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宇宙到底是什么样子

2014-02-23  w59n

 

  历史已有的观点:
  1917年,爱因斯坦发表了著名的“广义相对论”,为我们研究大尺度、大质量的宇宙提供了比牛顿“万有引力定律”更先进的武器。应有后,科学家解决了恒星一生的演化问题。而宇宙是否是静止的呢?对这一问题,连爱因斯坦也犯了了一个大错误。他认为宇宙是静止的,然而1929年美国天文学家哈勒以不可辩驳的实验,证明了宇宙不是静止的,而是膨胀的。正像我们吹一只大气球一样,恒星都在离我们远去。离我们越远的恒星,远离我们的速度越快。可以推想:如果存在这样的恒星,它离我们足够远以至于它离开我们的速度达到光速的时候,它发出的光就永远也不可能达到地球了。从这个意义上讲,我们可以认为他是不存在的。因此,我们认为宇宙是有限的。
  “宇宙到底是什么样子?”目前尚无定论。值得一提的是史蒂芬.霍金的观点比较让人容易接受:宇宙是有限无界的,只不过比地球多了几维。比如,我们的地球就是有限而无界的。在地球上,无论是从南极到北极,还是从北极走到南极,你始终不可能找到地球的边界,但你不能由此认为地球是无限的。实际上,我们都知道地球是有限的。地球如此,宇宙亦是如此。
  怎样理解宇宙比地球多了几维呢?举一个例子:一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中,在我们看来,小球是存在的,它还在洞里面,因为我们人类是“三维”的;而对于一个动物来说,它得出的结论就会是:小球已经不存在了!它消失了。为什么得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里,对“三维”事件是无法清楚理解的。同样的道理,我们人类生活在“三维”世界里,对于比我们多几维的宇宙,也是很难理解清楚的。这也正是对于“宇宙是什么样子”这个问题无法解释清楚的原因。
  1.均匀的宇宙
  长期以来,人们相信地球是宇宙的中心。哥白尼把这个观点颠倒了过来,他认为太阳才是宇宙的中心。地球和其它行星都是围绕太阳转动,恒星则是镶嵌在天球的最外层上。布鲁诺进一步认为,宇宙没有中心,恒星都是遥远的太阳。
  无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说,都认为宇宙是有限的。教会支持宇宙有限的论点。但是,布鲁诺敢说宇宙是无限的,从而挑起了宇宙究竟是有限还是无限的长期论战。这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。主张宇宙有限的人说:“宇宙怎么可能是无限的呢?”这个问题同样也不好回答。
  随着天文观测技术的发展,人们看到,确实像布鲁诺所说的那样,恒星是遥远的太阳。人们还进一步认识到,银河是由无数个太阳系组成的大星系,我们的太阳系处在银河系的边缘,围绕着银河系的中心旋转,转速大约每秒250公里,围绕银心转一圈约需2.5亿年。太阳系的直径充其量1光年,而银河系的直径高达10万光年。银河系由100多亿颗恒星组成,太阳系在银河系中的地位,真像一粒沙子处在北京城中。后来又发现,我们的银河系还与其它银河系组成更大的星系团,星系团的直径约为107光年(1000万光年)。目前,望远镜观测距离已达100亿光年以上,在所见的范围内,有无数个星系团存在,这些星系团不再组成更大的团,而是均匀各向同性地分布着。也就是说,在107光年的尺度以下,物质是成团分布的。卫星绕着行星转动,行星、彗星绕着恒星转动,形成了一个个太阳系。这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成。有两个太阳的称为双星系,有三个以上太阳的称为聚星系。成千上亿个太阳系聚集在一起,形成银河系,组成银河系的恒星(太阳系)都围绕着共同的重心—银心转动。无数银河系组成的星团,团中的银河系也同样围绕着它们共同的重心转动。但是,星系团之间,不再有成团结构。各个星系团均匀地分布着,无规则的运动着。从我们地球上,往四面八方看,情况都差不多。粗略地说,星系团有点像容器中的气体分子,均匀分布着,做着无规则运动。这就是说,在108光年(一亿光年)的尺度以上,宇宙中的物质不再是成团的,而是均匀分布的。
  由于光的传播需要时间,我们看到的距离我们一亿光年的星系,实际上是那个星系一亿光年前的样子。所以,我们用望远镜看到的,不仅是空间距离遥远的星系,而且是它们的过去。从望远镜看来,不管多远距离的星系团,都均匀各向同性的分布着。因而我们可以认为,宇观尺度上(105光年以上)物质分布的均匀状态,不是现在才有的,而是早已如此。
  于是,天体物理学家提出一条规律,即所谓宇宙学原理。这条原理说,在宇观尺度以上,三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。现在看来,宇宙学原理是对的。所有星系都差不多,都有相似的演化历程。因此我们用望远镜不仅看空间,而且在看时间,在看我们的历史。
  2.有限而无边的宇宙
  爱因斯坦发表相对论以后,考虑到万有引力比电磁力弱得多,不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响,因而他把注意力放在了天体物理上。他认为,宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。
  爱因斯坦1915年发表广义相对论,1917年就提出了一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个人们完全意想不到的模型。在这个模型中,宇宙的三维空间是有限无边的,而且不随时间变化。以往人们认为,有限就是有边。爱因斯坦把有限和有边区分了开来。
