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第一章2（第1页）

第一章（2）

宇宙的膨胀之谜

人们常常用“不知天高地厚”这句话来批评那些无知的人。其实，天究竟有多高，至今也没有人能说得清楚，宇宙的大小和形状，也就成为天文学家争论不休的问题之一。

宇宙到底有多大?古今中外有过许多说法，但争论的焦点集中在宇宙是有限的还是无限的这个问题上。

大约在公元140年，古希腊著名天文学家托勒密在总结前人天文学说的基础上，提出了“地球中心说”，认为地球是宇宙的中心，太阳、月球、行星和恒星都围绕地球转动。在后来的1000多年中，托勒密的地球中心说一直在欧洲占统治地位。到16世纪，波兰天文学家哥白尼经过40多年的辛勤研究，于1543年提出了“日心说”，认为太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都围绕太阳转动。他把宇宙的中心从地球搬到了太阳，把人类居住的地球降低到了普通的行星地位，从而开始把自然科学从神学中解放出来，并且动摇了神权对于人类的统治。但是，由于受当时生产力水平和实践条件的限制，哥白尼和托勒密一样，都把宇宙局限在很小的范围内，错误地认为太阳系就是全部宇宙，把宇宙看成是有限的，即有边界的。

同托勒密、哥白尼的宇宙有限论相反，中国古代很早就有一些天文学家认为宇宙是无限的。尸佼在《尸子》一书中说：“天地四方日宇，往古来今日宙。”他把空间和时问联系起来思考，从而模糊地表示了宇宙在空问上和时间上无限的思想。《列子》一书的作者认为，大地仅仅是宇宙间一种很小的东西，而不是宇宙的中心；“上下八方”都是“无限无尽”的而不是“有极有尽”的。唐代著名的哲学家柳宗元曾在《天对》中说过，宇宙“无中无旁”，即没有中心也没有边界。1584年，意大利哲学家布鲁诺在伦敦出版了《论无限宇宙和世界》一书，十分明确地提出了宇宙无限的理论。他指出：“宇宙是无限大的，其中的各个世界是无数的。”他认为，在任何一个方向上，都展开着无穷无尽的空间，任何一种形状的天空都是不存在的，任何的宇宙中心都是不存在的。所有的恒星都是巨大的球体，就像太阳一样。他把太阳从宇宙的中心天体降为一个普通的恒星。

随着天文学的发展，人们通过望远镜观测发现，太阳系的直径是120亿公里0，地球同整个太阳系比较不过是沧海之一粟：银河系拥有1500亿颗恒星和大量星云，直径约10万光年，厚约1万光年，太阳系同它比较也不过是沧海之一粟；总星系已经发现的星系有i0亿个以上，距离我们有几十亿光年到100多亿光年，银河系同其相比较也好比是沧海中的一颗“沙粒”，日前，大型天文望远镜已能观测到100多亿光年以外的天体，但是还远没有发现宇宙的边沿，因此，多数天文学家认为宇宙是无限的，是没有边界和没有中心的。同时，也有部分人认为，宇宙是有限的。理由是宇宙起源于夫爆炸，大爆炸至今的时间是有限的，宇宙膨胀的速度是一定的，宇宙的大小也一定是有限的。还有一部分人认为，人类对宇宙的认识仅仅是初步的，对太空的观测能力还十分有限，给宇宙的大小下一个结论还为时过早。总之，目前人们对宇宙大小的种种说法，多数是一种猜测，还没有完全被天文实践所证明，字宙到底有多大，是有限的还是无限的，的确至今还是一个谜，还有待于航天技术的发展和天文学家的进一步研究探索来加以证明。

在中国古代有“盘古开天辟地”的传说，后人又对其作了进一步发挥，即盘古花了“万八千岁”使“天去地九万里”。有意思的是，它采用了一种膨胀观点来描述天地产生的情景。

在西方，认为宇宙的膨胀或演化似乎是不可思议的。《圣经》上讲：“一代消逝了，另外一代降临了，但地球是永恒的……过去是什么，将来还是什么；过去被做成什么样，将来还是什么样。世界上没有任何新的东西。”这种思想对西方的影响可谓至深、至远。

