宇宙 -一切空間和時間的綜合

宇宙

宇宙是萬物的總稱,是時間空間的統一。宇宙是物質世界,不依賴于人的意志而客觀存在,並處于不斷運動和發展中,在時間上沒有開始沒有結束,在空間上沒有邊界沒有盡頭。宇宙是多樣又統一的;多樣在物質表現狀態的多樣性;統一在于其物質性。宇宙是由空間、時間、物質能量,所構成的統一體。 

宇宙另一種解釋:它隻是人類視覺和觸覺下的產物,更根本的是種思維世界,它不是物質世界,隻依賴人的意志而客觀存在,它沒有時間和空間,沒有任何真理能證明它的存在。

  • 中文名稱
    宇宙
  • 外文名稱
    cosmos;universe
  • 誕生時間
    沒有起源,沒有終結。
  • 可見範圍
    140億光年
  • 組成成分
    73%暗能量,23%冷暗物質,4%普通物質
  • 密度
    約9.9×10^-30 g/cm³
  • 註音
    yǔ zhòu
  • 年齡
    不詳
  • 屬于
    事物世界
  • 套用科學
    天文學 量子力學 天體物理學

歷史典籍

《文子·自然》:“往古來今謂之宙,四方上下謂之宇。” 《屍子》:“上下四方曰宇,往古來今曰宙。” 《淮南子》:“往古來今謂之宙,四方上下謂之宇”。 《庄子·庚桑楚》:“出無本,入無竅。有實而無乎處,有長而無乎本剽。有所出而無竅者有實。有實而無乎處者,宇也;有長而無本剽者,宙也。”

宇宙膨脹

一般認為,宇宙產生于140億年前一次大霹靂中。大霹靂後,分子碰撞,並產生光、熱。大霹靂後30億年,最初的物質漣漪出現。大霹靂後20億~30億年,類星體逐漸形成。大霹靂後100億年,太陽誕生。38億年前地球上的生命開始逐漸演化。

千百年來,科學家們一直在探尋宇宙是什麽時候、如何形成的。直到今天,科學家們才確信,宇宙是由大約140億年前發生的一次大霹靂形成的。宇宙內的所存物質和能量都聚集到了一起,並濃縮成很小的體積,溫度極高,密度極大,瞬間產生巨大壓力,之後發生了大霹靂,這次大霹靂的反應原理被物理學家們稱為量子物理。

大霹靂散發的物質在太空中漂遊,由許多恆星組成的巨大的星系就是由這些物質構成的,我們的太陽就是這無數恆星中的一顆。原本人們想象宇宙會因引力而不再膨脹,但是,科學家已發現宇宙中有一種 “暗能量”會產生一種斥力而加速宇宙的膨脹。相對的,還有“暗物質”有巨大的吸引力。

大霹靂後的膨脹過程是一種引力和斥力之爭,爆炸產生的動力是一種斥力,它使宇宙中的天體不斷遠離;天體間又存在萬有引力,它會阻止天體遠離,甚至力圖使其互相靠近。引力的大小與天體的質量有關,因而大霹靂後宇宙的最終歸宿是不斷膨脹,還是最終會停止膨脹並反過來收縮變小,這完全取決于宇宙中物質密度的大小。

理論上存在某種臨界密度。如果宇宙中物質的平均密度小于臨界密度,宇宙就會一直膨脹下去,稱為“開宇宙”;要是物質的平均密度大于臨界密度,膨脹過程遲早會停下來,並隨之出現收縮,稱為“閉宇宙”。

問題似乎變得很簡單,但實則不然。理論計算得出的臨界密度為5×8^-30克/釐米3。但要測定宇宙中物質平均密度就不那麽容易了。星系間存在廣袤的星系間空間,如果把目前所觀測到的全部發光物質的質量平攤到整個宇宙空間,那麽,平均密度就隻有2×10^-31克/釐米3,遠遠低于上述臨界密度。

然而,種種證據表明,宇宙中還存在著尚未觀測到的所謂的暗物質,其數量可能遠超過可見物質,這給平均密度的測定帶來了很大的不確定因素。因此,宇宙的平均密度是否真的小于臨界密度仍是一個有爭議的問題。不過,就目前來看,開宇宙的可能性大一些。

恆星演化到晚期,會把一部分物質(氣體)拋入星際空間,而這些氣體又可用來形成下一代恆星。這一過程中氣體可能越來越少(並未確定這種過程會減少這種氣體。)。以致于不能再產生新的恆星。10^14年後,所有恆星都會失去光輝,宇宙也就變暗。同時,恆星還會因相互作用不斷從星系逸出,星系則因損失能量而收縮,結果使中心部分生成黑洞,並通過吞食經過其附近的恆星而長大。(根據質能守恆定律,形成恆星的氣體並不會減少而是轉換成其他形態。所以新的恆星可能會一直產生.)

10^17~10^18年後,對于一個星系來說隻剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恆星,這時,組成恆星的質子不再穩定。10^32年後,質子開始衰變為光子和各種輕子。10^71年後,這個衰變過程進行完畢,宇宙中隻剩下光子、輕子和一些巨大的黑洞。

10^108年後,通過蒸發作用,有能量的粒子會從巨大的黑洞中逃逸出。宇宙將歸于一片黑暗。這也許就是開宇宙“末日”到來時的景象,但它仍然在不斷地、緩慢地膨脹著。(但質子是否會衰變還未得到結論,因此根據質能守恆定律。宇宙中的質能會不停的轉換。)

閉宇宙的結局又會怎樣呢?閉宇宙中,膨脹過程結束時間的早晚取決于宇宙平均密度的大小。如果假設平均密度是臨界密度的2倍,那麽根據一種簡單的理論模型,經過400~500億年後,當宇宙半徑擴大到目前的2倍左右時,引力開始佔上風,膨脹即告停止,而接下來宇宙便開始收縮。

以後的情況差不多就像一部宇宙影片放映結束後再倒放一樣,大霹靂後宇宙中所發生的一切重大變化將會反演。收縮幾百億年後,宇宙的平均密度又大致回到目前的狀態,不過,原來星系遠離地球的退行運動將代之以向地球接近的運動。再過幾十億年,宇宙背景輻射會上升到400開,並繼續上升,于是,宇宙變得非常熾熱而又稠密。 在坍縮過程中,星系會彼此並合,恆星間碰撞頻繁。這些結局也隻是假想推論的。 

近幾年來,一批西方的天文學家發表了關于“宇宙無始無終”的新論斷。他們認為,宇宙既沒有“誕生”之日,也沒有終結之時,而就是在一次又一次的大霹靂中進行運動,迴圈往復,以至無窮的。 至于“宇宙無始無終”的新論是否正確,科學家認為,過幾年國際天文學界可望對此做出驗證。

