探索宇宙
宇宙的秘密
一、宇宙的邊界
夜晚，翹首仰望茫茫星空，就是掌握了一些天文學知識的人，都會自然而然地提出這樣一個問題：宇宙是有限的，還是無限的呢？換成通俗的說法就是，宇宙有沒有盡頭呢？
這是一個回答起來十分困難的問題。如果說宇宙是沒有盡頭的，那麼宇宙中就應該有無限多個恒星，不論你朝天空哪個方向望去，都應該能看到無限多的恒星。盡管每一顆恒星的光很微弱，但無限的恒星的光芒合起來就會無限地亮。如果真是這樣的話，地球上就不應該有黑夜，背朝太陽那一邊也應該很亮。
如果說宇宙是有盡頭的，那麼它的外麵是什麼呢？其實，這樣提問題本身就是荒唐的。既然你問宇宙外邊是什麼，就等於你已經承認宇宙有邊界，否則怎麼會有外麵呢？
盡管這個問題難於回答，但因為它是物理學研究領域中的一個極其重要的宇宙學問題，所以曆代科學家都在積極地加以探索，力爭對此做出比較合理的解釋來。
在伽裏略和牛頓之前，許多人信奉亞裏斯多德的觀點，認為宇宙是一個有限的結構，宇宙的最外層是由恒星天體構成的，因此恒星天體就是宇宙的邊界，在它之外，就沒有空間了。可以說，哥白尼的“太陽中心說”就是建立在這種假說的基礎上的。
到了牛頓時代，科學家們開始接受無限無邊的觀點，即認為宇宙的體積是無限的，也沒有空間邊界。宇宙空問是一個三維無限的歐幾裏德多向空間，即在上下、左右、前後這6個方向上，都可以一直走下去，以至延伸到無窮遠。這種無限宇宙的觀點在衝破中世紀宗教神學的精神枷鎖的鬥爭中，起過非常積極的作用，但它跟亞裏斯多德的學說一樣，都是沒有被證明的科學假說。在牛頓的力學中，每當討論一個有限的力學體係的運動時，總要假定可以選取的一個參考係，使引力勢（相當於電學中的中勢）在無限遠處成為常數。如果接受牛頓的無限宇宙圖像，認為物質均勻地分布在整個無限空間之中，那麼，根據牛頓力學又會得到無限遠處引力勢必不可能為常數的結論，這就是一個矛盾。如果要保證無限遠處引力勢必為常數，就要放棄物質均勻分布在整個無限空間內的假設，並認為物質主要集中在我們周圍的有限空間，那麼無限遠處雖然是常數，但物質的宇宙卻仍然是有限的。因此，牛頓力學在原則上不能用於描述無限宇宙這一物理體係。
進入20世紀後，愛因斯坦提出了“廣義相對論”的理論，他認為不應先驗地假定宇宙空間必定是三維無限的歐幾裏德空間，因為宇宙的空間結構並不是與宇宙間的物質運動無關的。愛因斯坦給出了第一個宇宙模型，它既不是亞裏斯多德的有限有邊體係，也不是牛頓的無限無邊的體係，而是一個有限無邊的體係。所謂有限，指的是空間體積有限；所謂無邊，指的是這個三維空間並不是一個更大的三維空間中的一部分，它已經包括了全部空間。實際上，有限無邊的概念並不是在愛因斯坦的宇宙模型中才第一次提到。在他之前，亞裏斯多德就認為大地並不是平坦無邊的，而是一個球形的。實質上，這就是用有限無邊的球麵結構代替了無限無邊的平麵結構。
我們可以這樣來理解愛因斯坦提出的這個有限無邊的世界：假如有一隻小螞蟻在一隻大球上爬行，這個球本身是有限的，但球麵根本沒有邊界，對於螞蟻來說又是無限的。我們人類和這隻螞蟻一樣，就生活在這樣一個有限而無邊的宇宙中。
在愛因斯坦之後，天文學家又提出了新的宇宙模型學說。這種學說認為，宇宙的空間尺度一直在隨著時間而不斷增大，也就是說，宇宙正在不斷膨脹。宇宙自從誕生至今，每時每刻都在膨脹，一直沒有停止過。我們已經知道，類星體是離我們最遠的星星，最遠的類星體大約離開我們有100億光年。這個範圍大致上也就是目前我們觀測到的宇宙的大小。這麼大的宇宙中總共有多少個物質呢？有人做過一計算，如果把所有的物質都做成太陽，那麼整個宇宙內就可以有1000萬億億個“太陽”，也就是在1後麵跟23個零。
既然宇宙處在不斷膨脹的運動中，那麼它的邊界每時每刻都應該有具體的位置。從這個意義上說，宇宙應該是有限的。然而，宇宙的邊界又在不斷地向外擴展，科學家們還無法推算出它最終將膨脹到什麼程度，會不會永遠膨脹下去。從這個意義上講，宇宙又是無限的。
