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第2章 宇宙的奥秘(2)

关于宇宙存在几维的问题,大众的普遍观点是三维。然而,天体物理学家最新研究宇宙暗物质时发现,宇宙除了有人们普遍知道的三维外,还有第四、第五和第六维。长久以来,由于这些维隐藏得很好,所以一直没有被科学家发现。英国牛津大学的约瑟夫·西尔克及其同事研究分析了宇宙暗物质的复杂运动,认为其中一些古怪行为可能说明宇宙中存在隐藏的维。

虽然暗物质是一种不可见的物质,但是其施加在可见星体上的力量却暴露了它们的行踪,所以科学家希望通过跟踪这些力量“顺藤摸瓜”就可以找到暗物质并进行研究。结果,科学家发现,暗物质似乎更倾向于“同性相吸”,换句话就是自我吸引。而这种趋势和力量在小星系中表现得更加明显:小星系里的暗物质反而表现出了比大星系暗物质更强的吸引力。

所以,研究人员猜测,除了我们所熟知的三维——长、高、宽,宇宙中还存在另外三维隐藏在暗物质里,这第四、第五和第六维悄悄影响着暗物质的引力,导致出现上述结果。

宇宙究竟有多大?人类还在不断的猜想与验证之中,相信在将来,这个谜团会被解开的。

宇宙之外还有什么

我们所能知道的一切事物,乃至整个宇宙是否只是某个巨人肩膀上的一小粒尘埃?是否存在其他宇宙?

尽管听起来有些不可思议,但这却是从量子力学中得出的。

量子力学认为,物质和能量能够借助量子扰动同时在真空的宇宙中出现。宇宙哲学家认为量子扰动引起了大爆炸。因此,理论家认为,如果我们的宇宙是由量子扰动所产生的,那么其他的量子扰动就很可能能够产生出其他宇宙。

一些科学家认为有其他宇宙存在,这是唯一能够解释为什么我们的宇宙会存在的理由。根据人择原理,有无限数量的宇宙存在,而且每个宇宙都有自己的一套物理定律。而其中之一也是我们所在的宇宙所拥有的。

如果真的有其他宇宙存在,我们有没有办法探测到呢?

亚利桑那大学天文学家尹培指出,由于来自极度遥远的区域光线无法到达我们这里,因此我们自己的宇宙有些部分是无法观察得到的。而且,我们知道,我们自己的宇宙要比目前所能看到的大得多。

如果存在其他宇宙的话,我们是否真的永远无法探测到呢?一些理论家猜测,其他宇宙的引力能量有可能渗透到我们的宇宙中,或许我们在未来某个时候就可以探测到这些。对于这一猜测,宇宙哲学家认为需要很长很长的时间。

依据是,这纯粹是猜测,或许是一种合理的猜测,但这种猜测与人们所提出的关于虫洞、时间旅行以及白洞、黑洞的猜测一样,是由具有相当高水平的物理学家所做出的理论猜测。

美、英物理学家曾提出在“五维空间”中可能“隐藏”着另外一个宇宙的理论,这引起宇宙学家的普遍关注。他们认为,我们的宇宙和一个“隐藏的”宇宙共同“镶嵌”在“五维空间”中。在我们的宇宙早期,这两个宇宙发生了一次相撞事故,相撞产生的能量生成了我们宇宙中的物质和能量。

科学家认为,这一学说将为宇宙起源的研究开创一个新的局面,因为多年来不断发现的实际天文观察支持这一点,“宇宙大爆炸”学说如今已被科学界普遍接受。大爆炸发生1秒之后的宇宙膨胀历史都符合这一学说,但是如果追溯到150亿年之前宇宙年龄为10-35的时候,宇宙应该被压缩到一个直径3毫米的区域中,但是在这么早的时候,速度最快的光线只能行进大约10-25厘米。因此这一时间段宇宙究竟发生了什么人类一直不得而知。

有趣的是,有人提问,如果这一学说是正确的,那么会不会有另外一个宇宙从“五维空间”中出来将我们毁灭?提出这一学说的普林斯顿大学天文物理学家斯坦哈特教授认为是可能的。在人类不断寻找的物质世界各种规律中,宇宙的起源是其中的主要方面。

人类尝试着去了解宇宙,人类要去思考那些超越了我们视线的,甚至超越了未来我们所能见到的东西。

宇宙的年龄之谜

宇宙是一个关于时间空间的概念,然而,在宇宙的时空跨度里,它的年龄又应该怎么计算呢?我们的宇宙有多大了呢?

在科学宇宙理论诞生以前,关于宇宙的年龄问题只能是臆想。宇宙的范围如此巨大,那么,宇宙的年龄又怎样测算呢?是不是只笼统地说“无始无终”就可以了呢?

