第四節 宇宙探秘(1 / 3)

人們怎樣能推測出曾經可能有過宇宙大爆炸呢?主要的依據是根據天文學的觀測和研究,太陽隻是銀河係中的一兩千億個恒星中的一個,像銀河係同類的恒星係——河外星係還有千千萬萬。

從觀測中發現了那些遙遠的星係都在遠離我們而去,離我們越遠的星係,飛奔的速度越快,因而形成了膨脹的宇宙。

對此,人們開始反思,如果把這些向四麵八方遠離中的星係運動倒過來看,它們可能當初是從同一源頭發射出去的,是不是在宇宙之初發生過一次難以想象的宇宙大爆炸呢?

1932年,天文學家勒梅特首次提出了現代宇宙大爆炸理論:大約在150億年前,宇宙所有的物質都高度密集在一點,有著極高的溫度,因而發生了巨大的爆炸。

大爆炸以後,物質開始向外大膨脹,就形成了今天我們看到的宇宙。現在我們看見的和看不見的一切天體和宇宙物質,形成了當今的宇宙形態,人類就是在這一宇宙演變中誕生的。

1:宇宙概念剖析

人類從來就沒有放棄過對自身生存的時空宇宙的探索和追求,總希望通過各種途徑來認識和了解釋自身生存的自然環境,從而讓自己的生活更加燦爛美好。

人類對於宇宙的探索、認識所產生的概念是從低級到高級、從一般到普遍、從表象到深刻、從局部到廣泛一步一個腳印,波浪式地前進、螺旋式地上升。

然而,由於受人類社會進行的步伐與科學技術發展之影響,人對於時空宇宙的認識具有一定的局限性。或者說,探索、追求的結果是不全麵和不徹底的。

1.1:曆史步伐

據史料考證,在中國古籍中最早使用宇宙這個詞的是《莊子·齊物論》。“宇”的含義包括各個方向,如東西南北的一切地點。“宙”包括過去、現在、白天、黑夜,即一切不同的具體時間。

朦朧階段

遠古時代,人們對宇宙結構的認識處於十分幼稚的狀態,他們通常按照自己的生活環境對宇宙的構造作幼稚的推測。

在中國西周時期,生活在華夏大地上的人們提出的早期蓋天說認為,天穹像一口鍋,倒扣在平坦的大地上;後來又發展為後期蓋天說,認為大地的形狀也是拱形的。公元前7世紀,巴比倫人認為,天和地都是拱形的,大地被海洋所環繞,而其中央則是高山。古埃及人把宇宙想象成以天為盒蓋、大地為盒底的大盒子,大地的中央則是尼羅河。古印度人想象圓盤形的大地負在幾隻大象上,而象則站在巨大的龜背上,公元前7世紀末,古希臘的泰勒斯認為,大地是浮在水麵上的巨大圓盤,上麵籠罩著拱形的天穹。

最早認識到大地是球形的是古希臘人。公元前6世紀,畢達哥拉斯從美學觀念出發,認為一切立體圖形中最美的是球形,主張天體和我們所居住的大地都是球形的。這一觀念為後來許多古希臘學者所繼承,但直到1519—1522年,葡萄牙的麥哲倫率領探險隊完成了第一次環球航行後,地球是球形的觀念才最終證實。

地心說

公元2世紀,出生於埃及的克羅狄斯·托勒密提出了一個完整的地心說。這一學說認為地球在宇宙的中央安然不動,月亮、太陽和諸行星以及最外層的恒星天都在以不同速度繞著地球旋轉。

1543年,哥白尼提出科學的日心說,認為太陽位於宇宙中心,而地球則是一顆沿圓軌道繞太陽公轉的普通行星。1609年,開普勒揭示了地球和諸行星都在橢圓軌道上繞太陽公轉,發展了哥白尼的日心說,同年,伽利略則率先用望遠鏡觀測天空,用大量觀測事實證實日心說的正確性。

1687年,牛頓提出了萬有引力定律,深刻揭示了行星繞太陽運動的力學原因,使日心說有了牢固的力學基礎。在這以後,人們逐漸建立起了科學的太陽係概念。在哥白尼的宇宙圖像中,恒星隻是位於最外層恒星天上的光點。1584年,喬爾丹諾·布魯諾大膽取消了這層恒星天,認為恒星都是遙遠的太陽。

18世紀上半葉,由於哈雷對恒星自行的發展和布拉得雷對恒星遙遠距離的科學估計,布魯諾的推測得到了越來越多人的讚同。

宇宙雛形

18世紀中葉,賴特、康德和朗伯推測說,布滿全天的恒星和銀河構成了一個巨大的天體係統。

弗裏德裏希·威廉·赫歇爾首創用取樣統計的方法,用望遠鏡數出了天空中大量選定區域的星數以及亮星與暗星的比例。

1785年首先獲得了一幅扁而平、輪廓參差、太陽居中的銀河係結構圖,從而奠定了銀河係概念的基礎。在此後一個半世紀中,沙普利發現了太陽不在銀河係中心、奧爾特發現了銀河係的自轉和旋臂,以及許多人對銀河係直徑、厚度的測定,科學的銀河係概念才最終確立。

