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探索宇宙之谜:形状,大小,年龄等谜团已经困扰人类数世纪

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发表于 2016-4-6 01:02:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
古往今来,人们为探索宇宙之谜而殚精竭虑。但是,宇宙是如此浩瀚无边,人究竟能不能认识宇宙呢?我们认为,宇宙可以认识,不过,对宇宙的认识能有多大范围,能到多大深度则是个具体问题,它是随时代和人类知识的发展而发展的。对人类目前所达到的探测水平来说,宇宙还是一个充满神秘色彩的无边世界。探索宇宙就像雾里看花、水中望月,虽然不一定很真切,但至少我们看到了一个大体的轮廓。
宇宙形状之谜

这个问题够刁钻古怪了,因为要回答这个问题,必须要选择一个远离宇宙的角度,但这个角度能在哪里呢?可是狭义地从天文学家的角度来讲,宇宙是有限的,宇宙的范围实际可以认为是总星系的范围,是一个以一定长度为半径的有限的时间和空间范围,总星系是迄今为止天文学家所能探测到的最遥远的世界。目前,我们对宇宙的认识只能到达总星系。但是,总星系到底有多大?它的边缘在哪里?它的中心又在哪里?宇宙是圆的还是扁平的?这些问题至今仍然是天文学中的不解之谜。


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爱因斯坦1915年发表广义相对论,1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个完全出乎人们意料的模型。在这个模型中,宇宙的三维空间是有限无边的,而不受时间变化的影响。最初人们认为,限和边是一个概念,好像桌面边缘。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延伸,那么,这个平面是无限无边的二维空间。


我们再看一个篮球的表面,倘若篮球的半径为r,那么球面的面积是4πr2,大小是有限的。然而,这个球面是无边的。如果有一个小甲虫在它上面爬,永远也走不到尽头。因此,篮球面是一个有限无边的空间。爱因斯坦为我们提供了一个静态的、有限无边的宇宙模型。人家为此兴奋不已,我们从此得出一个科学的结论,宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。于是,关于宇宙有限还是无限的争论终于可以画上一个句号了。但是随着时代的发展,人们对于宇宙的认识也在发生着变化,从亚里士多德、托勒密、哥白尼、牛顿到爱因斯坦,人们对宇宙的探索在一点点地进步,我们谁也不能预测哪一天会不会有更新的理论取代爱因斯坦的理论。毕竟,宇宙是不怕研究的。

天文单位

天文学中的数字往往都十分巨大,人们也常把很大的数叫做“天文数字”。比如我们在日常生活中使用的是“米”等长度单位,但天文上经常会使用一些自己的单位。比如,地球到太阳的距离平均为1.49597870×1011米,即约1.5亿千米,天文学家把这称为“天文单位”,简记作Au。在谈论太阳系的时候,就经常会用“天文单位”来表示距离。



宇宙到底有多大


这是个神秘的问题,估计连上帝也很难说清楚。就目前来说,我们所看到的空间范围近200亿光年。1986年,英国科学家斯蒂芬·沃伦等人发现的离地球200亿光年的类星体,几乎是我们可见宇宙的边缘。在这之外宇宙还有多大?边界在何方?这个宇宙大小之谜,几百年来一直困惑着人们。

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地球的直径是12756公里,太阳的直径是139万公里,相当于地球直径的109倍。太阳的体积约为地球体积的130万倍,一个太阳就可以放下130万个地球!如果讲到太阳系,那就更大了。太阳系的直径约为118亿公里。地球在太阳系中,就如同一个小小的乒乓球处在一个直径为33.35公里的辽阔空间里,太阳系之大可想而知。如果把太阳系放在银河系中看,它又小得可怜。银河系实在大得难以形容,太阳只是银河系中一颗不大不小的普通恒星,银河系中约有1500亿颗大大小小的恒星。
这1500亿颗恒星,彼此之间距离是很远的,离我们太阳系最近的一颗恒星叫“比邻星”,它与我们的距离是4.27光年,约为45亿公里。如果坐上宇宙飞船,以每秒16公里的高速前进,也要8万多年才能到达比邻星。银河系中的牛郎星与织女星,似乎只有一“河”之隔,实际相隔151万亿公里,拍个电报也要16年后才能收到。茫茫银河系的直径为10万光年,即100亿亿公里,约为太阳系直径的9000万倍,跟银河系一比,太阳系就显得微不足道了。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!另外,据科学家说,宇宙的范围还在持续不断地膨胀,也就是说,每隔几十亿年两个银河系之间的距离就会增加一倍。宇宙到底有多大?现在仍是一个未知数。

