宇宙新知

【專(zhuān)家解說(shuō)】：宇宙的最初源頭是一個(gè)奇點(diǎn)，即所謂的“宇宙蛋”，它凝聚了所有的時(shí)空質(zhì)能，孕育著未來(lái)物質(zhì)世界的一切，包括天體和生命。大約150億年以前，宇宙蛋在一場(chǎng)無(wú)與倫比的大爆炸中猝然爆發(fā)。大爆炸震撼出時(shí)空，物質(zhì)世界破殼面出，宇宙史的紀(jì)元從此開(kāi)始。 剛剛誕生的宇宙，空間從無(wú)到有并急劇猛增，僅僅10-32秒后，就暴脹到大約1光年的直徑。在1 秒鐘時(shí)，由于大爆炸產(chǎn)生的極強(qiáng)高能輻身均勻地充滿(mǎn)整個(gè)空間，宇宙成為100億k高溫的熔爐，所有物質(zhì)被熬成一鍋基本粒子湯。 緊接著，一場(chǎng)肆虐的原始宇宙風(fēng)暴開(kāi)始了，基本粒了之間發(fā)生猛烈撞擊，中了熔入質(zhì)子形成了氦核。這個(gè)過(guò)程延續(xù)了大約三分鐘，直至所有的中子消耗殆盡為止。有約22%質(zhì)量的物質(zhì)聚合成氦核，余下的物質(zhì)幾乎為沒(méi)有聚合的質(zhì)子，即氫核，僅有十萬(wàn)分之幾屬于同位素氦3和氘，百億分之幾歸之于鋰。原始星云形成。 星系形成 構(gòu)建原始宇宙的原生物質(zhì)(主要是約78%的氫和22%的氦)的產(chǎn)生過(guò)程，在宇宙史的最初三分鐘便告完成;在此后宇宙由于膨脹面冷卻，如此大規(guī)模的核合成過(guò)程再也不可能發(fā)生了，而小規(guī)模的核合成也只有等到恒星產(chǎn)生以后。初生宇宙的空間充斥著極強(qiáng)壯的高能輻射，熾熱驚人。原生物質(zhì)氫核和氦核均勻分布在整個(gè)太空，它們之間的引力微弱，遠(yuǎn)不足以克服巨大的擴(kuò)散壓力和輻射壓，因此列法凝聚成團(tuán)。看來(lái)要打破這種物質(zhì)均勻分布的狀態(tài)，還有竺宇宙冷卻到足夠的程度。 光陰一分分，一年年地流逝著，30萬(wàn)年過(guò)去，宇宙的溫度溫度隱降到了4000K，然而其均勻狀態(tài)依然如故;1000萬(wàn)年過(guò)去，宇宙中高能輻射冷卻變成微波背景輻射，氫核和擬核形成了各自的原子，原子間的引力也終于戰(zhàn)勝擴(kuò)散壓力和輻射壓，在它的作用下漸漸形成了一個(gè)個(gè)物質(zhì)密度較大的地區(qū)，并繼續(xù)向中心收縮;原始星云就這樣形成了。在宇宙誕生1000萬(wàn)年以后，由氫擬兩種元素構(gòu)成的巨大原始星云彌漫著太空，雖然非常稀薄，卻表明宇宙物質(zhì)不再處于均勻分布的狀態(tài)，這預(yù)示了宇宙星光燦爛的未來(lái)。 恒星形成 原始星云在引力的作用下繼續(xù)向中心聚集，并因星云間的潮汐作用開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，漸漸形成一雙凸透鏡的形狀。星云收縮使引力不斷增強(qiáng)，從而促使旋轉(zhuǎn)不斷加速，而旋轉(zhuǎn)加速又導(dǎo)致星云緣不穩(wěn)定，從而裂成兩個(gè)旋臂。旋臂上發(fā)生局部的凝結(jié)，每個(gè)凝塊具有適當(dāng)體積，可以在我們所見(jiàn)的恒星狹小限度內(nèi)形成恒星。 以上過(guò)程不斷進(jìn)行著，整個(gè)星云最終演化成星系。宇宙中最初形成星系的時(shí)間大約是大爆炸后十億年。通過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，可以發(fā)現(xiàn)在我們星系以外的遙遠(yuǎn)空間里正在形成的其它星系，那正是幾十億年前形成這些星系的情形。