神秘的物质世界

■ 李墨林

物质是宇宙的基本形态，是时间的盟友和空间的宠儿。在大宇宙中，物质的确称得上是光怪陆离、千变万化，但万变不离其宗，不管宇宙中形形色色的星球、星云、星系和暗物质的数量有多庞大，其基本的建筑材料也十分有限，即便把它们全部加到一起，也未超过门氏周期表上那些化学元素。

和抽象的时空概念不同，物质世界几乎全部是具体的。就拿我们熟悉的地球上的物质来说，有随着温度升降而随时变成液态、固态和气态的水；有既能成为工业原材料又可作为货币流通的金、银、铜、铝、镍；有支撑万物同时又为人类提供粮食的土壤；还有高山、平原、大海和森林。至于生物世界则更是丰富多彩，这里不必浪费时间一一赘述。

宇宙间居民的“民族”固然很多，但其中最主要的“民族”只有二种，那就是恒星和行星。恒星由于能够发出强光且形体巨大，因此我们平时所说的、所见到的星空中热闹而漂亮的繁星基本都是它们。行星因其性质刚好与恒星相反，所以除了太阳的金、木、水、火、土等几个与地球离得比较近的行星平时能够看得见，且容易被人们混同为恒星以外，银河系和其他星系中的行星不要说肉眼看不见，即便用大口径大功率的天文望远镜也无法直接看到。这是因为行星的体积非但太小、距离太远，光度也实在太暗弱了——在宇宙中，很多比太阳还要亮上千百倍的恒星都看不见，又何况那些既不会发光又微小的行星呢？

不过若按物质构成的状况来说，恒星与行星就要彻底调换位置：宇宙中无论恒星家族的数量如何庞大，单位体积何等巨大，其基本构成的物质都极简单，简单到只有二种：氢和氦。它们最大的区别只在于氢与氦的比例多寡，除此以外的其他元素全部加起来，也只占到恒星总量的1%～2%。而构成行星的物质种类就要多得多了：可以说除门氏化学元素周期表末尾那几个人造元素之外，其他自然元素几乎全部记录在案，差别也只在于不同行星上的成分和比例数量不同而已。当然行星上也有比较单纯的物质富集现象：比如天王星就是以水为主的“水球”，月亮是以石灰岩为主的“石球”，令人惊奇的是太空中竟然还会有单纯以黄金和钻石等物质为主的单物质行星，这种情况在宇宙中也属于稀奇罕见的特例。

在宏观世界中，地球对于生存于其上的人们来说十分巨大，但若和宇宙中其他星球相比，则不过是个小小的“芝麻”：太阳的直径是地球直径的109倍，体积是地球的130万倍，和“芝麻”相比应该算是“西瓜”了。但就是这个硕大无朋的太阳在宇宙当中，也不过仅仅是个矮个子“武大郎”：比如在银河边上“挑扁担”的那个牛郎星的直径就是太阳的1.7倍；牛郎星的“老婆”织女星的直径是太阳的2.8倍；大角星的直径是太阳的23倍；毕宿五的直径是太阳的600倍；参宿四是太阳的900倍；而仙王座VV星的直径竟然会达到太阳直径的1600倍，足足有22亿千米之巨！这一尺度完全可以把土星环绕太阳公转的轨道囊括进它的身躯之内，几乎顶得上半个太阳系大小。因此在现阶段可观测的宇宙中，也许只有它才称得上是恒星之王呢！

那么22亿千米究竟是个什么概念？以太阳与地球的平均距离1.5亿千米计算，光线走完这段距离的时间约为8分钟，而仙王座VV星的直径竟是日地距离的14倍之多，就是说尽管光的速度是每秒走30万千米，光线每秒可绕地球七圈半的话，那么光线从仙王座VV星的这一端跑到那一端就需要112分钟，差不多要二个小时之久，如果光线用这么长的时间围绕地球转，则足足可以转上504 000圈之多，其壮观的程度简直令人吃惊。

