探索宇宙新秘密

伤我心太深

仰望星空，宇宙之谜，难以穷尽。宇宙是如何起源的?宇宙的年龄是多少?黑洞是怎么产生的?人类对茫茫宇宙的探索，不断有新发现。关于宇宙起源的问题，目前大爆炸的理论已被科学家们广泛接受。尽管如此，大爆炸理论只是建起了研究的框架，框架里的诸多问题依然是悬而未决。近年来，随着科学家在诸如暗能量、黑洞、宇宙加速膨胀的课题上有了最新发现，使得宇宙进化的过程变得日益清晰起来。


　　
　　大爆炸理论的缺陷
　　
　　上个世纪40年代末俄裔美籍科学家乔治・伽莫夫提出了“大爆炸理论”，用以解释宇宙的起源。他认为宇宙是从一个温度极高、密度极大的火球中诞生的，并称我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，其温度约为6K(6K=－267℃)，即后来所谓的宇宙微波背景辐射，它是充满整个宇宙的电磁波。1964年美国贝尔电话公司的两位无线电工程师彭齐斯和威尔逊意外地发现了这个微波背景辐射，恰好与伽莫夫预言的宇宙背景辐射十分接近，它在温度上对应为2.7K，它无疑是对大爆炸理论最有力的支持。这一发现使我们能够获得很久以前在宇宙诞生时期所发生的宇宙过程的信息。彭齐亚斯和威尔逊由此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
　　如果宇宙确实如大爆炸理论所说，从一个无限小的奇点向外膨胀而产生，那么从大的尺度说，宇宙中不同区域的性质应该不一样，起码宇宙空间中物质的密度就应该有所不同。但是宇宙并不像大爆炸理论所描述的那样，从宇宙学的尺度来看，宇宙中各向具有高度的均匀性，无论在哪个方向上测量微波背景辐射，人们都能大致得到2.7K这个数字。
　　另一方面，从美国国家航空航天局(NASA)发射的微波背景开拓者卫星(COBE)和最近的微波各向异性探测器(WMAP)所捕捉到的微波背景辐射信息来看，宇宙诞生后38万年左右基本上是均匀的，但不是非常均匀，微波背景辐射的各向异性只有十万分之一，最终这种微小差异造成了小范围内物质的聚集，星系由此而形成。
　　再者，按大爆炸理论，从宇宙最初的不均匀性还预示着宇宙是弯曲的。但是最近WMAP的观测显示我们的宇宙空间是没有弯曲的无限平直的世界。后文将要指出，为了弥补大爆炸理论上的这些缺陷，20年前物理学家古斯和佐藤各自提出了宇宙暴胀论的假说，并且经受了WMAP观测结果的关键性检验。
　　
　　宇宙年龄已有137亿岁
　　
　　关于宇宙的年龄一直没有一个准确的定论。对此，天文学家们一直在追寻宇宙年龄的确凿证据。最近美国国家航空航天局的研究小组根据微波各向异性探测器的观测结果，认为年龄是137亿岁(正负2亿岁)，并继续加速膨胀。再者，明确了宇宙的构成是普通物质仅占4％，真相不明的暗物质占2396，使宇宙迅速膨胀却真相不明的“暗能量”占73％，而且求出相当宇宙膨胀速度的哈勃常数为71。
　　关于宇宙年龄的问题，现在计算的方法是在假设的膨胀速度的基础上，追溯推算出宇宙体积为零时的时间而得出的。根据上述最新的数据以大约1％的误差算出宇宙的年龄是137亿岁。
