宇宙空間

宇宙空間

地球大氣以外的空間亦稱"外層空間",一個國家領空向上延伸的高度,歷來主張不一。1959年12月,聯合國成立了和平利用外層空間委員會,以探索和平利用外層空間的實施辦法。1967年1月,美、蘇等國簽訂了《關于各國探測及使用空間包括月球與其他天體活動所應遵守原則之條約》,規定外層空間應對所有國家開放,各國有從事科學研究的自由,所有國家應促進和鼓勵這種研究的國際合作。

  • 中文名稱
    宇宙空間
  • 外文名稱
    Space
  • 分類
    社會科學
  • 定義
    科學

環境

宇宙空間環境與人類生活的近地空間環境相比,是十分嚴酷的。這裏以太陽系

宇宙空間為例來說明。首先是超高度真空,但其間每立方釐米仍有0.1個氫原子和氫分子等物質構成的星際氣體。其次是極端溫度。受太陽光直接照射,可以產生極高溫度,那裏陽光耀眼;背向太陽光,則可以是接近絕對零度的低溫,那裏漆黑如墨。宇宙空間的高真空、極高和極低溫度,對航天器的設計和材料等提出很高的要求。

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第三是宇宙線輻射和各種高能帶電粒子、電漿。除銀河宇宙線的高能帶電粒子因通量較低,對航天器影響很小外,其它對航天器的運行軌道、姿態、表面材料、內部器件及電位等都會產生顯著的影響。這些輻射和高能帶電粒子、等離體,大都與太陽和太陽活動有關,如太陽電磁輻射,包括從波長極短的γ射線、X射線、紫外線,經可見光(青、藍、綠、黃、橙、紅)到長波的紅外線和無線電波的整個電磁輻射;在太陽的光球層,周期性地產生太陽黑子活動,向外發射高能粒子,對航天活動威脅很大;在太陽的色球層,在靠近黑子群的地方,常常發生耀斑爆發,可釋放出 10^30~10^33爾格的能量,相當于 100億顆百萬噸級的氫彈爆炸,產生大量紫外線、X射線、γ射線和高能帶電粒子,對航天活動帶來巨大的威脅;在太陽的日冕層,常常產生冕洞,它像噴氣發動機的噴管一樣,不斷向外噴射高溫磁化的離子,在太陽黑子活動劇烈和耀斑爆發時最強烈,這些帶電粒子形成強勁的太陽風。最後,在太陽系空間還有微流星體危害航天活動。

外層空間

地球大氣層雖然延伸達 1000公裏,但習慣上把 100公裏以外的空間叫太空或外層空間。地球周圍的太空叫地球行星空間。太陽耀斑爆發時,引起地磁爆和擾亂電離層,損害航天器和影響短波通信。地球磁場俘獲太陽發出的高能粒子形成的地球內外輻射帶,對航天活動也有很大影響。

平行宇宙

在我們很小很小,甚至尚未聽說過數學這個詞以前,我們都先天接受"亞裏斯多德"模型。而"柏拉圖"模型則來自于後天體驗。現代理論物理學家傾向于柏拉圖派,他們懷疑為何數學能如此完美的描述宇宙乃是因為宇宙生來就是數學性的。這樣,所有的物理都歸結于一個根本的數學問題:一個擁有無窮知識與資源的數學家理論上能從鳥視點計算出青蛙的視點--也就是說,為任何一個有自我意識的觀測者計算出他所觀測的宇宙有些什麽東西、它將發明何種語言來向它的同類描述它看到的一切。

