书城自然科学科学奥秘丛书——天文大事纪
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第6章 视超光速现象(1)

1972年美国天文学家首次计算出了赛佛特星系3C120的膨胀速度为光速的4倍。我们现在都已知道,根据著名科学家爱因斯坦的相对论理论,光速是世界上最快的速度,没有任何物质具有的速度能超过它。但是天文学家在以后的工作中又陆续发现了几个类星体(如3C345等)的两个射电子源的分离速度为光速的7倍,甚至达到10倍。以后的研究使天文学家认识到:这些现象反映出来的超过光速的现象只是一种视现象。实际上,上述天体的速度并没有超过光速,他们认为这种现象的产生是由距离上的视觉错误造成的,其发射点实际不在同一距离上,对这一解释,天文学家现在已找到了观测上的一些证据。但是,具体的原因是什么,现在还不能说已经找到了准确答案;若依据现有理论有一点是肯定的,即光速是无法逾越的,很多天文学家都坚信这一点,并由此出发去寻找宇宙的答案。

宇宙中的反物质

预言反粒子的存在是量子理论的早期成就之一,无论是已发现的粒子还是理论上预言的粒子,都有一个共同的特点:每一种粒子都有一种相应的反粒子。粒子和反粒子的质量相同,而其他一些性质(如电荷等)却正好相反。在比原子更小的基本粒子尺度上粒子和反粒子是高度对称的,它们总是形影不离,缺一不可。然而,一旦大于这个尺度,却出现了强烈的不对称性。太阳系、地球和银河系都是“正”粒子组成的“正”物质。那么反物质又在何处呢?

在银河系中,我们可以肯定地断定没有反物质构成的恒星。否则,广大的星际介质就会与反物质发生湮灭,从而产生数量远超过观测值的γ射线。然而在星系际空间深处可能有反物质存在,甚至可能有由反物质构成的反恒星组成的反星系。但是银河系以外的星系究竟是由物质还是反物质组成的,现在还无法判断。因为我们对遥远星系的知识完全来源于它们发出的光子,而光子的反粒子就是它本身。因此即使是反物质组成的星系,其光学性质也与星系相同。

假如即使存在反星系,它们与星系也要由真空隔开,否则就要发生强烈的湮灭反应。现在我们知道星系际空间的许多区域被稀薄气体占据着。

同这些气体的相互作用使得湮灭在反物质区域不可避免,从而产生可观测的超量γ射线。

可是我们没有发现这种特别现象。因此,至少目前我们推断:宇宙看来基本上是不对称的,物质大大超过反物质。

著名的物理学家温伯格等人把大爆炸宇宙理论和基本粒子大统一理论合在一起进行了探讨。他们认为在极早期宇宙中,物质和反物质的数量必定几乎相等。辐射场大量产生粒子——反粒子时,偶尔也有极少的质子和电子掺杂在这个炽热的环境中,每1亿个光子和粒子对只多出1个质子。

然而,随着辐射的冷却和粒子对的湮灭,每个光子能量减少,过剩的物质最终变为主要的成分。结果,原子现在构成了质量密度的主体。

宇宙创生的最初一刹那,宇宙曾经是高度对称的,即正反粒子数大致相等。然而,为什么早期宇宙有这么一点儿不对称而导致在今天反物质如此之少呢?这是大爆炸宇宙学理论的未解之谜。也正因为如此,物质的我们才出现在这个世界中,这也是宇宙的奇妙之处吧。

对称的宇宙

美的事物人人都热爱、崇尚,在对自然界的,尤其是在对宇宙的探索中更是如此。以追求和谐、统一和完美作为信仰的科学家们在理论上构造出了简单和对称的宇宙模型,因为人们都相信对称是完美的特征。那么,事实上是否如此呢?

