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如果宇宙的最终命运是熊熊烈火 “大崩坠”就会熔化一切

2018年01月03日 10:07:56  来源:转载  编辑:青森

宇宙:无边的黑暗与“大崩坠”

在大爆炸中诞生

1948年,俄裔美籍物理学家伽莫夫等人首次提出了宇宙大爆炸理论。


根据这一理论,我们的宇宙起源于一场大爆炸,正是大爆炸产生了包括时间、空间和物质在内的所有一切。20世纪60年代,天文学家们找到了宇宙起源的一些直接证据。1965年,贝尔实验室的射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊发现了大爆炸遗留下来的宇宙微波背景辐射,这为大爆炸理论提供了进一步的实验证明。


宇宙的大小

对天文学家来说,精确地测绘宇宙天体不仅是必要的,而且也是可能的。

天文学采用的计量单位是“光年”,即光在一年里所走的距离。光的前进速度约为每秒30万千米,一光年大约是9.7万亿千米。银河系的直径约为10万光年。而在银河系之外还有别的星系,距离我们有数十亿光年。最新发现的类星体位于我们目前所能观测到的宇宙边缘,与地球相隔约100亿光年~200亿光年,是迄今所知的最遥远的天体。


如此遥远的距离简直令人难以想象。要测量太阳系的其他行星或附近的恒星的距离,可以采用由古希腊人发明的视差计算法。所谓视差,是指从两个观察位置观察同一物体时两道视线所形成的夹角。在天文学中,测定视差的方法就是把两个观测点与被观测的天体构成一个三角形,已知两个观测点连线(即基线)的长度,再从这两个观测点测出天体的方位(即三角形的顶角),就能求出天体与地球的距离。基线越长,求得的结果就越精确。通常,在测量离地球较近的天体如月亮的距离时,可以用地球的半径作基线,所测定的视差则称为“周日视差”。如果要测定太阳系以外天体的距离,一般都以地球与太阳的距离为基线,所测定的视差称为“周年视差”。用这种视差法测量相距8.6光年以内的天体非常准确,测量远至1000光年的天体也能做到大体准确。

另一种测量恒星距离的方法是亮度测定法。一颗恒星可能因体积大、运动活跃或距离地球较近而显得很光亮。只要分清星球的实际亮度和视觉亮度,就能从光亮度上准确测出恒星与地球之间的距离。本世纪初,天文学家按波长区分星球光亮,制成了光谱。他们发现,不同的恒星有不同的光谱特性。用分光镜研究恒星的光谱,就能判断该星的冷热程度。这有助于天文学家辨别貌似暗淡的小星是否是遥远的活跃的巨星。只要把一颗星的光与另一颗已知距离、活跃程度相似的星进行比较,就能测量出这颗星与地球之间的距离。


宇宙中的物质

根据爱因斯坦的理论,


宇宙的曲率由它所含有的物质和能量决定。现在,我们的宇宙本来应该纯粹因物质而变平,但是观测数据却显示已知的物质和暗物质加在一起也只占所需物质的35%。因此,其余的曲率必然来自一种不可见的能量,并且正如所需要的那样多。如果所有这些观测结果被进一步证实,那么天文学家将可以肯定地给出宇宙的成分清单:5%普通物质,30%暗物质以及约65%的暗能量。

天文观测显示,宇宙中的物质分布并不是均匀的。很多星系聚集在一起形成更大的星系团,甚至超星系团,而在星系之间几乎空无一物。因此,科学家们猜测,这些不均匀性可能起源于产生字宙微波背景辐射的最初原始物质团块的某种分布不均匀性。在它稍微稠密的地方将产生后来的超星系团,而它们当时也会显得更热。于是,科学家们开始在今天的宇宙微波背景辐射中寻找这些强度更大的热点。

大约十几年前,cobe探测卫星的确探测到了宇宙微波背景辐射的这种不均匀性。


来自南极上空的名为boomerang的热气球上的望远镜给出了迄今为止最为清晰的图像。结果显示,宇宙早期的原初火球中的团块或不均匀性并不是无规律的,而是具有某种固定的尺寸。这一结果具有极端的重要性,因为知道这些冷热区域的温度和特征尺寸可以让科学家们知道所有关于我们这个宇宙的信息。

