混沌与宇宙：科学事实与猜想

2023-08-05 理论教育版权反馈

【摘要】：是的，我们这个宇宙是在不断变化的。因为即使在最热的恒星内部，温度也未达到足以 “烹饪”出重原子核的极高程度。对于这两个问题，最合适的答案是通过研究“宇宙膨胀”现象得出的。但是这种极为致密的状态不会长期存在，只需要两秒钟，在迅速的膨胀作用下，宇宙的密度就能达到水的几百万倍；几小时后，就会达到水的密度。

把宇宙作为一个整体来看，我们立刻就会面临着它随时间而演化这样一个极为重要的问题。宇宙在过去、现在和将来都大概永远是目前我们所看到的模样，还是经过了各个演化阶段而不停地变化着呢？

总结从科学的各个不同分支所获得的经验，我们得到了确定的回答。是的，我们这个宇宙是在不断变化的。它的久远的过去，它的现在，它的遥远的将来，是三种大为不同的状态。由各门学科搜集来的大量事实进一步表明，我们的宇宙有过一个开端，从这个开端起，宇宙经过不断变化，发展成现在的样子。大家已经知道，行星系的年龄有几十亿岁了，这个数字在各项不同的独立研究中都顽强地多次出现。月亮显然是被太阳强大的吸引力从地球上扯掉的一块物质，同样也应该是在几十亿年前形成的。

对一颗颗恒星的演化过程进行研究（见上节）表明，我们在天上所见到的大多数恒星也都有几十亿年的岁数。通过对恒星运动的普遍研究，特别是对双星、三星和更复杂的银河星团相对运动的考察，使天文学家们得出结论，这几种结构的存在时间不会超过几十亿年。

另一个独立的证据是由各种化学元素，特别是钍、铀之类缓慢衰变的放射性元素的大量存在这个事实提供的。它们虽然在不断衰变，却至今仍然在宇宙中存在着，这就使我们有依据假定说，要么这些元素目前还在由其他轻元素的原子核不断形成，要么它们是大自然货架上那些年代久远的产物的存货。

我们目前所具备的核嬗变知识，迫使我们放弃第一种可能性。因为即使在最热的恒星内部，温度也未达到足以 “烹饪”出重原子核的极高程度。事实上，我们已经知道，恒星内部的温度有几千万摄氏度，而要想从轻元素的原子核“烹饪”出放射性的原子核，温度得有几十亿摄氏度才可以。

因此，我们必须假设，这些重元素的原子核是宇宙以前产生的，在那个特殊的时候，所有的物质都受到极为可怕的高温和高压的作用。

我们能够把这个宇宙的“炼狱”时期大致地计算出来。我们知道，钍和铀238的半衰期分别是180亿年和45亿年，而它们迄今还没有大量衰变，因为它们目前的数量还和别的稳定元素一样多。至于铀235，它的半衰期只有约5亿年，是铀238的数量的1/140。钍和铀238的大量存在表明，这些元素的形成距今不会超过数十亿年，同时，我们还能从含量较少的铀235进一步计算该时间，因为这种元素每隔5亿年减少一半，所以，必须经过七个这样的半衰期（即35亿年），才能减少为原来数量的1/128，这是因为

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从核物理学的角度出发对化学元素的年龄进行的这种计算，与根据天文学数据算出的星系、恒星和行星的年龄，两者吻合得极好！

不过，几十亿年前，在万物刚开始形成的早期阶段，宇宙是处在何种状态之中呢？宇宙又经历了什么变化才达到现在这种样子呢？

对于这两个问题，最合适的答案是通过研究“宇宙膨胀”现象得出的。前文我们已经看到，在宇宙的巨大空间中，散布着大量的巨大星系，太阳所属的包含几百亿个恒星的银河只是其中之一。我们还看到，在我们视力所及的范围内（当然，该视力是由200英寸的望远镜帮忙的），这些星系基本上是均匀分布的。

威尔逊山上的天文学家哈勃在研究来自遥远星系的光线时，发现它们的光谱都向红端作轻微移动；而且，星系越远，这种“红移”就越大。实际上，我们发现，各星系“红移”的大小与它们离我们的距离成正比。