　　从这次的观测结果，占宇宙73％的暗能量增强了过去爱因斯坦提出的“宇宙常数”的可能性。有意思的是，爱因斯坦没想到，当初他认为是错误的、让他极为懊悔的“宇宙常数”竟然是极有道理的，几乎可称得上是宇宙的本质。
　　
　　诞生12亿年后出现大规模结构
　　
　　在美国国家航空航天局新发现中最令人吃惊的是，第一代恒星在宇宙诞生之后第2亿年就开始发光，比许多科学家预测的还要早得多。日本国家天文台的杉山教授说：“微波各向异性探测器除了观测到宇宙微波背景辐射的非常详细的温度起伏的图像，还观测到偏光，即光(电磁波)的偏移情况。从这个偏光的状态知道宇宙诞生第2亿年大规模的中性氢发生再离子化。”
　　从宇宙诞生的38万年后，宇宙中各自存在的质子与电子相互结构构成氢原子(中性氢)，光线变直，宇宙从黑暗中浮出，具有了可视性。但是，现在在星系间空间的质子与电子几乎各自离子化存在。
　　关于这个再离子化何时发生，迄今为止尚不能正确地知道，但是宇宙开始出现的星辐射紫外线，则是揭下中性氢的电子产生的。杉山教授说：“宇宙微波背景的电磁波通过偏光的状态向我们传达了质子俘获电子的信息。这次从它的偏光状态确认宇宙诞生后的第2亿年背景辐射的电磁波与电子碰撞的痕迹。”即宇宙诞生后的第2亿年，星星发光，通过这个恒星辐射紫外线，中性氢的电子被揭下，开始了宇宙的再离子化。
　　另外，日本东京大学的冈村教授的研究小组通过夏威夷的凯克望远镜观测到宇宙诞生后第12亿年就有了与现在星系团相匹敌的大规模的结构。冈村教授说：“我们在后发座方向发现宇宙诞生后的第12亿年有43个星系成带状聚在一起，以及星系完全不存在的区域。”鉴于微波各向异性探测器的温度起伏非常小，冈村教授认为从那种状态仅用了12亿年就完成了恒星和星系的大规模结构，看来很可能是受“暗物质”的影响。
　　具体的恒星或星系，以及星系群的大规模结构是怎样构成的，我们还不完全清楚，这次一系列观测结果被视为在阐明宇宙进化上的重要发现。
　　
　　哈勃常数的确定
　　
　　1929年美国天文学家埃德温・哈勃通过观测发现，几乎所有的星系都在远离银河系而去。他注意到，远处的星系比近处的星系更快速地飞离，它们的距离和速度有一定的关系，于是他提出了著名的哈勃定律，即星系从地球远去的相对速度等于地球到星系的距离与哈勃常数的乘积。从这个事实求出相当其膨胀速度的哈勃常数，并且知道它几乎相等于求宇宙年龄。因为从这个速度单纯地往前推，就可知道宇宙开始膨胀的时刻，即诞生的时刻。为此，若干研究小组测出各个星系的距离与速度，试图测定哈勃常数。2001年“哈勃太空望远镜主要计划”之一是以误差14％的精度求出哈勃常数为72。
　　这次从微波各向异性探测器进行宇宙微波背景辐射的观测求出哈勃常数为71，具有误差5％的精度。那么，是否可以说哈勃常数几乎就是这个值了呢?东京大学的佐藤教授这么说：“从宇宙微波背景辐射的结果给出了在相当精确定位下的哈勃常数的值。这个值与2001年哈勃太空望远镜观测的结果几乎相同。”
　　
　　复活宇宙常数
　　
　　那么，从哈勃常数71所求的宇宙年龄是否可以说相当准确的呢?实际不是那么回事。例如假定宇宙是平直的，从这个数值所得的年龄大约92亿岁。现已知道在我们银河系中心附近存在的球状星团是超过130亿岁的老年天