說到這裏，我們不能不這樣認為，宇宙中存在著千千萬萬個謎，而宇宙本身就是一個最大的謎。
二、宇宙是否會一直膨脹下去
1929年，美國天文學家哈勃發現，河外星係普遍存在著紅移現象。所謂紅移，就是光譜線變長了，或者頻率降低了，如果某種原子原來發射的一條譜線波長為λθ，那麼從河外星係來的這種譜線波長λ總要比λθ大。紅移現象說明，河外星係都在遠離我們而去。也就是說，不管你站在宇宙間哪顆星球上，都會發現所有的星星都在向四麵八方飛散。
天文學家經過進一步觀察發現，距離近的星係紅移量小，距離遠的星係紅移量大，這種關係被稱為“哈勃關係”。比如，離我們5.7億光年的獅子星座，正以每秒1.95萬公裏速度離去；而離我們12.4億光年的牽牛星座，正以每秒3.94萬公裏的驚人速度遠離而去。照此推算，在離我們100億光年的地方它的速度將達到每秒30萬公裏，這與光速相等。再遠的地方由於光無法到達，因而人們也就觀測不到了。
星星與星星之間為什麼互相遠離呢？按照有些科學家的解釋，其原因在於宇宙膨脹。舉例來說，我們所處的宇宙好比一個帶斑點的氣球，星星就好比氣球上的那些斑點，吹氣以後，氣球開始膨脹，那些斑點之間的距離就會跟著變大。你不妨想象自己站在氣球上的某個點上，當氣球膨脹時，你就會發現別的點會慢慢地離開你站的那個點，越來越遠。如果你換到其他任何一個點上，也都會看到同樣的情景。
那麼，是什麼力量推動宇宙在不斷膨脹呢？根據宇宙大爆炸的假說，科學家們推測，在很久很久以前，宇宙是很小很小的，就像一枚雞蛋，宇宙學家把它形象地稱為宇宙蛋。這枚宇宙蛋非常熱，溫度可達1萬億度左右，所以它又被稱作“原始火球”。突然某一刻，這個原始火球爆炸了，於是物質就散開了，宇宙也就由此開始膨脹，一直持續到現在。
科學家們發現，宇宙在不斷膨脹的同時，又在不斷降溫，宇宙空間的溫度已經降到了-210℃。當然，這並不是說宇宙中任何地方都是這個溫度，比如，恒星上的溫度就很高，有的甚至達到幾萬度。但是在空曠的宇宙中，這些恒星就像寒夜中的篝火一樣，溫度再高也改變不了周圍的低溫世界。
既然宇宙從誕生到現在一直在膨脹，那麼人們不禁要問，這種膨脹會不會有停止的那一天呢？這也和宇宙的有限與無限一樣，是一個十分有趣而又極難回答的問題。
科學家們發現，宇宙雖然一直在膨脹，但膨脹的速度卻在逐漸減緩，原因在於宇宙中的物質之間存在著萬有引力。這種萬有引力在將互相離開的物質往回拉。在這裏難以估計的是萬有引力的大小。如果引力不太強，那麼膨脹速度雖然在減慢，但卻永遠不會變為零，這樣宇宙就將無限地膨脹下去。如果引力很強，那麼宇宙膨脹的速度就會逐漸減小到零，到那時候，宇宙的膨脹就會停止，並且開始收縮，越縮越小。
對於宇宙膨脹的前景，有的天文學家認為，宇宙中的物質密度很小，因而引力也很弱，宇宙將無限地膨脹下去。而有些科學家卻不同意這種觀點，他們認為宇宙中的引力比我們知道的要大得多，足以使宇宙停止膨脹，並開始收縮。
根據計算，如果宇宙的平均物質密度小於或等於5×10-27千克／米3（相當於每立方米中有3個核子），那麼，我們這個宇宙就會不斷膨脹下去，星體之間的距離就會越來越遠。
如果宇宙的平均密度大於5×10-27千克／米3，那麼幾十億年以後，隨著宇宙的膨脹，在引力的作用下，更多的星係將重新相互靠近，再靠近……此時，由於星體間的碰撞，星空將越來越明亮，天空也會越來越灼熱。最後，所有的星體都被壓縮在一個很小的範圍內，這時，高溫高密度所產生的巨大壓強會阻止這個壓縮過程的繼續，從而有可能再產生一次“大爆炸”，使宇宙再度膨脹。
有的天文學家認為，宇宙從來就沒有什麼開端，它的物質一直就在反複地聚攏而又分開，分開而又聚攏，永無止境。這樣一幅圖景被稱為“振蕩宇宙”。
那麼，宇宙的平均物質密度到底是多少呢？由於宇宙實在太大了，人們實在難以準確地測量出來，所以也就無法知道宇宙將來是不是會停止膨脹。
假如宇宙真的開始收縮了，那麼又會出現什麼情況呢？比如，時間是不是到那時就走到了盡頭，開始往回退？隨著時間的倒退，曆史長河中已經發生過的一切會不會重演呢？這些深奧而奇妙的問題都在等待著青少年朋友們去探索。
