书城科普读物探究式科普丛书-浩瀚的宇宙
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第4章 千古之谜探源头——宇宙的起源

1.宇宙是如何起源的

面对浩渺无际的苍穹,人类一直在苦苦探求自身的起源之谜,探求包括地球、太阳在内的宇宙的最终的起源。关于宇宙的创生和演化,我们的先贤哲人百思不得其解,于是很多的奇妙神话传说便应运而生。那么,宇宙到底是如何起源的呢?

我们知道,宇宙是广阔的空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙是物质世界,它处于不断的运动和发展中。千百年来,科学家们一直在探寻宇宙是什么时候形成的又是如何形成的。直到今天,科学家们才确信,宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。在爆炸发生之前,宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起,体积缩小,温度升高,密度增大,瞬间产生巨大压力,然后发生了大爆炸。大爆炸使物质四散出击,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降。后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。

“大爆炸理论”是伽莫夫于1946年创建的。然而,由大爆炸而产生宇宙的理论还不能确切地解释一个问题,即“在所存物质和能量聚集在一点上”之前,到底存在着什么东西?

关于宇宙是如何起源的、空间和时间的本质是什么,这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过哥白尼、赫歇尔、哈勃从太阳系、银河系到河外星系的宇宙探索三部曲,宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辨,而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。

直到20世纪,出现了两种“宇宙模型”比较有影响。一种是稳态理论,一种是大爆炸理论。20世纪20年代后期,爱德温·哈勃发现了红移现象,说明宇宙正在膨胀。20世纪60年代中期,阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现,给大爆炸理论提供了有力的支持。现在,大爆炸理论广泛地为人们所接受。

2.大爆炸理论指的是什么

现代宇宙系中,最有影响的一种学说便是大爆炸宇宙学。与其他宇宙模型相比,它能说明较多的观测事实。它认为我们的宇宙,曾有一段从热到冷的演化历程。在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从浓密到稀疏地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程,如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是:在宇宙的早期,温度极高,在100亿摄氏度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素。化学元素,就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万摄氏度后,早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质,主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千摄氏度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质。气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,直至成为我们今天看到的宇宙。

3.大爆炸理论的新思考

长期以来,“大爆炸”宇宙诞生的理论,一直被天文学界普遍认同。但是,近期哈勃太空望远镜拍摄的宇宙深处的照片,却让科学家们对“大爆炸”理论打上了一个重重的问号。

哈勃太空望远镜,拍摄到一些宇宙深处的星体,这些星体大概形成于宇宙诞生后的5亿年内(约130亿年前)。然而,这些星体的数量,却远远少于科学家们原来的估计。

哈勃太空望远镜拍摄的这些照片,可以说明以下两点:要么大爆炸发生后,恒星物质的形成,并没有科学家们原来设想的那么积极,这与现阶段通行的理论相悖;要么当时的物理环境,与现在的截然不同。

根据许多科学家数十年来一贯支持的大爆炸理论,我们的宇宙大约诞生于140亿年前。按照该理论的解释,宇宙形成于140亿年前一个体积极小且密度极大的物质的爆炸,爆炸发生后喷发出微粒物质和能量,也正是从那时起,才开始产生了时间和空间、质量和能量。在大爆炸发生前,既没有物质也没有能量,当然也没有生命。

近年来,大爆炸理论已经不止一次地遭受科学家们的种种怀疑。

宇宙大爆炸仅仅是一种学说,它是根据天文观测研究后得到的一种设想。大约在150亿年前,宇宙所有的物质都高度密集在一点,有着极高的温度,因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后,物质开始向外大膨胀,就形成了今天我们看到的宇宙。大爆炸的整个过程是复杂的,现在只能在理论研究的基础上,描绘过去远古的宇宙发展史。在这150亿年中,先后诞生了星系团、星系、我们的银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等。现在我们看见的和看不见的一切天体和宇宙物质,形成了今天的宇宙形态,而人类也就是在这一宇宙演变过程中诞生的。

4.宇宙大爆炸经常发生吗

据英国广播公司(BBC)2002年4月25日的报道,美国普林斯顿大学一位物理学家根据天文观测的结果——宇宙还在不断地加速膨胀,提出一种新的宇宙理论。他们称一次次的宇宙大爆炸,在过去和将来一直在发生,我们目前的宇宙只是这一连串大爆炸中的一个。虽然每次宇宙大爆炸的过程极其漫长(超过1万亿年),但通过对此理论所预言的重力波的观测,人们有可能在几年内,初步验证此理论是否正确。

报道称,在过去5年,宇宙还在不断膨胀,这一奇怪的现象引起了人们的普遍关注。

宇宙会不会消亡

对于宇宙最终会不会消亡这一问题,科学家们的意见并不一致。一种观点认为万物无永恒,宇宙将会消亡。另一种观点认为宇宙有始无终,将会无限膨胀下去,宇宙不会消亡。

持“宇宙灭亡”论的人认为,根据大爆炸理论,宇宙最终的命运将取决于两种相反力量的持久而激烈抗衡的结果。一种力量是宇宙的扩张力,另一种力量是宇宙中所有星体之间的相互引力。如果引力足够强大,使得扩张处呈停顿状态,那么宇宙就注定要爆炸,最终会在一团火球中消亡,从而造成与大爆炸相反的“大坍塌”。如果引力不够强大,扩张占优势,则宇宙又将会变得令人难以忍受的又暗又冷,各星系内的星球最后形成黑洞、黑矮星或中子星,在1万亿年后,宇宙也会消亡。

“宇宙不灭”论的代表人物是霍金。霍金认为宇宙最初像粒豌豆悬浮在无序的真空,豌豆状的宇宙在大爆炸前的瞬间经历了被称为“暴胀”的极其快速的膨胀过程。霍金推断:宇宙有始而无终,将会无限地膨胀下去,而不是像一些天文学家所说的那样,膨胀到一定程度后就会在引力作用下收缩而趋于消亡。