1簡介

對眾多天文學家來說,浩瀚夜空或許看上去很像一塊浩大的閃光背景幕。
宇宙星體
但實際上,構成茫茫宇宙的數十億顆星星紛繁複雜,充滿著無數的奇怪現象。從超新星爆炸引起的恆星火花到看不見的黑洞,天文學家正逐漸知道星球如何運轉的,是什麼讓每顆星星具有自己的特色。即便如此,宇宙中還是存在許多未解之謎。

2誕生

宇宙誕生之前,沒有時間,沒有空間,也沒有物質和能量。大約150億年前,在這四大皆空的「無」中,一個體積無限小的點爆炸了。時空從這一刻開始,物質和能量也由此產生,這就是宇宙創生的大爆炸。
宇宙星體
剛剛誕生的宇宙是熾熱、緻密的,隨著宇宙的迅速膨脹,其溫度迅速下降。最初的1秒鐘過後,宇宙的溫度降到約100億度,這時的宇宙是由質子、中子和電子形成的一鍋基本粒子湯。隨著這鍋湯繼續變冷,核反應開始發生,生成各種元素。這些物質的微粒相互吸引、融合,形成越來越大的團塊,並逐漸演化成星系、恆星和行星,在個別天體上還出現了生命現象。然後,能夠認識宇宙的人類終於誕生了。
這幅大爆炸圖景,是目前關於宇宙起源最可能的一種解釋,被稱為「大爆炸模型」。大爆炸理論誕生於20年代,在40年代由伽莫夫等人進行補充和發展,但一直寂寂無聞。直到50年代,人們才開始廣泛注意這個理論,不過也只是覺得它很好玩,並不信服。人們更願意認為,宇宙是穩定的、永恆的。
但是,越來越多的證據表明,大爆炸模型在科學上有強大的說服力。我們不得不相信,宇宙有一個開始,也將有一個終結。它產生於「無」,也終將回歸於「無」。

3始終

在人類歷史的大部分時期,有關創世的問題,一向是留給神去解決的。宇宙起源於何處?終點又在哪裡?生命如何產生?人類怎樣出現?對這些疑問,許多宗教都能給出一份體系完備的答案。至於上帝從哪裡來,這種問題是不該問的。
直到最近幾個世紀,人們才開始學著把神撇開,以超越宗教的角度,去思考世界的本源。這樣一來,就有一個重大的原則性問題需要解決:宇宙是永恆存在的,還是有起始的?
這兩種說法長久以來一直困擾著科學家、哲學家和神學家,對於普通人來說,更是難以理解。假設宇宙在時間上沒有起源,即過去一直存在,那麼宇宙的年齡就是無窮大了。無窮大這個概念,一聽就讓人頭昏腦脹:既然是已經過去了無窮久的時間,我們的「現在」又是什麼呢?而如果說宇宙是有起始的,那麼它就是從「無」中突然產生的了,這最初的一剎那,又是怎樣呢?
憑著人類在短暫的生命中獲得的常識,實在是很難想明白這些東西。不過,我們可以從科學上尋求一些佐證。大爆炸模型的一個基本假設是宇宙的年齡有限,這個說法令人信服的直接理由,來自物理學中一條最基本的定律——熱力學第二定律。這條科學史上最令人傷心絕望的定律,冥冥中早已規定了宇宙的命運。
簡而言之,第二定律認為熱量從熱的地方流向冷的地方。對任何物理系統,這都是眾所周知並且顯而易見的特性,毫無神秘之處:開水變涼,冰淇淋化成糖水。要想把這些過程倒過來,就非得額外消耗能量不可。就最廣泛的意義而言,第二定律認為宇宙的「嫡」(無序程度)與日俱增。例如,機械手錶的發條總是越來越松;你可以把它上緊,但這就要消耗一點能量;這些能量來自於你吃掉的一塊麵包;麥子在生長的過程中需要吸收陽光的能量;太陽為了提供這些能量,需要消耗它的氫來進行核反應。總之宇宙中每個局部的嫡減少,都須以其它地方的嫡增加為代價。
在一個封閉的系統里,嫡總是增大的,一直大到不能再大的程度。這時,系統內部達到一種完全均勻的熱動平衡狀態,不會再發生任何變化,除非外界對系統提供新的能量。對宇宙來說,是不存在「外界」的,因此宇宙一旦到達熱動平衡狀態,就完全死亡,萬劫不復。這種情景稱為「熱寂」。
宇宙正在緩慢地、但堅定不移地走向這無法抗拒的命運,幾代智者為此懷疑人類的存在是否有意義。暫且撇開這種沮喪的情緒,作一個簡單的推理,我們就可以發現,宇宙不可能有無限的過去。很簡單,如果宇宙無限老,那它早就已經死了。以有限速率演變的東西,是不可能永遠維持下去的。換句話說,宇宙必然是在某個有限的時間之前誕生的。