三、宇宙的起源
宇宙是怎樣起源的呢？這是古往今來科學家們和大多數人們無不關心的問題。關於宇宙的起源，有過許多神話傳說。基督教認為是上帝創造了世界，中國古代神話則認為是盤古開天地。當然，這些神話和傳說都不是科學，因而不足為訓。科學家們對宇宙的起源做了種種研究，提出了許多科學假說。在這些假說中，“大爆炸”理論是宇宙學中最著名、影響最大的一種學說。
“大爆炸”學說是美國天文學家側莫夫在本世紀中所提出的一種新的理論。它的基本觀點是：宇宙曾有一段從密到稀，從熱到冷，不斷膨脹的過程。這個過程就好像是一次規模巨大的爆發。簡單地說，宇宙起源於一次大爆炸。
大爆炸理論把宇宙200億年的演化過程分為三個階段：
第一階段為極早期。在這個時期，爆發剛剛開始不久，整個宇宙還處於一種極高溫高密的狀態，溫度高達100億度以上，光輻射極強。在這種條件下，生命根本不可能存在，就是地球、月亮、太陽以及所有的其他天體也不存在。在宇宙間，隻有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態的物質。宇宙處在這個階段的時間非常短，短到可以用秒來計算。
第二階段為中間期。由於整個宇宙體係在不斷膨脹，結果溫度很快開始下降，當溫度下降到10億度時，中子開始失去自由存在的條件，它要麼發生衰變，要麼與質子結合成重氫、氦等元素。化學元素就是從這個時候才開始形成的。當溫度進一步下降到100萬度以後，早期形成化學元素的過程就結束了。在這一階段，宇宙間的主要物質是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核，光輻射依然很強，但也依然沒有其他星體存在。和第一階段一樣，這個時期，沒有生命，也沒有太陽、地球和月亮等天體。這一階段持續時間比上一階段長，大約有數千年的曆史。
第三階段為穩定期。當溫度繼續下降到1.2萬度時，宇宙就進入第三時期。相對於前兩個時期來說，這一階段時間最長，大約有200億年的曆史。人們現在仍然生活在這個時期內。由於溫度的降低，輻射減退，宇宙間的主要物質是氣態物質，氣體逐漸凝聚成雲，再進一步形成各種各樣的恒星體係，這就成了人們今天扭看到的星空世界。人類所居住的太陽係就是這個星空世界的一員。
上述過程就是大爆炸理論所描繪的基本圖式。
雖然大爆炸理論在剛剛提出來的時候，並沒有受到人們的賞識，即使是在以後的40多年裏，也不斷受到人們的批評，但大量的天文觀測事實則支持了這一觀點。
第一，大爆炸理論認為所有恒星都是在溫度下降時產生的，因而任何天體的年齡都應該短於200億年。通過天文觀測和科學計算，確實沒有發現超過200億年的天體。
第二，通過觀測，發現河外天體有係統性的譜線紅移，用多普勒效應來解釋這種現象，紅移就是宇宙膨脹的反映。這一點，也與大爆炸理論相符合。
第三，各種天體中的氦含量都很大，一般都為30%左右。根據大爆炸理論，宇宙的早期溫度極高，產生氦的效率也很高。
第四，根據大爆炸理論，今天的宇宙溫度隻有絕對溫度12度。60年代天文學的四大發現之——3K微波背景輻射的發現，也有力地支持了這一點。
有了這些觀測事實的支持，因而使大爆炸理論在諸多宇宙起源學說中，獨占鼇頭，獲得了“明星”的桂冠，成了最有影響的一種假說。然而，大爆炸理論還存在著一些至今未能解決的問題，例如諸星係的起源和各向同性分布等，還有待於進一步的觀測和研究，才能得出進一步的結論。
近年來，宇宙大爆炸理論一再受到衝擊。一個國際天文學家小組利用哈勃太空望遠鏡進行測量後發現，宇宙正在迅速膨脹，其速度要比大爆炸理論所認為的還要快得多。由此推斷，宇宙可能隻有80億年的曆史，隻有大爆炸理論認為的宇宙年齡的一半。而銀河係中的一些恒星卻要比這年老得多；銀河係的曆史有可能長達160億年。