秒差距

秒差距是天文学中除光年外另一个常用的距离单位,简记作pc。一个秒差距的距离对应着地球公转轨道半径的张角是一角秒,而一角秒相当于1/206265弧度,所以,一个秒差距的距离是2106265个天文单位。即:1 pc=206265AU=206265×1.5×1011米=3.1×1016米。对于更大的距离,天文学家常用kpc(千秒差距)、Mpc(百万秒差距)和Gpc(十亿秒差距)来作单位。


谁能够推测宇宙的年龄



宇宙何时起源,它有多大年龄?这是自古以来许多哲学家和自然科学工作者们感兴趣的问题。我国古代就有盘古开天辟地的神话故事,有“以12万9千6百年为宇宙之终始”的说法。
在西方,1658年,英国圣公会的厄谢尔就已“算出”创世的时间是公元前4004年。1755年,德国哲学家康德认为地球的年龄为几百万年。现在,根据放射性元素衰变的规律,地质学家和地球化学家们都可以从岩石里铀和铅的含量比重直接计算出岩石的年龄为40亿年。行星地球以目前固态形式存在的年龄大约是47亿年。由同位素的含量测定出的太阳系的年龄的下限为50—58亿年。球状星团中恒星的金属含量表明,它们全都属于从原星系凝聚出来的第一代恒星,因而它们属于银河系中最古老的天体。利用球状星团的赫罗图,我们可以推算出星团和银河系的年龄为80~180亿年,这标志着宇宙年龄的上限。那么宇宙的年龄究竟是多大呢?按照目前公认的标准热大爆炸宇宙模型,现代宇宙学中所述的宇宙的年龄就基本以这一原初大爆炸的时刻为起算点。


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1929年,哈勃首先发现河外星系的退行速度与距离成正比规律,并测出其比值为500公里/秒·兆秒差距。国际天文界公认此比值为哈勃常数。1974年以来,桑德奇和塔曼两人经过多年的辛勤工作,用7种距离指标的方法共同修订哈勃常数,得出的哈勃常数值为50公里/秒·兆秒差距,它们只及哈勃当年测定值的十分之一。按照标准大爆炸理论,如果物质是均匀膨胀的,而它们彼此间又没有引力等相互作用的话,则哈勃常数的倒数就直接给出宇宙的年龄,根据估算,约200亿岁。

宇宙的年龄究竟是不是200亿岁?至今还是个谜。首先,宇宙中的物质不可能没有相互作用,宇宙膨胀不可能是均匀的,因此,我们得到的只能是宇宙年龄的上限;其次,哈勃常数的数值测定与许多因素有关。1975年以来,许多天文学家用不同方法测得的哈勃常数值都在50—100公里/秒·兆秒差距之间。

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1986年国际天文学联合会宣布关于宇宙年龄最好的结果是140~200亿年。至于宇宙有200亿岁的说法,目前仍无法确定,还是一个谜。



宇宙寿命还有240亿年?