18世紀中葉,康德等人還提出,在整個宇宙中,存在著無數像我們的天體係統(指銀河係)那樣的天體係統。而當時看去呈雲霧狀的“星雲”很可能正是這樣的天體係統。

1924年,哈勃用造父視差法測仙女座大星雲等的距離確認了河外星係的存在。半個多世紀,人們通過對河外星係的研究,不僅發現了星係團、超星係團等更高層次的天體係統,而且使我們的視野擴展到遠達200億光年的宇宙深處。

1.2:觀察推論

人類對於宇宙的認識從自身生存的地球開始,然後進入到太陽係,再發展到銀河係,最終延伸至整個宇宙。

人們十分清楚地知道,要想深刻揭示宇宙存在的藍圖,就必須對星體的產生進行剖析。

宇宙膨脹

太陽係概念確立以後,人們開始從科學的角度來探討太陽係的起源。1644年,笛卡兒提出了太陽係起源的旋渦說;1745年,布豐提出了一個因大彗星與太陽掠碰導致形成行星係統的太陽係起源說;1755年和1796年,康德和拉普拉斯則各自提出了太陽係起源的星雲說。現代探討太陽係起源z的新星雲說正是在康德-拉普拉斯星雲說的基礎上發展起來的。

1911年,赫茨普龍建立了第一幅銀河星團的顏色星等圖;1913年,伯特蘭·阿瑟·威廉·羅素則繪出了恒星的光譜-光度圖,即赫羅圖。羅素在獲得此圖後便提出了一個恒星從紅巨星開始,先收縮進入主序,後沿主序下滑,最終成為紅矮星的恒星演化學說。

1924年,亞瑟·斯坦利·愛丁頓提出了恒星的質光關係;1937—1939年,魏茨澤克和貝特揭示了恒星的能源來自於氫聚變為氦的原子核反應。這兩個發現導致了羅素理論被否定,並導致了科學的恒星演化理論的誕生。對於星係起源的研究,起步較遲,目前普遍認為,它是我們的宇宙開始形成的後期由原星係演化而來的。

1917年,愛因斯坦運用他剛創立的廣義相對論建立了一個“靜態、有限、無界”的宇宙模型,奠定了現代宇宙學的基礎。1922年,弗裏德曼發現,根據愛因斯坦的場方程,宇宙不一定是靜態的,它可以是膨脹的,也可以是振蕩的。前者對應於開放的宇宙,後者對應於閉合的宇宙。

1927年,勒梅特也提出了一個膨脹宇宙模型。1929年,哈勃發現了星係紅移與它的距離成正比,建立了著名的哈勃定律。這一發現是對膨脹宇宙模型的有力支持。

20世紀中葉,伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙模型,他們還預言,根據這一模型,應能觀測到宇宙空間目前殘存著溫度很低的背景輻射。

1965年微波背景輻射的發現證實了伽莫夫等人的預言。從此,許多人把大爆炸宇宙模型看成標準宇宙模型。

1980年,美國的古斯在熱大爆炸宇宙模型的基礎上又進一步提出了暴漲宇宙模型。這一模型可以解釋目前已知的大多數重要觀測事實。

宇宙藍圖

當代天文學的研究成果表明,宇宙是有層次結構的、物質形態多樣的、不斷運動發展的天體係統。

2500億顆類似太陽的恒星和星際物質構成更巨大的天體係統——銀河係。銀河係中大部分恒星和星際物質集中在一個扁球狀的空間內,從側麵看很像一個“鐵餅”,正麵看去呈旋渦狀。

銀河係的直徑約10萬光年,太陽位於銀河係的一個旋臂中,距銀心約3萬光年。銀河係外還有許多類似的天體係統,稱為河外星係,常簡稱星係。現已觀測到大約有10億個。

星係也聚集成大大小小的集團,叫星係團。平均而言,每個星係團約有百餘個星係,直徑達上千萬光年。現已發現上萬個星係團。目前天文觀測範圍已經擴展到200億光年的廣闊空間,它被稱為總星係。

恒星在空間常常聚集成雙星或三五成群的聚星,它們可能占恒星總數的1/3.也有由幾十、幾百乃至幾十萬個恒星聚在一起的星團。宇宙物質除了以密集形式形成恒星、行星等之外,還以彌漫的形式形成星際物質。星際物質包括星際氣體和塵埃,平均每立方厘米隻有一個原子,其中高度密集的地方形成形狀各異的各種星雲。

宇宙中除發出可見光的恒星、星雲等天體外,還存在紫外天體、紅外天體、X射線源、γ射線源以及射電源。

總之,當今人類對於宇宙的認識無論是借助於哈勃望遠鏡的觀察、還是通過時空宇宙中的各種射線,都是屬於視空世界之範疇。對於觀察者或接收器來講,都必將存在著一個時空辯證角。

視空黑洞的存在為人類進一步探索宇宙產生出濃鬱的興趣!《時空哲學》的理論為人類進一步認識宇宙描繪出精彩的藍圖!