恒星比經宇宙還要年老，這似乎是不可想象的，但又不是不可以解釋的。一種可能是對恒星的年齡估計錯了，另一種可能是宇宙大爆炸理論錯了，第三種可能性是存在著某種尚未揭示的力量在加速宇宙的膨脹。
美國的一些天文學家通過計算哈勃常數時也發現，宇宙要比目前估計的年輕。哈勃常數是確定天體和星係之間距離的數字，是大爆炸理論的主要依據。利用該常數能計算出宇宙擴張的速度，並由此計算出宇宙的年齡。
這些天文學家認為，這種“年齡衝突”表明，不是目前標準的宇宙模式需要修改，就是關於恒星和銀河係的演變理論需要重新審查。所以，這就需要青少年朋友們立誌做一個天文愛好者，並有誌於天體探測解開這個謎。
四、星際的作用
長期以來，天文學家一直這樣認為，在茫茫宇宙空間，除了恒星、恒星集團、行星、星雲之類的天體物質外，再也沒有什麼別的物質了。直到20世紀初，人們還認為星際空間是一片真空，後來終於發現，在星際空間充滿了各種微小的星際塵埃、稀薄的星際氣體、各種宇宙射線以及粒子流。
星際存在物質，最早是用光學方法發現的。1937年，有人在恒星光譜上發現了某些分子的吸收線，因為恒星上的高溫會破壞分子，所以從遙遠星球上射來的光線，在傳播過程中會被某種星際物質所吸收。在觀測中還發現星光通過星際空間有變紅的現象，這說明星際有塵埃存在。
到了40年代，科學家已經在恒星光譜中確認出了由星際空間中的甲川分子、氰基分子和甲川離子分子產生的光譜線。在50年代，隨著射電天文學的發展，本來有可能發現更多種類的星際分子，但當時的科學家們普遍認為，在星際空間的物理條件下，即使能形成複雜的分子，也會立即被恒星發出的強烈紫外輻射所摧毀。
60年代，天文學界發生了一件轟動世界的大事，那就是終於發現了星際分子。1968年，美國的一個物理學家小組用大型射電望遠鏡，在銀河係中心區發現了氨的分子。後來，人們又發現了水蒸氣分子。它們的數量很多，在塵埃雲的後麵形成了體積巨大的分子雲。
不久，天文學家又發現了一種比較複雜的有機分子——甲醛。在地球上，甲醛常被用來保存動物的標本和屍體。它的分布十分廣泛，不僅在銀河係中心區域有，在獵戶座大星雲和其他區域都有。此後，人們利用射電望遠鏡又陸續探測到更多的星際分子，其中有無機分子，也有有機分子，如羥基、一氧化碳、氰化氫、甲醇、乙醛、丙炔脂、甲胺等等。到80年代為止，已發現的星際分子共有80多種。
在這裏最值得一提的是，1965年，有人在獵戶座大星雲中發現羥基分子的一條譜線特別明亮，譜線寬度又非常窄，而且在短時間內強度變化很大。如果說這是由於熱輻射造成的，那麼輻射源的溫度應為1013K；而從譜線寬度上看，熱源的溫度隻有幾十K。這是怎麼回事呢？後來人們從激光器的產生中得到了啟發，意識到這可能是一種微波激發射，即“脈塞”現象。在星際空間中，存在著天然的微波量子放大器，它能把氣體分子激發到同一個高能級，然後這些處於高能級的分子又一起回到低能級，同時放出大量光子，釋放的能量極大。然而，究竟是什麼力量造成大量的分子“反轉”，即一起激發到高能級呢？其原因現在還不清楚。
觀測和研究星際分子，在天文學上有著極為重要的意義。我們知道，構成生命的基礎是蛋白質，而蛋白質的主要部分就是氨基酸分子。它是一種有機分子。盡管人們還沒有在宇宙中直接觀測到氨基酸分子，但是科學家們在地麵實驗室裏模擬太空的自然條件，已經用氫、水、氧、甲烷以及甲醛等有機物合成了幾種氨基酸。既然合成氨基酸的原料在星際分子雲中大量存在，那麼宇宙空間中也就一定存在著氨基酸分子。有了氨基酸分子，隻要環境適當，就有可能轉化為蛋白質，進一步發展為有機生命。
科學家們在觀測中發現，由於星際雲中塵埃起保護作用，星際分子才能擺脫高溫恒星發出的紫外線的強烈轟擊而存在下來。它們彼此進一步發生各種化學反應，就逐漸形成了由幾個甚至十幾個原子構成的更複雜的分子。然而，使科學家感到困惑的是，有些星際分子竟是地球環境中找不到的，甚至在實驗室裏也無法得到。這些地球上不存在的星際分子，在太空中起什麼作用呢？它們有哪些物理、化學特性呢？這些問題還都是一個謎，等待著青少年朋友們去解開。