如果以上概念还比较抽象，还难以理解的话，我们再换一种方式来形容也许就比较容易明白了。在现今宇宙中，假如我们把我们这个直径为12 000多千米的地球，一下子缩小到它的十亿分之一，即直径为1.2厘米的小球的话，那么同样缩小十亿分之一的太阳的直径就应该是1.09米的大球。在此基础上重新计算，牛郎星就应该是一个直径为1.85米的更大的球，织女星又是直径为3.05米的比牛郎星还要大的球体。再往下的距离就一下子拉开了：大角星这个球的直径约为25米，毕宿五的直径为49.05米，天津四的直径为115.54米，心宿二的直径为654米，参宿四的直径为981米，接近于1000米了，仙王座VV星的直径则为1744米之巨！这是一种什么概念呢？假如我们把人类居住的地球缩成玻璃球般大小的时候，仙王座VV星还是一个相当于泰山那般雄伟高大的超巨型球体呢！至此，我想人们对宇宙间的超巨型天体，应该有个比较明了的认识和概念了。

在仙王座VV星这个巨无霸面前，我们的太阳只能俯首称臣。但这只是事物的一个方面，另一方面在宏观世界中，还有许多比太阳还要小得多的恒星，就是白矮星和中子星。白矮星只有太阳直径的1%左右，已经和地球差不多大小。而中子星的体积就更小了，一般中子星的体积仅有十几到几十千米，远不及我们太阳系中的那些行星的卫星大，可它确确实实又是大名鼎鼎的名副其实的恒星，这是怎么回事呢？要了解它，还得从恒星演变的历史说起。

一般说来，恒星是由低密度的星云物质即宇宙尘埃凝聚而成。星云物质在凝聚演化过程中，由于自身的引力而收缩，在收缩过程中内部温度逐渐升高，由于星云物质的分布并不均匀，于是质量小的云团形成了单个恒星，质量大的云团便形成了恒星集团。当恒星中心温度达到700万摄氏度以上时，便开始了氢聚变为氦的热核反应。这段时间产生的热量和向外辐射的热量大体相当，则成为正常的恒星而进入主序星阶段。主序星阶段是恒星的青壮年时期，它要占恒星整个生命的绝大部分。随着时间的推移，氦核周围的氢越来越少，氦核越来越大，当氦的质量占恒星质量的10%左右时，氦核就要收缩，恒星的外层就会膨胀，于是年富力强的恒星慢慢衰弱逐渐变成了老年期的红巨星。

恒星演化到后期，和人到老年身体失调一样，星体内部的变化越来越剧烈、越来越复杂，随着恒星内部的温度急剧升高，恒星外部就要抛射物质，于是便产生了新星或超新星那样的大爆发。爆发抛出的大量物质形成了无规则的美丽而壮观的星云，星云慢慢消散，重新化为宇宙尘埃，而原恒星则根据自身质量和体积的大小以及爆发方式，决定在原恒星的中央残留下一个什么样的天体：或是白矮星，或是中子星，或者是黑洞。

由于白矮星和中子星都具有这段“光荣”史，所以别看它们个头极小，它们的质量可几乎都和太阳不相上下：白矮星的单位密度约为太阳单位密度的10万倍以上，中子星的密度就更大得离谱了：其中仅仅一立方厘米物质的重量，就可高达几亿，甚至十几亿吨之多，要数万艘万吨巨轮才能载得走。

至于黑洞则是宇宙间最离奇最不可思议的天体。在黑洞中心，引力和起潮力都无限增大，因此黑洞内除了质量、电荷和角动量以外，物质自身的属性全部丧失殆尽，原子、分子也将不复存在。即便是质量、电荷及角动量等诸因素也均失去了原物质的物理特性，而单纯变成只属于黑洞整体所具有的极其特殊的物理属性了：由于黑洞的引力无限大，因此外部物质一旦接近黑洞的引力范围，就会被迅速吸去，包括光和电磁波、红外线及紫外线等都屈服于黑洞强大的引力而无法跑出来，所以天文学家才把这种用很多方法都无法直接探测到的天体命名为黑洞。