發展軌跡

 宇宙是無形的。根據大霹靂理論,宇宙的發展史可表示為一個右端開放的封閉曲面體,如右圖。左端中心為爆炸起點,向右延伸137億年,到達我們現在這個開口部。從左往右依次為:起點、40萬年的初期膨脹、近4億年的黑暗期、出現恆星、星系和行星發展期、含有暗物質與暗能量的加速膨脹期。

宇宙

宇宙的形狀現在還是未知的,人類在大膽想象。有的人說宇宙其實是一個類似人的這樣一種生物的一個小細胞,而也有人說宇宙是一種擁有比人類更高智慧的電腦生物所製造出來的一個程式或是一個小小的原件,宇宙其實就是一個電子,宇宙是一個比電子更小得多的東西,宇宙根本就不存在,或者宇宙是無形的。根據大霹靂理論,宇宙的發展史可表示為一個右端開放的封閉曲面體,如右圖。

宇宙宇宙

左端中心為爆炸奇點,向右延伸137億光年,到達我們現在這個開口部。從左往右依次為:奇點、40萬年的初期膨脹、近4億年的黑暗期、出現恆星、星系和行星發展期、含有暗物質與暗能量的加速膨脹期。

年齡定義

宇宙年齡定義:宇宙年齡(age of universe)宇宙從某個特定時刻到現在的時間間隔。對于某些宇宙模型,如牛頓宇宙模型、等級模型、穩恆態模型等,宇宙年齡沒有意義。在通常的演化的宇宙模型裏,宇宙年齡指宇宙標度因子為零起到現在時刻的時間間隔。通常,哈勃年齡為宇宙年齡的上限,可以作為宇齡的某種度量。

 年齡推算

約為136億年

宇宙年齡是指自大霹靂開始至今所流逝的時間,當今理論和觀測認為這個年齡在一百三十六億年到一百三十八億年之間。這個不確定的區間是從多個科研項目的研究結果的共識中取得的,其中使用的先進的科研儀器和方法已經能夠將這個測量精度提升到相當高的量級。這些科研項目包括對宇宙微波背景輻射的測量以及對宇宙膨脹的多種測量手段。對宇宙微波背景輻射的測量給出了宇宙自大霹靂以來的冷卻時間,而對宇宙膨脹的測量則給出了能夠計算宇宙年齡的精確資料。

在通常的演化的宇宙模型裏,宇宙年齡指宇宙標度因子為零起到現在時刻的時間間隔。通常,哈勃年齡是宇宙年齡的上限,可以作為宇宙年齡的某種度量。根據大霹靂宇宙模型推算,宇宙年齡大約137億年。

使用整個星系作為透鏡觀看其他星系,目前研究人員最新使用一種精確方法測量了宇宙的體積大小和年齡,以及它如何快速膨脹。這項測量證實了“哈勃常數”的實用性。宇宙年齡是指自大霹靂開始至今所流逝的時間,當今理論和觀測認為這個年齡約為137億年。

這是從多個科研項目的研究結果的共識中取得的,其中使用的先進的科研儀器和方法已經能夠將這個測量精度提升到相當高的量級。這些科研項目包括對宇宙微波背景輻射的測量以及對宇宙膨脹的多種測量手段。對宇宙微波背景輻射的測量給出了宇宙自大霹靂以來的冷卻時間,而對宇宙膨脹的測量則給出了能夠計算宇宙年齡的精確資料。

研究小組使用一種叫做引力透鏡的技術測量了從明亮活動星系釋放的光線沿著不同路徑傳播至地球的距離,通過理解每個路徑的傳播時間和有效速度,研究人員推斷出星系的距離,同時可分析出它們膨脹擴張至宇宙範圍的詳細情況。

科學家經常很難識別宇宙中遙遠星系釋放的明亮光源和近距離昏暗光源之間的差異,引力透鏡回避了這一問題,能夠提供遠方光線傳播的多樣化線索。這些測量信息使研究人員可以測定宇宙的體積大小,並且天體物理學家可以用哈勃常數進行表達。

KIPAC研究員菲爾-馬歇爾(Phil Marshall)說:“長期以來我們知道透鏡能夠對哈勃常數進行物理性測量。”而當前引力透鏡實現了非常精確的測量結果,它可以作為一種長期確定的工具提供哈勃常數均等化精確測量,比如:觀測超新星和宇宙微波背景。他指出,引力透鏡可作為天體物理學家的一種最佳測量工具測定宇宙的年齡。

推算方法

科學家利用望遠鏡觀察最老的星球上的鈾光譜,從而估計宇宙的年齡是一百二十五億年。科學家對宇宙的年齡有不同的估計,根據不同的宇宙學模型,科學家估計宇宙的年齡是介乎一百億至一百六十億之間;2001年科學家利用南歐洲天文台的望遠鏡,觀察一顆稱CS31082-001的星球,量度星球上放射性同位素鈾-238(Uranium-238)的光譜,從而計算出這星球的年齡是一百二十五億年,這個估計的誤差大約三十億年,是亦即是說,宇宙的年齡至少有一百二十五億年,這是科學家第一次量度太陽系以外鈾含量的的研究

宇宙

科學家解釋說,這個方法和在考古學上使用碳-14(Carbon-14)同位素量度物質的年齡一樣,鈾-238同位素的半衰期是四十四億五千萬年;半衰期是放射性元素自動蛻變成為其它元素,至它本身剩下一半時所需要的時間。

科學家指出,在宇宙開始時,大霹靂會產生氫、氦和鋰等元素,而比較重的元素是在星球內部產生,當星球死亡時,含有重元素的物質會散布到周圍的空間,然後和下一代個的星球結合;其實,地球上黃金(gold)也是從爆炸了的星球來。

運動形式

宇宙天體處于永恆的運動和發展之中,天體的運動形式多種多樣,例如自轉、各自的空間運動(本動)、繞系統中心的公轉以及參與整個天體系統的運動等。月球一方面自轉一方面圍繞地球運轉,同時又跟隨地球一起圍繞太陽運轉。太陽一方面自轉,一方面又向著武仙座方向以20千米/秒的速度運動,同時又帶著整個太陽系以250千米/秒的速度繞銀河系中心運轉,運轉一周約需2.25萬年。銀河系也在自轉,同時也有相對于仙女座星系的的運動。本超星系團也可能在膨脹和自轉。總星系團也在膨脹。

宇宙

現代天文學已經揭示了天體的起源和演化的歷程。當代關于太陽系起源學說認為,太陽系很可能是50億年前銀河系中的一團塵埃氣體雲(原始太陽星雲)由于引力收縮而逐漸形成的(見 太陽系起源)。恆星是由星雲產生的,它的一生經歷了引力收縮階段、主序階段、紅巨星階段、晚期階段和臨終階段。星系的起源和宇宙起源密切相關,流行的看法是:在宇宙發生熱大霹靂後40萬年,溫度降到4000K(絕對溫度單位),宇宙從輻射為主時期轉化為物質為主時期,這時或由于密度漲落形成的引力不穩定性,或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系,然後再演化為星系團和星系。熱大霹靂宇宙模型描繪了我們的宇宙的起源和演化史:我們的宇宙起源于200億年前的一次大霹靂,當時溫度極高、密度極大。隨著宇宙的膨脹,它經歷了從熱到冷、從密到稀、從輻射為主時期到物質為主時期的演變過程,直至10~20億年前,才進入大規模形成星系的階段,此後逐漸形成了我們當今看到的宇宙。1980年提出的暴漲宇宙模型則是熱大霹靂宇宙模型的補充。它認為在宇宙極早期,在我們的宇宙誕生後約10 -36 秒的時候,它曾經歷了一個暴漲階段。

