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【大紀元12月14日訊】１４０億年前﹐是一個點﹐體積小﹐質量大﹐溫度高。然後﹐這個點發生爆炸﹐並開始膨脹﹐溫度也隨之降低—宇宙就這樣形成了。這是目前科學界中解釋宇宙起源的大爆炸理論。儘管如此﹐大爆炸理論只是搭好了研究的框架﹐框架裡諸多問題不是猶抱琵琶半遮面﹐就是依然懸而未解。(圖為NASA黑洞的模似圖:法新社資料圖片)
南方日報12月13日報導,２００２年﹐科學家們在宇宙探索領域諸如暗能量﹑黑洞﹑宇宙的最終命運等課題上都有了最新發現﹕
—暗能量有了新的存在證據﹐並且研究顯示﹐三分之二的宇宙可能由神秘的暗能量組成﹔
—-黑洞可能不論大小﹐都具有相同的波動規律﹐“缺失的一環”中型黑洞也終於找到了。此外﹐銀河系中心的確存在巨型黑洞﹐並且這個黑洞處於“飢餓”狀態。科學家還觀測到銀河系內一個“逃跑”的黑洞﹔
—-對宇宙結局﹐科學家提出了循環論﹐即宇宙可能沒有開始﹐也沒有終結﹐而處於不斷的循環之中。
１ 暗能量﹕引力的“對手”
蘋果為什麼會落地﹖人為什麼跳不離地球﹖我們知道﹐這是因為存在引力的緣故。在宇宙大爆炸理論中﹐引力也發揮了作用﹐它使宇宙的膨脹速度減小。但科學家們最新觀測發現﹐現在宇宙實際上在不斷加速膨脹。這就是說﹐宇宙很有可能先減速﹑後加速膨脹﹐而且其中存在一種與引力作用相反的力把時空結構向外推。我們如今稱之為負引力﹐也就是“暗能量”。
宇宙先減速後加速膨脹
宇宙真的是先減速﹑後加速膨脹嗎﹖“暗能量”真的存在嗎﹖
超新星幫助科學家解決了這個問題。超新星是爆炸中的恆星﹐它發出的亮度是幾十億顆恆星亮度的總和。我們可以從它的亮度來判斷宇宙膨脹的速度。因此﹐如果是在宇宙減速膨脹中誕生的星體﹐其發出的光到達地球時﹐該星體和地球之間的距離由於膨脹減速的原因要比預計的近﹐因而地球上的觀測者會發現其光要比預計中更亮。然後可根據這一亮度差異來判斷宇宙處於減速膨脹階段。
１９９７年﹐科學家觀測到了一顆編號為“１９９７ｆｆ”的超新星。對光線的相對強度進行的研究表明﹐它爆發于１１０億年前﹐是迄今發現的最遙遠的超新星。當時宇宙的年齡只有現在的四分之一。這顆超新星亮度是預計正常亮度的兩倍﹐而且比距離更近﹑更年輕的超新星爆炸發出的光還要亮。科學家據此判斷﹐“１９９７ｆｆ”爆炸時宇宙處於減速膨脹階段。
這一髮現不僅證實了宇宙膨脹先減速後加速﹐也證明宇宙中確實存在暗能量。暗能量和引力兩者綜合決定宇宙的膨脹速度。引力如膠水一樣﹐試圖把物質結合在一起﹔暗能量與引力相反﹐試圖將物體分開。據推測﹐大約在６０億年前﹐引力在與暗能量的較量中落敗﹐暗能量佔據上風﹐宇宙進入加速膨脹狀態。
暗能量佔宇宙的三分之二
“暗能量”的概念最早是由愛因斯坦提出來的﹐但後來愛因斯坦把這個概念說成是他科學生涯中的大錯誤﹐因為它破壞了廣義相對論的優美性。從那以後﹐暗能量成了科學家爭論的話題。
