第一章

书名《宇宙未解之谜》
作品简介:
史蒂夫·霍金无疑是现代宇宙学研究理论的奠基人物。他将量子力学引入到宇宙学研究，提出了大爆炸理论和黑洞学说，被誉为“天文学天才”。他认为宇宙不是静态的，而是不停地膨胀的。他在20世纪70~80年代完成了一系列关于宇宙和天体奥秘的研究论著，被人们视为经典。而他本人也被称为“宇宙之父”。然而以上的种种探索，只是人们了解真正宇宙的一个过程，对于浩星满天、遥不可及的宇宙来说还只是冰山一角，真正宇宙奥秘的宝藏还等着人们继续去开采和破解。本书从各个角度探索了宇宙中的重要现象，提供了最新的宇宙学资料，为人们了解宇宙提供了一定的资料参考。
正文

起源之谜宇宙的起源是个永恒的话题。科学发展到今天，关于宇宙起源的学说经历了多少次翻天复地的变化。历史是发展的，就今天的科学认识而言，一切宗教的理论都显得那么苍白无力。科学认识是不断发展的，那时，人类又会怎么想呢？关于宇宙起源的种种学说今天看起来，过去有关宇宙的学说是多么荒唐可笑，令人不可置信，那时的人竟会那么愚昧无知。可那偏偏又是言之凿凿的已经发生过的事实。我们能否想象，后人会怎样看待成为历史的我们呢？盖天说“盖天说”是我国古代最早的宇宙结构学说。这一学说认为，天是圆形的，像一把张开的大伞覆盖在地上；地是方形的，像一个棋盘，日月星辰则像爬虫一样过往天空，因此这一学说又被称为“天圆地方说”。“天圆地方说”虽然符合当时人们粗浅的观察常识，但实际上却很难自圆其说。比如方形的地和圆形的天怎样连接起来，就是一个问题。于是，天圆地方说又修改为：天并不与地相接，而是像一把伞高悬在大地上空，中间有绳子缚住它的枢纽，四周还有八根柱子支撑着。但是，这八根柱子撑在什么地方呢？天盖的伞柄插在哪里？扯着大帐篷的绳子又拴在哪里？这些也都是天圆地方说无法回答的问题。到了战国末期，新的盖天说诞生了。新盖天说认为，天像覆盖着的斗笠，地像覆盖着的盘子，天和地并不相交，天地之间相距八万里。盘子的最高点便是北极。太阳围绕北极旋转，太阳落下并不是落到地下面，而是落到了我们看不见的地方，就像一个人举着火把跑远了，我们就看不到了一样。新盖天说不仅在认识上比天圆地方说前进了一大步，而且对古代数学和天文学的发展产生了重要的影响。宇宙的起源——浑天说在新盖天说中，有一套很有趣的天高地远的数字和一张说明太阳运行规律的示意图——七衡六间图。古代许多圭表都是高八尺，这和新盖天说中的天地相距八万里有直接关系。盖天说是一种原始的宇宙认识论，它对许多宇宙现象不能做出正确的解释，同时本身又存在许多漏洞。浑天说日月星辰东升西落，它们从哪里来，又到哪里去了呢？日月在东升以前和西落以后究竟停留在什么地方？这些问题一直使古人困惑不解。直到东汉时，著名的天文学家张衡提出了完整的“浑天说”思想，才使人们对这个问题的认识前进了一大步。浑天说认为，天和地的关系就像鸡蛋中蛋白和蛋黄的关系一样，地被天包在当中。浑天说中天的形状，不像盖天说所说的那样是半球形的，而是一个南北短、东西长的椭圆球。大地也是一个球，这个球浮在水上，回旋漂荡；后来又有人认为地球是浮于气上的。不管怎么说，浑天说包含着朴素的“地动说”的萌芽。用浑天说来说明日月星辰的运行出没是相当简洁而自然的。浑天说认为，日月星辰都附着在天球上。白天，太阳升到我们面对的这边来，星星落到地球的背面去；到了夜晚，太阳落到地球背面去，星星升上来。如此周而复始，便有了星辰日月的出没。