無限宇宙

“大霹靂學說”認為宇宙是從一點極高密度的奇點突然爆炸擴散而成的,爆炸的時間推算為大約在距今137億年。如今擴散仍在進行之中,並且越來越快。

“大霹靂學說”認為我們的宇宙是“同質均勻的”(Homogeneous)及“物理上均等的劃一的”( Isotropic) 。前面一詞的意義,就是說,無論從任何一個角度來觀察,宇宙都是相同的。後面一詞的意思是說:宇宙中的構成,無論在任何點,任何角度,都是均等的,換言之,我們在宇宙中,就好比在沙漠中的螞蟻,身邊的,遠處的,全都是看來完全相似相等的沙粒。

“大霹靂學說”認為宇宙內沒有異樣(Irregularities)的成份或情況使我們分別或分辨異同,而且,它認為一切的物質都是以一致方式分布的。宇宙既是均等劃一的,也是同質均勻的。(雖然,一個同質均勻的宇宙,未必就是物理上完全均等劃一的。)

有一點很重要,從大規模範圍觀察上所發現的宇宙情形是高度的物理上均等劃一的。但是,我們無法旅行到外太空深處去實際接近觀察,因此,很難證實同質均勻性。

在標準的大霹靂學說模型內,認為是物質的密度(Density of matter) 決定宇宙最後的命運(Ultimate density),倘若物質的密度太大,超過了“臨界密度”(Critical Density)的極限(2乘10的-39次方),那麽,吸引力就會終于約束宇宙的膨脹擴散,而使之停止膨脹擴張。隨之而發生的將是宇宙的收縮。這樣的宇宙,稱為封閉的宇宙(Closed Universe)

“大霹靂學說”獲得科學界普遍接受的諸項理由之一,就是,該一學說成功地預報了宇宙中無盡份量的氦(Helium)與 重氫(Deutrium)與及宇宙中的無窮的背景輻射(Background Radiation)。假若物質的密度小于臨界密度的極限,那麽,宇宙就會繼續不斷地永遠地擴散擴張下去, 假如物質的密度,恰如臨界密度,那麽,宇宙就是作有極限的擴張,即是說,它們會永遠擴散而擴張下去,不過,它的擴張率逐漸遞減,直到到達“零”為止。

在極高密度的“虛無”大霹靂之後,最初的三秒鍾內,溫度高達一千億開氏度。開氏度是英國物理學家凱文(音譯)Kelvin 創立的絕對溫度度數,零開氏度相當于攝氏零下273.15度。

在那麽的高溫情況下,中子(Neutrons )就與質子(Protons )結合,形成了重氫核子(Deuterium Nuclei),這些又旋即結合而形成的氦核子(Helium Nuclei),這些全部形成過程,隻需幾分鍾時間即可完成。

形成多少份量的這兩種核子,端視初期的宇宙中心密度而定。密度愈大,形成的氦核與重氫核愈多,這是“大霹靂學說”的要點之一,已經獲得天文學觀察的證實其理論符合現象。

在二十世紀四十年代末,勞夫·敖佛(Ralph Alpher)與羅拔·赫曼(Robert Herman)兩人,首先宣布發現微波背景輻射(Microwave Radiation) 彌漫于宇宙各處。一九六五年,美國貝爾實驗所(Bell Laboratory)的兩位科學家,阿模·潘齊亞(Amo Penzias)與羅拔·威爾遜(Robert Wilson)在追查來自外太空無線電波幹擾;發現了宇宙微波輻射的微弱回音,證實了前述兩人的大霹靂餘波彌漫之說。

“宇宙大霹靂學說”雖經多方的科學家證實合理,但是,也並非毫無缺點。它的最大的疑問,就是在于宇宙大霹靂一剎那的物理性質(Physical Nature)究屬如何?該階段的物質密度,壓力與溫度,都是無限大的(Infinite),沒有一種已知的物理學定律可以適用于解釋它!而這一階段,正是時空發生的開始,也是物理發生之始。

而且,大霹靂學說模型,認為宇宙從大霹靂開始,就即以物理均等的方式擴展,而形成各處皆一致的物質。這一點,在形而上哲學來看,也是不無疑問的。

另外也還有一些次要的疑問,一九八一年,美國著名“麻省工學院”(Massachusettes Institute of Technology)的青年物理學家阿倫·古斯(Alan Guth)就創立了“宇宙膨脹泡學說”。

古斯博士提出了第一個謎團,就是所謂“扁平問題”(Flat Problem)。該一理論,是在過去十年普林斯頓大學(Princeton University)的兩位物理學教授羅博特·狄克(Robert Dicke)及吉姆·皮保斯(Jim Peebles)所倡言的。

所謂“扁平問題”就是:根據天文觀測的發現:被觀測的宇宙之內,物質密度是大約在“臨界密度”的十分之一以下,一般的觀測研究與理論研究,數學研究指出,在宇宙內的霸子(音譯 Baryons,有時譯為卑子,這是一種次原子微粒,透過“核子強力”而反應,);其密度是臨界密度的百分之四至百分之十之間。在原則上來說,物質的密度是那麽稀薄,它接近臨界密度的機會是很微的。

從這樣的觀測計算,那麽我們的宇宙就是幾乎扁平形的了。物理學家仍然致力于追尋根底。到底它是否扁平形的。這個“扁平問題”,是當前天文宇宙學家,數學家與物理學家都非常關切的問題。

假若我們的宇宙的宇宙現況是密度在百分之十以下,而又呈扁平形,那麽,又有更多的疑問產生了!在大霹靂後一秒鍾,宇宙的一部分在10-31秒之際,可能是扁平的,這一段時間,是公認的“總統一階段”“Grand Unified Epoch”,其時,核子強力,核子弱力,電磁力等都還結合在一起,而宇宙的一部分又可能在1050秒之際是扁平的。物理學界對于這些扁平現象及時間,尚未找到滿意的解釋。

另外有些科學家指出,宇宙在大霹靂的開始剎那,就是扁平形的,因此,倘若它在1050秒乃至10-35秒都呈現扁平,也不足為異。

另一個疑問謎題,就是所謂“地平線問題”(Horizon problem),這是物理學家窩富剛·賴德勒(Wolfgang Rindler)在一九五六年提出的。

要了解這一個所謂“地平線問題”,我們首先得再檢驗一下大霹靂學說的標準模型之中最不普為人知的特色:那就是──宇宙有兩個大小(體積)。第一個體積是宇宙的年齡(以英文字母t代表之)乘光速(以英文字母c代表之)的乘積,寫成方程式就是:h = c x t這是根據光速最快最大的理論 而推論出來的。

