第 五 章 浩瀚苍茫的宇宙

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。
宇宙何时会死亡
 没有必要的担心
宇宙有没有终结的一天？宇宙将会如何终结？是“砰”然的一声大爆炸，还是逐渐消亡？当地球人在无数个夜晚，悄悄地仰望灿烂夜空，对生命、对宇宙浮想联翩的时候，总会从内心深处发出这样的疑问。
根据科学家利用天文望远镜获得的最新观测结果，宇宙最终不会变成一团熊熊燃烧的烈火，而是会逐渐衰变成永恒的、冰冷的黑暗。这听起来似乎太骇人听闻了。然而地球人或许没有必要杞人忧天，因为地球人暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。根据科学家的推测，宇宙很可能至少将目前这种适于生命存在的状态再维持l000亿年。这个庞大的数字相当于地球历史的20倍，或者，相当于智人（现代人的学名）历史的500万倍。既然它将发生在如此遥远的未来，对地球人今天的生活就不会有丝毫影响。
 人类的未来在哪里
与此同时，科学家又指出：没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会突然消失。但是，随着时间的推移，它可能会让人觉得越来越不舒服，并且最终变得不再适合于生命存在。
这种情况将会在什么时候出现呢？又会以怎样的方式出现呢？这的确是一个令人沮丧的问题。但是，我们又不得不承认，对于我们这些生活在地球上的凡夫俗子来说，这些问题却有另一种冷酷的魅力。自从20世纪20年代，天文学家哈勃发现宇宙正在膨胀以来，“大爆炸”理论一直没有摆脱被修改的命运。
根据这一理论，科学家指出，宇宙的最终命运取决于两种相反力量长时间“拔河比赛”的结果：一种力量是宇宙的膨胀，在过去的100多亿年里，宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大；另一种力量则是这些星系和宇宙中所有其他物质之间的万有引力，它会使宇宙扩张的速度逐渐放慢。如果万有引力足以使扩张最终停止，宇宙注定将会坍塌，最终变成一个大火球——“大崩坠”，如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀，它将最终变成一个漆黑的寒冷的世界。
显而易见，任何一种结局都在预示着生命的消亡。不过，人类的最终命运还无法确定。因为目前，人们尚不能对扩张和万有引力作出精确的估测，更不知道谁将是最后的胜利者，天文学家的观测结果仍然存在着许多不确定的因素。
这种不确定因素又是什么呢？科学家指出，这一不确定因素涉及膨胀理论。根据这一理论，宇宙始于一个像气泡一样的虚无空间，在这个空间里，最初的膨胀速度要比光速快得多。然而，在膨胀结束之后，最终推动宇宙高速膨胀的力量也许并没有完全消退。它可能仍然存在于宇宙之中，潜伏在虚无的空间里，并在冥冥中不断推动宇宙的持续扩张。为了证实这种推测，科学家又对遥远的星系中正在爆发的恒星进行了多次观察。通过观察，他们认为这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。
倘若真是这样的话，决定宇宙未来命运的，就不仅仅是宇宙的扩张和万有引力，还与在宇宙中久久徘徊的膨胀推动力，所产生的涡轮增压作用有关，而它可以使宇宙无限扩张下去。
但是，人们最关心的或许是智慧生命本身。人类将在宇宙中扮演什么角色呢？难道人类注定要灭亡吗？人类已经在越来越快地改变着地球，操纵着自己的生存环境，也许到那时，人类将会以高度发展的智慧在宇宙中立于不败之地。谁知道呢？且让未来的地球人和地球外一切生命拭目以待吧。
人类对宇宙的认识永远没有终极，认识穷尽的那天也许就是人类或宇宙毁灭的那一天。正如爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说：“至于谈到世界末日的问题，我的意见是：等着瞧吧！”
 
黑洞的奥秘
 什么是黑洞
宇宙间千姿百态的物质世界，都处于永恒的演变之中。就像地球上的一切物体，包括人类在内，都要经过诞生、发展和衰老、死亡的过程一样，恒星也要向衰老方向演化，黑洞就是恒星衰老的一种结局，是广义相对论所预言的一种特殊天体。
黑洞从字面上理解似乎是黑乎乎的山洞或地洞，黑洞其实也是一种天体。天上繁星闪烁，可是除了闪闪发光的星星之外，还有一种连光线都射不出来、看不见的天体。一句概括的话就是，黑洞是一类体积小、密度大、引力强，物质和射线许进不许出的奇特天体。
 黑洞的特质
黑洞具有一个封闭的视界（黑洞的边界），外来的物质和辐射可以进入视界以内，而视界内的任何物质都不能跑到外面。恒星到了晚年，为了维持自身的能量平衡，星体内变化越来越剧烈，越来越复杂，类似人到耄耋之年体内循环系统失调一样。
星体内核要迅速演化成致密物质，外部的物质经过膨胀、最后爆发抛射出去。
外部物质经过爆发形成星云，中央残核则形成一个致密的天体。所谓致密天体，就是体积小而密度大的天体。如果致密天体的质量在0.3～1.4个太阳质量，其半径只有地球大小，则它的平均密度是太阳平均密度的10万倍以上，这类天体叫白矮星。如果恒星残核质量在0.1个～2个太阳质量，而半径只有十几千米，则它的平均密度比白矮星还大，每立方厘米达10亿吨以上，这样的天体叫中子星。如果恒星爆发后的残核质量大于2.3个太阳质量，其体积比中子星还小，则这个天体就会造成自身的引力塌缩，形成一个封闭性的视界。一切外界的物质或辐射，只要进入这个视界，就被这个天体迅速拉过去。
而这个天体内部的任何物质，包括速度为每秒30万千米的光辐射，都不能跑到外面去。因此，如果想通过可见光去寻找这类天体，那根本是办不到的。这类体积小的奇特天体就叫黑洞。
 黑洞的形成
黑洞其实就是濒临死亡的恒星。恒星也有衰亡的时候，当恒星的燃料用尽的时候，温度就会下降。恒星就会在自身巨大的引力作用下不断收缩。由于强大的引力作用，会把原来几百万千米的直径压缩成十几千米。而像地球大小的天体，它的直径会被压缩到2厘米，就像弹球那么大。这个时候，它的引力大得惊人，任何东西靠近它都会被吞掉，即使是光线也逃不掉，这样我们就再也看不见这颗恒星了。
因此，一颗恒星的衰亡，就是一个黑洞的形成。
据天文学家估计，在银河系中，可能存在着1000万个这样的黑洞。虽然我们看不见黑洞，但天文学家可以利用黑洞对邻近光线传播的影响或对邻近伴星的影响来找到它。
 