  一个长方形的桌面,有确定的长和宽,也有确定的面积,因而大小是有限的,同时它有明显的四条边,因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面爬,无论向哪个方向爬,都会很快到达桌面的边缘。所以桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四面八方无限伸展,成为欧氏几何中的平面,那么,这个欧式平面是无限无边的二维空间。
  我们再看一个篮球的表面,如果篮球的半径为r,那么球面的面积是4∏r0,大小是有限的。但是,这个二维球面是无边的。假如一个小甲虫在它上面爬,永远也不会走到尽头。所以,篮球面是一个有限无边的二维空间。
  按照宇宙学原理,在宇观尺度上,三维空间是均匀各向同性的。爱因斯坦认为,这样的空间必定是常曲率空间,也就是说空间个点的弯曲程度应该相同,即应该有相同的曲率。由于有物质存在,四维时空应该是弯曲的。三维空间也应该是弯的而不应是平的。爱因斯坦觉得,这样的宇宙应该是三维超球面。三维超球面不是通常的球体,而是二维球面的推广。通常的球体是有限有边的,体积是3∕4∏r3,它的边就是二维球面。三维超球面是有限无边的,生活在其中的三维生物(例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物),无论朝哪个方向前进均碰不着边。假如它一直朝北走,最终会从南边回来。
  宇宙学原理还认为,三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。爱因斯坦觉得其中最简单的情况就是静态宇宙,也就是说,不随时间变化的宇宙。这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性,就永远保持均匀各向同性。
  爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下,求解广义相对论的场方程。场方程非常复杂,而且需要知道初始条件(宇宙最初的情况)和边界条件(宇宙边缘处的情况)才能求解。本来,解这样的方程是十分困难的事情,但是爱因斯坦非常聪明,他设想宇宙是有限无边的,没有边自然就不需要边界条件。他又设想宇宙是静态的,现在和过去都一样,初始条件也就不需要了。再加上对称性的限制(要求三维空间均匀各向同性),场方程就变得好解多了。但还是得不出结果。反复思考之后,爱因斯坦终于明白了求不出解的原因:广义相对论可以看作是万有引力定律的推广,只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙,有排斥效应和吸引效应相平衡才行。这就是说,从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。要想得出静态宇宙,必须修改场方程。于是他在方程中增加了一个“排斥项”,叫做宇宙项。这样,爱因斯坦终于计算出了一个静态的,均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。一时间大家非常兴奋,科学终于告诉我们,宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。看来,关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。
  3.宇宙的“宇宙模型”之说
  几年之后,一个名不见经传的前苏联数学家弗里德曼,应用不加宇宙项的场方程,得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗里德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的,但是,它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化,分三种情况,三维空间的曲率是负的;第二种情况,三维空间的曲率为零,也就是说,三维空间是平直的;第三种情况,三维空间的曲率是正的。前两种情况,宇宙不断地膨胀;第三种情况,宇宙先膨胀,达到一个最大值后开始收缩,然后再膨胀,再收缩、、、、、、因此第三种宇宙是脉动的。弗里德曼宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。后来,西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后,十分兴奋。他认为自己的模型不好,应该放弃,弗里德曼模型才是正确的宇宙模型。
  同时,爱因斯坦宣称,自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的,场方程不应该含有宇宙项,而应该是原来的老样子。但是,宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼再也收不回去了。后人没有理睬爱因斯坦的意见,继续探讨宇宙项的意义。今天,广义相对论的场方程有两种,一种不含宇宙项,另一种含宇宙项,都在专家们的应用和研究中。