我們目前無法達到超光速的速度,因此無法直接獲得超越地平線以外的任何資料。換言之,我們無法看到地平線後面的宇宙情況,地平線是我們可觀測宇宙(Observable universe)的邊緣。

今日的新科學已發現宇宙內,光速並非絕對最大的速度。此一話題,暫不在本文討論之列,因為勢非詳論難以說明,尚容另文討論。

但是即使以最新的“光速非最快”發現而言,上述的“地平線問題”依然存在,因為我們連光速都追不上,何況超光速?而且,就是再新式的天文觀測儀器,包括了電子及無線電波天文觀測儀在內,亦很難在地球表面上越過地平線的障礙。但是,它雖可超越地球表面的地平線,卻仍然難以超越宇宙的地平線,因為宇宙的形狀,無論是扁,是圓,也都有一個極終的邊緣,若無超光速航行,很難窺見它的遙遠地平線後面的景色。

在大霹靂學說 的標準宇宙模型,有一個很重要的宇宙規模因子,以英文字母R代表之,在“封閉的宇宙”(即是有極限的之意),R是宇宙的半徑(見圖),可以圓形半徑比擬之。但是在無極限的擴散宇宙(又稱開放宇宙),因為宇宙既是無限大,R也是無限大,不可測量。

當代的科學界,顯然較為安于有限的“封閉宇宙”觀念,因為天文觀測站收到從宇宙各方向射來的無線電波,最遙遠的各距離,都相近或相等,他們推論顯然是因為宇宙像是氣球一般也有極限的邊緣面,將無線電波反射回來,像回力球給牆彈回來一般(詳見上述拙著)。採信“封閉宇宙”觀念,問題就簡單得多。

在“封閉宇宙”之內,光子“Photons”的數量,並不因宇宙的擴張或收縮而致于有所增減,這一點我們首先必須知道。

當宇宙擴張之時,“地平線距離”(h)的增加,遠比宇宙半徑(R) 快。反過來說,時間倒回去,則“地平線距離”縮短亦快于宇宙半徑。

當前科學估計,我們的宇宙內的光子當前科學估計,我們的宇宙內的光子數量大約有1078個之多,倘若全部1078個光子都可以觀測得到,那麽,地平線的大小必然等于宇宙半徑(h = R)。

數量大約有1078個之多,倘若全部1078個光子都可以觀測得到,那麽,地平線的大小必然等于宇宙半徑(h = R)。

倘若我們從“現在”倒回去宇宙中心大霹靂的時期,能見的就越少,因為隻能看見在我們地平線以內的光子。

根據這一簡單原理,我們可以計算出來,在“大霹靂”後的第一秒鍾之時,“宇宙地平線距離是10 = 9R,其時隻有1060萬個光子可讓我們看見,跟1078萬比,是少很多了。

再倒回去看時間,在大霹靂後 1035 秒之時,h大約是:1027 k,那時候,隻有大約 一百萬個光子可給我們看見于地平線之內。

再倒回去看時間,回到大霹靂後10-43 sec秒之時,則在地平線內,全無光子可見!

這樣推算下去,回到“大霹靂”的伊始,彼時的初期宇宙全部的光子都在地平線距離後面外面,根據物理學法則,在地平線以外,質點(Particles)與第一質點不能交換資料,換言之,就是,在“大霹靂”伊始的宇宙,所有的質點均是不能互相溝通的(incommunicado)。而且,無法彼此修正“不規則現象”(irregularities),再換言之,即是早期的宇宙並不可能是物理上一致均等的(Isotropic)──這一點,對于我們讀佛經的人,非常重要,留到後文再說。

毋寧說應該是很混亂不規則不一致的情況,是到後來才漸漸一致化。

持這種看法的科學家們,演創了“最大或然率原則”(Principle of Greater Probability) ,來解釋宇宙初期。不過,此一學說走進了死巷。因為,宇宙並未途徑在形成之後來劃一化物理。理由是,質點與質點之間距離若大于“地平線距離”。就無可能彼此產生相互作用(interaction)。在“大霹靂”剎那之後,不可能彼此感應而修正不規則現象。

可是,我們觀察到的宇宙,就觀察所及的部份而言,它是物理上均等一致的,這就令人費解了!這個“地平線問題”,引起了新的疑問:“為什麽宇宙現在不混亂?”

蘇聯的著名太空物理科學家雅可夫·焦多維茨(Yakov B. Zeldovich)博士對此問題提供的答案是:“宇宙從一開始就是物理上均等劃一的”。

假若我們採信焦氏的推論,那麽一切的問題就簡單,甚至不發生問題了,連這個所謂“地平線問題”也不能成立了。

照焦氏一派科學家的看法,在“大霹靂”發生剎那,質點是尚未能互相作用的。互相作用是使到宇宙物質在物理上均等劃一的。這種作用要到宇宙大霹靂後膨脹擴張才因接觸而發生 ,把物質劃一化。

宇宙宇宙

可是,這個答案顯然並無說服性。大多數科學家都對之表示存疑。

在進一步討論之先,我們必須先了解當前尖端科學的困惑謎團,上面提到兩大太空物理難題,就是為此。

當今科學界重視的“宇宙膨脹學說”,既有美國麻省工學院物理學家古斯于一九八二年提出的“膨脹學說”,科學界通稱之為“老膨脹學說”,又有蘇聯蘇維埃科學院(Soviet Academy of Science)太空物理學家林德(A. Linde)于一九八三年提出的“膨脹學說”,科學界通稱之為“新膨脹學說”。另外,還有美國賓夕凡尼亞州立大學(University of Pennsylvania)的物理學家安迪·阿布力(Andy Albrecht)與保羅·史丹哈特(Paul J. Steinhardt)兩氏提出的“超級等稱結構”(Supersymmetric) 原始初發(Primordial)宇宙膨脹學說。(詳見上提拙著各文)。

很流行玩一種巨大的:“月波”(Moon Ball),那是一隻巨大的氣球,大約有十多英尺的半徑,青年人喜歡在海灘上推動這隻“月波”奔跑,或在海水中推玩它。當你身體貼爬在巨大的“月波”上,你感覺到這支巨型氣球的“球面”是圓的弧形的。溫哥華的小山公園頂上,有一座球狀的全部玻璃溫室,內植熱帶花草,你若攀登球頂,也仍感到球面的圓形,但是,不會像“月波”的球面那麽顯著。溫哥華八六年世界博覽會的標志,是一座巨大的圓球玻璃建築,你若攀登頂上, 也仍感到球面的圓形,但是,不會像“月波”的球面那麽顯著。