目前,天文学上有很多关于宇宙年龄的说法,而且关于宇宙年龄的测量手段也各种各样,但是所有关于宇宙年龄的估计值都还没有进行过严格验证,而且误差都很大。宇宙年龄是和宇宙起源联系在一起的问题,首先承认宇宙是有年龄的也就承认了宇宙是有开端的,那么怎样寻找宇宙的开端呢?

科学家通过逆推算宇宙膨胀的过程,根据宇宙的膨胀速度(即哈勃系数和减速因子)计算从密度达到极限的宇宙初期到扩展为如今这种程度究竟需要多少时间,即为宇宙年龄。

大爆炸宇宙诞生理论为计算宇宙的年龄提供了物理基础。“哈勃常数”是大爆炸理论(即膨胀宇宙)的主要依据,测算宇宙年龄的一个关键因素正是计算哈勃常数。所谓哈勃常数,是星系的红移量(远离我们而去的速度,也就是星系的分离速度)与星系到地球的距离(也就是星系之间的距离)的比值。因此,计算哈勃常数,就是计算星系之间的距离和分离速度。由于星系的分离速度可测量出来,因而宇宙年龄最后决定于星系之间距离的测量。

由于星系之间距离很难准确地测量出来,所以哈勃常数也存在很大的误差。20世纪90年代以前,人们根据哈勃常数估算宇宙的年龄为150亿~200亿年。随着天文测距技术的提高,多数天文学家认为宇宙比原来估算的年龄要年轻一些,应在100亿~150亿年之间。

宇宙究竟有多老?这个简单而基础的问题已经困扰了天文学几个世纪。有些测量方法并不能直接测量宇宙的年龄,它们都要依赖于对被观察的对象的性质的假说。

科学家们也尝试了各种各样的办法来测算宇宙的年龄。有的根据恒星演化的情况求恒星的年龄。通过理论推导恒星内部的核聚变反应,就可以知道恒星这个天然的原子反应堆的结构和它的发热率是怎样随时间变化的。将观测和理论相核对,就可求出恒星和星团的年龄,再由最古老的恒星年龄推算宇宙年龄。

宇宙测时法依赖于测量在恒星上发现的放射性元素钍的丰富程度。科学家在一颗非常古老的叫做CS31082-001的恒星上,发现了放射性元素钍和铀,促进了该方法的一大进步。放射性宇宙测时法在未来的某天可能会被证明是对宇宙年龄的所有其他评价的一个依托。

科学家通过对这颗古老的恒星CS31082-001上的放射性元素钍和铀的测量,显示其年龄为大约125亿年,从而推测宇宙的年龄至少为125亿年,当然包括了33亿年的误差。

还有一种方法是同位素年代法,这种方法已广泛运用于测定月岩和陨石的年代。就是利用放射性同位素发生的自然衰变,由衰变减少的情况推测母体同位素的生成年龄。放射性同位素只有在特别激烈的环境中才能生成,所以一旦被禁闭在岩石中就只有衰变了。测定母体同位素与子体同位素之间的量比,测定具有两种以上不同衰变率的同位素的量比,就可以决定年代,由此推算宇宙的年龄。

与此同时,科学家从WMAP(威尔金森微波各向异性探测器)观察到的宇宙中最早的光线到达我们这里需要130多亿光年。这很容易让人产生迷惑:这样的话,宇宙的直径难道不应该是130多亿光年的两倍,也就是大约270亿光年吗?

随着科技的进步,人们正在寻求更科学更精确的测量宇宙年龄的方法。

宇宙的中心在哪里

宇宙有多大?宇宙的中心又在哪里呢?从人类诞生起,这些问题就一刻不停地萦绕在求知者的心中。

人类对宇宙的想象一刻都未曾停止过。中国古代盘古开天的混沌宇宙图像、西方的叠乌龟驮天地的宇宙图像等在人类探索宇宙奥秘中都是多彩的一笔。

公元前340年,随着古希腊哲学家亚里士多德《论天》的发表,地球是宇宙的中心这一观点就备受关注。

托勒密描述出了一个八天球的宇宙图像,这是人类历史上最早的比较完整的宇宙模型。后来基督教引用了这一图像,认为这与《圣经》很吻合,至少人们可以随意想象在固定恒星球之外的天堂和地狱。

哥白尼、开普勒、伽利略又提出了太阳中心论,这使人类第一次把自己的地位从中心移开。牛顿的万有引力定律出现后,人们一度认为宇宙是无限的,而每一点都是宇宙的中心。而且,对每一点来说,各个方向都是没有任何区别的。

随着爱因斯坦的广义相对论的发表,1922年俄国物理学家发现,不论我们往哪个方向看,也不论在任何地方进行观察,宇宙看起来都是一样的。此后,科学家观测到各个星系相对于我们快速退去,也就是说宇宙在膨胀,从各个方向看去宇宙膨胀速度是等同的。

人们迷惑了,难道我们真的仍是宇宙的中心吗?事实上,这种情形很像一个画有好多斑点的气球被逐渐吹胀。当气球膨胀时,任何两个斑点之间的距离加大,但是没有一个斑点被认为是膨胀的中心。也就是说宇宙没有中心。

宇宙真的没有中心吗?

