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读《大科技》宇宙新理论......有感

不想言说 发表于:04-10-15 14:07

读《大科技》宇宙新理:银河系将成为宇宙中的孤魂野鬼 有感

《大科技》杂志刊登《宇宙新理论:银河系将成为宇宙中的孤魂野鬼 》这篇文章,程度不同地也暴露了该杂志社编辑的水平一般。文章中的疑点太多了。对于该篇文章在发表前起码要请作者说明如下问题:
1.未来的莫一刻是15分钟?还是几十亿、几百亿、上千亿年?宇宙所有的一切包不包括时间?
2.你们是在哪里漂游,就像是个梦,永远到达不了彼岸?
3.宇宙与我们和我们的家——银河系——是什么关系?我们和我们的家——银河系——是在宇宙之中?还是在宇宙之外?
4.作者你见过无光的影子吗?
5.我们的聚居地是宇宙的中心吗?究竟那些迹象表明:所有遥远的星系都在漂离我们而去,而不是我们漂离他们而去呢?
6.宇宙消失后,是哪些遥远的群星只留下一些像孤魂一样暗淡无光的影子?那些像孤魂一样暗淡无光的影子又怎能淡入阴曹地府般深不见底的宇宙中?我们和我们的家——银河系——为什么还会成为宇宙中的孤魂野鬼?
7.黑洞里的影像是什么颜色?永恒不变的东西还会消失吗?
8.作者前面说:一个如幽灵一样的能量正在使宇宙加速膨胀,在未来的某一刻,将把星系、恒星、行星一一撕裂。后面又说:亿万年后,宇宙也将真的成为一个空空荡荡的寂寞之地。也许我们还可以看到一些屈指可数的离银河星系很近的星系,可能只有几千个左右,这些星系不再会屈从于宇宙膨胀理论,由于远离的星系对它们的引力越来越小,直到最后几乎消失......这前后能说得通吗?
9.暗能量是被什么控制着?它最后为什么会失控呢?
10.按照作者你的逻辑推断:未来世界的统治者必将是机器人,对吗?


附:宇宙新理论:银河系将成为宇宙中的孤魂野鬼
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http://www.sina.com.cn 2004年10月12日 09:22 《大科技》杂志
 
  文/木人
  这是一个让人胆战心惊的宇宙新理论:一个如幽灵一样的能量正在使宇宙加速膨胀,在未来的某一刻,这个可怕的能量将把星系、恒星、行星一一撕裂,最终将把所有的一切都撕裂,时间也将终结。
  我们将变成宇宙中的孤魂野鬼?

  就像是个梦,我们在那里漂游,永远到达不了彼岸。宇宙也一样,如我们研究所发现的那样,在不断地漂移远去,注定要消失在时间、空间和物理定律的迷幻中。到那时, 这些遥远的群星只留下一些像孤魂一样暗淡无光的影子,淡入阴曹地府般深不见底的宇宙中,只有那残存的影子记录着他们最后的瞬间。
  今天,越来越多的迹象表明,宇宙正处于一种加速的膨胀中,所有遥远的星系都在漂离我们而去,并且漂离的速度越来越快!随着时间推移,最终那些星系都将以高于光速的速度漂离,从那些星系上发出的光子的速度就赶不上宇宙膨胀的速度,光子所携带的信息再也不能穿过宇宙空间,到达我们所处的银河系的家。

  实际上,那些距离地球六七十亿光年的星系现在已经不能发送新信息到地球上了。这些星系的光谱已经红移了太多。由于宇宙加速膨胀,它们以后再也不能向我们传送任何放射性的信号,所有的星系只留下一个最后的、凝固的影像。我们将再也不能收集到这些星系此后所散发的任何光和其它辐射,它们在时间和空间里被凝结了。这情形有点像黑洞,根据黑洞理论,物质掉到那个黑洞里以后,会留下一个最后的影像,这样洞外还可以看到这个影像,但这只是一个永恒不变、没有活力的影像,把它比作人的遗像也不过分。

  即便是那些凝固的影像也将最终消失。因此,亿万年后,宇宙也将真的成为一个空空荡荡的寂寞之地。也许我们还可以看到一些屈指可数的离银河星系很近的星系,可能只有几千个左右,这些星系不再会屈从于宇宙膨胀理论,由于远离的星系对它们的引力越来越小,直到最后几乎消失,因此这些在银河星系附近的星系与银河系之间的引力会越来越大,这种引力会使它们和我们的银河系的距离越来越近,并最终和我们所在的银河系相撞……

  科学家们估计,距那一天的到来,只有大约不到1000亿年的时间。这意味着,在500亿到1000亿年后,我们将收集不到任何来源于银河系以外的关于星系的新信息。假设这些星系里有文明存在的话,我们也将永远没有办法与他们取得联系。

  我们,银河系,将成为宇宙中的孤魂野鬼。

  想像一下,当所有的星系离我们远去的时候,当我们抬头仰望天空,我们只能看到我们自己的家,那个像“牛奶之路”(银河的英文“Milk Way”直译过来是“牛奶之路”的意思)一样的银河系的时候,当我们再向远处眺望时,只能看到那空荡荡、漆黑一片的世界时,我们是不是也会感觉有点孤单?是不是会感觉自己也像个孤魂野鬼?那些致力于寻找外星文明的科学家们常问这样一句话:Are we alone?(我们孤独吗?)到那时候,是不是整个银河系都要问:Are we alone?

