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第19章 天文大观(5)

※宇宙是有限的还是无限的

爱因斯坦曾在一封书信中讲道:“宇宙究竟是在无限伸展着呢,还是有限封闭着呢?”看来,这个伟大的物理学家对这个问题也不太清楚。

宇宙究竟是有限的还是无限的?

古往今来,许多人都考虑过这个问题。我国古代的文学家屈原和天文学家张衡认为宇宙是无限的,汉代的文学家杨雄则认为宇宙是有限的。

在国外,一些科学家,如卢克莱修、布鲁诺、牛顿和莱布尼茨等认为宇宙是无限的;亚里士多德和但丁等人则认为宇宙是有限的。

宇宙是有限的,还是无限的,人类已争论了2000多年了。其争论大致可分为三个阶段。

第一阶段,宇宙有限论者主要把眼力所及的星空作为宇宙的边界,并给出了一些宇宙半径的数值。到19世纪,恒星之间的测量值已超出了这些宇宙半径值,因而宇宙有限论遇到了有力的挑战。

第二阶段,宇宙有限论基本上以银河系为宇宙的范围。

第三个阶段是以20世纪河外星系的发现为标志的。河外星系的发现又超出了宇宙有限论的视界。

宇宙无限论者对一些宇宙现象的解释也遇到了一系列障碍。如中国古代“宣夜说”认为,宇宙空间是“高远无极的”,这对于定量说明天体旋转规律、行星的顺行和逆行等问题却很困难。

而且,从宇宙无限论的论证上看,似乎它采取的是一种“证伪”的方法,即通过不断对“各阶段”宇宙有限论的“证伪”,借此取得对宇宙无限论的“证实”。

这种办法并不可靠,这好比是把宇宙无限论的确定建立在宇宙有限论的破产之中,显然有些不科学。不过,人们对宇宙的认识的确是经过有限的环节来完成的,而且是在不断突破旧的藩篱中发展的。

宇宙究竟是有限的还是无限的?这仍是一个难解的谜,看来还将持续争论下去。

※宇宙是如何诞生的

人们常常会问:宇宙是永远不变的吗?宇宙有多大?宇宙是什么时候诞生的?宇宙中的物质是怎么来的?等等。

当人类第一次把眼睛投向天空时,他就想知道这浩瀚无垠的天空以及那闪闪发光的星星是怎样产生的。所以,各个民族、各个时代都有种种关于宇宙形成的传说。不过那都是建立在想象和幻想基础上的。今天,虽然科学技术已经有了重大进步,但关于宇宙的成因,仍处在假说阶段。归纳起来,大致有以下这么几种假说。

到目前为止,许多科学家倾向于“宇宙大爆炸”的假说。这一观点是由美国著名天体物理学家加莫夫和弗里德曼提出来的。这一假说认为,大约在200亿年以前,构成我们今天所看到的天体的物质都集中在一起,密度极高,温度高达100多亿度,被称为原始火球。这个时期的天空中,没有恒星和星系,只是充满了辐射。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,高温的物质冷却起来,密度也开始降低。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,散落在空间的物质便开始了局部的联合,星云、星系的恒星,就是由这些物质凝聚而成的。在星云的发展中,大部分气体变成了星体,其中一部分物质因受到星体引力的作用,变成了星际介质。

1929年,哈勃对24个星系进行了全面的观测和深入的研究。他发现这些星系的谱线都存在明显的红移。根据物理学中的多普勒效应,这些星系在朝远离我们的方向奔去,即所谓退行。而且,哈勃发现这些星系退行的速度与它们的距离成正比。也就是说,离我们越远的星系,其退行速度越大。这种观测事实表明宇宙在膨胀着。那么,宇宙从什么时候开始膨胀?已膨胀多久了?根据哈勃常数H=150千米/(秒·千万光年),这个意义是:距离我们1000万光年的天体,其退行的速度为每秒150千米,从而计算出宇宙的年龄为200亿年。也就是说,这个膨胀着的宇宙已存在200亿年了。

20世纪60年代天文学中的四大发现之一的微波背景辐射认为,星空背景普遍存在着3K微波背景辐射,这种辐射在天空中是各向同性的。这似乎是当年热大爆炸后遗留下的余热,从某种意义上这也是支持了大爆炸宇宙学的观点。但是,热大爆炸宇宙学也有些根本性问题没有解决。如大爆炸前的宇宙是什么样?大爆炸是怎么引起的?宇宙的膨胀未来是什么格局?

第二种是“宇宙永恒”假说。这种假说认为,宇宙并不是像人们所说的那样动荡不定,自从开天辟地以来,宇宙中的星体、星体密度以及它们的空间运动都处在一种稳定状态,这就是宇宙永恒假说。这种假说是英国天文学家霍伊尔、邦迪和戈尔特等人提出来的。霍伊尔把宇宙中的物质分成以下几大类:恒星、小行星、陨石、宇宙尘埃、星云、射电源、脉冲星、类星体、星际介质等,认为这些物质在大尺度范围内处于一种力和物质的平衡状态。就是说,一些星体在某处湮灭了,在另一处一定会有新的星体产生。宇宙只是在局部发生变化,在整体范围内则是稳定的。

第三种是“宇宙层次”假说。这种假说是法国天文学家沃库勒等人提出来的。他们认为宇宙的结构是分层次的,如恒星是一个层次,恒星集合组成星系是一个层次,许多星系结合在一起组成星系团是一个层次,一些星系团组成超星系团又是一个层次。