随着科学技术的不断进步,天文观测方法也有了惊人的突破,由传统的光学波段遍布到整个电磁波谱的探测,使我们对宇宙大尺度结构有了长足的认识。观测表明,相对我们自己的星系,宇宙在大尺度上是各向同性的。虽然在较小的范围内物质的分布是不均匀的,有成团性。但如果把这些局部的起伏平滑地去掉,则整体上表现出均匀性。在最大望远镜所及范围内,星系的分布是非常均匀的。换句话说,从我们的星系看去,宇宙在大尺度上不存在任何优越的方向(即这个方向与众不同)。对我们来说,宇宙所表现出的是各向同性的,对称的。

然而我们并不能肯定其他星系的观测者看到的宇宙是否是各向同性的,没有任何方法可以直接验证这个结果。但是我们可以作一个简单的逻辑推理。如果其他星系的观测者所看到的与我们的观测结果不符,那么,我们得到的是各向异性的情况,也就是说“上帝”在创造宇宙时,在整体结构上把地球或我们的星系放在了最优越的地位,宇宙仅对我们来说是各向同性的——我们是宇宙的中心。

然而这个观点被当代的科学观点彻底打破了。因为“以自我为中心”和“自以为是”思维方式被证明是错误的。而原则上,其他星系的观测者们也会发现,宇宙是如此的均匀、对称。

当然,观测结果与结构均匀相同是对于我们所能达到的宇宙范围而言,但观测并未证实情况必须如此,而更大尺度上的均匀对称性还只是天文学家们的一种美好的愿望而已。

对称的宇宙并不只是包含空间分布这一事实。而作为四维时空中必不可少的时间上也是宇宙对称性的一个重要因素。现代科学理论已经否认了牛顿绝对时间的正确,因而不存在为所有观测者都接受的统一时间系统,每个观测者所测的时间是不一样的。由于考虑到宇宙整体均匀性和各向同性以及把星系联系起来的哈勃定律,可以得到一个美妙的结论,每个星系的观测者所得的时间是同步的,我们得到了一种类似牛顿的宇宙时系统。宇宙在时间也是对称的。

由于时空对称的完美结合,使我们所认为的宇宙和谐、迷人。然而对称与美毕竟只是我们的梦想,宇宙会满足我们的梦想吗?我们只刚刚开了个头。

小行星的发现

我们知道,太阳系中环绕

着太阳这颗中心天体运动的,有八大行星及其卫星,同时还有许许多多的小行星、彗星、流星体和星际物质等等。

有人就会问了,小行星究竟怎样发现的,共有多少颗小行星,它们位于太阳系宇宙空间什么地方,它们又是怎样形成的呢?

很久以前,科学家们在探索太阳系里各个行星的轨道时,发现了一件奇妙的事。他们发觉,行星并不是随随便便地散居在太空的,而是非常有“秩序”地按着某种规则分布在太阳的周围;它们几乎是像排过队似的,彼此之间的距离都成一定的比例。

德国的中学教师提丢斯在1766年发现当时已知的水星、金星、地球、火星、木星和土星这6颗行星与太阳的平均距离有一定的规律,它们可以用有趣的数列来表示,即是:4,4+3,4+6,4+12,4+48,4+96。4即为水星距太阳之间的平均距离(约58百万千米);4+3为金星与太阳之间的平均距离,即58百万千米+58百万千米的四分之三(43.5百万千米),等于101.5百万千米;4+6为地球与太阳之间的平均距离,即58百万千米+87百万千米,等于145百万千米,以下类推。这样计算的结果,虽然这6颗行星与太阳之间的距离,与我们现在知道的它们与太阳之间的平均距离还有些出入,但是已相差不了多少,例如,地球与太阳之间的平均距离仅差2.67%。

提丢斯的这个发现引起了科学家们的兴趣。几年后,柏林天文台长波得,对上述规律作了进一步的论述,人们就把它称为“提丢斯—波得定则”,简称为波得定则。

仔细地看上面的数列能够发现,每项后面的数都是前项后面数的两倍。但是第四项和第五项之间,却把这个“秩序”给打乱了,少了一项4+24,这是什么缘故呢?当时便引起人们的注意,而根据波得的推测,在火星和木星之间应该有一颗行星。然而,天文学家怎么找也没有发现这颗行星,这使天文学家们感到非常奇怪,但大家认为,在火星和木星之间,肯定还有一颗行星存在着。如果找不到它,它一定是“躲”起来了,为了寻找这个“空缺”的行星,天文工作者和天文爱好者花费了许多时间,对火星和木星之间进行了大量的观测,直到19世纪初的1801年1月1日夜里,这个“躲”起来的行星,终于被意大利的天文学家皮亚齐在天文望远镜里“捉”到了。人们给这个行星起名为谷神星。这样,波得定则填补完整了。

天文学家既感到高兴,又有点儿感到些失望。因为这颗行星出奇的小,其直径只有770千米。还不到我们地球的卫星——月亮直径(3467千米)的四分之一。它只算个很小的行星。大约过了一年的时间,1802年,业余天文爱好者,德国医生奥伯斯又发现了第二颗小行星——智神星。智神星比谷神星还要小,它的直径还不到500千米。

发现智神星的时候,当时的天文学家非常惊异。因为他们原来只想找到一颗行星,而现在却发现了一双。这时他们便猜想,既然发现了第二颗小行星,还会不会在木星和火星轨道之间存在着第三颗、第四颗、乃至更多的小行星呢?