  最终决定宇宙命运的力量

  是什么样的力量使宇宙在不可遏止地膨胀,所有的星系都义无返顾地远离我们而去?最近的研究表明,这是一种澎湃在宇宙所有角落的神秘暗能量。宇宙被暗能量所控制,而我们却看不到它,就像你看到树叶簌簌抖动时,你知道是风吹动了它,但你却看不到风一样。

  这种神秘的暗能量隐蔽得如此之巧妙,连天文学家长时间来都知之甚少。它在太阳系内根本不会被察觉,甚至在我们的银河系中也不会产生任何效应。但是,在星系之间物质更加稀薄的环境下,它的作用会超出引力,使宇宙膨胀加速。

  我们通常把星系之间没有物质的真空地带想象成“什么也没有”,但是,如果我们从星际空间中把其中存在的稀少的物质粒子全部移走,然后将所有穿过这个区域的辐射也全部屏蔽出去,再把这个区域彻底冷却到绝对零度,这样得到的空洞空间仍然会有某种残余的能量,这就是暗能量。所以又有人把暗能量称之为“真空能”,在物理上它表现得更像一个真空。上世纪二三十年代,就有科学家认为真空不空,只是物理的探测仪器探测不到罢了!

  暗能量在宇宙中更像是一种背景,就像是空气对于人类,或者是大海对于鱼儿一样,根本让人感觉不到它的存在,但它确确实实的存在着,且起着非同一般的作用。

  暗能量登上天文学的舞台是在1998年,当时两个天文学家研究小组对遥远星系中爆炸的超新星进行观测之后,发现它们的亮度比预期的要暗,而这意味着它们的位置要比预期的位置远,也就是说它们正在远离地球。天文学家们认为,造成这种现象的原因是:从几十亿年前的某个时刻开始,宇宙的膨胀速度加快了。

  在那以前,天文学家一直以为由于引力的作用,星系彼此施压,宇宙膨胀是逐渐变慢的,最终,宇宙的变化过程会逆转,引力会获胜,而一切又重新收缩回来。但是对超新星的观测结果表明,一股神秘的力量正扮演着引力的反力,导致星系以更快的速度彼此飞离,宇宙终将变成个寒冷、黑暗、没有尽头的世界。

  起初,一些研究者质疑这个结果:也许是超新星的光被星云挡住了呢?亦或是超新星本来就比科学家预想的昏暗呢?但是经过仔细验证,这些猜疑全被粉碎,最后剩下惟一的解释就是暗能量。

  至此,爱因斯坦、霍金和其他聪明的宇宙学家都错了:宇宙中最有影响的力量不是引力,而是以宇宙常量形式存在的“暗能量”。它可能提供了宇宙四种基本力——引力、电磁力、强力和弱力——之外的一种新的基本力:排斥力。

  但是未知的东西仍然还有很多,现在还不清楚,使宇宙膨胀的暗能量是不是现今物理学意义上所描述的能量?或者它只是引力在非常遥远距离的一种不同的表现?它的性质是什么?它的密度有多大?等等。

  暗能量连同此前发现的暗物质,给了我们一幅彻底陌生的宇宙图景。很多天文学家都为此心烦意乱,他们不得不适应一个没有预计到的、怪异的新宇宙。

  人们曾经以为宇宙中除了可见的星系物质外再也空无一物了,然而,大约在60多年前,宇宙学家通过天文观测和理论研究发现,其实在宇宙中,除了普通物质之外还存在着一种神秘的不可见的“暗物质”。普通物质总是能与光发生相互作用,或者在一定的条件下自身就能发光。也就是说,即使普通物质藏身于最黑暗的角落,只要人们拿上手电筒照上一照,总能发现它们。但“暗物质”恰恰相反,它根本不与光发生作用,更不会发光。因为不发光、与光不发生作用,所以在天文上用光的手段绝对看不到它!不管你是用电磁波、无线电,还是用红外射线、伽马射线、X射线,去照射它都毫无用处。科学家只能通过其他手段来间接推导暗物质的存在,而关于暗物质的具体组成成分更是让人一头雾水。

  暗物质的问题还没有搞清,现在,又冒出来一个更玄妙的暗能量,怎能不让天文学家感到突兀和尴尬!