溫哥華八六年世界博覽會的標志,是一座巨大的圓球玻璃建築,你若攀到頂上,會不大感到它是球面,隻覺到有微微的弧形,如果你是一隻小螞蟻,爬到那頂上,你會完全感覺不到它是球面,你會感覺到它的表面是平坦的。倘若你把這座圓球放大或膨脹了幾千幾萬倍,你會認為它的面是平坦的,倘若將它膨脹系數增大到為1040以上,你在它的圓面上所見,就是一望無際的大平原,地平線的邊緣,是那麽遙遠,你窮極目力,也看不到它了,也看不到它後面的情景了。

了解這一點以後,我們就可以接受古斯博士所提出的“宇宙膨脹學說”,他認為宇宙是一個大泡泡或是大氣球形狀,越膨脹得大,球面越呈現扁平──當然,這 是就我們渺小的人類尺度觀點而論。若以超級巨大的眼光看它,也仍是球面的。

古斯認為,宇宙大霹靂後10-35秒,就開始膨脹,直到1030秒為止,膨脹越大,球面越扁平。

宇宙在未膨脹之前,他的物質密度,且不去管它。但是,在膨脹之後,密度必定增大,宇宙膨脹到球面呈扁平之時,密度就增到極大的“臨界密度”(Critical Density)。

在標準的舊大霹靂學說模型,大霹靂後的10-35sec 秒鍾,地平線不大,大約小于宇宙當前的規模系數(Scrle Factor)的1027倍,所以,質點沒有可能發生相互作用。反過來說,倘使“地平線”是大了1027倍,或是規模系數小了1027倍,那麽就不會有上述的“地平線問題”出現了。古斯的“新膨脹學說”, 與“舊膨脹學說”不同之處,是新學說認為“規模系數”比“地平線”為小,因而所有的質點都可以相互溝通而改進,成為一致化。新學說的優點,就是一舉而消除了上述的“地平線問題”與“扁平問題”兩大疑團,為宇宙物質的物理結構上一致化提供了一種勉強的解釋。

不過,這解釋是否令人滿意呢? 當然不是。

新舊膨脹學說都無法解釋,質點之間是如何相互作用的。 這仍是物理學至今的一個難解的謎

宇宙圖景

當代天文學的研究成果表明,宇宙是有層次結構的、像布一樣的、不斷膨脹、物質形態多樣的、不斷運動發展的天體系統。

層次結構 行星是最基本的天體系統。

太陽系裏一共有八顆行星。他們依序為:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。 (冥王星一個錯誤的理論;二是由于當初將其質量估算錯了,誤將其入到了大行星的行列,如今它被劃分為矮行星)除水星和金星外,其他行星都有衛星繞其運轉,地球有一個衛星 月球,土星的衛星最多,已確認的有28顆。小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽運轉,構成太陽系。太陽佔太陽系總質量的99.86%,其直徑約140萬千米,最大的行星木星的直徑約14萬千米。太陽系的大小約120億千米(以冥王星作邊界)。有證據

表明,太陽系外也存在其他行星系統。

太陽系的八大行星太陽系的八大行星

2500億顆類似太陽的恆星和星際物質構成更巨大的天體系統——銀河系。銀河系中大部分恆星和星際物質集中在一個扁球狀的空間內,從側面看很像一個“鐵餅”,正面看上去則呈旋渦狀。銀河系的直徑約10萬光年,太陽位于銀河系的一個旋臂中,距銀河中心約3萬光年。

銀河系外還有許多類似的天體系統,稱為河外星系,常簡稱星系。現已觀測到大約有10億個。星系也聚集成大大小小的集團,叫星系團。平均而言,每個星系團約有百餘個星系,直徑達上千萬光年。現已發現上萬個星系團。

包括銀河系在內約40個星系構成的一個小星系團叫本星系群。若幹星系團集聚在一起構成更大、更高一層次的天體系統叫超星系團。超星系團往往具有扁長的外形,其長徑可達數億光年。通常超星系團內隻含有幾個星系團,隻有少數超星系團擁有幾十個星系團。本星系群和其附近的約50個星系團構成的超星系團叫做本超星系團。目前天文觀測範圍已經擴展到200億光年的廣闊空間,它稱為總星系。

物質多樣性

太陽在恆星世界中是顆普遍而又典型的恆星。已經發現,有些紅巨星的直徑為太陽直徑的幾千倍。中子星直徑隻有太陽的幾百萬分之一;超巨星的光度高達太陽光度的數百萬倍,白矮星光度卻不到太陽的幾十萬分之一。

紅超巨星的物質密度小到隻有水的密度的百萬分之一,而白矮星、中子星的密度分別可高達水的密度的十萬倍和百萬億倍。太陽的表面溫度約為6000K,O型星表面溫度達30000K,而紅外星的表面溫度隻有約600K。

太陽的普遍磁場強度平均為3500高斯,有些磁白矮星的磁場通常為幾千、幾萬高斯,而脈沖星的磁場強度可高達十幾萬億高斯。有些恆星光度基本不變,有些恆星光度在不斷變化,稱變星。有的變星光度變化是有周期的,周期從1小時到幾百天不等。有些變星的光度變化是突發性的,其中變化最劇烈的是新星和超新星,在幾天內,其光度可增加幾萬倍甚至上億倍。

相關資料

觀念發展

眾多觀點

遠古時代,人們對宇宙結構的認識處于十分幼稚的狀態,他們通常按照自己的生活環境對宇宙的構造作出推測。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,大地是浮在水面上的巨大圓盤,上面籠罩著拱形的天穹。 也有一些人認為,地球隻是一隻龜上的一片甲板,而龜則是站在一個托著一個又一個的龜塔...

地球原來是球形

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F.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被證實。

理論學說

公元2世紀,C.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恆星天都在以不同速度繞著地球旋轉。為了說明行星運動的不均勻性,他還認為行星在本輪上繞其中心轉動,而本輪中心則沿均輪繞地球轉動。地心說曾在歐洲流傳了1000多年。

恆星 太陽恆星 太陽

1543年,N.哥白尼提出科學的日心說,認為太陽位于宇宙中心,而地球則是一顆沿圓軌道繞太陽公轉地普通行星。到16世紀哥白尼建立日心說後才普遍認識到:地球是繞太陽公轉的行星之一,而包括地球在內的八大行星則構成了一個圍繞太陽旋轉的行星系── 太陽系的主要成員。

1609年,J.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·伽利雷則率先用望遠鏡觀測天空,用大量觀測事實證實了日心說的正確性。

1687年,I.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系概念。

在哥白尼的宇宙圖像中,恆星隻是位于最外層恆星天上的光點。1584年,喬爾丹諾·布魯諾大膽取消了這層恆星天,認為恆星都是遙遠的太陽。18世紀上半葉,由于E.哈雷對恆星自行的發展和J.布拉得雷對恆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贊同。