说它的影响深远，并不夸张，就连爱因斯坦也未能例外。爱因斯坦在发表广义相对论之后，同荷兰物理学家德西特一起把它应用到宇宙研究上。研究结果表明，宇宙是动**不止的，要么膨胀，要么收缩。为此，爱因斯坦修改了自己的理论，使宇宙重新“静”下来。这使他铸成大错。他曾不无遗憾地谈到，这次失误是“我一生中犯的最大错误”。

俄国科学家费里德曼计算的结果表明，宇宙可能周期性地收缩和膨胀，也可能无限地膨胀下去。比利时天文学家勒梅特则认为，我们的宇宙原来装在一只“宇宙蛋”中，由于它的突然爆炸才逐渐形成现在人们观测到的宇宙。

在勒梅特的理论提出后不久，美国天文学家哈勃利用加州威尔逊山上1．5米和2．5米直径的天文望远镜发现宇宙是在膨胀着的。

宇宙会永久地膨胀下去吗?这个问题并不容易回答。为此人们进行了大量的观测与研究。

能使宇宙中止膨胀的是引力，但它要达到一定的量。能否达到这个量，要看宇宙物质的平均密度能否达到一个量（临界密度）。可是，如果宇宙中存在着大量的“暗物质”，其平均密度就难定了。

20世纪80年代，前苏联科学家发现一种叫作中微子的基本粒子质量不为零。如果它得到确认，宇宙物质就会超过临界密度，宇宙膨胀就会中止。

宇宙年龄测定也是宇宙膨胀与否的一个指标，但宇宙年龄测定的难度很大。

此外，还有一些方法可以检测宇宙演化是继续膨胀，还是将要收缩，但是，无论哪一种方法都还不能提供绝对的根据。

宇宙归宿之谜

根据最流行的宇宙学理论，我们的宇宙产生于200亿年前的一次大爆炸，宇宙的膨胀已持续至今，现在的观测表明，膨胀的涑度已有减慢的趋势。如果膨胀速度几乎没什么变化，它就是一种开放的宇宙。如果膨胀最终要停下来，并开始收缩，它就是一种闭合的宇宙。

恒星终归难逃死亡的厄运，那么宇宙的命运又是否会一样?宇宙论学者相信我们的宇宙有三种可能的归宿，而关键就系于宇宙所有物质的平均密度。

第一种情况是宇宙所包含的物质太少，引力无法遏止宇宙继续膨胀，结果宇宙会永无止境地膨胀下去，我们称这个宇宙为“开放宇宙”；第二种情况是宇宙拥有足够的物质，使膨胀的速度逐渐降低，并最终在某一时刻将膨胀逆转为“大压缩”，这种宇宙称为“封闭宇宙”；第三种情况介乎两者之间：宇宙物质的平均密度刚好等于“临界密度”，这时候，宇宙会继续保持膨胀的状态，不过膨胀的速度会随时间而逐渐减慢，我们称这种宇宙为“平坦宇宙”。

换言之，如果我们知道宇宙的平均密度，就可以估计宇宙的未来。然而，天文学家发现可见宇宙的平均密度只有临界密度”的百分之一。这意味着我们的宇宙是一个“开放宇宙”。不过现时较为天文学家接受的“暴胀宇宙论”却预测我们的宇宙是平坦的，即平均密度应刚好等于“临界密度”。因此，如果宇宙的平均密度只有“临界密度的百分之一，就等于“暴胀宇宙论”需要作出重大修正。况且，愈来愈多证据显示，我们的宇宙到处充斥着神秘的“黑暗物质”。这些“黑暗物质”既不发光发热，也不会吸收任何电磁辐射，我们只能从它们的重力对周围星体造成的影响上，才能间接侦知它们的存在。