目前用天文望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)的星系總數(shù)須以10億來(lái)計(jì)算，我們所在的銀河系只是其中的普通一員而已。這些星系都是龐大的恒星集團(tuán)，且距離我們極其遙遠(yuǎn)，因此稱(chēng)之為“島宇宙”。十幾個(gè)或幾十個(gè)星系由引力維系在一起，組成星系團(tuán);隨著宇宙的膨脹，星系團(tuán)間正彼此遠(yuǎn)離。 恒星的生命歷程 恒星是宇宙物質(zhì)凝聚到一定程度的產(chǎn)物，它起源于旋渦星云臂上的一塊區(qū)域。在這塊區(qū)域物質(zhì)較密集的部分，由于自身的引力較強(qiáng)，就會(huì)使物質(zhì)聚集得更快，溫度也上升更快，旋轉(zhuǎn)得更快。這一過(guò)程逐漸加劇，當(dāng)某一區(qū)域的中心溫度上升到約1000萬(wàn)k時(shí)，就會(huì)引發(fā)熱瓜反應(yīng)，向外發(fā)放輻射，恒星的生命歷程便開(kāi)始了;而旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到一定值時(shí)，恒星就會(huì)分裂成互相繞行的雙星或多星。 雙星(或多星)是恒星演化的正常規(guī)程，而伴有行星的單星(例如太陽(yáng))則是恒星演化中極其 罕見(jiàn)的事件，大約在十萬(wàn)個(gè)恒星中才有一個(gè)，它的起源過(guò)程至今仍然只是一個(gè)猜想:在恒星演化的某一早期階段，兩個(gè)氣體星運(yùn)行到彼此鄰近時(shí)，便產(chǎn)生了潮汐波。及至兩星接近到某一臨界距離時(shí)，這潮汐波即射出長(zhǎng)臂狀的物質(zhì)，然后再裂成具有適當(dāng)大小與特性的物體，形成像地球這樣的行星。起源于原始星云中的恒星為第一代恒星，它們是由原生物質(zhì)組成的氣體星球。宇宙史紀(jì)元50億年時(shí)，第一代恒星產(chǎn)生了，它們照亮了幽暗的太空，從此一個(gè)新的宇宙時(shí)代來(lái)臨了。 恒星的生命歷程 恒星形成后開(kāi)始進(jìn)入生命周期中的氫燃燒階段，氫的原子核聚變成氦，并向外發(fā)放光和熱。當(dāng)恒星中的氫消耗掉10%時(shí)就發(fā)生收縮，恒星中心部位的溫度升高到1 億k以上。同時(shí)，由于恒星內(nèi)部的活動(dòng)，恒星外層被中心區(qū)域推開(kāi)，膨脹的恒星變成一顆紅巨星。于是，在星球密度很大溫度極高的中心部分開(kāi)始發(fā)生氦的燃燒，氦核聚變成鈹，碳和氧。這一階段一直延續(xù)到恒星中心部分的氦消耗殆盡，碳和氧所占的比例大致相等時(shí)才結(jié)束。 氦的燃燒階段結(jié)束時(shí)，星球中心區(qū)域收縮，溫度重新上升。在一些質(zhì)量足夠大(質(zhì)量至少是太陽(yáng)的4倍)的恒星里，中心的溫度可以達(dá)到10億k，碳和氧的燃燒得以開(kāi)始，結(jié)果形成了鈉，鎂，硅和硫等元素。當(dāng)恒星中心部分的碳和氧消耗殆盡并富含硅時(shí)，便開(kāi)始了硅的燃燒階段，硅轉(zhuǎn)化成硫，氬和其它一些更重的元素。如果恒星通過(guò)收縮，能使內(nèi)部溫度升到30億k左右，那么恒星便開(kāi)始了它生命周期中的平衡階段，形成鐵及附近的一些元素。鐵在所有元素中，其原子核最為穩(wěn)定，因此一顆恒星能燃燒到生命的終結(jié)，將形成一個(gè)鐵球，它的末日也便來(lái)臨了。 垂死的恒星與自身的引力作著最后抗?fàn)?，但最終還是跌進(jìn)了引力深淵之中。