  早在1910年前后,天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象,个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多普勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光,我们收到时会感到其频率降低,波长变长,并出现光谱线红移的现象,即光谱线向长波方向移动的现象。反之,向着我们迎面而来的光源,光谱线会向短波方向移动,出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。许多人都有过这样的感受;迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳,远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是声音的多普勒效应,迎面而来的生源发出的声波,我们感到其频率升高,远离我们而去的生源发出的声波,我们则感到其频率降低。
  如果认为星系的红移、紫移现象是多普勒效应,那么大多数星系都在远离我们,只有个别星系向我们靠近。随之进行的研究发现,那些个别向我们靠近的紫移星系,都在我们自己的本星系团中(我们银河系所在的星系团称本星系团)。本星系团中的星系,多数红移,少数紫移;而其它星系团中的星系就全是红移了。
  1929年,美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据,提出了一条经验规律,河外星系(即我们银河系之外的其他银河系)的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比,所有,上述定律又表述为:河外星系的推行速度与它们离我们的距离成正比:
  V=HD
  式中的V是河外星系的退行速度,D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律成为哈勃定律,比例常数H称为哈勃常数。按照哈勃定律,所有的河外星系都在远离我们。而且,离我们越远的河外星系,逃离越快。
  哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以这样解释,本星系团内部个星系要围绕它们的共同重心移动,因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。
  哈勃定律大大支持了弗里德曼的宇宙模型。不过,如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图,人民会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中,哈勃标出的点并不集中在一条直线附近,而是比较分散的。哈勃怎么敢断定这些点应该描绘成一条直线呢?一个可能的答案是,哈勃抓住了规律的本质,抛开了细节。另一个可能是,哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论,所以大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精,数据图中的点也越来越集中在直线附近,哈勃定律终于被大量实验观测所确认。
  4.宇宙到底有限还是无限
  现在,我们又回到前面的话题,宇宙到底有限还是无限?有边还是无边?对此,我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探讨这一问题。
  满足宇宙学原理(三维空间均匀各向同性)的宇宙,肯定是无边的。但是否有限,却要分三种情况来讨论。
  如果三维空间的曲率是正的,那么宇宙将是有限无边的。不过,它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙,这个宇宙是动态的,将随时间变化,不断的脉动,不可能静止。这个宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸、膨胀。此奇点的物质密度无限大。温度无限高、空间曲率也无限大。在膨胀过程中宇宙的温度逐渐降低,物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐减小。体积膨胀到一个最大值后,将转为收缩。在收缩过程中,温度重新升高】物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大,最后达到新奇点许多人认为,这个宇宙在达到新奇点之后将重新开始膨胀。显然,这个宇宙的体积是有限的,这是一个脉动的、有限无边的宇宙。
  如果三维空间的曲率为零,也就是说,三维空间是平直的(宇宙中有物质存在,四维时空是弯曲的),那么这个宇宙一开始就具有无限大的三维体积,这个初始的无限大三维体积是奇异的(即“无穷大”的奇点)。这个“无穷大”奇点,我开始,爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点,而是发生在初始三维空间的每一点,即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上。这个“无穷大”奇点,温度无限高,密度无限大,时空曲率也无限大(三维空间曲率为零)。爆炸发生后,整个“奇点”开始膨胀,成为正常的非奇异时空,温度、密度和时空曲率都逐渐降低。这个过程将永远地进行下去。这是一种不大容易理解的图像:一个无穷大的体积在不断地膨胀。显然,这种宇宙是无限的,它是一个无限无边的宇宙。
  三维空间曲率为负的情况与三维空间曲率为零的情况比较相似。宇宙一开始就有无穷大的三维体积,这个初始体积也是奇异的,即三维“无穷大”奇点。它的温度、密度无限高,三维、四维曲率都无限大。大爆炸发生在整个“奇点”上,爆炸后,无限大的三维体积将永远膨胀下去,温度、密度和曲率都将逐渐降下来。这也是一个无限的宇宙,确切地说是无限无边的宇宙。