尽管宇宙微波背景辐射开始于30万年前,但是宇宙原初火球的温度涨落在最初几分之一秒内就有了。


宇宙的形状

宇宙最初的不均匀性还可以告诉我们另一个重要的信息,即宇宙是如何弯曲的。新的测量结果显示,宇宙实际上是平坦的。宇宙的平坦性意味着20年前古斯所提出的暴胀理论得到了一次关键性的检验。根据暴胀理论,宇宙就应当是平坦的,而现在它的确是。

宇宙在膨胀


20世纪20年代,美国天文学家埃德温·哈勃在加利福尼亚州的威尔逊山用当时世界上最大的反射式望远镜研究银河系外星系。他分析了这些星系的光谱,发现各种谱线的波长都移向红色一端。这种现象叫做红移,说明那些星系正在向远处飞离。波长的改变是多普勒效应的作用,与疾驶而去的汽车喇叭声调的变化是同样道理。由于宇宙在不断膨胀,星系距我们越远,红移就越大。换而言之,越远的星系,其飞离我们的速度也越快。

关于宇宙膨胀的速率,天文学家们的看法并不一致。最保守的估计是,距离增加百万光年,则速度每秒约增加16千米,即一个距我们5亿光年的星系将以每秒约8047千米的速度远离地球。有些天文学家估计的速率比这个数字还要大一倍。按照第一种估计,宇宙中最遥远的天体距离地球约有100亿光年。而按第二种速率计算,则宇宙边缘距离地球达200亿光年之遥。


宇宙的最终命运

从天文学家埃德温·哈勃1929年发现宇宙正在膨胀以来,经典的创世大爆炸理论经过了几十年的不断修改。根据这一理论,宇宙的最终命运将取决于两种相反力量之间的“拔河比赛”的结果。一种力量是宇宙的膨胀,在过去100多亿年的时间里,宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大。另一种力量是这些星系和宇宙中所有其他物质发出的相互间的引力。它就像制动器一样使宇宙扩张的速度逐渐放慢。


这个问题非常简单。如果万有引力足以使扩张最终停止,那么宇宙就注定会发生坍缩,最终变成一个大火球——同创世大爆炸相当,但过程正好相反的“大崩坠”。如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀,那么它最终将变成一个令人感到“不快”的黑暗和寒冷的世界。恒星是通过使氢原子核(主要是氢和氦)发生聚变反应形成较重的原子核来产生能量的。当恒星内部储存的氢和氦消耗殆尽的时候,衰老的恒星上燃烧的火焰会因为没有新的原子来替代已经消耗掉的原子而熄灭,同时宇宙也会逐渐变成一个漆黑一团的空间。

宇宙生命的去向


随着时间的推移,宇宙可能会让人觉得越来越“不舒服”,并且最终变得不再适于生命存在。有的科学家认为,宇宙至少可以将目前这种适于生命存在的状态再维持1000亿年。这相当于地球历史的20倍,或者相当于智人(现代人的学名)历史的500万倍。

如果宇宙的最终命运是熊熊烈火,“大崩坠”就会熔化一切,甚至亚原子粒子也难逃厄运。另一方面,如果宇宙以无边的寒冷和黑暗而告终的话,宇宙中的生命形式就有可能存在很长一段时间——智慧生命可以通过从黑洞中提取引力能来获得能源从而维持自己的生存。但是,在所有的物体都已经受下降到差不多相同温度(略高于绝对零度)的情况下设法维持生存,就像是要利用一潭死水来推动水磨一样困难。


最能引起人们兴趣的未知数,也许是智慧生命本身在宇宙中扮演着什么样的角色。存在于遥远未来的先进文明也许有能力熔化许多恒星甚至整个星系,从而生起一堆巨大的“篝火”,或者使宇宙的长期发展朝着对这一文明有利的方向前进。在宇宙逐渐衰亡的没落时期,生活也许会变得非常枯燥乏味,但是这种生活可能会持续很长的时间。

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