外圍各層數(shù)以萬(wàn)億噸計(jì)的物質(zhì)以每秒幾成公里的速度朝核區(qū)坍縮，與核區(qū)發(fā)生了極為強(qiáng)烈的碰撞，這就是“超新星爆發(fā)”。爆發(fā)的巨大能量使恒星外圍物質(zhì)得以加熱，鐵吸收中子及能量后，在恒星熔爐的是最后階段煉出了金，鉛，鈾等更重的元素。以上過(guò)程表明目前人類(lèi)所利用的核 能(確切說(shuō)應(yīng)該是核裂變能)歸根到底是久遠(yuǎn)的超新星爆發(fā)能，正如煤，石油所含的化學(xué)能是古老的太陽(yáng)能一般。超新星爆發(fā)產(chǎn)生的巨大激波，將恒星外圍的物質(zhì)拋入廣闊無(wú)垠的太空;這些物質(zhì)由恒星各個(gè)燃燒階段產(chǎn)生的92種元素構(gòu)成。恒星的一生燦爛輝粕，它的光和熱孵育了生命;它亦是宇宙中神奇的煉金爐，組成我們及地球的每一個(gè)原子，都曾在那些久已熄滅的古老恒星中經(jīng)受熔煉。 恒星的物質(zhì)循環(huán) 第一代恒星消亡了，它歸宿于白矮星，中子星和黑洞。然而悲壯的死亡中醞釀著燦爛的新生，在它們的廢墟上將升起新一輪的恒星，一個(gè)有生命的宇宙時(shí)代即將拉開(kāi)序幕。超新星爆發(fā)拋出的物質(zhì)，在廣袤的星際空間漫無(wú)目的地遨游，在碰撞和輻射的作用下，被原始星支攜帶著運(yùn)行。幾百萬(wàn)年過(guò)去了，這些物質(zhì)因膨脹而變香稀薄，最終與原始星云混而為一了，因此宇宙中的星云不再只是由原生物質(zhì)氫和氦構(gòu)成，而是遭到重元素的污染;由開(kāi)這種污染，恒星之外有了出現(xiàn)自然景觀(guān)，生命，技術(shù)和能源的可能。在宇宙史紀(jì)元100億年時(shí)，這種被“污染”的星云在引力作用下收縮，坍縮和碎裂。核子活動(dòng)再度爆發(fā)，第二代恒星及行星誕生了，太陽(yáng)便是其中一例。這些恒星也將開(kāi)始其生命歷程，最終與會(huì)因缺乏燃料而死去;它們的碎屑又與尚示聚集成恒星的原生物質(zhì)一道凝聚成下一代恒星。但這各物質(zhì)的再循環(huán)并非永無(wú)止境的，原生物質(zhì)會(huì)一點(diǎn)一點(diǎn)地并入新生的恒星，直至全部用完。當(dāng)最后一代恒星走完它們的生命輪回而死亡時(shí)，宇宙永恒的長(zhǎng)夜就來(lái)臨了。 生命的形成與進(jìn)化 生命是宇宙物質(zhì)演化的最高級(jí)形式，也有人認(rèn)為生命只是宇宙演化的副產(chǎn)物中微不足道的偶然現(xiàn)象，由于發(fā)生了種種時(shí)間和空間的巧合，才得以在地球上出現(xiàn)。的確，在宇宙中滿(mǎn)足生命形成與演化所必需的地方，即使不是唯有地球，也是很少的，地球所繞轉(zhuǎn)的太陽(yáng)是恒星中少有的單星，例得它外圍有穩(wěn)定的生態(tài)圈存在;太陽(yáng)又是第二找恒星，使得其行星從一開(kāi)始形成就有生命所必需的碳，氧等重元素存在;太陽(yáng)大小適宜，使它既有足夠的存在時(shí)間供生命形成與進(jìn)化，又有足夠的光和熱去孵育和羊育生命，地球本身也是一個(gè)特殊的行星，它的軌道全部在太陽(yáng)的生態(tài)圈內(nèi);它大小適宜，使 它的引力能保留住水和大氣，且大氣層厚薄適當(dāng)，即擋掉了大多數(shù)紫外線(xiàn)，又不至于遮住過(guò)多的陽(yáng)光;地球有較強(qiáng)的磁場(chǎng)，使生命免遭宇宙帶電粒子的致命轟擊……,總之地球在許多方面擁有得天獨(dú)厚的生命存在條件,使其成為宇宙中少有的生命家園.