  那么,我们的宇宙到底属于上述三种情况的哪一种呢?我们宇宙的空间曲率为正,为负还是为零呢?这个问题要由观测来决定。
  广义相对论的研究表明,宇宙中的物质存在一个临界密度pc,大约是每个立方米三个核子(质子或中子)。如果我们宇宙中物质的密度P大于PC,则三维空间曲率为正,宇宙是有限无边的;如果P小于PC,则三维空间曲率为负,宇宙也是有限无边的。因此,观测宇宙中物质的平均密度,可以判定我们的宇宙究竟属于哪一种,究竟有限还是无限。
  此外,还有另一个判据,那就是减速因子。河外星系的红移,反映的膨胀是减速膨胀,也就是说,河外星系远离我们的速度在不断减小。从减速的快慢,也可以判定宇宙的类型。如果减速因子q大于1/2,三维空间曲率将是正的,宇宙膨胀到一定程度将收缩;如果q等于1/2,三维空间曲率为零,宇宙将永远膨胀下去;如果q小于1/2,三维空间曲率将是负的,宇宙也将永远膨胀下去。
  下表列出了有关的情况:
  我们有了两个判据,可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了。观测结果表明,p<pc,我们宇宙的空间曲率为负,是无限无边的宇宙,将永远膨胀下去!不幸的是,减速因子观测给出了相反的结果,q>1/2,这表明我们宇宙的空间曲率为正,宇宙是有限无边的,脉动的,膨胀到一定程度会收缩回来。哪一种正确呢?有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠,推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了,如果找到这些暗物质,就会发现p实际上是大于pc的。另一些人则持有相反的看法。还有一些人认为,两种观测方法虽然结论相反,但得到的空间曲率都与零相差不大,可能宇宙的空间曲率就是为零。然而,要统一大家的认识,还需要进一步的实验观测和理论推敲。今天,我们仍然肯定不了宇宙究竟有限还是无限,只能肯定宇宙无边,而且现在正在膨胀!此外,还知道膨胀大约开始于100亿~200亿年以前,这就是说,我们的宇宙大约起源于100亿~200亿年以前。
  5.宇宙巨壁和宇宙巨洞
  20世纪70年代以前,人们普遍认为大尺度宇宙的宇宙物质分布是均匀的,星系团均匀的地散布宇宙空间。然而,近年来天文学研究的进步改变了人们的共识。人们发现,宇宙在大尺度上也是有结构的。
  20世纪50年代,沃库勒首先提出包括我们银河系所属的本星系群在内本超星系团。已先后发现十几个超星系团。星系团像一些珠子,被一些孤立的星系串在一起,形成超星系团。最大的超星系团超过了10亿光年。1978年,在发现A1367超星系团的发现了一个巨洞,其中几乎没有星系。不久,有着牧夫座发现一个直径达2.5亿光年的巨洞,巨洞里有一些暗的矮星系。巨洞和超星系团的存在表明,宇宙的结构好像肥皂泡沫那样由许多巨洞组成。星系、星系团和超星系团位于“泡沫巨洞”的“壁”上,把巨洞隔离开来。1986年,美国天文学家的研究结果表明,这些星系似乎拥挤在一条杂乱相连的不规则的环形周界上,像是附着在巨大的泡沫壁上,周界的跨度约50兆秒差距。后来他们的研究又得到进一步的发展。他们指出:宇宙存在着尺度约达50兆秒差距的低密度的宇宙巨洞,及高密度的星系巨壁,在他们所研究的天区存在一个星系巨壁,巨壁长为170兆秒差距,高为60兆秒差距,宽度仅为5兆秒差距。
  星系巨壁(也称宇宙长城或宇宙巨壁)和宇宙巨洞是怎么产生的呢?人们认为应从宇宙早期去找原因,在宇宙诞生后不长时期内,虽然宇宙是均匀的,但各种尺度的密度起伏仍然是存在的,有的起伏被抑制住了,有的起伏得到发现,被引力放大成现在所观测到的大尺度结构。
  6.暗物质之谜
  不少天文学家认为宇宙中有90%以上的物质是以暗物质的形式隐藏着的。有些什么事实和现象表示宇宙中存在暗物质呢?
  早在20世纪30年代荷兰天文学家奥尔特就注意到,为了说明恒星来回穿越银道面的运动,银河系圆盘中必须有占银河系总质量的一半的暗物质存在。20世纪70年代,一些天文学家的研究证明星系的质量主要并不集中在星系核心,而是均匀的分布在整个星系中。这就暗示人们,在星系晕中一定存在着大量看不见的暗物质。这些暗物质是些什么呢?
  科学家认为,暗物质中有少量是所谓的重子物质,如极暗的褐矮星,质量为木星30倍~80倍的大行星,恒星残骸,小黑洞,星系际物质等。它们与可见物质一样,虽也是由质子、中子和电子等组成的物质,但很难用一般光学望远镜观测到它们。相对而言,绝大部分暗物质是非重子物质,它们都是些具有特意性能的,质量很小的基本粒子,如中微子、轴子及探讨中的引力微子、希格斯微子、光微子等。
  怎样才能探测到这些暗物质呢?科学家做了许多努力。对于重子暗物质,他们重点探测存在于星系晕中的暗天体,它们被叫做大质量致密度晕天体。1993年,由美澳等国天文学家组成的三个天文研究小组开始了寻找致密晕天体的研究工作。到1996年,他们报告说,已找到7个这样的天体。它们的质量由1/10太阳质量到1个太阳质量不等。有些天文学家认为这些天体可能是白矮星、红矮星、褐矮星、木星大小的天体、中子星以及小黑洞,也有人认为银河系中50%的暗物质可能是核燃料耗尽的死星。
  关于非重子物质,现在尚未观测到这些幽灵般的粒子存在的证据。
  近年来对中微子质量的测量取得了一些新结果。1994年美国物理学家怀特领导的物理学小组测量出中微子质量在0.5~5电子伏(1电子伏等于1.7827×10(~36)千克)之间。在每一立方米的空间中约有360亿个中微子。如果是这样的话,那么宇宙中全部中微子的总质量要比所有已知的星系的总和还要大。
  到目前为止,宇宙中暗物质的问题仍是个未解之谜。


  (作者:鏋f牳)


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