使事情更为复杂的是,宇宙的实际密度(产生引力的物质量)与产生引力塌缩的宇宙密度之比为1。希腊字母n被赋予这个比率,数学上,开放宇宙意味着比率小于n,封闭宇宙意味着比率大于n。无论指曲率(其值为零)还是指密度比率(其值为1),结果总是平直宇宙,艾伦·古斯的暴涨理论首次获得了可信的结果、不要老是把暴涨描述成针尖变成橘子,应该把暴涨想象成吹气球。气球膨胀得越大,其表面就越平坦。因为在一瞬间发生了宇宙暴涨,实际上造成了平坦效应。
当艾伦·古斯在建立他的暴涨理论时碰到一个问题,使他推迟了两年才发表他的理论。
按照他的理论预测,这种快速膨胀必然会产生许多单独的“泡泡”,这些“泡泡”的壁应该是很明显的,但实际上并非如此。最后,古斯还是发表了他的理论,他希望全世界的其他宇宙学家应该有足够的兴趣去解决这个问题。俄罗斯物理学家安德烈·林德是第一个给出答案的,随后其他人也得到了答案。他从数学上证明“泡泡”(后被重新命名为“区域”)能单独产生。更有甚者,我们已知的宇宙仅仅占据一个“区域”的10亿甚至万亿分之一。
“泡泡”之间相距如此遥远以至于我们永远别想观测得到。就像暴涨理论一样,泡泡域理论在大多数宇宙学家中受到狂热的支持,包括,斯蒂芬·霍金,他被人们公认为是当代最伟大的物理学家。泡泡域理论尽管无法验证,但是它解决了暴涨理论(同样无法验证)的一些问题,暴涨理论不仅解释了宇宙的平直问题而且克服了大爆炸理论的一些困难,包括宇宙中物质分布的各向同性——暴涨的瞬间就像一种宇宙搅拌器的行为。对一些像霍尔顿·阿尔普和佛瑞德·霍伊尔之类的批评家来说,这远远不能令人满意,不管数学上是如何优雅,理论与理论的吻合是如此天衣无缝。但是批评者毕竟是少数,尽管更多的物理学家接受大爆炸理论和暴涨理论的方方面面有困难,但是他们愿意去挑战一些小问题而不是嘲笑整个理论。
宇宙的起源问题,仍然值得人类探究
目前,大爆炸理论成为解释我们的宇宙起源的最好理论。对“我们”应该强调,别忘了别的永远位于我们视野之外的“区域”,法国物理学家Trinh Xuan Thuan在他1995年出版的《秘密的旋律》一书中写道:“我们的宇宙只是一个迷失在另一个比我们宇宙大千万亿乃至亿万亿倍的可称为元宇宙或超宇宙的泡泡中的小泡泡,所有这些都是在暴涨期间从一个无限小的空间中创生出来的,所有的泡泡都彼此不相通。”他所描写的这个图景是很诱人但令人难以置信的。有人发现这很令人害怕,也有人认为这有点像宗教思想,将使人安心或使人悲伤,关键取决于人的信仰。一些评论家竭力指出乔吉斯·勒梅特作为大爆炸理论的启蒙者,首先是一个天主教主教,其次才是一个物理学家,而佛瑞德·霍伊尔作为稳恒态理论的斗士是一个无神论者,而一些大爆炸理论的拥护者如斯蒂芬·霍金的工作最终排除了对上帝的需要。
当望远镜技术和计算机技术发展到使我们有能力观测或模拟宇宙这个更大样本的时候,当量子物理实验更深入到亚原子粒子的奇异世界的时候,我们所得到的附加知识似乎在不时地支持大爆炸理论。
2000年6月,《纽约时报》的头版报道了澳大利亚的一台自动巡天望远镜产生了一张大范围的星系集团图,这些星系集团可以称为宇宙大陆。尽管这些宇宙大陆是如此巨大,但是它们的尺度并没有超出大爆炸理论关于这种结构的预测。这篇报道的标题是“自动巡天望远镜确定了关于宇宙诞生的假设”。
过去,《纽约时报》曾经刊登过许多挑战别的大爆炸假设的文章。一些乐观者,包括斯蒂芬·霍金相信我们正在接近对整个宇宙的了解,大统一理论出现的时候也许为期不远了。
但是即使是大爆炸理论的拥护者当中,也有许多人怀疑我们对宇宙的了解还仅仅是开始,也许我们永远也无法解开宇宙之谜。
现在,大爆炸理论已经成为标准理论,但它还不是一个真理。
宇宙的大小及年龄
宇宙在空间是无限大的,也就是说它无边无际,充满了无限的奥秘。
目前,天文学家使用最先进的天文望远镜,已观测到距我们大约200亿光年的格外明亮的个别天体,但它们并不是宇宙的边际,它的边缘在哪里,为什么那么遥远而且还那么明亮呢?这些都将永远是宇宙中的奥秘,有待于我们去探讨。
宇宙的无限性有两方面的含义,即空间上的无限性和时间上的无限性。宇宙在空间上是无边无际的。它没有边界,没有形状,也没有中心,在任何一个方向上,宇宙都没有终点。但是,任何具体的东西都有边界,形状和中心,也就是有限的。宇宙在时间上是无终无始的。无论是过去或者未来都是无穷无尽的。但是,任何具体的东西,都有起源,有年龄和寿命,都是有限的。
所谓“宇宙的年龄”,就是宇宙诞生至今的时间。可是谁知道宇宙诞生在什么时候呢?