今年２月的美國《發現》雜誌提出了物理學１１大困擾﹐其中一大困擾就是暗能量。一般認為﹐暗能量不是物質﹐而更接近能量。根據計算﹐常規物質和看不見的物質—暗物質加起來並不足以構成整個宇宙﹐剩餘成份就是暗能量。
那暗能量佔據宇宙成份的多大比例﹖科學家猜測說﹐可能達到三分之二。這一猜測近日得到了證實。科學家這一次使用的是類星體。類星體是宇宙中的“四不象”﹐體積相對較小而能量巨大。它在一般光學觀測中類似恆星﹐但實際與恆星並不相同﹐因此被稱為類星體。
一些質量巨大的天體會導致經過它們附近的光線等發生彎曲﹐使遙遠天體的成像產生扭曲和變形﹐這一原理與光學透鏡類似﹐因而被稱為“引力透鏡”效應。借助設在英國和美國的一些大型射電望遠鏡﹐科學家們共對數千個遙遠類星體進行了觀測﹐結果發現平均每７００個類星體中就有一個受到“引力透鏡”的影響﹐其射電信號會發生彎曲﹐最終出現兩個以上“虛像”。科學家們認為﹐這也許只有暗能量才能解釋。他們的進一步分析表明﹐在假設暗能量佔到宇宙成份的三分之二時﹐理論計算與實際觀測的結果最為吻合。
這一計算過程我們暫且不去深究。暗能量如此奇怪﹐以至於甚至連負責這一研究的英國曼徹斯特大學的伊恩‧布朗說﹕“宇宙由暗物質所統治﹐這想法太奇怪了。值得大家去仔細研究驗證。”
任何給定的空間暗能量都很小
我們為什麼感受不到暗能量﹖科學家說﹐在任何一個給定的空間裡﹐暗能量的量很小﹐因此它的作用在日常生活中不能被感覺出。但在廣漠的宇宙空間中﹐其效果將非常強大﹐足以使星系和星系簇分離開。
２ 黑洞﹕謎一樣的天體
沒有一種天體比黑洞更能說明引力的威勢了。黑洞不是黑的﹐也不是一個空洞。它是一個實在的天體。在很多科普文章中﹐它被冠以“怪物”的昵稱。黑洞之所以能在宇宙中“橫行霸道”﹐是因為它擁有強到連光都不能逃脫束縛的引力武器。
黑洞能實現時空轉換
黑洞引起人們興趣的一個重要原因是﹐時間和空間在黑洞中消失﹐這意味著通過黑洞有可能將我們現在的時間和空間連接另外一個時間和空間﹐時間旅行有可能實現。
黑洞也會“消化不良”
黑洞還有許多其他特性。比如﹐１９９９年﹐科學家發現﹐如果“食物”太多﹐黑洞有可能會“因噎廢食”。這意味著﹐引力強大無比的黑洞﹐可能並非擁有所假設的吞噬一切的“胃口”。模擬結果發現﹐物質環在落入黑洞過程中﹐先被黑洞吞下的部份還會不斷被吐出﹐最終使得只有很少一部份物質環真正進入黑洞。科學家們認為﹐這一結果顯示黑洞並不像假設的那樣能吞下“喂”給它的一切“食物”﹐並且強行“塞”給黑洞大量“食物”還很可能會將它“噎”住。
黑洞都唱“同一首歌”
黑洞不論大小﹐不論質量﹐都有著相同的波動規律﹐如同快慢不同地演唱音調相同的“同一首歌”。這一特性是科學家于今年４月對由超巨黑洞和小質量黑洞發出的Ｘ射線輻射進行比較研究時發現的。超巨黑洞一般存在於星系的中心﹐質量達到太陽的數百萬甚至數十億倍。小質量黑洞質量與太陽基本處於一個數量級﹐主要由質量相當于太陽１０倍左右的恆星發生超新星爆炸形成。
