5个关于宇宙最深奥的问题,科学家至今也给不出完美的解释

宇宙到底有多大

自从人类有了自我意识之后,就一直在不停地追问:世界到底有多大?中华文明具有五千多年的悠久历史,其中不乏一些伟大的思想家对这一问题进行深入思考。中国最早的浪漫主义诗人屈原在《天问》

等一系列文章中就曾对此做过详细的追问,并提出了“世界是有限的”理论。此后各个学派的大师们都从自己的观点出发,对此问题进行了解答。譬如,魏晋南北朝时期的郭象提出的“独化论”,融合了中国古代“无”和“有”两种观点,提出了最初的宇宙生成论,也回答了世界是有限还是无限的问题。

主张宇宙是无限的思想家、科学家也是古今中外皆有。例如中国古代具有朴素辩证思维的哲学家扬雄,外国的天文学家布鲁诺、物理学家牛顿、大哲学家和科学家莱布尼茨。这一论调最著名的当属德国天文学家奥伯斯于1826年正式完成的“奥伯斯佯谬”。他认为若恒星均匀分布在静止无限的欧几里得空间中,则夜空的亮度应与恒星表面亮度相等,而事实上夜空是黑暗的。这一矛盾就产生了两个可能性的结论:若宇宙是无限的,则万有引力定律并非普遍适用;反之,宇宙必定是有限的。实际上,希望得到“宇宙无限论”的科学家们都是在使用逻辑学中的反证法,不断对“宇宙有限论”进行证伪,从而使自己的观点成立。

人类历史上迄今为止最伟大的科学家爱因斯坦曾提出过“有限宇宙说”

,即“把宇宙看做是一个在空间尺度方面的有限闭合的连续区”,并从宇宙物质均匀分布的前提出发,在数学上建筑了一个前所未有的“无界而有限”、“有限而闭合”的“四维连续体”,即一个封闭的宇宙。根据这一理论,在宇宙上任何一个点发出的一道光线,将会沿着时空曲面在100亿年后返回它的出发点。

不过,关于“宇宙有多大”这一问题的讨论都是基于目前人类的时间和空间观念来思考的。也就是说,人们对这一问题思考的前提是把宇宙看做在时间上有起点、在空间上有限度的想象模型来对待,同时又是依据对宇宙的探测来估算宇宙的大小。然而,随着人类认知程度的不断进步,这种时空观有待于商榷,宇宙在发展上的阶段性和延续性都并非如目前所知的那样是直线或单线性的。

1986年,英国科学家斯蒂芬霍金等人发现了离地球200亿光年的类星体,这几乎成为了我们可见的宇宙的边缘。但是,这并不是说天文学上的观测极限就代表了宇宙的边际。超出观测极限之外的宇宙也没有任何证据说明是不存在的。

在如今高尖端的科技领域,“暗物质”的提出更加深了宇宙界限的难题。介于人们对各种未知领域的“暗物质”知之甚少,“宇宙有多大”这一问题还将长期成为一大未解之谜。

“星体杀手”——黑洞之谜

在浩瀚的宇宙中,存在这样一种特殊的天体:它能够产生极为强大的吸引力,会吞噬周遭引力范围内所有的物质,甚至连光都无法幸免。由于它看上去类似一个巨大的黑漆漆的洞穴,因此被人们命名为“黑洞”。

人们对于黑洞的认知可以追溯到1789年,由当时著名的法国数学家拉普拉斯提出。

虽然他只是提出黑洞的初步构想,却震惊了世界,引起了学术界的关注。随着科学基础理论的不断发展,科学家们逐渐开始用爱因斯坦的广义相对论去解释和研究黑洞。1939年,美国物理学家奥本海默对黑洞进行了系统的研究,肯定了黑洞的存在。随后的几十年,人们通过天文观测不断对黑洞的成分和运动规律进行研究,提出来一些新的理论。1975年,被称为“爱因斯坦后最伟大的物理学家”的史蒂芬霍金(已故)提出“黑洞悖论”,他认为黑洞在形成之后会向外辐射能量,结果会使黑洞自身因为能量消失殆尽而消亡;随同其一起消失的还包括被黑洞吸入的信息。然而根据霍金最新的研究表明,这一二十几年前的悖论站不住脚了。

根据人们目前对黑洞的认知程度,有几个重要问题至今成谜:

首先,黑洞究竟是如何形成的?目前,一部分学者认为黑洞在最初的时候并不是一种有别于其他星体的特殊存在,而恰恰是由这些恒星慢慢演变而成的。他们认为恒星在不断消耗自身的能量后,会逐步进入晚期的蜕变,最终在自身的引力下开始坍缩。当这种坍缩星体的质量超过太阳的3倍时,其坍缩产物便形成了黑洞,并开始吸引和吞噬周遭的物质。还有一部分学者认为最初的黑洞确实是一种有别于其他正常星体的天体,而且它的形成要追溯到最初的宇宙大爆炸时。大爆炸产生的巨大力量把一些物质紧密地挤压在了一起,从而形成了最初的“原生黑洞”。

其次,黑洞究竟是由什么构成的?对黑洞的形成,不同学者提出了不同的观点,所以关于黑洞的构成问题目前也是众说纷纭。一种观点认为:黑洞是由巨大的旋转中的“暗能量”构成。“暗能量”以超越光速的速度旋转,

从而产生了吞噬一切的吸引力,并且由此逐渐汇集宇宙散布的其他物质,最终能够形成星系或星系团。而另一种观点源于黑洞形成的坍缩理论,它认为黑洞的吸引力主要来源于一颗或多颗星体坍缩时形成的巨大质量。20世纪70年代,美国物理学家惠勒推断出黑洞只需要一个物理量,即黑洞的构成并不复杂,也并不涉及化学成分。他的这一观点也受到一些学者的认同。

再次,被黑洞吸入的物质到哪里去了?通常人们认为,黑洞是一个巨大的“吸纳器”,被它吞噬的物质就再也无法逃出,最终消失了。其实不然,科学家们根据宇宙间物质能量守衡的理论推断,被黑洞吸进去的物质,一定会通过其他形式再重新返回到宇宙当中。而被黑洞返还给宇宙的其他形式,最有可能的就是包括x射线的各种能量。1965年,人们根据白天鹅星座射来的x射线,找到了一颗编号为HDE226868的星体。这颗质量为太阳30倍的巨大星体高速旋转,很有可能就是x射线的射线源。这一发现证实了被黑洞吸入的物质并不会凭空消失。此后一系列的天文发现也证实,黑洞的不断成长与宇宙间增加的能量变动密不可分。

关于黑洞,我们的认识还远远不够。近年来,一些专家学者不断提出新的假设和构想,比如一部分人认为,黑洞不是把所有的物质不加选择地囫囵吞入,而会放弃一些特殊的星体或类星体。换句话说,也有可能并不是所有的物质都会被黑洞所吞噬,会有一些物质因为某些原因“逃过一劫”。当然,以我们人类的时间和空间标准判断,这一切离我们所居住的地球还算遥远。我们的家园暂时还不会面临着这一宇宙间“星体杀手”的威胁。

黑洞的孪生兄弟——白洞真的存在吗

随着人们对黑洞研究的不断深入,一个显而易见的问题随之而来:被黑洞吸入的物质都消失了吗?根据宇宙间的物质守衡理论,显然它们不会凭空消失。于是,一些科学家根据爱因斯坦的广义相对论,提出宇宙间可能存在另一种与黑洞截然相反的假想天体——白洞。

黑洞的特性就是只进不出,无情地吞噬着引力范围内的一切物质。而白洞则与其恰恰相反,它允许内部的超高密度物质离开它的边界,进入广袤的太空之中,却不允许任何物质进入它的边界,是与黑洞对立的天体。白洞类似一个无穷无尽的源泉,向外界发出辐射,抛出最终能够构成气体和恒星的物质。白洞的提出主要是高能天体物理研究的需要,例如人类逐渐发现的宇宙中x射线爆发、y射线爆发、以及脉冲星和类星体,这些发现已经无法用我们已知的物理学规律进行解释。例如20世界60年代人们发现的类星体体积极小,却有着恒星一般的高亮度。因此人们猜测可能存在我们未知的特殊星体,那就是具有“创造力”的白洞。

可见,白洞的提出极富辩证性。科学家们认为黑洞是宇宙间物质相互吸引的极端现象,它的直接结果就是星体“大坍缩”;而白洞则是宇宙间物质相互排斥的极端现象,它的直接结果则是“大爆炸”或“大膨胀”。如此,可以解释宇宙间整体的能量均衡是怎样运作的。