我们不能重现它的过去,但却可以从它的现在一光年为94605亿千米,这个距离应该算很长了,但与宇宙中恒星之间的距离相比,只不过是微不足道的数字罢了推知它的过去。美国天文学家哈勃发现:宇宙诞生以来一直在急剧地膨胀着,这就使天体间都在相互退行,并且其退行的速度还与距离成正比。这个比例常数就叫“哈勃常数”。而它的倒数就是宇宙年龄。只要测出了天体的退行速度和距离,就测出了哈勃常数。显然,测得的哈勃常数越大,宇宙年龄就越小。
原则是简单的,但得出的结果却相去甚远,大致在100~200亿年的范围内众说不一。为什么?这是因为天体退行速度的测定通常由红移取得,比较一致,而天体距离的测定就各显神通了。
通常是以测定某个星系中“造父变星”来推知星系的距离的,但它只适用于近距星系。
用此法测得宇宙年龄约200亿年。而这种方法对遥远星系却不适用,但要精确地测定退行速度,遥远星系则更合适。如何测定它们的距离呢?一是利用比“造父变星”更亮的“行星状星云”,或者利用超新星爆炸。用这些方法得出的宇宙年龄为80~120亿年。有人认为早期的宇宙膨胀比现在快,这样推得的宇宙年龄只有60~70亿年。但低值宇宙年龄的正确性值得怀疑,因为作为宇宙组成部分的球状星团的年龄至少已有130亿年。宇宙年龄的最高推测值竟有340亿年,其根据是宇宙膨胀的不均衡性。
宇宙的组成
我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有9颗大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除了大行星以外,还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。它们都离我们地球较近,是人们了解得较多的天体。那么,除了这些以外,茫茫宇宙空间还有一些什么呢?
晴夜,我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星,它们绝大多数是恒星,恒星就是像太阳一样本身能发光的星球。我们银河系就有1000多亿颗恒星。
恒星常常爱好“群居”,有许多是“成双成对”地紧密靠在一起的,按照一定的规律互相绕转着,这称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚集在一起,称为聚星。如果是10颗以上,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1000多个这样的星团。
在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星——变星。它们有的变化很有规律,有的没有什么规律。现在已发现了2万多颗变星。有时候,天空中会突然出现一颗很亮的星,在两三天内,会突然变亮几万倍甚至几百万倍,我们称它们为新星。还有一种亮度增加得更厉害的恒星,会突然变亮几千万倍甚至几亿倍,这就是超新星。
除了恒星之外,还有一种云雾似的天体,称为星云。不过,只有极少数星云在我们银河系内,这种星云由极其稀薄的气体和尘埃组成,形状很不规则,我们称它们为银河星云,如有名的猎户座星云。极大部分星云,实际上并不是云,它们是一些同我们银河系一样的星系,只因为离我们太远了,所以看上去像云雾般的形状,我们称它们为河外星系,现在已发现1000亿个以上的星系,著名的仙女座星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系也爱好“群居”,常常几个、十几个聚集在一起,我们称它们为双重星系或多重星系,更多的星系聚集在一起,则构成了星系团。20世纪60年代以来,天文学家还找到一种在银河系之外的像恒星一样的天体,但它的光度和质量又和星系一样,我们叫它类星体,现在也已发现了数千个这种天体。
在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里,还有些什么呢?是绝对的真空吗?当然不是。那里充满着非常稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展,人们必定可以发现越来越多的新天体。
宇宙是否有中心点
太阳是太阳系的中心,太阳系中所有的行星都绕着太阳旋转。银河也有中心,它周围所有的恒星也都绕着银河的中心旋转。那么宇宙有中心吗?有没有一个让所有的星系包围在中间的中心点?