美国科学家日前发表论文介绍说,宇宙至少还能“活”240亿年,比他们原先预计的要长。科学家们利用哈勃望远镜的观察,计算宇宙中的暗能量,得出了上述新结论。美国斯坦福大学的天体物理学家安德雷·林德领导的研究小组之前曾经称,他们研究预计,宇宙的寿命将还有110亿年。但科学家介绍说,最近哈勃望远镜观察到了一些超新星,它们离我们远去的速度比以前观察到的超新星更快,这意味着宇宙膨胀速度比我们预计的更快。根据这些新发现,林德等发表新论文认为,宇宙目前只度过了其生命的三分之一,它还能存在240亿年左右。



寻找宇宙的中心



大家都知道,在中世纪以前,人们认为地球是宇宙的中心,万物都以它为中心。后来,哥白尼提出宇宙中心是太阳而非地球,这在宗教界引起了大轰动。接着,伽利略通过天文望远镜对宇宙进行观测,以确凿的事实说明天外有天。此后,牛顿以简洁、优美的公式描绘了物体运动的规律,认为宇宙没有什么中心,只要上帝给一个“第一推动力”就可以了。问题从表面上看似乎简单了——无限的宇宙中不应该存在什么宇宙中心。
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但是,事实并非如此简单,人们不久就发现,如果宇宙没有中心,那很多现象就无法解释。假如宇宙是无限的,而万有引力定律又普遍适用的话,则在宇宙中的每一点,引力都是无限大的。因此,每一个物体将获得无限大的速度和加速度。但是,事实上并没有发生这种情况,这就是牛顿定律不能解释的引力悖论。另一个牛顿定律无法说明的现象是光度谬论。这种理论假设宇宙无限大并有无限多的恒星均匀分布在宇宙中,那么通过一些数学计算可以推导出天空无限明亮的结论来,而这又与事实不符。为了消除这两个矛盾,科学家绞尽脑汁,想方设法提出新的观点来说明问题。大爆炸理论认为,宇宙不仅在时间上有限,而且在空间上也有限,这样一来,光度和引力的矛盾就得以解决。

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一般的宇宙学原理认为,一个观察者无论在任何地方观察他周围的宇宙,得到的结果都是相同的。这就是均匀性假说,也就是说,在他们看来,宇宙是均匀分布的,不应该有什么中心存在。许多观测事实都有力地证明了这一观点。但是,一些科学家反对均匀性假说,他们认为宇宙存在中心,天体分布不是均匀的,而是逐级成团的,这个观点也就是所谓的等级模型。等级模型同样可以对许多观测事实进行合理的解释。就目前而言,均匀性理论和非均匀性理论都有其合理之处,究竟哪一个更符合实际情况,还没有最后的结论。



光年

对更遥远的天体,如恒星和星系,一般使用“光年”作距离的单位,简记作ly。“光年”,是指光在一年的时间里走过的距离。我们知道光的速度是c=299792456米/秒,一年为31556926秒,这样,光年的大小是:1ly=9.46×1015米,即9.46万亿千米。



探寻宇宙物质


整个宇宙是由星云、星团、星系等结构组成,基本上是多重旋转结构。高密星云的自身引力收缩形成的温度渐升的氢原子云、氢离子云,最终导致热核反应而成为发光发热的恒星。最早期的恒星闪蓝白光。渐渐变为橙光、红光乃至塌陷而成为黑洞。


我们居住的地球是太阳的一个大行星。太阳一共有8个大行星:水星、金星、地球、火星、木星、上星、天王星、海王星。除了大行星以外,还有40个卫星(包括月亮)、为数众多的小行星、彗星和流星体等。这些天体组成了我们的太阳系。无限的宇宙空间还有无数个像太阳一样本身能发光的恒星,在银河系就有1000多亿颗恒星。在宇宙空间有着各种各样的恒星。有的恒星光度比太阳大百倍甚至几万倍,这种星叫巨星或超巨星;光度小的星叫矮星。

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超巨星的体积非常庞大,有的甚至比太阳系中木星绕太阳运行的轨道还要大。恒星世界中最小的要算白矮星,有的只有地球的几十分之一大。不过白矮星上的物质特别“重”,1立方厘米的物质就有几十公斤、几吨甚至上千吨“重”。1976年发现的中子星,半径只有10公里左右,可是它上面的物质“重”到白矮星也比不上。中子星上面1立方厘米的物质要1万艘万吨级的轮船才能拖得动。中子星还不停地发出脉冲,1秒钟发出的能量相当于全世界15亿年内的用电量。这种星现在已发现了300多颗。恒星也常常爱好“群居”,有的成双成对紧靠在一起,称为双星;有的是3颗、4颗或更多,甚至成千上万颗星聚集在一起,形成一团星,这就是“星团”。银河系里就已发现多个这样的星团。