浑天说把地球当作宇宙的中心，这一点与盛行于欧洲古代的“地心说”不谋而合。不过，浑天说虽然认为日月星辰都附在一个坚固的天球上，但并不认为天球之外就一无所有了，而是说那里是未知的世界。这是浑天说比地心说高明的地方。浑天说提出后，并未能立即取代盖天说，而是两家各执一端，争论不休。但是，在宇宙结构的认识上，浑天说显然要比盖天说进步得多，能更好地解释许多天象。另一方面，浑天说手中有两大法宝：工具是当时最先进的观天仪——浑仪，借助于它，浑天家可以用精确的观测事实来论证浑天说。在中国古代，依据这些观测事实而制定的历法具有相当的精度，这是盖天说所无法比拟的。另一大法宝就是浑象，利用它可以形象地演示天体的运行，使人们不得不折服于浑天说的卓越思想。因此，浑天说逐渐取得了优势地位。到了唐代，天文学家一行等人通过大地测量彻底否定了盖天说，使浑天说在中国古代天文领域称雄了上千年。宣夜说宣夜说是我国历史上最有卓见的宇宙无限论思想。它最早出现于战国时期，到汉代则已明确提出。“宣夜”是说天文学家们观测星辰常常喧闹到半夜还不睡觉。据此推想，宣夜说是天文学家们在对星辰日月的辛勤观察中得出的。不论是中国古代的盖天说、浑天说，还是西方古代的地心说，乃至哥白尼的日心说，无不把天看作一个坚硬的球壳，星星都固定在这个球壳上。宣夜说否定这种看法，认为宇宙是无限的，宇宙中充满着气体，所有天体都在气体中漂浮运动。星辰日月的运动规律是由它们各自的特性所决定的，绝没有坚硬的天球或是什么本轮、均轮来束缚它们。宣夜说打破了固体天球的观念，这在古代众多的宇宙学说中是非常难得的。这种宇宙无限的思想出现于两千多年前，是非常可贵的。另一方面，宣夜说创造了天体漂浮于气体中的理论，并且在它的进一步发展中认为连天体自身、包括遥远的恒星和银河都是由气体组成。这种十分令人惊异的思想，竟和现代天文学的许多结论一致。宣夜说不仅认为宇宙在空间上是无边无际的，而且还进一步提出宇宙在时间上也是无始无终的、无限的思想。它在人类认只史上写下了光辉的一页。可惜，宣夜说的卓越思想，在中国古代没有受到重视，几至失传。地心说地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。它最初由古希腊学者欧多克斯提出，后经亚里士多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来。托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的圆形轨道上绕地球运转。其中，行星的运动要比太阳、月球复杂些：行星在本轮上运动，而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、月球行星之外，是镶嵌着所有恒星的天球——恒星天。再外面，是推动天体运动的原动天。地心说是世界上第一个行星体系模型。尽管它把地球当作宇宙中心是错误的，然而它的历史功绩不应抹杀。地心说承认地球是“球形”的，并把行星从恒星中区别出来，着眼于探索和揭示行星的运动规律，这标志着人类对宇宙认识的一大进步。地心说最重要的成就是运用数学计算行星的运行，托勒密还第一次提出“运行轨道”的概念，设计出了一个本轮均轮模型。按照这个模型，人们能够对行星的运动进行定量计算，推测行星所在的位置，这是一个了不起的创造。在一定时期里，依据这个模型可以在一定程度上正确地预测天象，因而在生产实践中也起过一定的作用。