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《天问》新篇:科学家正竭力破解的三个宇宙奥秘

2021-05-20王瑞良

科学大众 2021年10期
关键词:天问银河系天文学家

□文/王瑞良

一位智者曾指出,未曾仰望星空的人不可能有深刻的思想,而探索宇宙的激情能为人们铸就宽广的胸怀和纯洁的心灵。当我们建立起清晰的宇宙观念并彻悟自身的确切位置时,科学就会成为信仰的一部分。不断开拓知识的疆界,走向宏大和辽阔,是我们每一代人不懈的追求和无上的荣光。正是在这一杰出思想的激励下,一代又一代天文学家在探索宇宙奥秘的征程中不畏艰险、勇于攀登,获得了一个又一个的新发现、新成就。

宇宙何处是“尽头”

人们通常习惯于用浩瀚无垠来形容宇宙之大。那么,宇宙究竟有多大?它的“尽头”在何处?在科学技术发展的不同阶段,人们对此的认识和回答是大不相同的。

在20世纪以前的许多个世纪里,人们认为太阳系几乎就是一切,不相信太阳系以外还可能存在其他星球。到1900年,人们又认为太阳系所属的银河系就相当于整个宇宙。至于宇宙的大小,当时最大胆的估计是宽约2万光年,其中像太阳一样的恒星,有20亿~30亿颗。

1920年,根据当时掌握的测量恒星距离的新方法,天文学家哈洛·沙普利等人算出了银河的宽度是10万光年,其中包含的恒星总数达2 000亿~3 000亿颗。同20年前相比,银河“扩大”了很多,而且这极度扩大了的银河,并不是宇宙的全部。

差不多与此同时,天文学家认识到宇宙是由许多个像银河系一样的星系集成的,每个星系由几十亿到几万亿颗星体组成。而且,宇宙不是静态的,成群存在的星系彼此相互分离,它们之间的距离越来越大,好像宇宙在不断“膨胀”。

1929年,美国天文学家爱德温·哈勃等人设计出了确定星系距离的多种方法,证明即使是离我们比较近的星系(例如仙女座星系),离我们也有230万光年。

20世纪60年代,人们发现某些曾被认为是我们星系中暗淡的恒星,实际上离我们的星系非常遥远,它们被称为“类星体”。这些类星体,最近的离我们也有10亿光年,远的则有120亿光年以上。

如果把目前人们对宇宙的认识同1900年相比,那么,现在了解的宇宙要比当年设想的大100万倍。这个范围已远远超出当时“独一无二”的银河系,而包括数以千亿计的类似银河系的其他星系。

按照“宇宙大爆炸”的模型,可以计算出宇宙的年龄为160亿年。这就是说,宇宙“尽头”的距离理论上应是160亿光年。但是,据2019年5月NBC新闻报道,一项最新研究表明,“宇宙大爆炸”发生在125亿~130亿年前,据此可推算出宇宙的“尽头”不会超过130亿光年。

宇宙究竟有多大?它的“尽头”究竟在何处?也许将永远是个谜。不过,人们总还是希望找到答案。随着观测设备的改进和观测技术的提高,人类对宇宙的认识将不断深化,也许有朝一日,能够更准确地推算出宇宙的年龄,从而找到真正的宇宙“尽头”吧。

在科技发展的不同阶段,人们对宇宙的认识是大不相同的 供图/锐景创意

天上星星知多少

每个人在孩提时代大概都有过这样的梦幻经历:在繁星满天的夜晚,仰望天空数星星,一颗、两颗、三颗……总也数不清。这或许是人类探求未知的本能使然。这种本能延续下来,使得一些天文学家多年来一直在孜孜不倦地从事着“数星星”这种异常艰难的工作。

我们肉眼可见的星体,其实大部分都是恒星。在浩瀚无垠的宇宙中,究竟有多少颗星星?迄今为止,没有任何一位科学家能够说清楚这个问题。但是,相对准确的答案已经有了。

答案之一:7×1022颗。这是澳大利亚国立大学天文学和天体物理学研究院的西蒙·德赖弗教授公布的一项计算结果。这个数字是什么样的概念呢?打一个通俗的比方,把地球上所有海滩和沙漠里的沙粒加起来,也没有这么多。德赖弗教授是怎样计算出这一结果的呢?他们使用射电望远镜进行观测,首先计算出离地球较近的一片空间里有多少个星系;然后通过测量星系的亮度,估计出每个星系里有多少颗星星;接下来,再根据这个数字来推断在可见的宇宙空间里有多少颗星星。

