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第7章 宇宙模型

有个奇特的问题:“地球之外是太阳系,太阳系之外是银河系,银河系之外是宇宙,那么宇宙之外呢?宇宙之外是一个什么空间呢?这个空间之外又会是什么空间呢?在这个空间之外,再下一个空间之外呢?这样数下去,总有一个我们称之为最后空间的空间。那么这个最后空间之外又会是什么呢?”

现在,这个极其复杂的问题已经得到了解答:世界充斥着唯一一种物质,这种物质是无穷无尽的,它占据了世界所有的空间,世界的所有物质都由这种本原物质变化而生成,因此世界是所有物质所有空间的组成,它是无边无际无限无垠的,世界包含了一切的空间,没有也不可能有世界之外的空间。

在我的理论中,是把宇宙包含于世界之中,世界大于宇宙的。但如果细细分析一下“宇宙”一词的定义,宇是指无限空间,宙是指无限时间。诸如中国古代是这样说的:上下四方称为宇,古往今来称为宙。如此说来,应该是世界包含于宇宙之中,宇宙大于世界的。但为什么我要倒转来划分呢?首先,在我之前的哲学上,其实二者已经有互用的情况,定义也是差不多的,没有太大的分别;其次,我们已经习惯于把地球之外的太空称之为宇宙,如果再改过来称之为世界,把之外的空间再称之为宇宙,把世界包含于宇宙之中,这已不符合现行人们和科学上的称呼习惯。这是我之所以如此定义“世界和宇宙”,把“宇宙包含于世界之中”的原因。

上面的问题是科学上最复杂的问题之一,现在虽然得到了解决,但是,还有许许多多重要的问题仍有待探讨。例如,宇宙是怎样诞生的呢?宇宙是永恒不变的么?宇宙到底有多大?宇宙中的星体是怎样形成的?

古往今来,便曾有许多大智大慧之士通过想像或通过科学技术试图解决这些问题,他们当中的部分人也取得了辉煌的成就。下面我们来了解一下。

关于宇宙的结构和演变,早在中国古代便有盖天说、浑天说和宣夜说等理论。而古希腊的大哲学家亚里士多德则提出了“地心说”,并由罗马的天文学家托勒密完善为一个体系。而在1473年出生于波兰的天文学家哥白尼则提出了影响巨大的“日心说”。到了十七世纪后期,伟大的物理学家天文学家牛顿建立了经典力学,以力学去计算星体的运动和解释宇宙的现象。现代非常著名的大物理学家爱因斯坦在1916年发表广义相对论之后不久,也提出了一个称为“有限无边静态宇宙模型”的宇宙学说去解释宇宙的结构,建立了现代宇宙学第一个宇宙模型。被尊为“星系天文学之父”的哈勃又在1929年提出哈勃定律,为比利时天文学家勒梅特1927年建立的“膨胀宇宙模型”提供了强而有力的支持。从此,宇宙学展现了一个崭新的面貌。

爱因斯坦的“有限无边静态宇宙模型”是在1917年提出的,之所以说宇宙是“有限无边”,是指宇宙是一个有限封闭的弯曲空间;至于说宇宙是“静态”,是指宇宙的整体空间不会变大或变小,宇宙的运动只是在其内部。我们知道宇宙是有万有引力的,从牛顿力学对星体运动计算的准确度我们可以了解到这一点。为了解释宇宙为什么不会在万有引力之下作收缩运动,爱因斯坦假设了宇宙间存在另一种“具有排斥性的力”,并认为这种“具有排斥性的力”和“万有引力”相互之间作用能够抵销,因而使宇宙整体空间处于一种不会变大或变小的“静态”之中。

爱因斯坦建立宇宙模型对部分的科学家作出了极大的启示,其后不久,相继有人提出了不同的宇宙模型。

1927年,比利时天文学家勒梅特建立了“膨胀宇宙模型”。根据哈勃定律,星系远离我们的速度与它们和我们的距离成正比,即离我们越远的星系远离我们的速度越快,这表明宇宙在膨胀着,科学家们又再根据资料结合这一理论去计算宇宙到底膨胀了多久,从而计算宇宙的年龄。虽然随着天文学的不断发展,有人认为哈勃定律与一些事实有抵触之处,但这个定律仍然给“膨胀宇宙模型”提供了强而有力的支持。