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空間

宇宙的數學結構

宇宙的數學結構是抽象、永恆的實體,獨立于時空之外。如果把歷史比作一段錄像,數學結構不是其中一楨畫面,而是整個錄像帶。試構想一個由四處運動的點狀粒子構成的三維世界。在四維時空--也就是鳥的視點--看來,世界類似一鍋纏繞糾結的義大利面條。如果青蛙觀測到一個總是擁有恆定速率,方向的粒子,那麽鳥就直接看到它的整個生命周期--一根長長的、直直的面條。如果青蛙看到兩個相互圍繞旋轉的粒子,鳥就看到兩根以雙螺旋結構纏在一起的面條。對青蛙來說,整個世界以牛頓運動定律和引力定律為規則運作;而對鳥來說,世界被描繪成"義大利面條幾何學"--一種數學結構。青蛙本人也僅是面條--一大堆復雜到構成它們的粒子能存儲和處理信息的面條。我們的宇宙要比上述例子復雜的多,科學家們還沒有找到--如果有的話--那個能正確描述它的數學結構。

柏拉圖

"柏拉圖"派模型帶來了一個新的問題,為何我們的宇宙是這個樣子。對"亞裏斯多德"派來說,這個問題是沒有意義的:因為宇宙的物理本源就是我們觀測到的樣子。但"柏拉圖"派不僅無法回避它,反而會困惑為什麽它不能是別的樣子。如果宇宙天生是數學性的,為什麽它僅僅基于"那一個"數學結構?要知道數學結構是多種多樣的。似乎在真實的核心地帶有某種最基本的不公平存在。作為解決該難題的一條路徑,我認為數學結構有著完全的對稱性:基于任何數學結構的宇宙都確實存在。每一個數學結構都有與之相關的平行宇宙。構成這個宇宙的基礎並不在該宇宙內而是遊離于時間和空間之外。大部分平行宇宙內很可能不存在觀測者。這種假說可以看成是本質上的柏拉圖主義,它斷言柏拉圖領域提及的數學結構或是聖荷西州立大學的數學家Rudy Rucker所謂的"精神領域(mindscape)"都存在對應的物理真實。它也類似于劍橋大學的宇宙學家John D. Barrow提到的"天空中的π",或是哈佛大學的哲學家Robert Nozick提出的"多產性原理",或是普林斯頓的哲學家David K. Lewis所謂的"形式現實主義"。第四層終于宣告了多重宇宙在層次上的終結,因為任何自相容的物理理論都能表達成某種數學結構。

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第四層多重宇宙的假設作出了可驗證的預言。在第二個層次上,它包含了全體可能(全體數學結構)和選擇效應。數學家們還在繼續為這些數學結構分門別類,而他們最終應該發現,用來描繪我們世界的那個數學結構將會是所有符合我們觀測結果的結構中最簡單那個。類似地,我們將來的觀測結果將會是那些最簡單的、與過去觀測結相一致的東西;而過去的觀測結果也應該是最簡單的、與我們存在相符合的那些。

想要定量化這種"簡單"是個嚴峻的考驗,與之相關的研究才剛剛起步。但最具震撼性和令人鼓舞的是,對稱和恆定的數學結構力圖表現出的簡明與整潔也正是我們宇宙所展現的。數學結構趨向于越簡單越好,那些復雜的附加公理無疑破壞了簡潔。

奧卡姆

以上便是我們所討論的平行宇宙理論,它分為由低到高四個層次,與我們熟知宇宙的差異也隨層次不同越來越大。這些差異可以來自不同的初始條件(第一層);不同的物理常數、粒子種類和時空維數(第二層);不同的物理規律(第四層)。有意思的是,第三層才是幾十年研究最火熱的東西,因為它本質上沒有增添任何新的宇宙類型。

未來十年內,發展迅猛的對宇宙微波背景和空間大尺度物質分布的測量會進一步確定空間的準確曲率和拓撲結構,其結果將直接支持或駁倒第一層多重宇宙的假說。這些測量結果也會驗證"無序持續膨脹"理論,從而間接探測第二層多重宇宙。同時天體物理學與高能物理領域的巨大進展也將進一步闡明到底我們宇宙的哪些物理常數被"調節"過了,以此加強或削弱第二層多重宇宙的可信度。

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