不过到了21世纪初叶的今天，科学家已经找到一种有可能彻底揭开黑洞真相的方法，即广义相对论早已述及的引力波理论，这是一种完全不同于传统光电效应的理论：电磁波的能量在辐射途中遭遇星球和暗物质时会被折射、反射和吸收而衰减，引力波却能够不受阻拦地完全自由地通过空间，既不会被宇宙空间中的物质所吸收也不会被反射和折射。它携带真相运行，故应称之为宇宙考古的“活化石”。通过引力波，我们就可以比较直观地看到黑洞：不但能够看到黑洞如何产生，如何旋转，甚至连黑洞中心的奇点也有可能暴露在光天化日之下。不过引力波理论现在还尚未进入实验阶段，相信不久的将来一旦为实验科学所验证，我们也许就会万分惊喜地看到黑洞内部那隐藏得极深的庐山真面目了。

在宇宙中，更多的是与上述密集物质完全相反的地方，即超真空状态的广阔的宇宙空间。那里物质的密度低到每立方厘米只有一个氢原子或碳原子：比地球上的人造真空还要低几个数量级，这几乎已接近绝对真空即物理真空的极限。然而尽管如此，若把银河系整个空间中的星际物质全部加起来，也还要占到银河系有形物质总质量的10%，仅此一点就可看到银河系的庞大。

星际物质包括星际气体和星际尘埃。星际气体包括：气态原子、分子、电子和离子等；星际尘埃是指直径为1/100 000厘米大小的固态物质。它们弥散在星际气体中，大约也要占到星际气体总量的10%左右。星际气体中氢占绝大多数，其次是氦，这说明星际气体中元素的构成部分，和太阳及其他恒星上主要化学元素的构成比例是完全一致的，是宇宙存在的切实的物质基础。星际尘埃则包括石墨、冰状物质、磷、硅酸盐等其他物质，这类物质的种类多，数量少，是形成行星和生命的主要材料。因此，从星际气体和星际尘埃的数量对比的结果来看，宇宙间恒星和行星的总质量与总数量之比，似乎也应该10∶1。不过在太阳系中，恒星与行星的质量比例却要比宇宙的平均数值低得多：太阳本身要占太阳系总质量的99.8%，其他九大行星和彗星及数以万计的小行星的全部之和，加起来也仅相当于太阳质量的0.2%，据此推算即使去掉一个数量级，宇宙间的行星大约也要比我们太阳系的行星多出近10倍，因此可以说宇宙空间中生命存在的概率，也将要比以前所估计的数值要大出10倍左右，这一结果若成定论，则应该是值得我们人类无比欣慰和庆幸的好事。

宏观世界的另一极是微观世界。在微观世界中，所有物质都是由分子所组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。这乃是物质内部深层的物理结构。

别看微观世界极其微小，它们和宏观世界的结构却很相似：宏观世界是行星绕着恒星旋转，微观世界则是电子绕着原子核转；在宏观世界中有引力与反引力，在微观世界则是粒子与反粒子。不过在宏观世界中，引力能够促使星系凝聚；反引力也叫斥力，斥力导致宇宙膨胀。微观世界的粒子和反粒子则不属于同一物理范畴：粒子与我们共存于同一世界，反粒子则完全属于另一时空。它与我们的距离，比人类生死间的距离还要相差十万八千里。至于反粒子也叫反物质，反物质世界是个奇怪的世界，如果宇宙中开始就存在反粒子，那么它们就会自发地组成反原子、反分子、反星球和反星系。但现在除反粒子尚属有据可查以外，其他成分皆在理论或假说阶段——现在宇宙中到底有没有反星系谁也说不准。因为由粒子和反粒子所辐射出来的光子完全相同，所以我们即便看到了反星球或反星系也不会发现，发现了也不希望遭遇，因为据说正反物质一旦遭遇就会毁灭。因此我相信，大概不会有人因猎奇而甘冒自身毁灭的风险。

国际天文学最新研究结果表明：大宇宙中，人类通过各种方式可以观测得到的显物质，大体只占物质总量的4%，其他96%的隐蔽部分全部为暗物质和暗能量。这其中如果说23%的暗物质在现代科学中还算初露端倪的话，那么73%的暗能量到底为何物，以何种方式存在，起到何种作用都还是一个不解的谜。这都是全人类所共同面对的难题，相信如果有一天此类难题一旦得以攻破，人类对于伟大的宇宙的认识一定会产生一个质的飞跃。