地心说中的本轮均轮模型，毕竟是托勒密根据有限的观察资料拼凑出来的，他是通过人为地规定本轮、均轮的大小及行星运行速度，才使这个模型和实测结果取得一致。但是，到了中世纪后期，随着观察仪器的不断改进，行星位置和运动的测量越来越精确，观测到的行星实际位置同这个模型的计算结果的偏差，就逐渐显露出来了。但是，信奉地心说的人们并没有认识到这是由于地心说本身的错误造成的，却用增加本轮的办法来补救地心说。起初这种办法还能勉强应付，后来小本轮增加到八十多个，但仍不能满意地计算出行星的准确位置。这不能不使人怀疑地心说的正确性了。到了16世纪，哥白尼在持日心地动观的古希腊先辈和同时代学者的基础上，终于创立了“日心说”。从此，地心说便逐渐被淘汰了。日心说1543年，波兰天文学家哥白尼在临终时发表了一部具有历史意义的著作——《天体运行论》，完整地提出了“日心说”理论。这个理论体系认为，太阳是行星系统的中心，一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星，它在上面像陀螺一样自转，一面又和其他行星一样围绕太阳转动。日心说把宇宙的中心从地球挪向太阳，这看上去似乎很简单，实际上却是一项非凡的创举。哥白尼依据大量精确的观测材料，运用当时正在发展中的三角学的成就，分析了行星、太阳、地球之间的关系，计算了行星轨道的相对大小和倾角等，“安排”出一个比较和谐而有秩序的太阳系。这比起已经加到八十余个圈的地心说，不仅在结构上优美和谐得多，而且计算简单。更重要的是，哥白尼的计算与实际观测资料能更好地吻合。因此，日心说最终代替了地心说。大爆炸说在中世纪的欧洲，托勒密的地心说一直占有统治地位。因为地心说符合神权统治理论的需要，它与基督教会所渲染的“上帝创造了人，并把人置于宇宙中心”的说法不谋而合。如果有谁怀疑地心说，那就是亵渎神灵，大逆不道，要受到严厉惩罚。日心说把地球从宇宙中心驱逐出去，显然违背了基督教义，为教会势力所不容。为了捍卫这一学说，不少仁人志士与黑暗的神权统治势力进行了前仆后继地斗争，付出了血的代价。意大利思想家布鲁诺，为了维护日心说，最终被教会用火活活烧死；意大利科学家伽利略，也因为支持日心说而被宗教法庭判处终身监禁；开普勒、牛顿等自然科学家，都为这场斗争作出过重要贡献。大爆炸说1929年，天文学家哈勃公布了一个震惊科学界的发现。这个发现在很大程度上导致这样的结论：所有的河外星系都在离我们远去。即宇宙在高速地膨胀着。这一发现促使一些天文学家想到：既然宇宙在膨胀，那么就可能有一个膨胀的起点。天文学家勒梅特认为，现在的宇宙是由一个“原始原子”爆炸而成的。这是大爆炸说的前身。美国天文学家伽莫夫接受并发展了勒梅特的思想，于1948年正式提出了宇宙起源的大爆炸学说。伽莫夫认为，宇宙最初是个温度极高、密度极大的由最基本粒子组成的“原始火球”。根据现代物理学，这个火球必定迅速膨胀，它的演化过程好像一次巨大的爆发。由于迅速膨胀，宇宙密度和温度不断降低，在这个过程中形成了一些化学元素（原子核），然后形成由原子、分子构成的气体物质，气体物质又逐渐凝聚起星云，最后从星云中逐渐产生各种天体，成为现在的宇宙。这种学说一般人听起来非常离奇，不可思议。在科学界，也由于这个学说缺乏有力的观测证据，因而在它刚刚问世时，并未予以普遍的响应。到了1965年，宇宙背景辐射的发现使大爆炸说重见天日。