地球在46億年前形成后,便開(kāi)始了生命形成歷程:原始地球中的無(wú)機(jī)物在太陽(yáng)紫外線(xiàn)的作用下,形成了簡(jiǎn)單有機(jī)物,它們通過(guò)水流匯集于海洋,在那里化合成復(fù)雜的有機(jī)物:這些復(fù)雜有機(jī)物形成生命的過(guò)程,至今仍然是個(gè)疑案,但其中必定有不計(jì)其數(shù)的巧合,在地球形成生命的過(guò)程中幸運(yùn)地發(fā)生了;這樣,原始生命在地球形成15億年后出現(xiàn)了。原始生命在漫長(zhǎng)的歲月里不斷進(jìn)化:16億前有細(xì)胞核的單細(xì)胞生物出現(xiàn),7億年前多細(xì)胞生物出現(xiàn),3.7億年前陸地生物出現(xiàn),2.8億年前爬行動(dòng)物出現(xiàn),1.8億年哺乳動(dòng)物出現(xiàn),7000萬(wàn)年前靈長(zhǎng)目動(dòng)物出現(xiàn),3500萬(wàn)年削類(lèi)人猿出現(xiàn),400萬(wàn)直前原人出現(xiàn),50萬(wàn)年削直立人出現(xiàn),直至3.5萬(wàn)年前出現(xiàn)了現(xiàn)代人類(lèi);于是在宇宙史紀(jì)元150億年時(shí),宇宙中便月了智慧生物創(chuàng)造的技術(shù)和文明.我們目前所知的生命僅限于地球生命,而科學(xué)家對(duì)地外生命和文明的樂(lè)觀(guān)估計(jì)是:僅銀河系就可能有6億個(gè)行星有生命存在,其中擁有技術(shù)和文明的的行星也多達(dá)100萬(wàn)個(gè)! 宇宙的終結(jié) 宇宙的未來(lái)命運(yùn)如何?科學(xué)家、哲學(xué)家和神學(xué)家都提出了自己的觀(guān)點(diǎn)。一個(gè)目前被普遍認(rèn)同的觀(guān)點(diǎn)是:宇宙作為物質(zhì)世界的全部，也就遵守物質(zhì)自身和規(guī)律;而根據(jù)熱力學(xué)第二定律，得出的結(jié)論實(shí)在令人難以接受:宇宙將在遙遠(yuǎn)的未來(lái)走向死亡--永恒的死亡。 設(shè)想在非常非常遙遠(yuǎn)的未來(lái)，所有恒星因缺乏燃料而熄滅，宇宙一片黑暗。在這漆黑的浩瀚太空中，潛伏著許多帶自轉(zhuǎn)的黑洞、離散的中子星和黑矮星，另外還有一些行星級(jí)的天體，它們?cè)谝Φ淖饔孟逻M(jìn)行著一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)，戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)局是星系解散了，絕大多數(shù)天體被引力彈弓拋入星系際空間，永遠(yuǎn)漫游在膨脹著的太空中;而星系中心的黑洞取得了兼并戰(zhàn)的局部勝利，它吞并了百分之幾的天體，形成了更大的黑洞。這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)得超乎想象，大約是今天宇宙年齡的十億倍。 在又一段長(zhǎng)長(zhǎng)得超乎想象的時(shí)間里，當(dāng)宇宙背景輻射由于膨脹降至足夠低的程度時(shí)，所有的黑洞最終都會(huì)在一陣快輻射中一下子化為烏有，在宇宙永恒夜幕中劃出一道道瞬現(xiàn)即逝的閃光;而其它天體也將在這漫長(zhǎng)和時(shí)間里發(fā)生衰變而漸漸蒸發(fā)，直至完全消失，變成正電子或其它粒子;宇宙變成一鍋令人難以置信的稀湯，其中有光子、中微子及數(shù)量正在逐漸減少的電子和正電子。宇宙曾經(jīng)擁有的輝煌，包括閃爍的群星及智慧生命創(chuàng)造的無(wú)數(shù)奇跡，都湮沒(méi)在這荒涼而又空虛的宇宙中，不留下任何記憶，只有時(shí)間在無(wú)休止地流逝，空間在無(wú)止境地膨脹……