事实正是这些天文学家所假想的那样,过了两年,1804年,人们又发现了第三颗小行星——婚神星。到1807年,又发现了第四颗小行星——灶神星。

在此之后大约过了40天,天文学家又发现了第五颗小行星。在发现第五颗小行星后的第二年,又发现了第六颗小行星,在整个第19世纪,天文学家们共发现的小行星有400颗以上。到了20世纪,随着科学技术的发展,不断先进的观测手段,小行星的发现便越来越多了。到目前为止。天文学家发现的小行星已经有2000个以上。那么,火星和木星这两颗大行星轨道之间,到底有多少颗小行星呢?具体数字很难确定。因为随时都可能会发现新的小行星。因此,关于小行星的数字,或者说有2000多颗,或说有成千上万颗。

探测结果显示在火星和木星轨道之间有非常多的小行星。因此,我们称它们为一个小行星带。它们就像八大行星一样绕太阳公转。不过,它们的质量体积都很小。最大的直径只有1000千米;小的直径还不到1千米。有人估计,全部小行星的总质量,不会多于地球质量的万分之四。当然,这需要我们进一步考察。

关于小行星的形成原因,目前说法不一,有的人认为:在火星和木星之间本来是有一颗大行星的,但不知是什么原因,也许是跟一个什么星球相撞了,这个行星爆裂了。现在的小行星,可能就是这颗星的残体,不然的话,为什么这些小行星形状都不那么规则呢?还有人认为,在火星和木星之间,本来就有一些星际物质可以凝聚成为一个大行星的,但这些物质凝聚得不够结实,结果就分裂成大小不一样的小行星了。总之,有关小行星的成因,尚无定论,有待于科学家进一步的考察、分析、定论。

我国天文工作者在发现这些小行星的工作中,也作出了不少贡献。在已编号的2000多颗小行星中,有一颗名叫“中华”的第1125号小行星,是由我国天文学家张钰哲于1928年发现的。解放后,我国天文事业有了飞跃的发展,由于有了强有力的天文望远镜,从1954年秋天起,我国南京紫金山天文台已先后发现了400多颗小行星。其中,1977年有4颗新的小行星曾在国际上得到正式编号,分别被命名为“张衡”、“祖冲之”、“一行”和“郭守敬”,以纪念我国古代著名的天文学家。1979年下半年,又有4颗由我国发现的新小行星,被正式编号命名为:第2027号“沈括”;第2045号“北京”;第2077号“江苏”,第2078号“南京”。这4颗小行星都已经过多次观测,并计算出了它们的轨道。在这以后,紫金山天文台又连续发现了5颗小行星,被国际上正式编号为:第2058号“河南”;第2162号“安徽”;第2169号“台湾”;第2184号“福建”;第2185号“广东”。

日中有“黑气”

太阳是我们地球上光和热的源泉。我们祖先善于实践,勤于观测,对太阳上的细节都进行详细描述,精确记载,见于史书。我国有更早的黑子记载。

大约在汉武帝建元元年(公元前140年)的《淮南子》这一著作的卷七《精神训》中,就有“日中有踆乌”的叙述。踆乌,也就是黑子的现象。而比这稍后的,还有:汉“元帝永光元年四月,日黑居仄,大如弹丸。”(《汉书·五行志》引京房(公元前77—前37年)《易传》)。这表明太阳边侧有黑子成倾斜形状,大小和弹丸差不多。永光元年是公元前43年,所以这个记载也比前面的记录早。

黑子指的是在太阳表面发黑的区域,由于物质的激烈运动,经常处于变化之中。有的存在不到一天,有的可到一月以上,个别长达半年。这种现象,我们祖先也都精心观察,并且反映在记录上。《后汉书·五行志》有这样的记载:“中平五年正月,日色赤黄,中有黑气如飞鹊,数月乃销。”