4大爆炸

有推論有根據
第二定律明示了宇宙有起始,但這個重要推論竟然被19世紀的科學家忽略了,它只是在後來成為大爆炸模型的佐證。該模型的提出,是基於20世紀初的天文觀測。
20年代,天文學家埃德溫·哈勃注意到,不同距離的星系發出的光,顏色上稍稍有些差別。遠星系的光要比近星系紅一些,即波長要長一些,這種現象被稱為「哈勃紅移」。它說明,各星系正以很高的速度彼此飛離。一列火車快速駛遠時,它的汽笛聲聽來會沉悶很多,因為聲波相對於我們的頻率變低、波長變長了,這就是多普勒效應。把聲波換成光,產生的效果就是紅移。哈勃對眾多星系的光譜進行研究后確認,紅移是一種普遍現象,這表明宇宙正在膨脹。
這一發現,奠定了現代宇宙學的基礎。
如果宇宙正在膨脹,那它過去必定比較小。如果能把宇宙史這部影片倒過來放,我們勢必會發現,在過去的某個時刻,所有的星辰都是聚合在一起的。這個時間大概是100多億年前,要準確推斷它比較困難。
另外,宇宙膨脹的速度會隨時間發生變化,這與引力有關。萬有引力作用於字宙中一切物質與能量之間,起到剎車的作用,阻止星系往外跑,從而使膨脹速度越來越慢。在誕生初期,宇宙從高密度狀態迅速膨脹,隨著時間的推移,體積越來越大,膨脹速度越來越小。將這個過程向回追溯到宇宙創生的那一刻,可以發現當時宇宙體積為零,而膨脹速度為無限大。這就是大爆炸。
大爆炸是空間、時間、物質與能量的起源。這些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前發生了什麼、是什麼引起了大爆炸,這些問題在邏輯上就是沒有意義的。那以前所有的,只是「無」。
以上所述僅是旁證,似不足以令大多數人信服。如果150億年前發生了一場大爆炸,如此驚天動地的力量是否在今天的宇宙結構上留下了某種印跡?於是,有一陣子,科研人員熱衷於尋找宇宙創生的遺迹,勁頭賽過當年的宗教考古學家尋找伊甸園。亞當和夏娃的文物是一樣也沒發現,原初宇宙最重要的遺迹倒真給找出來了,這就是微波背景輻射。
按照大爆炸理論,最初的幾分鐘里,宇宙是一個熾熱的火球,到處充滿溫度高達幾十億度的光輻射。由於此時的宇宙處於熱動平衡中,這種輻射具有獨特的光譜特徵,稱為「黑體譜」。1965年,貝爾電話公司的兩位物理學家彭齊亞斯和威爾遜偶然發現,宇宙確實浸潤在一種熱輻射之中。這種輻射以相同的強度從空間各個方向射向地球,其溫度約為3K,譜線具有完美的黑體譜特徵。微波背景輻射的發現,是對大爆炸模型最有力的支持。
知道了今天宇宙背景輻射的溫度,就很容易推算出,宇宙誕生后約1秒鐘各處的溫度約為100億度。在如此高溫下,不僅我們熟悉的物質無法存在,連原子核也會被撕得粉碎。宇宙只能是一鍋由質子、中子和電子等構成的基本粒子湯。
隨著這鍋湯變冷,核反應發生了。中子和質子很容易聚合在一起,產生由兩個質子、兩個中子組成的氦核。計算表明,氦核形成的過程持續了大約3分鐘,形成的氦約佔宇宙物質總質量的四分之一。這個過程用完了所有的中子,餘下的質子就成了氫原子核。
因此,大爆炸模型預言宇宙應當由大約25%的氦和75%的氫組成,這與天文測量結果極為符合。最初三分鐘里形成的氫與氦,構成了宇宙中99%以上的物質。形成行星和生命的豐富多彩的重元素,只佔宇