答案之二:1 000亿的1万亿倍颗。另一种对宇宙各星系恒星数量的估计是1 000亿的1万亿倍颗,这曾经是以美国著名天文学家卡尔·萨根为代表的不少天文学家的普遍看法。他们认为,宇宙空间共有1 000亿个星系,每个星系(包括银河系)有1 000亿到1万亿颗恒星。在估计恒星总数时,萨根的假设是所有星系中矮星(这是宇宙中最常见的恒星)的比例都与螺旋形的银河系一样。他说,“我们对宇宙的很多了解,大都基于我们在自身所处的银河系内部所做的、然后推广到其他星系的观测和结论”。

答案之三:3×1023颗。萨根教授的结论公布不久,即招来一些天文学家的质疑。他们认为,宇宙中大约有1/3的星系是椭圆形的,并非如萨根所说是螺旋形的,而且这些星系的构成方式也与银河系不同。他们观测研究的结果是,宇宙中恒星的数量应当是3×1023颗。

以上都是一些难以想象的巨大数字,即使对习惯于与光年、万亿打交道的天文学家来说也是如此。国际天文学界在肯定这些研究成果的同时也指出,以上这些数字并不代表就是整个宇宙中星星的终极数量,而是在现代科技手段力所能及的范围内,计算出的相对准确的结果。真正的数字可能会比这个大得多,甚至是无穷大。

宇宙的“尽头”究竟在何处,也许将永远是个谜 供图/锐景创意

宇宙终结啥模样

达尔文的《进化论》告诉我们:世上的任何事物,都会经历一个由发生到发展,再到终结的过程,宇宙也不例外。这不免令人产生一种莫名的恐惧。其实大可不必“杞人忧天”,因为这种情形即使发生,也是在极其遥远的未来(有一种理论认为宇宙的寿命至少还有1 400亿年),对今天的人类生活不会产生影响。而且据最新的观测结果,宇宙的终结不会突然发生,不会突然出现另一次“大爆炸”形成熊熊燃烧的大火将一切烧毁,而是会随着时间的推移,逐渐衰变成一种永恒的、冰冷的黑暗状态。这情形就像是一位老人重重地坐在沙发上,盖上毯子,等待安息。

探索宇宙的奥秘,是人类永恒的追求 供图/锐景创意

至于宇宙终结的具体形态,或者说它将来究竟会呈现一种什么样子,由于这件事情距离我们实在太过遥远,目前科学家尚难给出一个明晰的答案。但是,几种最为大众所接受的理论已有了。

“大撕裂”假说。这种假说认为,由“大爆炸”而诞生的宇宙,就好比一个贴有不同图片(星系)的气球。由于一种神秘莫测的暗能量的作用,这些图片(星系)会以过山车的速度快速持续膨胀,从而促使星系相互分离,最终把原子核从原子中撕扯出来,并撕裂宇宙中存在的一切,使宇宙分崩离析。

“大冻结”假说。这种假说认为,当宇宙“步入老年”时,恒星形成所需的气体逐渐被消耗殆尽,从而停止发光。同时,宇宙温度也渐渐趋近绝对零度,任何宏观物理过程和生命都将不复存在,整个宇宙将逐渐陷入一片黑暗混沌的“大冻结”(也称“热寂”)状态。由于人们对暗能量的本质属性知之不多,因此宇宙未来的命运可能是“大撕裂”,也可能是“大冻结”,或者是先发生“大冻结”,再进入“大撕裂”。

“大挤压”假说。这种假说或许最能激发公众的想象力:在宇宙各种“力”和“能”的长期博弈中,万有引力最终获胜,从而使宇宙回到“大爆炸”之前的状态,正如一根弹簧在拉伸后会收缩一样。这个过程也被称为“大挤压”,它与宇宙“原路返回”不同。换句话说,不像电影倒带那样。也有科学家认为,在这种“大挤压”之后,“大爆炸”会反复出现,这种循环往复的情形也被称为“大反弹”。

除此以外,关于宇宙终结的假说,还有“大坍缩”“大吞噬”和“伪真空”等。

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