原来，大爆炸说曾预言宇宙中还应该到处存在着“原始火球”的“余热”，这种余热应表现为一种四面八方都有的背景辐射。特别令人惊奇的是，伽莫夫预言的“余热”温度竟恰好与宇宙背景辐射的温度相当。另一方面，由于有关天文学数据已被改进，因此根据这个数据推算出来的宇宙膨胀年龄，已从原来的五十亿年增到一百至二百亿年，这个年龄与天体演化研究中所发现的最老的天体年龄是吻合的。由于大爆炸说比其他宇宙学说能够更多、更好地解释宇宙观测事实，因此愈来愈显示出它的生命力。现在，大多数天文学家都接受了大爆炸说的基本思想，不少过去不能解释的问题正在逐步解决，它是最有影响、最有希望的一种宇宙学说。连续创生说因为大爆炸理论并没有被证明是真理，所以并不是每个人都会同意大爆炸理论。在近代宇宙学史上曾经和大爆炸理论抗衡的宇宙形成理论还有连续创生论。连续创生说1948年，两位奥地利天文学家邦迪和戈尔德提出一种理论，承认膨胀宇宙但否定大爆炸。后来英国天文学家霍伊尔发展并普及了这个理论，在星系散开的过程中，星系之间又形成新的星系；形成新星系的物质是无中生有的，而且运动的速度非常缓慢，用现在的技术无法测出。结论是，宇宙自始至今基本上保持着同一状态。在过去无数个纪元中，它看上去就是现在这个样；在未来的无数个纪元中，它看上去还将是现在这个样子，因此既没有开始也没有结束。这种理论被称为连续创生论，由此形成一个稳恒态宇宙。在十多年的时间里，大爆炸和连续创生论的争论非常激烈，但没有实际的证据来决定哪一个是正确的。1949年，伽莫夫指出，假若大爆炸曾经发生，伴随而生的辐射在宇宙膨胀过程中应该损失能量，而现在应该以射电辐射的形式存在，作为一个均质背景从天空的四面八方射来。这种辐射在绝对温度5K（-268℃）时应该是天体的特征。美国物理学家迪克进一步发展了这一观点。1964年5月， 德国出生的美国物理学家彭齐亚斯和美国射电天文学家R·W·威尔逊接受迪克的建议，探测到与伽莫夫预见的特征非常相似的射电波背景，它显示出宇宙的平均温度为绝对温度3K。多数天文学家认为，射电波背景的发现为大爆炸理论提供了结论性的证据。现在一般天文学家都接受大爆炸理论，而放弃了连续创生论的观点。所以，连续创生论已是明日黄花了。星云说太阳系究竟是怎样产生的，这个问题直到现在仍然没有令人完全满意的答案。长期以来，人们为了解决这个问题，曾经提出过许多学说，其中“星云说”是提出最早，也是在当代天文学上最受重视的一种学说。最初的星云说是在18世纪下半叶由德国哲学家康德和法国天文学家拉普拉斯提出来的。由于他们的学说在内容上大同小异，因而人们一般称之为康德拉普拉斯星云说。他们认为：太阳系是由一块星云收缩形成的，先形成的是太阳，然后剩余的星云物质进一步收缩演化形成行星。星云说出现以前，人们把天体的运动变化看作是上帝发动起来的，称之为“第一次推动”。康德拉普拉斯的星云说，用自然界本身演化的规律性来说明行星运动的一些性质，无疑对这种荒谬的观点是一个有力的打击，也为天文学的发展建立了不朽的功勋。不过，康德拉普拉斯星云说只是初步地说明了太阳系的起源问题，还有许多观测事实却难以用它来解释。所以，星云说在很长时间里陷入了窘境。直到20世纪，随着现代天文学和物理学的进展，特别是近几十年里，恒星演化理论的日趋成熟，星云说又焕发出了新的活力。现代观测事实证明，恒星是由星云形成的。太阳系的形成在宇宙中并不是一个独特的偶然的现象，而是普遍的必然的结果。另外，关于太阳系的许多新发现也有力地支持了星云说。