最自然的关于这种现象的解释是假设一切星系都在离开我们，离开的速度随距离的增大而增大。这个解释建立在所谓“多普勒效应”上。这就是说，当光源接近我们时，光的颜色会向光谱的紫端移动；当光源离我们而去时，光的颜色会向红端移动。当然，想要得到明显的谱线移动，光源的观察者之间的相对速度必须很大。伍德（R.W.Wood）教授曾因在巴尔的摩闯红灯被拘留。他对法官说，由于我们上文说的现象，他在驾驶汽车时把信号灯射出的红光看成了绿色。这位教授完全是在愚弄法官，如果法官的物理学得不错，他就会问伍德教授，要把红灯看成绿灯，汽车的速度要高达多少，然后再以超速行车的理由予以罚款。

回到星系的“红移”问题上来，这个问题，我们乍一看有点蹊跷：为什么宇宙的所有星系都在离开我们银河系呢？难道银河系是一个能吓退一切的夜叉吗？如果真是如此，我们的银河系又具有什么吓退其他星系的特点呢？为什么它看来竟会如此与众不同呢？如果好好思考这个问题，就会很容易发现，银河系本身并无特殊之处，别的星系实际上并不是要故意躲开我们，事实只不过是所有的星系都在彼此分开。设想有一个气球，上面涂着一个个小圆点（见图128），如果向这个气球里吹气，使它越来越大，各点间的距离就会增大。因此，待在任何一个圆点上的一只蚂蚁就会认为，其他所有各点都在“逃离”它所在的那个点。不仅如此，在这个膨胀的气球上，各圆点的退行速度都是与它们和蚂蚁之间的距离成正比的。

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图128　当气球膨胀时，上面的每一个点都与其他各点逐渐远离

这个例子很清楚地说明，哈勃所观察到的星系后退的现象，与我们这个银河系所处的位置或它所具有的性质并没有什么关系，这个现象只不过是由于散布着星系的宇宙空间在经历着普遍的均匀膨胀而已。

根据所观测到的膨胀速度和现在各相邻星系之间的距离，可以很容易地计算出，这个膨胀至少在50亿年前就开始了^[8]。

在这之前，当时的星云（目前的各个星系）正在形成在整个宇宙空间内均匀分布的恒星。再往前，这些恒星也都紧紧挤在一起，使宇宙充满了连续的炽热气体。再往前，这些气体越来越致密，越来越炽热，这个阶段显然应该是各种元素（特别是放射性元素）产生的时代。再往前，宇宙间的物质都处于超密和超热的状态，成了我们在第七章提到过的那种核液体。

现在让我们把这些情况归纳起来，按正常的顺序来看宇宙的进化。

故事从宇宙的胚胎阶段开始，所有用当今威尔逊山望远镜（观察半径为5亿光年）看到的一切物质都被挤在一个半径八倍于太阳的球体内^[9]。但是这种极为致密的状态不会长期存在，只需要两秒钟，在迅速的膨胀作用下，宇宙的密度就能达到水的几百万倍；几小时后，就会达到水的密度。大概就是在这个时候，原来连续的气体分裂成单独的气体球，它们就是如今的恒星。在不断的膨胀下，这些恒星后来又被分开，形成各种星云系统，它们就是现在的各个星系，如今仍在向着不可预测的宇宙深处退去。

我们现在可以自问：造成宇宙膨胀的作用力是一种什么样的力呢？这种膨胀将来会不会停止，并变为收缩呢？宇宙是否有可能反转过来，把银河系、太阳、地球和人类重新挤压成具有原子核密度的凝块呢？

根据目前最可靠的消息，这种事情是绝不会发生的。很久以前，在宇宙进化早期，宇宙冲破了一切束缚自己的锁链——该锁链就是阻止了宇宙物质分离的重力——开始膨胀，因此，它们就会遵照惯性定律继续膨胀下去。

我们举一个简单的例子来说明这种情况。从地球表面向星际空间发射一枚火箭，我们知道，过去所有的火箭，包括著名的V-2火箭在内，都没有足够的推动力以进入空间；它们在上升的过程中就会由于重力的作用而停止上升，并落回地球。不过，如果我们能使火箭具有足够的功率，使它的起始速度超过11千米/秒，这枚火箭就可以克服重力的作用而进入自由空间，并且不受阻挡地运行下去。11千米/秒的速度通常被称为克服地球重力的“逃逸速度”。