河外星系
如果把地球所在的银河系比作一个巨大的恒星城，那么，宇宙间并不是仅此一个“孤城”。在浩瀚的宇宙空间，有许多类似银河系的恒星城，人就叫它们为河外星系，简称星系。
每个河外星系都是由数十亿至数千亿颗恒星、星云和星际物质组成的。其直径一般从几千光年至几十万光年不等。河外星系的外观和结构是多种多样的，根据河外星系的外形等特征，可以把河外星系分为3大类：椭圆星系、旋涡星系和不规则星系，每个河外星系也都在运动之中。同时，如此巨大的河外星系的空间分布也是不均匀的，星系也是成团存在的。银河系就与它周围30多个星系组成一个集团，叫本星系团。
目前，已发现约10亿个河外星系。最著名的河外星系有：仙女座河外星系、猎犬座河外星系、大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和室女座河外星系等。
星　云
在宇宙的各个天体中，星云是最富有传奇色彩的了。在美丽的夜空映衬下，五颜六色、多姿多彩的星云显得异常美丽和动人。关于星云，也有着许多动人的传说。不过，由于空气污染的加剧和肉眼的局限，普通人很难体会到星云的壮丽和奇妙，更多时候是在想象中品味它的美好。
很早以前，天文学家通过光学望远镜发现了一些星云雾状的天体，称为星云。
星云就是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体。星云里的物质密度是很低的，若拿地球上的标准来衡量的话，有些地方是真空的。可是星云的体积十分庞大，常常方圆达几十光年。所以，一般星云较太阳要重的多。
星云的形状是多姿多态的。星云和恒星有着“血缘”关系。恒星抛出的气体将成为星云的部分，星云物质在引力作用下压缩成为恒星。在一定条件下，星云和恒星是能够互相转化的。
最初所有在宇宙中的云雾状天体都被称作星云。后来随着天文望远镜的发展，人们的观测水准不断提高，才把原来的星云划分为星团、星系和星云三种类型。
有些星云呈弥散状，形状很不规则，没有明显的边界，天文学家称它为弥散星云。有的星云好似一个圆盘或圆环状，发出淡淡的光，好像一个大行星，天文学家称其为行星状星云。行星状星云还在不断地膨胀，单位体积的质量在减少。目前已经发现的行星状星云有1 000多个。
为什么白天看不到星星
关于看星星，我们每个人都有这样的体会，漆黑的夜空无疑是观赏星星最好的时段，尤其是没有月亮光线和城市杂光的时候；再次之，也是在清晨和黄昏的时候，太阳刚刚升起或即将落山的时候，星星显得非常美丽。但是，如果当太阳高高的悬挂在天空，是很难看到星星的，这又是什么原理呢？
在地球上的这些体验，到了月球上就完全是另外一个样子了。在月球上，即使是正午太阳高悬的时候，也是可以很清晰的看到星星的，这又是怎么回事情呢？
其实，这些都是地球上厚厚的大气层在做怪。我们知道，地球非常独特的一点是拥有大气层，当白天的时候，太阳的光线照射在地球上时，地球大气的空气及尘埃等微小颗粒，会使一部分太阳光向四面八方散射开来，将天空照映得十分明亮，因此，相对于遥远的星星，我们自然就太阳光的光芒所吸引，看不到微弱的星光了。
而到了夜晚的时候，太阳光就照射在地球的另外一面去了；清晨和黄昏的时候，太阳光的散射也不是很强烈，自然就可以看到美丽的星星。同样的道理，在月球上，因为没有大气，虽然有太阳光的强烈照射，也可以看到群星闪烁。
如若想要在白天看到星星的闪烁，那就需要到天文台那里去使用专用的观测仪器了。这是一种天文望远镜，其特有功能是使天空的背景变得黯淡起来，使闪烁的恒星的光点相对增强。这样，恒星又可以显露出它的本来面貌了。