2:宇宙黑洞剖析

客觀存在的時空宇宙是由物質與組成的。物質的存在與的變化勾畫出四維時空宇宙的運動藍圖。

自然界中存在的一切物理現象都應該建立在哲學基礎上進行有效的、合理的、科學的解釋。現在,我們通過《時空哲學》原理來解釋當今人類關於宇宙的種種困惑。

早在20世紀30年代,瑞士科學家弗裏茲·紮維奇就設想宇宙間存在著某種不為人所知的暗物質。

他還指出,星係群中的發光物質如果隻依靠自身的引力將各個星係保持聯接在一起,那麼它們的量就必須要再增加10倍。而用來彌補這個空缺的就是看不見的重力物質,即我們今天所說的暗物質。

盡管暗物質在宇宙間的儲藏量比其他普通物質高出許多,但有關暗物質的性質目前科學家們尚不能給予完整的表述。

到現在,已有不少天文學家認為,宇宙中90%以上的物質是以“暗物質”的方式隱藏著。但暗物質到底是些什麼東西至今還是一個謎,還有待於人們去進一步探索。

2.1:物理黑洞

20世紀30年代,荷蘭天體物理學家奧爾特指出:為了說明恒星的運動,需要假定在太陽附近存在著暗物質;同年代,茨維基從室女星係團諸星係的運動的觀測中,也認為在星係團中存在著大量的暗物質;美國天文學家巴柯的理論分析也表明,在太陽附近,存在著與發光物質幾乎同等數量看不見的物質。

那麼,太陽附近和銀道麵上的暗物質是些什麼東西呢?天文學家認為,它們也許是一般光學望遠鏡觀測不到的極暗弱的褐矮星或質量為木行星30—80倍的大行星。

在大視場望遠鏡所拍攝的天空照片上已發現了暗於14星等,不到半個太陽質量的M型矮星。由於太陽位於銀河係中心平麵的附近,從探測到的M型矮星的數目可推算出,它們大概能提供銀河係應有失蹤質量的另一半。且每一顆M型星發光,最多隻能有幾萬年。所以人們認為銀河係中一定存在著許許多多的這些小恒星“燃燒”後的“屍體”,足以提供理論計算所需的全部暗物質。

觀測結果和理論分析均表明旋渦星係外圍存在著大質量的暗暈。那麼,暗暈中含有哪些看不見的物質呢?英國天文學家裏斯認為可能有三種候選者:第一種就是上麵所述的小質量恒星或大行星;第二種是很早以前由超大質量恒星坍縮而成的200萬倍太陽質量左右的大質量黑洞;第三種是奇異粒子,如質量可能為20—49電子伏且與電子有聯係的中微子,質量為105電子伏的軸子或目前科學家所讚成的各種大統一理論所允許和需求的粒子。

歐洲核子研究中心的粒子物理學家伊裏斯認為,星係暈及星係團中最佳的暗物質候選者是超對稱理論所要求的S粒子。這種理論認為:每個已知粒子的基本粒子(如光子)必定存在著與其配對的粒子(如具有一定質量的光微子)。伊裏斯推薦四種最佳暗物質候選者:光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科學家還認為,這些粒子也是星係團之間廣大宇宙空間中的冷的暗物質候選者。

物理黑洞一方麵是指自身不發光、也不反射光的星體。雖然人們通過天文望遠鏡觀察不到這類星體的存在,但是,我們可以通過各種磁波的性質來測量它們的存在。

物理黑洞另一方麵是指自身既不發射任何光磁波、也不反射任何光磁波的星體。那麼,這樣的星體猶如一顆“死星”,人類既看不到、也找不到。

因此,物理黑洞可以解釋部分暗物質的存在,但不是全部的暗物質。而且,物理黑洞不能解釋暗能量的存在。

2.2:哈勃黑洞

早在太空望遠鏡發明以前,人們觀測太空受到很大限製,因為地球大氣層對電磁波傳輸有較大的影響,而太空望遠鏡的出現,使得天文學家成功地實現了對宇宙天體電磁波段的觀測,並獲得突破性進展。因而一些科技強國紛紛研製和發射形形色色的太空望遠鏡,美國發射的“哈勃”太空望遠鏡和“錢德拉”X射線望遠鏡就是其中的代表。