在恒星世界中还发现了2万多颗亮度会发生变化的星星,人们称它们为新星。新星并非是新的星星,只是亮度变大了的星星。除了恒星之外,还有一种形状像天空中的云雾似的天体,称为星云,在银河系内的,我们称它们为银河星云,如猎户座星云。在银河系外的称河外星云。目前已发现的河外星云在10亿个以上,例如仙女座星云。在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里,充满着一种叫做星际物质的弥漫介质,密度非常稀薄。此外,在广阔的星际空间里还存在有宇宙线和极其微弱的星际磁场。所有这些天体是不断地运动、变化和互相转化的。恒星不断向宇宙空间喷射物质,转化为星际介质,星云、星际介质又在漫长的岁月中凝聚成恒星……宇宙是无限的,人类对宇宙的探索也是无限的,在广袤的宇宙中,我们必定会发现更多尚未为我们所知的事情。



超弦理论

超弦理论从20世纪70年代发展起来,从数学上论证了宇宙应该是大于四维的多维空间。这在实质上是把宏观宇宙和微观宇宙在一定程度上结合起来了。超弦理论所刻画的额外的维都是描绘微观宇宙的,例如原子、基本粒子、强力和弱力以及真空要点等。从这一点出发,也就容易理解那些额外维的物理度量,并能够进一步探讨决定微观宇宙的维究竟有多少。


神妙莫测的宇宙第五力物理学告诉我们,宇宙间存在着四种基本相互作用的力,即万有引力、电磁力、强核作用力和弱核作用力。这是主导物理学的基本理论。但是,有人却对此表示怀疑。20世纪80年代中期,一位美国科学家提出了一个令人吃惊的观点。他认为,宇宙间存在第五种力,这种力的作用距离是几百米到几千米,比强核作用力和弱核作用力的半径大,但比牛顿万有引力和电磁力的作用半径小。这种力的作用大小可能与质量无关,而依赖于物质所含的质子和中子的多少。

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判定在宇宙间是否存在四种基本作用力之外的相互作用力,在人类科学技术的发展中占据了相当重要的地位。100多年以前,有科学家提出了七大宇宙之谜:物质和力的本质、运动的起源、意志的自由问题、生命的起源、理性思维及语言的起源等。在七个谜中,物质和力的本质排在第一位,可见其重要性。看来,第五种力存在与否对人类探索宇宙之谜是非常有意义的。第五种力的提出不是毫无根据的空想。在一些实验中,科学家已经找到了支持第五种力的证据。在澳大利亚一口深1000米的矿井里、在美国一座高600米的电视墙上、在格陵兰岛上深2000米的冰洞中所做的引力实验探测到了反平方律的变化。依据牛顿万有引力定律,物质间的引力与它们的质量成正比,与距离的平方成反比,也即反平方。但是,一旦第五种力的存在得到证实,那么在这种新型的力的作用距离内,牛顿的反平方律可能是不正确的,而且这种力的强弱将不由物质质量决定。当然,还有许多科学家持不同意见。总而言之,现在肯定或否定宇宙间存在第五种力还为时过早。不过有一点可以肯定,如果实验结果确实显示了牛顿定律的异常,那么必然存在着第五种力。



星等

为了方便形容天体的光度,天文学家创立了星等用来表示星体光度。星等的数值越大,代表这颗星的亮度越暗。有些光亮的星,它的星等甚至是负数,如全天最亮的恒星——天狼星,它的亮度是-1.45等。人的眼睛在黑暗的地方,可以看到最暗的星是6等左右。每一星等间的亮度差为2.512倍(基本上是定义1等星的亮度为6等星的100倍)。而比一等星还亮的星是0等;再亮的则用负数表示,如-1、-2、-3等。
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