书城童书宇宙的秘密
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第1章 宇宙的诞生

人们常常怀着不解之谜,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。

人类当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很大进步,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多亿摄氏度,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100亿摄氏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。所以说,离我们越远的星系,其退行速度越大。这种观测事实证明宇宙在膨胀着。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,天文学中的四大发明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,但还是缺乏概括性,还有继续探讨的必要。

1.大爆炸说

我们的宇宙有起源吗?如果有起源,它来自哪里呢?

早在1927年,比利时天文学家勒梅特就指出,宇宙在早期应该处于非常稠密的状态。1932年,勒梅特进一步提出,宇宙起源于被称为“原始原子”的爆炸。1948年,美国科学家伽莫夫、阿尔弗、赫尔曼提出了“热大爆炸宇宙学”,认为宇宙开始于“原始火球”的一次巨大爆炸,在这个过程中,碎片不断在空间中自身膨胀。

伽莫夫等人建立这一理论的最初目的,是为了说明宇宙中元素的起源的。因此他们将宇宙膨胀和元素形成联系起来,提出了元素的大爆炸形成理论。按照这一理论,宇宙大爆炸初期生成的氦丰度为30%,而由恒星内部核合成的氦丰度只有3%~5%。其余的氦丰度只能来自宇宙大爆炸的核合成,从而证实了热大爆炸宇宙学的理论预言。

热大爆炸宇宙学认为,宇宙膨胀是按“绝热”的方式进行的,宇宙是从热到冷演变的。在宇宙早期,辐射和物质的密度都很高,光子经过很短的路程就会被物质吸收或散射,然后物质再发射出光子,辐射和物质频繁地相互作用。宇宙对辐射是不透明的,达到热平衡状态,辐射符合黑体辐射的规律。当宇宙温度下降到大约3000K时,质子与电子结合成氢原子,对辐射的连续吸收大大减少,物质跟辐射几乎不再相互作用了,宇宙对辐射变得透明,光子可以在空间自由地穿行。宇宙的热辐射主要是可见光和红外线。时至今日,由于宇宙膨胀带来的红移,使温度为3000K的宇宙辐射的最大强度移到微波波段,称为宇宙微波背景辐射。阿尔弗等人计算出与微波背景辐射相对应的温度为5K左右。1965年,美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在7.35厘米波长上,接收到了各方向的来自宇宙的微波噪音,噪声的信号强度等效于温度为3.5K的黑体辐射。微波背景辐射的发现,有力地支持了热爆炸宇宙模型。因此,大爆炸宇宙学得到大多数科学家的认同。

2.无中生有

1948年后期,英国科学家邦迪·戈尔德和霍伊尔建立了一种模型,这一模型建立在完全宇宙学原理之上,即除了宇宙是均匀的、各向同性的假设之外,还增加了宇宙不随时间变化的假设。在这种宇宙模型中,宇宙是无限的,没有开端也没有终结,而且一直保持同样的状态。无论在什么地方,在什么时候,观测者看到的宇宙总是相同的。这种宇宙模型中,宇宙起源的问题是不存在的。面对宇宙膨胀的事实,怎样能使宇宙的状态不变呢?邦迪等人认为,宇宙中不断产生新的物质,其产生率和因宇宙膨胀造成的密度减小度相等,从而使宇宙物质密度保持恒定,不随时间变化。这种模型叫做稳恒态宇宙模型。

新的物质是从哪里产生的呢?他们主张,新的物质并不是由能量转化而来,而是从虚无中产生的,这也等于承认能量也是从虚无中产生的。按照稳恒态宇宙模型,每立方米的空间体积内,每109年产生一个氢原子。这个数值太小了,无法由观测验证,此外它也违背了一些普遍适用的守恒规律,如物质守恒定律和能量守恒定律等。从观测角度看,类星体的空间分布表明,过去的类星体比现在多得多,而稳恒宇宙模型主张类星体的数目任何时候都一样,这和观测事实不符。此外,这个模型也难以解释宇宙微波背景辐射。

3.暴胀宇宙学

由于大爆炸宇宙学得到观测事实,如星系红移或宇宙膨胀,3K宇宙微波背景辐射以及氘和氦的丰度的证实,因此已被大多数科学家承认,称为标准宇宙模型。

但是,这个学说也有些难以解决的困难,如(1)奇点问题。即原始火球的温度和密度均为无限大,这是物理学中很难接受的。(2)均匀性问题。观测表明,微波背景辐射之间应当是有联系的,但大爆炸将宇宙各部分迅猛撕裂开,不允许有这种联系。(3)平直性问题。标准宇宙模型认为宇宙空间曲率可能有正、负、零三种,但各种测量宇宙物质平均密度的方法,所得出的值均接近于临界密度,即宇宙空间曲率很小,接近于零。这是偶然的吗?为什么会这样呢?(4)磁单极子问题。标准宇宙模型中大统一理论认为,应当产生的磁单极子非常多,但我们并没有探测到任何磁单极子。(5)小尺度不均匀性问题。即星系形成及星系的非均匀分布问题。

1979年~1981年,美国科学家古思、温伯格和威尔茨克三人提出暴胀宇宙学理论。这个学说认为,在大爆炸后不到10-35秒的瞬间,宇宙迅速膨胀,故称为暴胀。暴胀持续了10-32秒,但在此非常短的时刻内,宇宙的体积却以指数式增大了1043倍!

在暴胀宇宙模型中用以描述时空的场,既不是磁场或引力场,也不是描述物质的场,而是用具有类似真空性质的所谓希格斯场。希格斯场能够产生不稳定性,这些不稳定性触发时空猛烈迅速膨胀。如果认为大爆炸以前宇宙就是希格斯场的形式,就可能避开奇点问题。其次,在暴胀宇宙模型中,膨胀很快,但具有相互联系的范围迅速变大,从而解决了均匀性问题。第三,暴胀宇宙模型中的宇宙比标准模型中的宇宙要大得多,因而看上去要平直得多,从而解释了为什么宇宙是平直的问题。第四,大统一理论认为磁单极子是在“对称相”转变为“非对称相”的过程中产生的,产生的数量与相转变速度成正比例,暴胀宇宙模型中相转变比较缓慢,因而磁单极子也较少。第五,这种学说认为引力强度在宇宙暴胀过程中不是恒量,引力强度变化方式与宇宙膨胀的速率有关,并导致宇宙膨胀速率减慢。当暴胀阶段终了,宇宙过渡到今天所见到的平缓的膨胀状态,物质分布不均匀现象便产生了。这为解决小尺度上不均匀性指明了方向。