宇宙星體

宇宙星體
宙總質量的不到l%,它們大部分是在恆星內部形成的。
根據推斷,宇宙的形成距今約100~200億年。
生命:既永恆又無恆
天文觀測表明,各種天體的年齡均小於200億年,這與大爆炸理論契合得非常好。我們的地球大概是50億年前形成的,人類出現的時間更短得不值一提。宇宙現在還算得上年輕,擔憂末日的來臨,對單個人來說是十分無聊的事。然而,為全人類的命運想一想這個問題,還是有必要的。
按照大爆炸模型,宇宙在誕生后不斷膨脹,與此同時,物質間的萬有引力對膨脹過程進行牽制。如果宇宙的總質量大於某一特定數值,那麼總有一天宇宙將在自身引力的作用下收縮,造成與大爆炸相反的「大坍塌」。如果宇宙總質量小於這一數值,則引力不足以阻止膨脹,宇宙就將永遠膨脹下去。
在非常遙遠的將來,比如1億億億年以後,所有的恆星都燃燒完畢,茫茫黑暗中,潛伏著一些黑洞、中子星等天體。宇宙的尺度已經膨脹到如今的1億億倍,而且還在擴張下去。在這個系統里,引力雖不足以使膨脹停止,但會不露聲色地消耗著系統的能量,使宇宙緩慢地走向衰亡。黑洞在霍金效應的作用下釋放出微弱的輻射,最終全都以熱和光的形式蒸發掉。足夠長的時間之後,連質子這樣穩定的基本粒子也衰變、消亡了,宇宙最終變成一鍋稀得難以置信的湯,其中有光子、中微子,越來越少的電子和正電子。所有這些粒子都在緩慢地運動,彼此越來越遠,不會再有任何基本物理過程出現。
這是寒冷、黑暗、荒涼而又空虛的宇宙,它已經走完了自己的歷程,面對的是永恆的生命,抑或永恆的死亡。這種情景,差不多就是「熱寂」了。
如果引力足夠強大,宇宙終有一天開始收縮,又將如何呢?在大尺度上,收縮過程與大爆炸后的膨脹是對稱的,像一場倒放的電影。收縮的過程起初很緩慢,隨後越來越快。在轉折點過後,宇宙的體積開始縮小,背景輻射溫度上升。漆黑寒冷的宇宙變成一個越來越熱的熔爐,生命無處可逃,全都被煮熟烤焦。最後,行星、恆星也毀滅了,分佈在如今浩瀚空間中的物質被擠進一個很小的體積內,最後三分鐘來臨了。
溫度變得如此之高,連原子核也被撕毀,宇宙又成了一鍋基本粒子湯。然而這種狀態也只能生存幾秒鐘的時間。隨後,質子和中子也無法區分,擠成一堆由夸克構成的等離子體。在最後的時刻,引力成為占絕對優勢的作用力,它毫不留情地把物質和空間碾得粉碎。在這場與大爆炸的「暴脹」相對的「暴縮」中,所有的物質都因擠壓不復存在,一切有形的東西,包括空間和時間本身,都被消滅。
這就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中誕生於無的宇宙,此刻也歸於無。無數億年的輝煌燦爛,連一絲回憶也不會留下。