那么,倘若真有白洞存在,它究竟是怎样产生的呢?它源源不断喷发出来的物质又是从何而来呢?有的科学家认为,白洞和黑洞是彼此相通的,二者之间有一条通道,被黑洞吸进的物质最终将从白洞喷出。当然,这些物质经过黑洞的消化,以“热辐射”的方式稳定地向外发射粒子,即“自发蒸发”。英国著名的大科学家霍金,在研究黑洞时,提出了自己的白洞形成假设。他认为黑洞具有与其质量成反比的温度,自发蒸发使它的温度升高,质量减少,并反过来使自发蒸发加剧。由于这种反复的正反促进,使黑洞的蒸发越来越强,最终以反收缩的方式猛烈爆发,形成了不断向外喷射物质的白洞。他的这一观点得到了很多人的赞同,于是,他们提出了“白洞就是由黑洞形成的”这一假说。

苏联科学家诺维科夫认为白洞的形成与宇宙大爆炸密不可分。他认为宇宙大爆炸的最初阶段,爆发力并不是均匀分配,有些超高密度的物质并没有立刻膨胀,而是继续积蓄能量。这些物质成为新的局部膨胀的核心,这些核心有的甚至在上百亿年后才会爆炸。这些核心就是我们所认知的白洞。

当然,以目前人类的科技水平,还无法找到白洞确实存在的科学依据。对于黑洞和白洞之间的吞吐关系,也只是停留在人们富有哲学思辨性的假想阶段。因此,对于这对“孪生兄弟”的一切,还都是无法解开的迷团。

星体之间会互相吞噬吗

宇宙是个十分辽阔的空间,宇宙间的星体都具有各自的运行轨道,距离也十分遥远。它们在运动过程中很少会彼此接近,绝大部分都是各行其是、泾渭分明。但经过观测和研究,人们发现星球之间也存在互相吞噬、相互灭绝的“弱肉强食”现象,科学家把这类星体称为宇宙中的“杀星”。

20世纪80年代,美国天文学家们发现,宇宙中的星体并非人们之前想象的那么和谐,而是也类似于大自然优胜劣汰的规律一样,存在着互相“杀害”的惨剧。前不久,美国天文学家发现了两颗进入晚年的行星,属于白矮星。它们的体积很小但质量却比太阳大得多。经观测发现,这两颗星体靠得很近,互相围绕对方旋转运动。然而,其中较大的行星,时刻都在吞噬着那颗较小的兄弟行星。这种吞食残酷异常,较大的星体不断将较小星体的外层物质剥离开,吸附到自己身上,使自己的体积和质量越来越大。而被吸食的小星体则是体积和质量越来越小,最后将只能剩下一个星核,步入死亡灭迹的路程。

更令科学家们震惊的是,这种自相残杀的可怕行为并不仅仅存在于星体之间,连浩瀚的星系之间也存在着这种残酷的竞争。科学家们用计算机做过一次星系间吞噬的模拟实验:用两组质点代表星系内的恒星,分布在两个平面内,由于引力作用以一定的规律相向而行,逐渐趋于混合。在一定条件下,两个扁平星系经过混合能发展成一个椭圆星系。这就证明了宇宙中普遍存在的椭圆星系就是由两个旋涡扁平星系互相碰撞和吞噬而成。

根据天文学家的观测,宇宙中除旋涡扁平星系和椭圆星系外,还有一种环状星系。这类星系分布在环状圈内,有时环中央没有任何天体,有时则有,有时环上还有节点。一些科学家认为,这种环状星系就是由两个星系碰撞和吞噬后形成的。星系中间的天体或者节点就是当时吞噬后留下的痕迹。近年,加拿大天文学家科门迪在观测中发现,某些巨型椭圆形星系的亮度分布异常,在其中心部分另有一个小星核。他推测,这就是一个质量较小的椭圆星系被目前这个巨型椭圆星系吞噬后的“证据”。

当然,对浩瀚的星系和遥远的星体而言,人类所能了解和观测的范围还微不足道;更何况天体或星系之间的吞噬过程异常缓慢,人类的纪年无法完整地记录下这种巨大的变迁。因此,这些科学家们的推论还有待于进一步完善和考证。

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