假设有一发炮弹在空中爆炸了，碎片向四面飞去［见图129（a）］。爆炸时产生的冲击力大于想把它们拉在一起的重力，而使弹片互相分离。不用说，在这种情况下各弹片之间的引力作用极为微弱，根本不足以影响它们在空中的运动，因而可以忽略不计。但是，如果重力很强，就会使各弹片在途中停止，再落回到它们的共同重心［见图129（b）］。它们最终是返回来聚在一起还是飞向无限的空间，这决定于它们的动能和重力势能的相对大小。

把炮弹换成星系，就会得到前文所说的宇宙膨胀的景象。不过，这时各星系的巨大质量造成了很大的重力势能，与动能不相上下^[10]。因此，有关宇宙膨胀的前景，只有在仔细研究过这两种能量以后才能得知。

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图129　炮弹在空中爆炸

根据目前掌握的最可靠的星系的质量数据来看，各个互相离开的星系所具有的动能是其重力势能的几倍。因此，大概可以这样说，宇宙会无限地膨胀下去，而不会被它们之间的引力重新拉近。不过要记住，总体来说有关宇宙的数据都不是绝对的准确，将来的进一步研究很可能会把整个结论推翻。不过，即使宇宙真的停止膨胀，并且反转进行收缩，那也得需要几十亿年的时间。因此，黑人诗歌里预言的那种“星星开始坠落”、我们在坍缩星系的重压下粉身碎骨的景象，目前还不会发生。

这种造成宇宙各部分以可怕的速度飞离的高爆炸力物质究竟是什么东西呢？对这个问题的解答可能会使你失望：事实上，很可能从来不曾有过所谓的爆炸。宇宙现在之所以会膨胀，只是因为在这之前它曾从无限广阔的地域收缩成很致密的状态（当然，这段历史是没有任何记录保留下来的），然后又反弹回来，如同被压缩的物体具有强大的弹力一样。如果你走进一间球室，正好看到一只乒乓球从地板跳到空中，你当然会得出结论（根本不用怎么思考）说，在你进入这间屋子之前，这个球一定是从某个高度落到了地板上，由于弹性再次跳起的。

现在，我们不妨让想象力自由驰骋，设想在这个宇宙的压缩阶段，一切事物是否都与目前的顺序相反呢？

如果是在80亿年或10亿年前，你是否会从书尾读起，读到这本书的首页？那时的人们是否会从自己口中扯出一只油炸鸡，在厨房中使它复活，再把它送到养鸡场。在那里，它从一只大鸡“长成”一只小鸡，最后压缩进一只蛋壳中，再经几周的时间变成一枚新鲜的鸡蛋？这倒是很有趣的。不过，对于这类问题，是不可能从纯粹的科学观点进行解答的，因为在这种情况下，宇宙内部的极大压力会把一切物质挤压成一种均匀的核液体，从而把以前的一切痕迹完全抹掉。

【注释】

[1]在我们这个行星上，绝大部分的氢以它的氧化物——水的形式存在。大家知道，水虽然覆盖了地球表面3/4的面积，但其质量与地球总质量相比是很小的。

[2]见本书第268页注释。

[3]这是星际空间弥漫物质的平均大小。

[4]关于地球上生命起源和进化的详细论述，可参考本书作者的另一本著作《地球的自转》。

[5]红巨星和超巨星这两个名称，来源于它们的光度和表面的关系。由于那些密度极小的恒星有很大的表面供释放内部产生的能量，因此表面温度较低，呈红色；密度很高的恒星正好相反，表面必定有极高的温度，因而呈白热状态。

[6]恒星中有许多是两个一组、围绕共同的质量中心旋转，这样的星叫作双星。人们往往把双星中较小（或较暗）的一颗称为另一颗的伴星。

[7]根据魏扎克的理论，太阳的形成不会比行星系形成早很久，因而我们地球的年龄可以认为是这么大。

[8]哈勃的原始数据是：两个相邻星系的平均距离为170万光年（即1.6×1019千米），它们之间的相对退行速度约为300千米/秒。假设宇宙是均匀膨胀的，它膨胀的时间就会是