科學家發現中型黑洞
到底有沒有中型黑洞呢﹖科學家今年９月才找到這中間“缺失的一環”。這次的功能應歸功于哈勃太空望遠鏡﹐它觀測到了兩個中型黑洞﹐一個位於飛馬星座的Ｍ１５球狀星團﹐距地球３﹒２萬光年﹐質量為太陽的４０００倍。另一個黑洞位於仙女星系的Ｇ１星團中﹐質量相當于２萬個太陽﹐距離地球２２０萬光年。Ｍ１５和Ｇ１這兩個星團都包含著大量緊湊排列的恆星﹐其中一些恆星相當古老﹐誕生于距今１００多億年前。新觀測到的兩個中等質量黑洞都位於球狀星團而非星系之中。
超巨黑洞位於星系中心
超巨黑洞位於星系中心﹐據推測每個星系都有﹐質量一般約為星系總質量的０﹒５％。目前﹐關於超巨黑洞的形成主要有兩種理論。一種觀點認為﹐它可能是隨著星系的誕生一次性產生的。但也有推測說﹐超巨黑洞是以質量更小的黑洞為基礎形成的﹐後者就好比是一些“種子”﹐隨著時間的推移進化成了巨型黑洞。
銀河系巨型黑洞質量為太陽的３７０萬倍
今年１０月﹐歐洲科學家宣佈了銀河系中心存在超巨黑洞的最佳證據。他們說﹐過去２０年中﹐科學家們一直在觀測銀河系中心一些星體的活動情況﹐尤其對一顆名為Ｓ２的星體的運行軌道進行了跟蹤研究﹐最終得出結論﹕Ｓ２附近確實存在一個巨型黑洞。質量是太陽７倍的Ｓ２﹐以每小時１﹒８億公里的高速每１５﹒２年繞銀河系中心一周。之所以如此高速﹐是因為它週圍存在黑洞﹐“害怕”被黑洞“吞噬”。經過計算﹐這一黑洞距地球２﹒６萬光年﹐質量是太陽的３７０萬倍。
銀河系中心黑洞每年“食量”不足地球質量的１％
銀河系中心黑洞或許正處於“飢餓”狀態。科學家原先預測﹐它每年吞噬約相當于十倍于地球質量的“食物”。但實際上﹐它每年吞噬“食物”還不足地球質量的百分之一。黑洞“食量”是根據它吞噬“食物”時發出Ｘ射線的強弱程度計算出來的。科學家還提出﹐如果黑洞獲得了源源不斷的“食物供給”﹐就可能從相對安靜的狀態中“醒來”﹐處於活躍狀態中。
人類將能製造微型黑洞
大量微型黑洞不久將能在實驗室裡製造出來。這一任務將由大型強子對撞機完成。目前歐洲核子研究中心正在建造大型強子對撞機﹐估計于２００５年完工。屆時﹐它將是世界最大的粒子加速器。用它長達２７公里的環形隧道加速粒子﹐然後使這些粒子相撞﹐就能創造出與宇宙大爆炸之後萬億分之一秒時的狀態類似的條件﹐同時還可以每秒１個的速度製造大量微小的黑洞﹐每個體積不到一個原子核的百萬分之一。之所以能製造出微型黑洞﹐是因為大型強子對撞機能把大量能量壓縮在很小的空間裡﹐但這些黑洞的消逝也可能像雪花消融一樣容易。
３ 對宇宙結局的猜測
儘管不希望出現這一天﹐但科學家還是忍不住要討論一下宇宙的結局。它會是什麼樣呢﹖現在存在３種觀點。
膨脹論﹕宇宙不斷膨脹下去
這是英國著名理論物理學家斯蒂芬‧霍金等人所持有的觀點。他們認為宇宙將永遠膨脹下去﹐不斷擴大。最終我們將看到﹐星體會離我們越來越遙遠﹐也越來越黯淡。