5天體鑽石

當一顆太陽重的星星耗盡其原子核燃料時,它會將多數外層脫下,只剩下一個滾燙的熱核,叫白矮星。科學家已推測出,一顆具有50公里厚外殼的白矮星,其底部是碳和氧的結晶體,像是鑽石一般。2004年,科學家發現,靠近人馬座的一顆白矮星「BPM 37093」是由5百萬億億億(5×10的30次方)磅重的碳晶體組成。按鑽石來計,相當於1百億億億億(1×10的34次方)克拉。 :
【恆星屍體】
宇宙星體
磁星是高密度的中子星,是一種恆星屍體,其磁場較地球上的任何磁體都要強上數十
億倍。它們大約每10秒就會釋放出X射線,偶爾也會放射出伽馬射線。直到1998年,磁星才被確定為一種獨特的星體,這離首次發現其光線已近20年之久:1979年3月,9艘太空船發現,來自於稱為N49的超新星殘體處的輻射能量相當於太陽在1000年之內釋放出來的能量總和。

6恆星團

恆星團是由許多同一時期形成的恆星組成。有些恆星團具有幾十顆恆星,其它的具有數百萬顆恆星。一些恆星團肉眼看見,例如金牛星座中知名的昴星團。在同一地區形成的恆星為何有些能組合在一起形成恆星團卻是一個謎。
宇宙星體
星球爆裂
被命名為旋轉射電過客(RRATs)的一種新的脈衝星能變幻無常地怱明怱暗。它們其實就是被嚴嚴實實壓縮而成的中子星,能夠間歇式地釋放出無線電波。這些無線電波僅能持續兩毫秒,而間隙時間竟長達三小時。這些爆裂不僅曇花一現,而且天文學家要想觀測到RRATs,還得將這種轉瞬即逝的無線電閃現同地球上的無線電干擾區別開來。即便這樣,在浩瀚日銀河中仍有幾十萬顆這樣的星體。

7單身星星

過去曾認為星星或許並不是形單影隻地存在著。但如今,根據天文學家的預測,銀河系中85%的星星居住在聚星群中。在所有星星中,有超過一半以上是雙星系統,彼此靠相互的引力聯在一起,每一顆星都圍繞質量中心旋轉。當三顆或更多星星扎堆時,就被稱為多星系。2005年,天文學家提供了首顆行星繞一個雙星系旋轉的證據。這可能是一顆單身星星在伺機當第三者。
【神秘的爆炸】
宇宙星體
星星災難性爆炸爆發出強烈的衝擊波,外圍輻射的速度可達每小時3500萬公里。有些星星的生命終結會是一次波瀾壯觀的天文事件。當一顆8倍太陽質量以上的超新星燒盡時,地心引力的內力將會將這顆星星的「內臟」撕得三分五裂。這些爆炸還導致高能光線和物質噴射出來,進入太空。自約翰尼斯·開普勒1604年發現超新星以來,天文學家在我們的星系中再也沒有看到過超新星。
【太陽耀斑】
宇宙星體
太陽大氣——日冕的溫度可以達到200萬攝氏度,能夠以近似光速的速度詭秘般地發射出高能粒子。這些帶電粒子稱為太陽耀斑,能夠促使磁場向地球方向偏移,干擾地面的通訊、衛星技術和電子設備甚至手機的信號。最大的太陽耀斑能夠釋放出相當於數百萬個氫彈的能量,加以利用的話,這些能量足以讓美國用上十萬年。天文學家剛剛開始知道太陽內部的運作情況,並有了預測這些暴躁耀斑的目標。
【可怕的黑洞】
宇宙星體
黑洞密度大到足以讓任何東西都無法逃脫其地心引力的控制。一旦經過黑洞邊界就無路可逃,甚至光線都不能逃脫。現在,天文學家已經掌握了恆星黑洞和超大黑洞存在的證據。恆星黑洞是大星星爆炸形成的,而超大黑洞有數百萬太陽物質大。
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