看起来应该存在这样的中心,但是实际上它并不存在。因为宇宙的膨胀一般不发生在三维空间内,而是发生在四维空间内的,它不仅包括普通三维空间(长度、宽度和高度),还包括第四维空间——时间。描述四维空间的膨胀是非常困难的,但是我们也许可以通过推断气球的膨胀来解释它。
我们可以假设宇宙是一个正在膨胀的气球,而星系是气球表面上的点,我们就住在这些点上。我们还可以假设星系不会离开气球的表面,只能沿着表面移动而不能进入气球内部或向外运动。在某种意义上可以说我们把自己描述为一个二维空间的人。
如果宇宙不断膨胀,也就是说气球的表面不断地向外膨胀,则表面上的每个点彼此离得越来越远。其中,某一点上的某个人将会看到其他所有的点都在退行,而且离得越远的点退行速度越快。
现在,假设我们要寻找气球表面上的点开始退行的地方,那么我们就会发现它已经不在气球表面上的二维空间内了。气球的膨胀实际上是从内部的中心开始的,是在三维空间内的,而我们是在二维空间上,所以我们不可能探测到三维空间内的事物。
同样的,宇宙的膨胀不是在三维空间内开始的,而我们只能在宇宙的三维空间内运动。
宇宙开始膨胀的地方是在过去的某个时间,即亿万年以前,虽然我们可以获得有关的信息,而我们却无法回到那个时代。
宇宙中的黑洞
什么是“黑洞”呢?让我们从万有引力谈起。
根据万有引力定律,地球和宇宙间的一切天体(当然包括太阳和月亮),都具有强大的吸引力,它们能把附近的一切物体紧紧地“抱”在怀里。比如地球引力使地表的物质不能任意飞向空中;人们为了把人造卫星送上围绕地球运行的轨道,发射的火箭至少要有每秒钟8公里的速度,否则,人造卫星也会被地球的引力拉回地面,这个速度叫做第一宇宙速度;如果我们进一步要把一只飞船送到火星上去,那就要完全摆脱地球的引力控制,这时,火箭的速度就要达到每秒11公里,这叫做第二宇宙速度,也叫天体的表面脱离速度。天体不同,天体的表面脱离速度也不同。例如,月球的质量小,表面脱离速度就比地球的表面脱离速度小得多;而太阳的质量大,表面脱离速度又要比地球表面脱离速度大许多倍。总之,宇宙中的任何一个天体,都有它自己固定的表面脱离速度,达不到这个速度,任何东西都不可能从它那里飞出来。
宇宙中有没有这样一些天体,它们的表面脱离速度,比每秒30万公里的光速都大,以至它所发射出来的光,也要被自己的引力拉住而跑不出来呢?科学家认为从理论上说,恐怕是有的。
早在1798年,法国天文学家拉普拉斯就以牛顿力学为基础,预言了宇宙中存在着诸如此类的天体。“宇宙中最明亮的天体,对于我们来说,很可能是不可见的”。他认为,假如有一个天体,它的密度或质量达到一定的限度,我们就会看不到它了,因为光没有能力逃离开它的表面,也就是说光无法到达我们这里。这其实就是一种“黑洞”理论。
近代以后,又有更多的科学家,根据牛顿力学和爱因斯坦的广义相对论,预言了“黑洞”的存在。牛顿提出的万有引力理论认为,一个球形的天体,在它的质量大于太阳质量的2倍时,它就可能收缩成为体积无限小,质量无限大的质点,这种现象称为“引力崩溃”。
爱因斯坦的广义相对论诞生后,德国科学家史瓦西计算出了一个天体半径,并且认为,在具备这样大小的半径的球内,就有无限大的引力,任何物质只能被它吸引进去,而不能从它那儿解脱出来;连速度极快的光线,也“在劫难逃”。这个有去无回的地方,人们叫它“黑洞”。“黑洞”在理论上得到了颇有分量的证明。
如今,人们又给黑洞下了更加确切的定义:黑洞是广义相对论预言的一种特殊天体,其基本特征是它具有一个封闭的边界——视界,外界的物质和辐射可以进入视界,视界内的一切都不能跑到外面去。
通俗点讲,“黑洞”之“黑”,表明它不向外界发射和反射任何光线,因此人们根本无法看见它;它是一个“洞”,则表明任何东西一旦进入其中,便休想再出来。黑洞其实是个“无底洞”,它似乎处于饥饿的状态,永远也填不饱。因此有人又把它叫做“星坟”。
“黑洞”何以有如此奇特的禀性?其实这并不神秘。它具有极其强大的引力场,以至于任何东西——甚至包括光在内——都不能从中逃逸。不仅如此,黑洞强大的引力场还足以摧垮其内部的一切物体,故黑洞内部不具备现在所知的任何类型的物质结构——这就是著名的“黑洞无毛定理”。
理论研究表明,宇宙间的黑洞有各种不同的大小和质量。太阳半径为70万公里,如果从太阳表面发射一艘宇宙飞船,那么它发射的初速度至少要达到每秒618公里——即太阳的逃逸速度,才能彻底摆脱太阳引力的羁绊。如果太阳不断地收缩,它的物质密度便不断增大,其半径则不断地缩小。这时,太阳表面的引力场就不断增强,其逃逸速度自然也随之增大。倘若太阳缩成一个半径仅为3公里的球体,其引力强度就会大得使其逃逸速度达到乃至超过每秒30万公里的光速。这样,就连光也无法越出它的引力桎梏,于是太阳就变成了一个黑洞。
尽管关于黑洞的理论是正确的,但是科学家一直在寻找黑洞存在的证据。