這種理論的證據之一是氘元素。氘是氫元素的同位素之一﹐原子核中包括一個質子和一個中子。目前宇宙中所能探測到的所有氘元素﹐據認為都是在宇宙“大爆炸”幾分鐘後的原始核聚變過程中產生的。除了“大爆炸”之外﹐目前還沒有發現宇宙中存在其他的氘元素源。
１９９９年﹐澳大利亞﹑荷蘭等國科學家組成的小組﹐對位於距地球約１５００光年的獵戶星雲區域進行了測量。科學家們通過對一種氘氫分子進行分析測算後發現﹐在獵戶星雲中高度活躍的恆星形成區﹐氘原子與氫原子的比例為１比１０萬。這與在宇宙其他一些區域獲得的測量結果基本一致。
這些科學家們說﹐根據被普遍接受的宇宙理論﹐宇宙中正常物質總量的多少﹐決定著宇宙最終將無限制膨脹下去﹐還是會在膨脹到一定程度時轉為收縮。而氘元素密度與正常物質量直接相關。上述測量結果說明的是﹐宇宙中正常物質總量無法遏止宇宙無限膨脹的趨勢。
逆轉論﹕宇宙會在一兩百億年後凝聚到一個點
按照這種觀念﹐宇宙的膨脹速度不僅會減慢﹐而且會逆轉回去﹐將所有的物質擠壓﹐最後濃縮成一個“癥結點”﹐並在劇烈的大爆炸中消亡。今年９月７日出版的英國《新科學家》就刊登了一篇這樣觀點的文章。
這篇文章說﹐大部份暗能量理論認為﹐宇宙的加速膨脹是在全宇宙範圍的“標量場”的排斥作用下進行的﹐這種“標量場”在整個宇宙空間有著統一的量級。而過去的看法認為﹐隨著宇宙的擴展﹐上述能量場的排斥力將逐漸減小﹐最終降至零。儘管這可能使宇宙的擴展速度減慢﹐但實際上宇宙永遠不會停止膨脹。可這種看法可能是不正確的。根據超重力的一些理論﹐“標量場”的暗能量可能不僅僅是降至零﹐它還將變為負數﹐並可能降至負無窮大。這將令宇宙的擴展速度減緩﹐然後轉向相反方向﹐使空間和時間凝聚到一點﹐在一次大爆炸中消亡。
這篇文章還給出了宇宙消亡的時間﹐它是今後１００億到２００億年﹐也就是在宇宙現有年齡兩倍時。
循環論﹕宇宙是輪迴的
這是科學家最近提出來的。該理論認為﹐宇宙將永遠不會結束﹐而是處於從生長到消亡的循環過程中。大爆炸既不是宇宙的起點也非終點﹐而只是宇宙不同階段的“過渡”。
美國普林斯頓大學的天文學教授保羅‧斯坦哈特與英國劍橋大學教授尼爾‧圖羅克共同提出了這個觀點。他們說﹐如今的宇宙是在上個宇宙的塵埃中誕生。
此外﹐還有理論認為﹐人類所在的宇宙之外還有另外一個無限大的平行宇宙。這兩個宇宙在多重維度（我們所處的空間只有四個維度）中互相區分開來。
兩位科學家根據現有理論計算出﹐在這兩個宇宙之間有一個力場﹐可以將兩個宇宙呈週期性地互相吸引﹑爾後又再排斥開來﹐如同人們鼓掌時兩隻手的動作一般。新理論認為﹐當兩個宇宙互相碰撞的時候﹐第五維度暫時消失﹐這時就會發生一次大爆炸。新的物質世界在原有消散的物質塵埃中被重新“創造”出來。于１９６８年最早提出弦論的意大利科學家加布裡埃萊‧韋內齊亞諾對新理論表示接受﹐認為該理論將使人們認識到“大爆炸只是某些事件的果﹐並非所有事件的因。” (//www.dajiyuan.com)