18世紀中葉,T.賴特、I.康德和J.H.朗伯推測說,布滿全天的恆星和銀河構成了一個巨大的天體系統。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、太陽居中的銀河系結構圖,從而奠定了銀河系概念的基礎。在此後一個半世紀中,H.沙普利發現了太陽不在銀河系中心、J.H.奧爾特發現了銀河系的自轉和旋臂,以及許多人對銀河系直徑、厚度的測定,科學的銀河系概念才最終確立。

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系統(指銀河系)那樣的天體系統。而當時看去呈雲霧狀的“星雲”很可能正是這樣的天體系統。此後經歷了長達170年的曲折的探索歷程,直到1924年,才由E.P.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系的存在。

河外星系

近半個世紀,人們通過對河外星系的研究,不僅已發現了星系團、超星系團等更高層次的天體系統,而且已使我們的視野擴展到遠達大約200億光年的宇宙深處。

在中國,早在西漢時期,《淮南子·俶真訓》指出:“有始者,有未始有有始者,有未始有夫未始有有始者”,認為世界有它的開闢之時,有它的開闢以前的時期,也有它的開闢以前的以前的時期。《淮南子·天文訓》中還具體勾畫了世界從無形的物質狀態到渾沌狀態再到天地萬物生成演變的過程。在古希臘,也存在著類似的見解。例如留基伯就提出,由于原子在空虛的空間中作旋渦運動,結果輕的物質逃逸到外部的虛空,而其餘的物質則構成了球形的天體,從而形成了我們的世界。

太陽系概念確立以後,人們開始從科學的角度來探討太陽系的起源。1644年,R.笛卡爾提出了太陽系起源的旋渦說;1745年,G.L.L.布豐提出了一個因大彗星與太陽掠碰導致形成行星系統的太陽系起源說;1755年和1796年,康德和拉普拉斯則各自提出了太陽系起源的星雲說。現代探討太陽系起源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。

銀河系

1911年,E.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·羅素則繪出了恆星的光譜-光度圖,即赫羅圖。羅素在獲得此圖後便提出了一個恆星從紅巨星開始,先收縮進入主序,後沿主序下滑,最終成為紅矮星的恆星演化學說。1924年 ,亞瑟·斯坦利·愛丁頓提出了恆星的質光關系;

銀河系銀河系

1937~1939年,C.F.魏茨澤克和貝特揭示了恆星的能源來自于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,並導致了科學的恆星演化理論的誕生。對于星系起源的研究,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系演化而來的。

1917年,A.阿爾伯特·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,G.D.弗裏德曼發現,根據阿爾伯特·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。前者對應于開放的宇宙,後者對應于閉合的宇宙。1927年,G.勒梅特也提出了一個膨脹宇宙模型.1929年 哈勃發現了星系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,G.伽莫夫等人提出了熱大霹靂宇宙模型,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,許多人把大霹靂宇宙模型看成標準宇宙模型。1980年,美國的古斯在熱大霹靂宇宙模型的 基礎上又進一步提出了大霹靂前期暴漲宇宙模型。這一模型可以解釋目前已知的大多數重要觀測事實。

大霹靂模型

一種廣為認可的宇宙演化理論。其要點是,宇宙是從溫度和密度都極高的狀態中由一次“大霹靂”產生的。時間至少發生在100億年前。

大霹靂宇宙模型圖大霹靂宇宙模型圖

這種模型基于兩個假設:第一是愛因斯坦提出的,能正確描述宇宙物質的引力作用的廣義相對論;第二是所謂宇宙學原理,即宇宙中的觀測者所看到的事物既同觀測的方向無關也同所處的位置無關。這個原理隻適用于宇宙的大尺度上,而它也意味著宇宙是無邊的。因此,宇宙的大霹靂源不是發生在空間的某一點,而是發生在同一時間的整個空間內。

有這兩個假設,就能計算出宇宙從某一確定時間(稱為普朗克時間)起始的歷史,而在此之前,何種物理規律在起作用至今還不清楚。宇宙從那時起迅速膨脹,使密度和溫度從原來極高的狀態降下來,緊接著,預示質子衰變的一些過程也使物質的數量遠超過反物質,如同我們今天所看到的一樣。許多基本粒子在這一階段也可能出現。過了幾秒鍾,宇宙溫度就降低到能形成某些原子核。

這一理論還預言能形成一定數量的氫、氦和鋰的核素,豐度同今天所看到的一致。大約再過100萬年後,宇宙進一步冷卻,開始形成原子,而充滿宇宙中的輻射則在宇宙空間自由傳播。這種輻射稱為宇宙微波背景輻射,它已經被觀測所證實。除了原始物質和輻射外大霹靂理論還預言,現在宇宙中應充滿中微子,它們是無質量或無電荷的基本粒子。現在科學家們正在努力找尋這種物質。

大霹靂模型能統一地說明以下幾個觀測事實:

(a)理論主張所有恆星都是在溫度下降後產生的,因而任何天體的年齡都應比自溫度下降至今天這一段時間為短,即應小于200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。

(b)觀測到河外天體有系統性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應來解釋,那麽紅移就是宇宙膨脹的反映。

(c)在各種不同天體上,氦豐度相當大,而且大都是30%。用恆星核反應機製不足以說明為什麽有如此多的氦。而根據大霹靂理論,早期溫度很高,產生氦的效率也很高,則可以說明這一事實。

(d)根據宇宙膨脹速度以及氦豐度等,可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。

按照大霹靂理論,宇宙是137億年前從一個極小的點誕生的,從那裏誕生了時間和空間、質量和能量,從而由物質小微粒聚集成大團的物質,最終形成星系、恆星和行星等。在大霹靂發生前,宇宙中沒有物質,沒有能量,甚至沒有生命。

但是,大霹靂理論無法回答現在的宇宙在大霹靂發生之前到底是什麽樣,或者說發生這次大霹靂的原因是什麽。按照大霹靂理論,宇宙沒有開端。它隻是一個迴圈不斷的過程,便是宇宙創生與毀滅並再創生的過程。

這隻是一個構想,並不是一個完美的理論。

論據

大霹靂理論雖然並不成熟,但是仍然是主流的宇宙形成理論的關鍵就在于目前有一些證據支持大霹靂理論,比較傳統的證據如下所示:

(a)紅位移

從地球的任何方向看去,遙遠的星系都在離開我們而去,故可以推出宇宙在膨脹,且離我們越遠的星系,遠離的速度越快。

(b)哈勃定律

哈勃定律就是一個關于星系之間相互遠離速度和距離的確定的關系式。仍然是說明宇宙的運動和膨脹。

V=H×D

其中,V(Km/sec)是遠離速度;H(Km/sec/Mpc)是哈勃常數,為50;D(Mpc)是星系距離。1Mpc=3.26百萬光年。

(c)氫與氦的豐存度

由模型預測出氫佔25%,氦佔75%,已經由試驗證實。

(d)微量元素的豐存度

對這些微量元素,在模型中所推測的豐存度與實測的相同。

(e)3K的宇宙背景輻射

根據大霹靂學說,宇宙因膨脹而冷卻,現今的宇宙中仍然應該存在當時產生的輻射餘燼,1965年,3K的背景輻射被測得。

(f)背景輻射的微量不均勻

證明宇宙最初的狀態並不均勻,所以才有現在的宇宙和現在星系和星團的產生。

(g)宇宙大霹靂理論的新證據

在2000年12月份的英國《自然》雜志上,科學家們稱他們又發現了新的證據,可以用來證實宇宙大霹靂理論。

宇宙爆炸宇宙爆炸

長期以來,一直有一種理論認為宇宙最初是一個質量極大,體積極小,溫度極高的點,然後這個點發生了爆炸,隨著體積的膨脹,溫度不斷降低。至今,宇宙中還有大霹靂初期殘留的稱為“宇宙背景輻射”的宇宙射線。

