时候开始膨胀 ? 已膨胀多久了 ? 根据 哈勃常数 H = 150 千米/ 秒·千万光年, 这个意义是: 距离我们 1000 万光年的天体, 其退行的速度为每秒 150 千米, 从而计算出宇宙的 年龄为 200 亿年。也就是说, 这个膨胀着的宇宙已存在 200 亿年 了。 20 世纪 60 年代天文学中的四大发现之一的微波背景辐射认 为 , 星空背景普遍存在着 3K 微波背景辐射, 这种辐射在天空中是各向同性的。这似乎是当年大爆炸后遗留下的余热, 从某种意义上这也是支持了大爆炸宇宙学的观点。但是, 大爆炸宇宙学也有些根本性问题没有解决。如大爆炸前的宇宙是什么样 ? 大爆炸是怎么引起的 ? 宇宙的膨胀未来是什么格局 ? 第二种是“宇宙永恒”假说。这种假说认为, 宇宙并不是像人们所说的那样动荡不定, 自从开天辟地以来, 宇宙中的星体, 星体密度以及它们的空间运动都处在一种稳定状态, 这就是宇宙永恒假说。这种假说是英国天文学家霍伊尔、邦迪和戈尔特等人提出来的。霍伊尔把宇宙中的物质分成以下几大类: 恒星、小行星、陨石、宇宙尘埃, 星云, 射电源, 脉冲星, 类星体、星际介质等, 认为这些物质在大尺度范围内处于一种力和物质的平衡状态。就是说, 一些星体在某处湮灭了, 在另一处一定会有新的星体产生。宇宙只是在局部发生变化, 在整体范围内则是稳定的。 第三种是“宇宙层次”假说。这种假说是法国天文学家沃库勒 等人提出来的。他们认为宇宙的结构是分层次的, 如恒星是一个 层次, 恒星集合组成星系是一个层次, 许多星系结合在一起组成星系团是一个层次, 一些星系团组成超星系团又是一个层次。 综合起来看, 以上种种假说虽然说明了模式的部分道理, 但还 · 2 · 　 　 　 都缺乏概括性, 还有继续探讨的必要。 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, 在新的世界里, 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 200 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, 人们建造了以“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”。 · 3 · 　 　 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, 宇宙必须先于在它其中的星球更早地诞生。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, 在人们平静的心湖里激起狂澜。 · 4 · 　 　 人们开始重新反思生命甚至赋予生命的庞大宇宙。 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日多, 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, 但同样会导致混乱和复杂。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。 而我们整个太阳系又仅是大“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, 每个这 种星星都是一个“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 光年就是光在一年走过的距离。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 ? · 5 · 　 　 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, 时间上是无始无终, 空间上无 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 膨胀中, 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 期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 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在爆炸发生的确实时间是个谜。 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 · 6 · 　 　 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, 而地球好些石层, 也有 40 亿年历史了。