在这样的背景下，现代星云说逐渐完善起来了。当然，星云具体是怎样演化的，这一点还有不少不同的意见。有一种观点认为：形成太阳系的是银河系里的一团密度较大的星云，这块星云绕银河系的中心旋转着，当它通过旋转时受到压缩，密度增大，达到一定密度时，星云就在自身引力的作用下，逐渐收缩。收缩过程中，一方面使星云中央部分内部增温，最后形成原始太阳，当原始太阳中心温度达到700万摄氏度时，氢聚变为氦的热核反应点火，于是，现代太阳便真正诞生了。另一方面，由于星云体积缩小，因而自转加快，离心力增大，逐渐在赤道面附近形成一个星云盘。星云盘上的物质在凝聚和吞并过程中，最后演化为行星和其他小天体。总之，现在人们已能用星云说比较详细地描述太阳系的起源过程，但还有很多具体问题未能很好解决，有待完善和充实。人类对宇宙奥秘的探索人类对真理的探求是没有止境的，经过漫长的岁月，今天人类终于超越了地球这个人类的家园，步入太空，开始了实地探索的第一步。什么事都得从第一步开始啊。何况是认识宇宙！航天技术的诞生和发展，为人类探索宇宙提供了先进手段和良好条件。20世纪中叶问世的空间探测器，不断揭示出过去在地面难以窥测的宇宙奥秘，使人类对空间环境、地外天体的演变、太阳系的形成、生命的起源等有了更多地认识和了解。人类对宇宙的探索从1959年开始，苏联发射了多个月球探测器。月球3号探测器绕到月球背后，它发回的照片使人们看到月亮的背面与正面确有不同，被陨石撞击得满目疮痍。月球9号探测器首次在月球上软着陆，拍回第一批月球全景照片。美国也发射了“徘徊者号”和“勘测者号”探测器到月球考察，为载人登月打下了基础。1998年，月球“勘探者号”探测器进行了环月考察，除了证实月球上存在丰富的矿藏和氦－3核原料外，还发现月球两极存在储量达上亿吨的冰冻水，这为人类开发月球带来福音。苏联的金星探测器，掀开了金星面纱的一角。美国1989年发射的“麦哲伦号”金星探测器，通过合成孔径雷达扫描，绘制出了第一张金星表面全景照片。20世纪70年代，“先驱者号”和“旅行者号”探测器首次飞抵木星进行考察，向人们提供了第一批木星近景图像。1989年发射的“伽利略号”木星探测器探测到木卫二的冰层下存在一个暗海洋，可能孕育有原始的生命。20世纪80年代初，“旅行者号”探测器飞过土星，不仅发现美丽的土星光环是一组成千上万条光环组成的光环群，而且新发现了13颗卫星，使土星的卫星增加到23颗，成为一个土卫大家族。 火星与地球有许多相似的地方，许多科学家认为，火星可能有过生命，至少有过低级生命的发展期，因此对火星的探测格外引人注目。从1975年以来，“海盗号”探测器和“火星探路者”探测器飞临火星进行实地考察。结果在这块贫瘠而荒凉的红色星球上没有发现火星人，甚至找不到一点生命的踪迹。空间探测器除了冥王星，人类已经利用空间探测器造访了太阳系的其他八大行星及其卫星，获得了许多新发现。1990年发射的“尤利西斯号”太阳探测器，还破天荒地探测了太阳南北两极的太阳风等情况。20世纪90年代以来，哈勃太空望远镜、康普顿伽玛射线望远镜和钱德拉X射线望远镜先后被送入太空轨道，探测太阳系外遥远的天体和星系，观测宇宙中黑洞、中子星、类星体等情况，探索宇宙形成和演变的秘密。1998年，由丁肇中主持、中国参加研制的阿尔法磁谱仪，用航天飞机载入太空去探寻反物质，试图揭示宇宙爆炸之谜。尽管空间探索之路艰辛而漫长，但随着航天技术的不断进步，人类终将破解宇宙的奥秘。