科學家們在分析了宇宙中一個遙遠的氣體雲在數十億年前從一個類星體中吸收的光線後發現,其溫度確實比現在的宇宙溫度要高。他們發現,背景溫度約為-263. 89攝氏度,比現在測量的-273.33的宇宙溫度要高。

γ射線

一般來說,核爆炸(比如核子彈、氫彈的爆炸)的殺傷力量由四個因素構成:沖擊波、光輻射、放射性沾染和貫穿輻射。其中貫穿輻射則主要由強γ射線和中子流組成。由此可見,核爆炸本身就是一個γ射線光源。通過結構的巧妙設計,可以縮小核爆炸的其他硬殺傷因素,使爆炸的能量主要以γ射線的形式釋放,並盡可能地延長γ射線的作用時間(可以為普通核爆炸的三倍),這種核彈就是γ射線彈。

貫穿輻射

與其他核武器相比,γ射線的威力主要表現在以下兩個方面:一是γ射線的能量大。由于γ射線的波長非常短,頻率高,因此具有非常大的能量。高能量的γ射線對人體的破壞作用相當大,當人體受到γ射線的輻射劑量達到200-600雷姆時,人體造血器官如骨髓將遭到損壞,白血球嚴重地減少,內出血、頭發脫落,在兩個月內死亡的概率為0-80%;當輻射劑量為600-1000雷姆時,在兩個月內死亡的概率為80-100%;當輻射劑量為1000-1500雷姆時,人體腸胃系統將遭破壞,發生腹瀉、發燒、內分泌失調,在兩周內死亡概率幾乎為100%;當輻射劑量為5000雷姆以上時,可導致中樞神經系統受到破壞,發生痙攣、震顫、失調、嗜眠,在兩天內死亡的概率為100%。二是γ射線的穿透本領極強。γ射線是一種殺人武器,它比中子彈的威力大得多。中子彈是以中子流作為攻擊的手段,但是中子的產額較少,隻佔核爆炸放出能量的很小一部分,所以殺傷範圍隻有500-700米,一般作為戰術武器來使用。γ射線的殺傷範圍,據說為方圓100萬平方公裏,這相當于以阿爾卑斯山為中心的整個南歐。因此,它是一種極具威懾力的戰略武器。

人和宇宙

從20世紀60年代開始,由于人擇原理的提出和討論,出現了人類存在和宇宙產生的關系問題。人擇原理認為,可能存在許多具有不同物理參數和初始條件的宇宙,但隻有物理參數和初始條件取特定值的宇宙才能演化出人類,因此我們隻能看到一種允許人類存在的宇宙。人擇原理用人類的存在去約束過去可能有的初始條件和物理定律,減少它們的任意性,使一些宇宙學現象得到解釋,這在科學方法論上有一定的意義。但有人提出,宇宙的產生依賴于作為觀測者的人類的存在。這種觀點值得商榷。現在根據暴漲模型,那些被傳統大霹靂模型作為初始條件的狀態,有可能從極早期宇宙的演化中產生出來,而且宇宙的演化幾乎變得與初始條件的一些細節無關。這樣就使上述那種利用初始條件的困難來否定宇宙客觀實在性的觀點失去了基礎。但有些人認為,由于暴漲引起的巨大距離尺度,使得從整體上去觀測宇宙的結構成為不可能。這種擔心有其理由,但如果暴漲模型正確的話,隨著科學實踐的發展,一定有可能突破人類認識上的困難。

物質多樣性

太陽系天體中,水星、金星表面溫度約達700K,金星表面籠罩著濃密的二氧化碳大氣和硫酸雲霧,氣壓約50個大氣壓,水星、火星表面大氣卻極其稀薄,水星的大氣壓甚至小于2×10-9毫巴;類地行星(水星、金星、火星)都有一個固體表面,類木行星卻是一個流體行星;土星的平均密度為0.70克/立方釐米,比水的密度還小,木星、天王星、海王星的平均密 度略大于水的密度,而水星、金星、地球等的密度則達到水的密度的5倍以上;多數行星都是順向自轉,而金星是逆向自轉;地球表面生機盎然,其他行星則是空寂荒涼的世界。

宇宙物質多樣性宇宙物質多樣性

太陽在恆星世界中是顆普遍而又典型的恆星。已經發現,有些紅巨星的直徑為太陽直徑的幾千倍。中子星直徑隻有太陽的幾萬分之一;超巨星的光度高達太陽光度的數百萬倍,白矮星光度卻不到太陽的幾十萬分之一。紅超巨星的物質密度小到隻有水的密度的百萬分之一,而白矮星、中子星的密度分別可高達水的密度的十萬倍和百萬億倍。太陽的表面溫度約為6000K,O型星表面溫度達30000K,而紅外星的表面溫度隻有約600K。太陽的普遍磁場強度平均為1×10-4特斯拉,有些磁白矮星的磁場通常為幾千、幾萬高斯(1高斯=10-4特斯拉),而脈沖星的磁場強度可高達十萬億高斯。有些恆星光度基本不變,有些恆星光度在不斷變化,稱變星。有的變星光度變化是有周期的,周期從1小時到幾百天不等。有些變星的光度變化是突發性的,其中變化最劇烈的是新星和超新星,在幾天內,其光度可增加幾萬倍甚至上億倍。

恆星在空間常常聚集成雙星或三五成群的聚星,它們可能佔恆星總數的1/3。也有由幾十、幾百乃至幾十萬個恆星聚在一起的星團。宇宙物質除了以密集形式形成恆星、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,平均每立方釐米隻有一個原子,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恆星、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。

星系按形態可分為橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系、透鏡星系和不規則星系等類型。60年代又發現許多正在經歷著爆炸過程或正在拋射巨量物質的河外天體,統稱為活動星系,其中包括各種射電星系、塞佛特星系、N型星系、馬卡良星系、蠍虎座BL型天體,以及類星體等等。許多星系核有規模巨大的活動:速度達幾千千米/秒的氣流,總能量達1055焦耳的能量輸出,規模巨大的物質和粒子拋射,強烈的光變等等。在宇宙中有種種極端物理狀態:超高溫、超高壓、超高密、超真空、超強磁場、超高速運動、超高速自轉、超大尺度時間和空間、超流、超導等。為我們認識客觀物質世界提供了理想的實驗環境。