综合起来看,以上种种假说虽然说明了模式的部分道理,但还都缺乏概括性,还有继续探讨的必要。

※宇宙到底有多大

宇宙到底有多大?这个问题很专业,但常人要理解也不难,你先把太阳想象成一个南瓜,大约2500亿个南瓜堆成了银河系,而无数这样的“南瓜堆”,又分布在一个假想中的“空心球”里。这个“空心球”的半径是1.5亿千米,相当于从地球到太阳的距离,即所谓1个“天文单位”,这就是宇宙的大小。而我们的地球在这个体积为9.5亿立方千米的“空心球”里,不过像一颗绿豆而已。

这个代表宇宙的“空心球”,总共由1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿粒子组成,其中每一个星系、每颗恒星和行星以及我们每一个人,就是由这一堆基本粒子组成的。这个有限的宇宙是人类用目前功能最强大的哈勃望远镜看到的,它所观察到的最远星系距离我们150亿光年(1光年约等于10万亿千米),再远点就什么都看不到了。就跟宇宙中的所有基本粒子都能够数清一样,至少从理论上说,在一定的时间内我们能看见宇宙中“最后一颗恒星”。

但这并不意味着那颗最后的恒星上面写着一行字:“这是宇宙的尽头,请往回走”。事实上宇宙空间是有限无界的。我们的地球就是这样一个有限的空间,你在它的表面上无论朝哪个方向走,无论走多远,你都不可能找到地球的“边界”,地球的体积是有限的,它的半径不过才6000多千米,所以最终你将回到出发点。爱因斯坦的“广义相对论”说的正是这码事儿:宇宙中无数巨大星系(就是那些“南瓜堆”)的巨大重力作用,会使整个宇宙空间发生弯曲,最终卷成一个球形,光线沿这个球面空间的运动轨迹也是弯曲的,并且永远达不到宇宙的边界。

这个“空心球”之外又是什么呢?置身其中的人类至少目前无法回答,只能请出“上帝”,或者说“上帝”本身就是答案。就连当今世界最杰出的“相对论”专家、剑桥大学的霍金教授也指出,追溯这类终极问题会使人感到,上帝存在的可能性至少有50%。罗马教皇保罗二世为此大喜并亲自接见了他,同时要求他停止窥视上帝的秘密。但霍金拒绝了,仍孜孜不倦探索宇宙终极奥秘,想给出科学的解释。

其实你完全可以把自己想象成“上帝”,然后再来观察这个“空心球”,你就会发现它的体积并非固定不变,而是在不断膨胀,就像一个被逐渐吹胀的气球一样。

“宇宙”这个词,古已有之。但其含义与今天已大不一样了。对“宇宙”的认识从自身居住的附近地区到地球,到行星,再到太阳、太阳系,其间经历了漫长的历史过程。

到了18世纪,在人们眼里,宇宙还只是太阳系。随着科学技术的发展,人们认识到:地球不是太阳系的中心,太阳才是太阳系的中心。而太阳也只是天空中数以万计的恒星中的一颗。于是人们心目中的“宇宙”开始逐渐扩展到了银河系。到了18世纪以后才弄清了太阳只不过是银河系中密密麻麻恒星中的一颗。

银河系直径约10万光年,厚度约1万光年,太阳绕银河系中心旋转一周需2亿年。

近代,人们的认识范围逐渐扩大,人们心目中的“宇宙”已不再是银河系。人类已经认识到:在银河系以外,还有许多“河外星系”的存在。

这些“河外星系”离我们很远,所以即使通过大型的望远镜,看到的它们也仅仅是一些模糊的光点。它们也是由千千万万颗恒星组成的。

十几个或几十个星系在一起组成“星系群”,我们的银河系就同它周围的19个星系组成了一个“星系群”,这个星系群的直径大约为260万光年。

比“星系群”更高一级的星系组织是“星系团”,它由成百上千个星系组成。“室女星座”里有一个星系团,包含1000个以上的星系,离我们大约2000万光年。“后发星座”里,包含有2700个星系,距离我们大约2.4亿光年。“北冕星座”里有一个包含400个星系的“星系团”,离我们更远,光从那里照射到我们地球,整整需要7亿年之久!

这一个个“星系团”共同组成了我们的总星系。

通过了解人们认识宇宙的过程,我们已经可以初步来回答“宇宙有多大”这个问题了。人们从自身居住的区域认识到地球,又从地球认识到太阳系,眼界扩大了成百上千倍。从太阳系认识到银河系,眼界扩大了一亿倍,从银河系认识到总星系,眼界扩大10000亿倍。随着人们认识的不断深化,宇宙的大小也在不断扩大。几十年前,总星系的半径还只有10亿光年,现在却已达到100亿光年之遥。总星系大小的不断扩大还给许多科学家开了一个不小的玩笑。例如鼎鼎大名的爱因斯坦,他曾经“计算”出宇宙的半径为10亿光年,后来他又修订了“计算”,认为宇宙的半径是35亿光年。事实证明,他的宇宙大小的范围一次又一次被突破了。

那么,宇宙到底有多大?宇宙是有限的还是无限的呢?

从天文学角度上说,宇宙是有限的,宇宙的大小实际可以认为是总星系的大小,是一个以一定长度为半径的有限的时间和空间范围。总星系是目前天文学所能探测到的最远的世界。目前,人们对宇宙的认识只能局限于总星系。从哲学角度上说,从哲学家发展变化的观点出发,宇宙不仅在空间上是无限的,在时间上也是无限的。“天地四方曰宇,往古来今曰宙”。正因为宇宙在时间上和空间上的无限,才使得宇宙能够成为一个统一的整体而存在。

茫茫宇宙,无边无际。目前认为总星系的半径为100亿光年,也就是目前我们心目中宇宙的大小。但100亿光年以外还可能有数不清的星系和星系团,总星系究竟有多大?它的边缘在哪里?它的中心又在何方?至今仍然是天文学中的不解之谜。

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