天文学家相信，隐藏在星系晕中的“黑暗物质”部分可能包括已死亡的恒星（例如白矮星、一些未能成为恒星的棕矮星、其他星系的行星，甚至是黑洞）。至于在广阔星际空间的“黑暗物质”，极有可能是一种“弱相互作用粒子”。其中，充斥着整个宇宙、静止质量接受零的中微子，以及由粒子物理学中的超对称理论所预言的“光超子’’及“轴子”，都有可能是“黑暗物质”。

如果我们的宇宙真是一个“封闭宇宙”，那么它最终会结束膨胀。宇宙开始收缩之后，宇宙背景辐射的温度开始上升，星体逐渐熔解蒸发成气体。黑洞会吸收这种气体，并且相互结合成为巨大的黑洞。在“大压缩”前的一刹那，所有黑洞很可能合并加归至时空点，甚至引发另一次大爆炸，宇宙再一次诞生。有些天文学家把这种宇宙称为“冲动的宇宙”。

如果宇宙是开放的话，情形将会更为有趣，因为有充裕的时间让很多怪异的现象产生。宇宙不断膨胀，物质变得愈来愈稀薄，在100万亿年之后便不能再产生新的星体，恒星亦因耗尽燃料而丧失光辉，宇宙开始变得黯淡无光。根据现时仍在发展阶段的“统一场论”，10年后的质子衰变开始上演。由于质子是构成星体的基本成分，质子衰变之后，宇宙只剩下伽玛射线、中微子、电子、正电子和黑洞。再过{100}年，连最巨大的黑洞也蒸发殆尽，最后整个宇宙只剩下电子和正电子，在仍旧不断膨胀的空间里闲**游离。）宇宙是闭合的还是开放的，这取决于宇宙物质的平均密度值（约10{-31}克／厘米3），它比临界值（5×10{-31}克／厘米3）要小，因此宇宙是开放的。但考虑到大量的暗物质，宁宙也可能是闭合的。假如宇宙是开放的，那么一般来说，恒星烧完之后，其结局有三种：白矮星、中子星和黑洞。这取决于恒星燃尽之后的剩余质量。

根据观测可知，宇宙中许多恒星已死亡了，但也有不少新生的恒星。形成新恒星的氢物质渐渐少了，死星就多于新产生的星。有人计算，100万亿年之后，所有恒星都进入晚期，星星不发光了，只是还发出些余热，并使自身温度不断下降，这时的生命就灭绝了。

宇宙物质的运动并未休止（生命只是物质运动的一种形式），据计算，任何恒星约过100万亿年都会与另一颗恒星接近一次。经过1亿亿年，一颗恒星会发生类似的接近100次。这样恒星周围的行星就会被撞出而流离失所。

两颗恒星相撞的机会也有，但机会较小。相撞时，一颗恒星的运动能量被另一颗恒星获取，而获取运动能量的恒星就会脱离星系的吸引逃离出去。这样的情况大约发生在100亿亿年后。这时，90％的恒星逃离星系，剩余者则形成一大黑洞。

新的粒子理论也同宇宙的结局密切相关。新理论告诉我们，原子核内的质子可能不是永恒的物质，它的寿命是1亿亿亿亿年。如果真是这样，经过1亿亿亿亿年后，只剩下几种基本料子和黑洞了。经过10{100}年后，连黑洞也“蒸发”干净，就剩下几种粒子了。

这就是宇宙的结局。也就在这时，宇宙的收缩开始了。

当然，这还不是唯一的结论，还有别的理论描述字宙的命运。宇宙的归宿，正如爱因斯坦所说的，“像一团巨大的永恒的谜出现在我们的面前”。

宇宙可能存在未知光源

日本天文学家最近发表一份报告称，观测到了90％以上的恒星系发出的光。该报告称，他们观测到的宇宙中恒星系光的总量仅相当于卫星等其他手段观测到的宇宙亮度的1／2或1／3，这说明宇宙中可能还存在着未知的光源。科学家们认为，这些未知光可能来自未知粒子的分解，也可能是由宇宙诞生初期的未知现象所产生的。

宇宙中最古老光线