宇宙是什么东西?宇宙是怎样诞生的?宇宙之外又是什么世界?宇宙的存在是偶然还是必然的?对于这些未知的谜团,20世纪最伟大的大脑——爱因斯坦说:“让我们走着瞧”!
宇宙是什么
人类对浩瀚无垠的宇宙,一直怀着一份好奇,并对宇宙提出了许多充满幻想的解释。多少年来,不管是用肉眼,还是用最先进的望远镜观测,人类一直在不懈地寻觅着宇宙的信息,以期窥探宇宙的奥秘。
宇宙是广漠空间内存在的各种天体以及弥漫物质的总称。也就是包括地球及其他一切天体的无限空间。宇宙在时间上是无始无终,在空间上也是无边无际。我们的祖先在《淮南子·原道训》中就给宇宙下了一个科学的定义:“四方上下曰宇,古往今来曰宙”。这就是说,宇表示东、西、南、北、上、下6个方向,即表示空间的意思;宙表示过去、现在和将来,即表示时间的意思。
世界各民族都有自己对宇宙的认识和想象。中国古代就有多种对宇宙结构的想象。如“盖天说”认为,天圆如张盖,地方如棋局。“浑天说”认为,天体圆如弹丸,地如鸡子中黄。古代欧洲则有地心说和宇宙有限说。16世纪中叶,波兰天文学家哥白尼建立了太阳中心说,认为太阳是宇宙的中心,而地球和其他行星都是绕太阳运动的。
进入20世纪以来,随着人类科学技术的巨大进步,天文观测手段一次又一次的革命性进展。现已观测到上百亿光年远的宇宙空间,了解到天体上百亿年的时间演变。现代宇宙学的任务就是解释已观测到的众多天体客观现象。
20世纪以来,天文学家们建立了多种宇宙模型,概括说来,主要有两大学派:一派认为宇宙在大尺度上的物质分布和物质性质是不随时间而变的;另一派则认为是随时间而变的。在后一派中,目前影响较大的是宇宙大爆炸理论。它认为:人们所观测到的宇宙最初是在一次“大爆炸”中产生的,而后它不断膨胀,并经历物质从热到冷,密度从密到稀的演化过程。
宇宙究竟是如何产生的
困扰人们的谜团
20世纪末,科学家们对哈勃太空望远镜观测到的一些现象进行分析后发现,宇宙大爆炸理论出现了矛盾,宇宙可能并非由大爆炸而开始的。倘若真的如此,宇宙又是从何而来呢?
在人类历史的大部分时期,创世的问题是留给神去解决的。
对于宇宙的起源和人类从哪里来等问题,许多宗教都给出了一份自家其说的答案。直到近几个世纪人类才开始撇开神,从科学的角度去思考世界的本源。
膨胀与“大爆炸”理论
20世纪初叶,爱因斯坦的“相对论”横空出世。这个推翻传统时间和空间观念的理论,给空间、时间和引力都赋予了完整的新概念。按照爱因斯坦的想法,宇宙应该是静态的。
1929年,美国天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃发现,距离越远的星系越以更快的速度远离我们而去。这个后来被称为“哈勃定律”的发现,阐明了宇宙在膨胀的事实。
1946年,美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论。此后,“大爆炸”理论逐渐形成体系,成为人们普遍接受的观点。大爆炸理论认为,宇宙诞生之前,没有时间、空间,没有物质,也没有能量。大约150亿万年前,在这片“四大皆空”的虚无中,一个体积无限小的点爆炸了,宇宙随之诞生。大爆炸炸开了空间,也创造了时间,星星、地球、空气、水和生命等就在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。
此后,人们建造了以“哈勃”命名的太空望远镜,希望通过以“哈勃”命名的宇宙膨胀率——哈勃常数来测定宇宙的年龄,它不仅牵涉到宇宙的过去,还将决定宇宙的未来。宇宙有一个开始,是否还会有一个结束。宇宙产生于“无”,是否还会最终回归到“无”。
围绕哈勃常数,一开始就展开了激烈的争论。按照哈勃本人测得的值推算,宇宙的年龄约为20亿岁,小于地球40亿岁的年纪,这显然不可能。显而易见,宇宙必须先于在它其中的星球更早诞生。因此,自20世纪70年代始,科学家们陆续用各种手段测出了不同的哈勃常数。
然而根据这些值推算出的宇宙年龄,总是颇有偏差。相对于围绕哈勃常数而展开的喋喋不休的争论而言,科学家们对某些确定星体年龄的测定却要确切得多。目前,天文学家们已经测知,银河系中一些最古老的星系的年龄约为160亿岁。这样,大爆炸只能发生在160亿年以前,但是,科学家们根据新近用哈勃望远镜观测的结果分析,推算出宇宙的年龄约为120亿岁左右。
这就意味着:宇宙的确比一些孕育其中的星系更年轻。如果测算没有出现差错,解释只有一种——原先的假设出现了错误,宇宙可能并非从大爆炸开始!