随后,科学家又发现,宇宙开始斥力膨胀后,宇宙中心区域的物质在斥力的作用下不得不离开中心,从而形成空洞,而且空洞越来越大。在空间上,各种物质的分布也是对称的。

在斥力假设的基础上,科学家断言,小宇宙的中心就是离我们最近最大的空洞。空洞的周围布满星系,也可以说是被大的超星系团包围着,因为沿周边的引力仍阻碍着膨胀。空洞中有时有少量的天体,原因是天体的爆发物可以射入空洞。

科学家认为,人类是宇宙中心得天独厚的观测者。

人类一直在进行对宇宙中心的探索,虽然我们今天已经得到了某些答案,也许有一天这些答案会像我们认为地球绕着太阳运动那样显而易见——当然也可能像乌龟塔那般荒唐可笑。不管怎样,唯有让时间来判断了。

宇宙会死亡吗

19世纪70年代,一位英国诗人斯温朋曾写了一首令人感到恐怖的诗:

无论是星星还是太阳都不再升起,到处是一片黑暗,没有溪流的潺潺声;

没有声音,没有景色,

没有冬天的落叶,

也没有春天的嫩芽;

没有白天,没有劳动的欢乐,在那永恒的黑夜里,只有没有尽头的梦境。

这首诗是斯温朋根据一位著名物理学家的“理论”,对人类和宇宙的未来做的一番描述。这位著名的物理学家是德国人克劳修斯,他主要因为他的热力学和气体动理学理论而著名。他的主要贡献是热力学第二定律——“热不能自动地从较冷的物体传到较热的物体”。这一定律说明自然界中的一切热现象有关的过程都是不可逆的。克劳修斯建立的热力学第二定律有着极深刻的物理意义,它提出了自然界的过程都是有方向的,并把这个定律外推到无限的宇宙。1867年,他在德国自然科学家和医生的集会上发表演说中说“宇宙会进入一个死寂的永恒状态”。不久,这一说法就被人们遗忘了。

作为自然界不可抗拒的客观规律,人们不禁要问,宇宙真的会死亡吗?

科学家认为,宇宙会逐渐耗尽所有能量并慢慢地停止膨胀。恒星、星系、行星和所有原子都会开始坍缩,紧缩成针尖大小。

多年来一个众所周知的事实是,宇宙正在迅速膨胀,而且这种膨胀速度即便还不足以撕碎宇宙,也足以使遥远的星系以超光速的速度远离我们。银河系以外的任何星系都有可能在1000亿年内消亡。

宇宙在向外膨胀时,“光高”会变长、减弱。科学家认为,尽管光的波长能达到我们星系大小的长度,但也会慢慢被吸收掉。

刚刚诞生的宇宙是炽热而且致密的,随着宇宙的迅速膨胀,其温度会迅速下降。最初的1秒钟过后,宇宙的温度降到约100亿摄氏度,这时的宇宙是由质子、中子和电子组成的。随着温度继续变冷,核反应开始发生,生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,并逐渐演化成星系、恒星和行星,在个别天体上还出现了生命现象。

宇宙死亡和重生的循环是很可能的,或者说,当宇宙的真空突然变成某种完全不同的物质时,宇宙可能会有一个非常奇特的结局。

宇宙可能在一次大坍塌中向内坍缩,或者我们将迎来另外一种结局,它被称为大撕裂,慢慢陷入黑暗。但是恐惧却不必:漫长的黑夜将会比你想象的有趣一些。

宇宙中的支配性的力量是恒星和其他物质之间的引力,这就意味着宇宙的未来只有两种可能,要么宇宙的密度大到使其引力能够克服大爆炸以来的膨胀并且把所有的物质在一次大坍塌中重新拉到一起,成为“大坍塌”;要么宇宙的密度不足够大,膨胀将会永远持续下去。

要了解宇宙是否会发生坍塌,就必须先弄清宇宙是否仍在膨胀,或膨胀的速度是否正在减慢。科学家研究发现,两颗恒星在重力的作用下互相绕行,其中一颗是缩小的高密度恒星,发出高热和白光,它就是白矮星。另一颗恒星则膨胀成庞然大物,它就是红巨星,它的燃料即将耗尽。这两颗恒星互相绕行时,白矮星会吸取伴星的气体,开始年复一年地长大。白矮星的质量达到一定量时,就会崩溃、坍缩,接着爆炸,释放出耀眼的光线和能量。而且,宇宙各处都有相同的亮度和可见度。

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