我們來自何方?
我們來自何方?
第一章
基本元素的形成
編輯:零度星系
時間:2011年9月4日
說明:本章有關信息由《大宇宙百科全書》及《完全圖解果殼宇宙》提供
宇宙是如何誕生的?它怎樣成為現在這個樣子的?為什麼它是我們人類這種生命形態的合適棲息所?這些關係我們起源的歷史激起了每個人的好奇心。 “我們來自何方?”這個問題是人類可能提出來的最深奧的問題,而對此問題能夠給予大致完整的回答,應該說是人類思維的最偉大成就。
我們所有關於宇宙萬物的知識實際上來源於研究電磁輻射——光、射電波①、X射線和其他形態的輻射,所有這些輻射都以300000公里每秒的光速傳播。雖然這個速率很高,但宇宙本身很大,致使光和其他形態的電磁輻射需要經歷很長時間才能從其他恆星和星係到達我們這裡。即使是一顆近鄰恆星,它的光在到達地球之前也要旅行好幾年,所以我們看到的這顆星是它幾年前光線離開它時的樣子。在宇宙的更遠處,我們可以探測到星系和類星體的光,這些天體是如此遙遠,它們的光在奔向我們的空間旅途上要度過幾百萬、幾億,有些甚至是幾十億年的時光,我們看到的是這些天體在如此久遠以前、當宇宙相應的比較年輕時的樣子。
① 天體發射的無線電波的天文學名稱。通過射電波研究天體的學科叫做射電天文學。 ——譯註
觀測受到的限制是這些遙遠天體的光到達我們這裡時非常微弱,只有用威力強大的望遠鏡和高靈敏的電子探測器才能分析它。但觀測使我們在空間上擴大視野的同時,確實在時間上讓我們回溯到過去,從而能看到宇宙過去的樣子,得出有關宇宙曾經如何演化的概念。這是觀測的巨大優點,它在很大程度上彌補了上述限制。整個宇宙學最關鍵的發現是,我們看到的我們周圍的宇宙確實是在演化著——現在的宇宙不同於它的過去,它必定是在某個確定的時刻起源的。但是。實際上,要得出這些結論,你既不需要大望遠鏡,也用不著高靈敏電子探測器——你需要的全部東西,是用你自己的一雙眼睛看到的證據。
最基本的天文觀察現像是日夜交替。雖然這一現象的重要性要到18世紀才被人們意識到,雖然到了19世紀才對它做出解釋,而且這一解釋直到20世紀80年代才被廣泛理解,但單是這個觀察現象就足以說明,宇宙是在過去某個確定時刻起源的,宇宙並不總是我們今天看到的這個樣子。
根本問題起因於夜天空的昏暗——一個昏暗的宇宙怎麼會充滿了明亮的恆星呢?這個問題現在稱為奧伯斯佯謬,是以德國天文學家海因里希·威廉·奧伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)命名的,儘管實際上奧伯斯並非第一個深刻思考這個困難問題的人。簡單地說,這個問題令人困惑之處是,如果宇宙是無窮大的,即在所有方向都延伸無窮遠,而且如果宇宙的每個區域平均說來與我們生活其中的區域相似,那麼在我們觀察的每個方向,我們的視線都應該與一顆恆星的表面相交。夜天空的每個點都應該是明亮的!
現在我們知道,恆星聚集成類似我們自己的銀河系那樣的星系——宇宙之島。每個宇宙島可以包含數千億顆恆星;但上述“佯謬”可以很容易地重新加以表述來適應這種情形。我們也知道,即使宇宙並非無窮大,它也肯定足夠大,使得這個難題同樣令人困惑——如果我們今天看到的星系在宇宙中處處永久存在的話。
難題的解決是直截了當的,但卻要求人們在對宇宙的看法上來一次革命。答案很簡單:恆星和星係並非永遠存在——願意的話也可以說,從宇宙誕生以來,還沒有足夠的時間把光線灑滿恆星和恆星之間的全部昏暗空間。單單是夜天空的昏暗就足以告訴我們,宇宙有其確定的開端。
對於在宇宙誕生於一次大爆炸的思想教導下的當代人來說,這個回答看來是顯而易見的。但是,對奧伯斯佯謬的認真討論要到宇宙膨脹發現幾十年之後才發現。這個事實卻標示這一思想具有何等的革命性。是宇宙膨脹的發現迫使天文學家放棄了宇宙永遠不變的觀念,並開始思考宇宙本身的演化問題。
宇宙膨脹是在1920年代末,當美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)及其同事確立了星係正在彼此分開的觀測事實,而被發現的。現代宇宙學實際上是隨著這一發現而發端的,而從發現宇宙膨脹到本文章發表,經歷了幾乎正好整整一代人的一生,就是俗話所稱“古稀之年”的70歲。 70年前,宇宙永恆不變的思想曾經是“顯而易見”的科學真理,它是那樣的無可懷疑,以致當阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)開始發展其廣義相對論並發現最簡單形式的方程式要求宇宙膨脹時,他給方程式增加了一個附加項以維持宇宙靜止。後來愛因斯坦把這說成是他科學生涯中“最大的失誤”。
從所有這些得出的教訓,並不是我們比70年前的天文學家遠為聰明和深具洞察力;而是,如果連愛因斯坦都犯下那樣的宇宙學失誤,我們就更應該小心,不要根據表面現象認為我們對宇宙已經知道的很多了。我們看來顯而易見和經驗的東西,再過70來年就可能像宇宙永恆不變的觀念那樣成為過時的笑柄。但這並不是說,我們不應該認真看待當前有關宇宙及其起源的知識。恆星和星係以及宇宙的結構今天已經了解的很清楚了,問題是能將我們對宇宙的正確理解推廣到宇宙的多大範圍(以及在時間上能回溯多遠),而推測將在何處(以及在何時)開始起主要作用。這個界線應該是在很久很久以前、在比我們能夠猜想的遠為極端的條件之下。
如果星係正在互相離開,那就必然意味著它們以前彼此靠得比較近。關於膨脹宇宙的很重要一點是,星係並不像炸彈爆炸後的碎片那樣在空間穿行,而是空間本身在伸展而帶動了星系(這就是廣義相對論的預言,但一開始曾被愛因斯坦拒絕接受)。很久以前,在現在已經成為星系的東西之間是沒有空間的,星系必定是彼此重疊的;在那之前,在現在已經成為恆星的東西之間是沒有空間的,恆星必定彼此接觸;而在那之前,一定出現過原子之間沒有空間的時期,原子彼此融合在一起。
天文學家對恆星和星係了解很多,物理學家對原子也了解很多,天體物理學家能夠毫不困難地描述物質和輻射濃湯的性狀,它是如此濃密,以致其中個別原子彼此並合,原子的外層電子已被驅逐,暴露出了原子心臟部分的核。這樣一種由核子和電子混合成的濃湯,加上輻射,稱為等離子體。但這還不是我們對極端條件下的物質和輻射的全面理解的極限。確實,在粒子加速器實驗室(如日內瓦歐洲核子研究中心或芝加哥費米實驗室)進行的實驗,提供了洞察原子核自身以及構成原子核的質子和中子的行為的線索。物理學家告訴我們——並以令人信服的證據支持他們的宣告——他們甚至懂得了物質緻密核子本身都緊靠在一起並且分裂成它們的組成部分時的極端條件下,物質、空間、時間和能量的表現。
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