宇宙因为“年轻”而再度给自己的身世披上了神秘的色彩。
新的理论
1999年,印度著名天文学家纳尔利卡尔等人提出一种新的宇宙起源理论,对大爆炸理论提出挑战。
在纳尔利卡尔和另外3名科学家共同提出的新概念中,他们把自己的研究成果定名为“亚稳状态宇宙论”。
他们相信,宇宙是由若干次小规模的爆炸而不是一次大爆炸形成的。新理论认为,宇宙在最初的时候是一个被称为“创物场”的巨大能量库,而不是大爆炸理论所描述的没有时间、没有空间的起点。在这个能量场中,不断发生爆炸,逐渐形成了宇宙的雏形。此后,又接连不断地发生小规模的爆炸,导致局部空间的膨胀。而时快时慢的局部膨胀综合在一起便形成了整个宇宙范围的膨胀。
新理论尤如一块沉重的巨石,在人们平静的心湖里激起狂澜。人们开始重新反思生命甚至赋予生命的庞大宇宙。
宇宙的研究历史
早期人类看见浩瀚的天空,便说这是神祗的作为。但16世纪时期的天文学家开普勒却以三条自然定律来解释天体的活动,并启发牛顿发现了万有引力。科学的一大假说,便是宇宙乃是一个可预料而有秩序的系统,就如钟表结构一般,虽然有些现象比其他的复杂,难以理解,但其背后仍是有规律的。
然而,开普勒和牛顿在20世纪末期终于遇到对手。美国麻省理工学院两位科学家表示,整个太阳系根本是个无法预测的星系。宇宙变幻莫测说法的支持者日渐增多,他们相信,简单而严格的规律虽然会衍生出永恒及可预料的模式,但同样会导致混乱的复杂。
科学目前仍未能解释为什么宇宙会从混乱复杂中制造秩序,我们只能说:宇宙本身似乎是倾向创造规律模式的。
关于宇宙的为什么
在空间和寿命上,宇宙真是无限的吗?也就是说,宇宙到底有多大?
——没有人知道宇宙有多大,因为人的头脑根本无法想象出宇宙大到什么程度。
如果我们从地球出发,来看看四周,便可明白究竟。地球是太阳系中的一个行星,而且只不过是太阳系很小的部分。太阳系中包括太阳、环绕太阳运行的地球等八大行星以及许多小行星和流星。
而我们整个太阳系又仅是大“银河系”的一小部分。在银河系中有千千万万的恒星,其中有些恒星都比我们的太阳大得多,同时这些恒星也都自成一个“太阳系”。
因此我们夜晚在“银河”中看到的那些数不尽的星星,每个这种星星都是一个“太阳”。这些星星离我们很远,远得不能用千米而必须用光年计算,l光年就是光在一年走过的距离。光的速度为每秒30万千米,1光年为9.65万亿千米。我们能看到最亮的也就是离地球最近的一颗是“人马星”,但你可知道它离我们多远吗?110万亿千米!
现在我们还只谈到我们自己的银河系呢,这条银河的宽度据估计大约为10万光年,我们的银河系却又是一个更大体系的一小部分。
在我们的银河系以外还有千千万万个银河系。而这千千万万个银河系的整体,又可能只是另一个更大体系的一部分罢了!
现在你可以明白,我们无法想象出宇宙有多大的原因了吧。另外,据科学家说,宇宙的范围还在继续不断地膨胀呢!也就是说,每隔几十亿年两个银河系之间的距离就增加一倍。
以前我们认为,宇宙是无限的,时间上是无始无终,空间上是无穷无尽的,因而是不生不灭的。自从人们在观测中知道宇宙正在膨胀中,速度又正在减慢下来,于是一个全新的宇宙有限观,几乎代替了宇宙无限的旧观念。宇宙学家根据观测估计,宇宙在超空期中的一个小点上爆炸,经过膨胀再收缩,最后崩溃死亡,大约要经过800亿年,目前大约只过了160亿年。但在以后的600余亿年中,宇宙间的一切,正向中心一点集拢,走向末日。当时空都到了尽头,我们的宇宙便“消失”了。正如超级巨星在热核燃烧净尽,引力崩溃,所有物质瞬间向中心收缩,形成不可见的黑洞,成为存在而不可见的超物质,这便是宇宙死亡的模型。
宇宙的大小跟它的年龄是一而二、二而一的问题。部分天文学家相信,宇宙是经历了一次大爆炸后诞生的,诞生后随即不断扩展。因此若以地球为中心,一直伸展至看得见的宇宙边缘,这距离(以光年计算),就透露了宇宙的年龄。
天文学家尚未能一致肯定看得见的宇宙究竟有多大,其中一个主要原因在于在爆炸发生的确实时间是个谜。
20世纪20年代,天文学家哈勃发现,宇宙原来是以恒速扩张的。宇宙中的星体就如气球上的波点。当气球愈胀愈大,波点之间的距离也愈大,换句话说,两个星体之间的距离愈大,它们互相抛离的速度便愈高。
“哈勃常数”就是星体互相抛离的速度和距离之比例。常数数值愈高,表示宇宙扩张至现今的“尺码”所需的时间愈短,宇宙也就愈年轻。
不过,天文学家对“哈勃常数”的数值仍未有一致意见,但大多数天文学家均认同宇宙较老的说法,因为有些银河系存在已有150亿年,而地球好些石层,也有40亿年历史了。