範圍

我們的先輩們曾認為宇宙是範圍並不很大的球狀天體,其中包含著地球以及其他一些形體較小的發光體。直至公元1700 年以前,這種理論在天文學界一直佔據主導地位。即使在哥白尼發現地球並非宇宙的中心之後,人們仍持同樣的觀點,隻是把“宇宙主宰”這一光環又贈給了太陽而已,而宇宙的基本定義仍未得到根本上的改變。天空仍舊是天上的“球”,裏面有許多星星,不過,它包括的主體是太陽,相比之下,地球要遜色得多。

開普勒的橢圓型軌道的思想廢除了星體是“透明的球體”這一謬論,但是卻仍然保留了星體是“最外層天體球”這一說法。感謝卡西尼的研究成果,他揭開了太陽系的真實面目,從而證明了太陽系比人們想象的要大得多,而這也隻是將人們腦海中宇宙的邊界擴大了而已。

直至哈雷于1718 年發現了恆星也是運動著的球體這一事實後,天文學家們才開始重新認真地認識宇宙。當然,即使所有星體都在移動,宇宙仍有可能是有限的,而所有的星體也都有可能在進行著極其緩慢的移動。但是為什麽有的星體的運動速度之快足以被人們觀察到,而正是這些星體才能發出比較明亮的光線呢?

關于這一問題,存在這樣一種可能,即某個星體由于具有較大的形體,從而能放射出比較明亮的光線,同時由于其體積較大,造成宇宙對它的束縛產生了困難,從而導致了它的移動。當然,這隻是一種特定的假設,但這種全新的構想對于解開有關謎團是具有創造性意義的——即使其很難在實驗室條件下得到驗證,或根本無法解決任何問題。

另一方面,有些星球與地球間的距離有可能相對來說比較近,因此看上去就可能顯得比較亮一些。再者,如果所有星球移動的速度是相同的,那麽距地球越近,往往就顯得運動得更快一些。這一點與實驗室條件下的實驗結果是相符的。這一現象是以解釋運動越快的星體其亮度越高的原因。那相對比較昏暗的星球其實也處于運動狀態,但由于它與地球間距離實在太遙遠了,因此即使經過幾個世紀的觀測也無法察覺到它的位置的變化,但這一變化卻有可能在數千年的過程中被觀測到,這的確需要人們一代一代不懈的努力。

地球地球

如果各個星體與太陽系間的距離各不相同,那麽宇宙就應該是無限的,而眾多的星球則會像蜂群一樣遍布于宇宙的各個角落。直至1718 年,人們才意識到這一點而摒棄了宇宙有限論,從此,一幅廣闊無垠而壯麗非常的宇宙畫卷終于展現在人們的眼前。

組成

1.行星

我們居住的地球是太陽系的一顆大行星。太陽系一共有八顆大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。除了大行星以外,還有60多顆衛星、為數眾多的小行星、難以數計的彗星和流星體等。他們都是離我們地球較近的,是人們了解的較多的天體。那麽,除了這些以外,茫茫宇宙空間還有一些什麽呢?

2.恆星和星團

晴夜,我們用肉眼可以看到許多閃閃發光的星星,他們絕大多數是恆星,恆星就是象太陽一樣本身能發光發熱的星球。我們銀河系內就有1000多億顆恆星。恆星常常愛好群居,有許多是成雙成對地緊密靠在一起的,按照一定的規律互相繞轉著,這稱為雙星。還有一些是3顆、4顆或更多顆恆星聚在一起,稱為聚星。假如是十顆以上,甚至成千上萬顆星聚在一起,形成一團星,這就是星團。銀河系裏就發現1000多個這樣的星團。

3.銀河系及河外星系  

隨著測距能力的逐步提高,人們逐漸在越來越大的尺度上對宇宙的結構建立了立體的觀念。這裏第一個重要的發展,是認識了銀河。它包含兩重含義,一是了解了銀河的形狀,二是認識了河外天體的存在。

4. 星系團

當我們把觀測的尺度再放大,宇宙可看成由大量星系構成的介質,而恆星隻是星系內部細致結構的表現。這樣,為了了解宇宙結構,需關心星系在空間的分布規律。

5.大尺度結構

今天人們把10Mpc以上的結構稱為宇宙的大尺度結構(目前觀測到的宇宙的大小是104Mpc)。至今大尺度上的觀測事實遠不是十分明確的。有趣的是,有跡象表明,星系在大尺度上的分布呈泡沫狀。即有許多看不到星系的"空洞"區,而星系聚集在空洞的壁上,呈纖維狀或片狀結構。這一層次的結構叫超星系團。它的典型尺度為幾十兆秒差距。

總之,若把星系看成宇宙物質的基本單元,那麽星系的分布狀況就是宇宙結構的表現。現在看來,直至50Mpc的尺度為止,星系的分布呈現有層次的結構。這就是我們對宇宙面貌的基本認識。

哲學分析

有些宇宙學家認為,我們的宇宙是唯一的宇宙;大霹靂不是在宇宙空間的哪一點爆炸,而是整個宇宙自身的爆炸。但是,新提出的暴漲模型表明,我們的宇宙僅是整個暴漲區域的非常小的一部分,暴漲後的區域尺度要大于10 26 釐米,而那時我們的宇宙隻有10釐米。還有可能這個暴漲區域是一個更大的始于無規則混沌狀態的物質體系的一部分。這種情況恰如科學史上人類的認識從太陽系宇宙擴展到星系宇宙,再擴展到大尺度宇宙那樣,今天的科學又正在努力把人類的認識進一步向某種探索中的“暴漲宇宙”、“無規則的混沌宇宙”推移。我們的宇宙不是唯一的宇宙,而是某種更大的物質體系的一部分,大霹靂不是整個宇宙自身的爆炸,而是那個更大物質體系的一部分的爆炸。因此,有必要區分哲學和自然科學兩個不同層次的宇宙概念。哲學宇宙概念所反映的是無限多樣、永恆發展的物質世界;自然科學宇宙概念所涉及的則是人類在一定時代觀測所及的最大天體系統。兩種宇宙概念之間的關系是一般和個別的關系。

宇宙宇宙

一片空寂

48宇宙的未來會怎樣浩瀚宇宙為天文學家的觀測和研究提供了無限可能。誰能想象,璀璨星空正在不斷遠離我們,終有一天會永遠消失?然而,諾貝爾獎得主布萊恩·施密特指出,這就是正在發生的事實——宇宙終將消散。“1000億年以後,除了我們所在的銀河系,所有星系都將消散,人們看到的宇宙將空無一物 。”    

  • 研究方法

宇宙是一個絕對的理想化的系統,它是一個沒有環境的系統,絕對守恆的系統。要想研究這樣一個系統顯然是不科學的,我們研究歷程是地球——地月系——太陽系——銀河系...............----宇宙。我們的研究可能會無限逼近于宇宙

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