1948年,美国著名天体物理学家伽莫夫和弗里德曼提出“大爆炸宇宙模型”。这个宇宙模型的基本理论思想是,在大约200亿年以前,宇宙是一个有着极度高温、极高密度的大火球,构成今天的天体的物质都集中在这里,我们可以称之为原始火球。当时这个大火球的温度高达100多亿度,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。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,散落在空间的物质开始了局部的联合,星云、星系的恒星,就是由这些物质凝聚而成。在星云的发展中,大部分气体变成了星体,其中一部分物质则由于受到星体引力的作用,变成了星际介质。

伽莫夫根据计算预言,宇宙早期形成的、保留到今天的氦元素应该占宇宙物质大约百分之二十五,并认为,现在宇宙中应该仍然遗留有宇宙爆炸所产生的余热,估计温度在绝对温度10度左右。而美国科学家彭齐亚斯和威尔逊果然在二十世纪六十年代发现在宇宙中存在着一些没法排除的噪声,从它们的微波波段确认为热噪声,相当于绝对温度3度左右。由于理论与预言较为吻合,大爆炸宇宙模型成为了宇宙模型中最有影响的学说。

但大爆炸宇宙模型也有一些根本性的问题没有解决。例如大爆炸是什么原因引起的?大爆炸前的宇宙又是怎样的?宇宙膨胀后又将会怎样?是永远膨胀下去,还是转为收缩?

与伽莫夫提出“大爆炸宇宙模型”同年,两位奥地利天文学家邦迪和戈尔特提出“永恒宇宙模型”,后由英国天文学家霍伊尔继续发展这个模型。“永恒宇宙模型”的基本理论思想是,宇宙是有大规律在牵引其运动而不是动荡不安的,自从宇宙诞生之后,宇宙中的天体分布都处于一种相对均匀、相对稳定、相对平衡的状态。这个模型也认为宇宙是处于膨胀状态,但宇宙膨胀时,为了保持物质的密度,会不断有新物质产生。并认为假如宇宙间有星体在某处消失了,在另一处一定会有新星体诞生,以保持宇宙间物质的平衡。但“永恒宇宙模型”有一个问题无法解释,质量与能量是守恒的,若物质能不断从无变有,便会与守恒定律相矛盾。

二十世纪五十年代,法国天文学家沃库勒等人提出“层次宇宙模型”。“层次宇宙模型”的基本理论思想是,宇宙的结构是分为一个个层次的,如恒星为一个层次,星系为稍大一个层次,星系组合在一起比星系层次又要大一些,星系团组合成超星系团层次又要更大一些。宇宙的结构就是这样一层层组合,最后组合成为宇宙。

天文学家克莱茵和阿尔芬也曾提出一种与上面宇宙模型完全不同的“正反物质宇宙模型”,他们认为,在我们现在这个宇宙之外,还存在着另外一个“反物质世界”,反物质是指与正常粒子性质相反但“数量相等、完全对称”的反粒子的组成物。由于这种模型不能解释宇宙中存在的现象,因而这种宇宙模型并没有什么大的影响。

另外,前苏联数学家弗利德曼提出一个膨胀而脉动的宇宙模型,亦即“脉冲式宇宙模型”,他是应用场方程得到的。这种宇宙模型先膨胀,达到一定程度后就会转为收缩,收缩到一定程度后又会膨胀。然后再收缩,再膨胀。不停的脉动。

纵观这些宇宙模型,有静态的宇宙模型,如爱因斯坦的“有限无边静态宇宙模型”。有演化性质的宇宙模型,如“膨胀宇宙模型”和“大爆炸宇宙模型”。有以物质的平衡为依据提出的宇宙模型,如“永恒宇宙模型”。有以物质组成为依据提出的宇宙模型,如“正反物质宇宙模型”。也有以其它的科学常识和科学规律为依据提出的宇宙模型,例如是“层次宇宙模型”和“脉冲式宇宙模型”。尤其是“大爆炸宇宙模型”,更是直至现在为止影响最大的宇宙模型。这些宇宙模型大多都能使人对宇宙现象有一定的思考和启示,但严格来说,没有哪一种宇宙模型具有令人彻底信服的力量和作用。

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