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光怪陆离的宇宙

2016-07-10  天童老僧

物质是宇宙的基本形态,是时间的盟友和空间的宠儿。在大宇宙中,物质的确称得上是光怪陆离、千变万化,但万变不离其宗,不管宇宙中形形色色的星球、星云、星系和暗物质的数量有多庞大,其基本的建筑材料也十分有限,即便把它们全部加到一起,也未超过门氏周期表上那些化学元素。

光怪陆离的宇宙

宇宙间居民的“民族”固然很多,但其中最主要的“民族”只有二种,那就是恒星和行星。

宇宙中无论恒星家族的数量如何庞大,单位体积何等巨大,其基本构成的物质都极简单,简单到只有二种:氢和氦。它们最大的区别只在于氢与氦的比例多寡,除此以外的其他元素全部加起来,也只占到恒星总量的1%~2%。而构成行星的物质种类就要多得多了:可以说除门氏化学元素周期表末尾那几个人造元素之外,其他自然元素几乎全部记录在案,差别也只在于不同行星上的成分和比例数量不同而已。

当然行星上也有比较单纯的物质富集现象:比如天王星就是以水为主的“水球”,月亮是以石灰岩为主的“石球”,令人惊奇的是太空中竟然还会有单纯以黄金和钻石等物质为主的单物质行星,这种情况在宇宙中也属于稀奇罕见的特例。

宏观世界看宇宙

在宏观世界中,太阳对于人们来说十分巨大,但若和宇宙中其他星球相比,也不过仅仅是个矮个子“武大郎”:比如在银河边上“挑扁担”的那个牛郎星的直径就是太阳的1.7倍;织女星的直径是太阳的2.8倍;大角星的直径是太阳的23倍;毕宿五的直径是太阳的600倍;参宿四是太阳的900倍;而仙王座VV星的直径竟然会达到太阳直径的1600倍,足足有22亿千米之巨!这一尺度完全可以把土星环绕太阳公转的轨道囊括进它的身躯之内,几乎顶得上半个太阳系大小。因此在现阶段可观测的宇宙中,也许只有它才称得上是恒星之王呢!

在仙王座VV星这个巨无霸面前,我们的太阳只能俯首称臣。但这只是事物的一个方面,另一方面在宏观世界中,还有许多比太阳还要小得多的恒星,就是白矮星和中子星。白矮星只有太阳直径的1%左右,已经和地球差不多大小。而中子星的体积就更小了,一般中子星的体积仅有十几到几十千米,远不及我们太阳系中的那些行星的卫星大,可它确确实实又是大名鼎鼎的名副其实的恒星,这是怎么回事呢?要了解它,还得从恒星演变的历史说起。

一般说来,恒星是由低密度的星云物质即宇宙尘埃凝聚而成。当恒星中心温度达到700万摄氏度以上时,便开始了氢聚变为氦的热核反应。这段时间产生的热量和向外辐射的热量大体相当,则成为正常的恒星而进入主序星阶段。主序星阶段是恒星的青壮年时期,它要占恒星整个生命的绝大部分。随着时间的推移,氦核周围的氢越来越少,氦核越来越大,当氦的质量占恒星质量的10%左右时,氦核就要收缩,恒星的外层就会膨胀,于是年富力强的恒星慢慢衰弱逐渐变成了老年期的红巨星。

恒星演化到后期,和人到老年身体失调一样,星体内部的变化越来越剧烈、越来越复杂,随着恒星内部的温度急剧升高,恒星外部就要抛射物质,于是便产生了新星或超新星那样的大爆发。爆发抛出的大量物质形成了无规则的美丽而壮观的星云,星云慢慢消散,重新化为宇宙尘埃,而原恒星则根据自身质量和体积的大小以及爆发方式,决定在原恒星的中央残留下一个什么样的天体:或是白矮星,或是中子星,或者是黑洞。

神奇黑洞

至于黑洞则是宇宙间最离奇最不可思议的天体。在黑洞中心,引力和起潮力都无限增大,因此黑洞内除了质量、电荷和角动量以外,物质自身的属性全部丧失殆尽,原子、分子也将不复存在。即便是质量、电荷及角动量等诸因素也均失去了原物质的物理特性,而单纯变成只属于黑洞整体所具有的极其特殊的物理属性了:由于黑洞的引力无限大,因此外部物质一旦接近黑洞的引力范围,就会被迅速吸去,包括光和电磁波、红外线及紫外线等都屈服于黑洞强大的引力而无法跑出来,所以天文学家才把这种用很多方法都无法直接探测到的天体命名为黑洞。

通过引力波,我们可以比较直观地看到黑洞:不但能够看到黑洞如何产生,如何旋转,甚至连黑洞中心的奇点也有可能暴露在光天化日之下。不过引力波理论现在还尚未进入实验阶段,相信不久的将来一旦为实验科学所验证,我们也许就会万分惊喜地看到黑洞内部那隐藏得极深的庐山真面目了。

在宇宙中,更多的是与上述密集物质完全相反的地方,即超真空状态的广阔的宇宙空间。那里物质的密度低到每立方厘米只有一个氢原子或碳原子:比地球上的人造真空还要低几个数量级,这几乎已接近绝对真空即物理真空的极限。然而尽管如此,若把银河系整个空间中的星际物质全部加起来,也还要占到银河系有形物质总质量的10%,仅此一点就可看到银河系的庞大。

"不起眼"的微观世界

宏观世界的另一极是微观世界。别看微观世界极其微小,它们和宏观世界的结构却很相似:宏观世界是行星绕着恒星旋转,微观世界则是电子绕着原子核转;在宏观世界中有引力与反引力,在微观世界则是粒子与反粒子。不过在宏观世界中,引力能够促使星系凝聚;反引力也叫斥力,斥力导致宇宙膨胀。微观世界的粒子和反粒子则不属于同一物理范畴:粒子与我们共存于同一世界,反粒子则完全属于另一时空。它与我们的距离,比人类生死间的距离还要相差十万八千里。至于反粒子也叫反物质,反物质世界是个奇怪的世界,如果宇宙中开始就存在反粒子,那么它们就会自发地组成反原子、反分子、反星球和反星系。但现在除反粒子尚属有据可查以外,其他成分皆在理论或假说阶段——现在宇宙中到底有没有反星系谁也说不准。因为由粒子和反粒子所辐射出来的光子完全相同,所以我们即便看到了反星球或反星系也不会发现,发现了也不希望遭遇,因为据说正反物质一旦遭遇就会毁灭。因此我相信,大概不会有人因猎奇而甘冒自身毁灭的风险。

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