体，所以这二者显然是矛盾的。
　　解决这一矛盾最简单的办法，是恢复“宇宙常数”作为现时宇宙的积极组成部分的理论地位。说起来膨胀的宇宙用爱因斯坦广义相对论的引力方程来描述最合适。爱因斯坦一开始考虑宇宙不应该膨胀或收缩。因此，为了制止物质的引力引起的收缩，即让宇宙“静止”下来，在引力方程中引入了一项“宇宙常数”。
　　上个世纪20年代美国天文学家哈勃观测到宇宙确实是在不断膨胀，而且这一观测结果完全与爱因斯坦引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相吻合，迅速得到了世界上绝大多数科学家的认可。爱因斯坦非常后悔，他本来是想把宇宙“静止”下来，但实际上宇宙是在膨胀着的。他因此承认：“引入‘宇宙常数’是我这一生所犯的最大错误!”但是，从最近的观测获知宇宙正在加速膨胀，可以说被抛弃的宇宙常数又一次被复活了。
　　这次微波各向异性探测器的观测数据暗示宇宙常数的存在，而且正是占宇宙73％的暗能量提高了这个宇宙常数的可能性。
　　
　　宇宙加速膨胀的证据
　　
　　根据爱因斯坦广义相对论，引力未必一定是吸引的力，它还可以是相互排斥的“斥性引力”，由于迄今为止所知的物质或能量都产生的是引力，因此科学家推测，整个宇宙也都是引力统治的王国。所谓“斥性引力”只是理论上的假设，与我们现在的宇宙没有关系。而且，直到上个世纪90年代，天文学家还相信，是引力导致了宇宙膨胀速度在逐渐减慢。
　　然而，宇宙总是给人以惊讶。1998年，天文学家观测到的一次超新星爆发在瞬间发出了100亿倍太阳亮度的光线，但是这个观测数据却比按流行的宇宙理论预测的亮度值要低。于是，有一部分科学家怀疑，这个现象也许说明，宇宙的膨胀速度并不总是一直处于减速状态，有些时候宇宙膨胀是在加速!如果那样的话，几十亿年前爆发的超新星的光线有可能穿越了比预计更长的路程到达地球，因此亮度比理论值低，也就不足为怪了。
　　这个结论太惊世骇俗，如果宇宙膨胀曾经加速，就说明了宇宙空间中也有斥性引力在起作用，这种力量让宇宙的退行速度加快。
　　但是主流科学家对这种解释表示质疑，他们提出其他的原因也能让超新星看上去比预期的要昏暗，比如漂浮在星系间的尘埃遮蔽了超新星的光线，或者早期诞生的超新星本来就比较暗。幸好有一种方法可以验证哪种说法正确。如果超新星看上去比较暗淡是由于宇宙尘埃遮蔽造成的，或者是星体原本就比较暗淡，那么光线的减弱应当随着天体红移的增加而更加明显。而如果超新星变暗是由于宇宙在经历了早期的减速膨胀后转为加速膨胀造成的，那么来自减速时期爆发的超新星光线应该显得比理论值明亮(反之，加速膨胀时期爆发的超新星光线则应显得比理论值暗淡)。
　　为了利用红移效果来测定宇宙膨胀快慢，就必须寻找一颗亮度固定，并且虽然离我们很远却可以被观测到的天体。科学家们发现一种称为Iα型超新星，这颗超新星爆发的时间发生在100亿年前，当时的宇宙只有现在的三分之一那么大。这颗星体很明亮，比假定宇宙尘埃遮蔽而导致的亮度要明亮许多，因此超新星变暗至少不完全是由宇宙尘埃造成的，应该还有宇宙减弱膨胀的影响。
　　美国国家航空航天局的科学家们通过测算发现，宇宙中的星系正在以加速度离我们远去，也就是说，宇宙的确在加速膨胀。他们认为，只有一种现象才能解释这种加速膨胀现象，那就是宇宙中确实存在一种起斥力作用的暗能，正是它引起了这种加速膨胀现象。
　　据此，最近美国国家航空航天局的一项新发现证实宇宙中的暗能将抵消宇宙星系引力的作用，使宇宙一直不断膨胀下去，永远也不会发生如剑桥大学理论物理学家斯蒂芬・霍金教授所预言的那种“宇宙大坍缩”结局。现在霍金教授也改变了对宇宙的起源和归宿的看法，认为宇宙最终将无限地膨胀下去，而不是膨胀到一定程度后在引力作用下收缩。关于这项发现的重要性，剑桥大学天体物理学家安东尼・拉森比教授称，美国国家航空航天局的声明将成为人类宇宙学史上最重大的发现之一，并将改变人类的宇宙观。
　　
　　宇宙起源新说：暴胀理论
　　
　　上个世纪80年代物理学家阿兰・古斯与佐藤一彦各自提出了宇宙暴胀论，认为宇宙在大爆炸之初还有一个宇宙超急膨胀的暴胀时期，使沙粒大小的空间在10－34秒内其体积增大了好几十个数量级。这种暴胀的急剧程度是以后宇宙大爆炸所进行的那种膨胀速度完全无法比拟的，正是这种暴胀解决了大爆炸理论留下的缺陷。
　　宇宙暴胀论有两个关键性的预见：第一，早期宇宙基本上是均匀的，但不是非常均匀。由于考虑早期宇宙是沙粒般极小的区域，可以认为这个小区域具有均匀的温度。接着在它还不及非均匀化的一瞬间就急剧膨胀为很大宇宙的话。自然在这个宇宙中的温度也就是基本均匀的。事实上，后来美国国家航空航天局的开拓者卫星探测结果证实了暴胀论的这一预见：早期宇宙不是非常均匀的，宇宙背景辐射的温度有十万分之一的起伏。
　　宇宙暴胀论的第二个关键性预言要求宇宙是“平直”的，但不是像光滑的桌面那样寻常意义上的平坦。新的测量结果显示，宇宙实际上是平直的。在宇宙学研究的时空四维世界中，“平直”意味着平行线绝不会相聚，而在弯曲宇宙中，平行线最终将相交。按照爱因斯坦的理论，宇宙的曲率由它所含有的物质和能量决定。要使宇宙保持平直，宇宙内物质的密度和能量的密度之和必须正好等于l临界值。但是观测数据却显示已知物质和暗物质加在一起也只占总数的27％。因此其余的73％必然来自一种不可知的暗能量，它对宇宙的未来提供了一种暗示，即所有物质加在一起也没足够的引力来阻止膨胀，而且具有斥力效应的暗能量还将加速这种膨胀。
　　同样的宇宙暴胀论也不是完美无缺，例如究竟是什么导致了宇宙的急剧膨胀?因为宇宙发生暴胀，则必须要有一种巨大的斥力抗衡万有引力才行。古斯认为早期宇宙是一锅“夸克汤”，佐藤认为是真空的“零点能”。总之，什么斥力至今仍不清楚。这些问题或许在即将发射的普朗克宇宙微波辐射卫星等观测后才能说清楚。

dsag

所有的星系都在远离银河系 那么总有接近银河系的把除非银河系是宇宙中心

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不对 是总有向我们接近的河系