  现在科学家业已证实,在我们的宇宙中,普通发光物质只占宇宙总能量的0.4%,其它的普通物质也只占3.7%,而暗物质占了近23%,另外的73%则是占主导的暗能量。暗物质和暗能量这两个当今宇宙学上让人最捉摸不透的东西,却占了宇宙总能量和物质的96%,一起支配着宇宙的命运。这就意味着,宇宙中居然还有96%的成分我们无从知晓!

  爱因斯坦甩不掉的错误

  从某种意义上讲,暗能量所导致的宇宙排斥力并非是一个全新的想法。爱因斯坦的广义相对论里已包括了反引力的理论,即所谓的宇宙常数。不过就连爱因斯坦自己,以及其后的很多天文学家都仅把它看成了一个和真实宇宙无关的数学发明。在20世纪90年代以前,没有人想过这个常数会在现实中产生巨大影响。

  那是1915年,爱因斯坦发表了他的杰作——广义相对论,广义相对论使我们理解了宇宙空间弯曲的含义,彻底革新了我们的宇宙时空观。1917年,爱因斯坦将广义相对论公式应用到整个宇宙,想看看能否获得对宇宙本质的新认识。当时,所有人都相信,宇宙是封闭而静止的——既不膨胀,也不收缩。但爱因斯坦的公式却让他十分惊讶:公式表明宇宙要么在膨胀,要么在收缩,但就是不能保持静止!

  面对着如此不符合“常识”的公式,爱因斯坦觉得他唯一的选择就是引进一个附加因素,以使他的理论导出一个静止不变的宇宙。这个附加因素就是宇宙常数,宇宙常数更准确的说法应该是“宇宙常量”,它代表着真空中有一种看不见的能量,其密度是一个常数,会产生宇宙排斥力。我们只要调整这个常数,就可以平衡引力与宇宙排斥力,而得到静止且封闭的宇宙。

  然而伟大的爱因斯坦很快就被闹了个大红脸。1929年,天文学家哈勃发表了他的宇宙膨胀观测结果——所有的星系都正离我们远去,我们的宇宙不是稳态的,是在膨胀的——这个观测完全改写了人类的宇宙观。原先那个没有包含“宇宙常数项”的爱因斯坦方程式,恰恰就描述了一个膨胀中的开放宇宙,爱因斯坦后在方程中加进的宇宙常数成了多余的累赘。

  1930年爱因斯坦还为了哈勃的这个观测而造访威尔逊山天文台,有张照片记录了这次20世纪最伟大的物理学家与天文学家的相遇——爱因斯坦乖乖地盯着望远镜的目镜,哈勃得意洋洋地在旁边抽着烟斗。自此,爱因斯坦抛弃了自己过去信奉的稳态宇宙理论,宇宙常数也被爱因斯坦视为其一生中最大的错误而丢入垃圾桶。

  然而,爱因斯坦真的错了吗?

  这里,有必要指出的是,一个没有加进“宇宙常数项”的爱因斯坦公式虽然也能推导出一个膨胀的宇宙,但其膨胀速度总是逐渐减慢,而不可能越来越快,这就是说,宇宙在极早期一段极速的膨胀后,膨胀的速度便该慢慢减少。这是因为宇宙中物质引力造成的效应,就好比你把一颗球往上抛,地球的引力会让这颗球的上升速度越来越慢一样。而宇宙中到底有多少物质,便决定宇宙到底是会无穷尽地膨胀下去,还是终有一天为因物质的引力而再缩回成为一点。但无论如何,如果我们只把引力考虑进去的话,宇宙的膨胀总是要越来越慢的。

  然而,真实的宇宙永远超出我们的想象。今天,更多的观测事实一再显示,我们宇宙的膨胀速度,非但没有因物质的引力作用而越来越慢,反而越来越快!宇宙正在加速膨胀,这就证明了宇宙排斥力存在,这个排斥力的来源就是充盈宇宙的暗能量。

  这个暗能量有一个奇怪的特性,就是空间无论怎么扩张,其密度总是恒定不变,而不会随着空间的扩大而稀薄。要理解这一点并不难,鉴于暗能量自身的性质,它在任何虚无的空间中都是存在的,空间每扩大一点,真空中的暗能量也就随之增加一点,空间扩大的地方,就是暗能量产生的地方,所以暗能量的密度总是不变的。与之相比,宇宙空间的物质总量却是基本恒定的,当空间不断扩大,物质的密度就会不断下降,物质宇宙中越来越稀薄。

  这一切意味着什么呢?很明显,随着宇宙空间的扩张,暗能量在宇宙中所占的比例将会越来越大。它所产生的宇宙斥力也越来越强大,很快就超过宇宙中的万有引力,使宇宙的膨胀速度不断加快。

  宇宙常数就是指这种宇宙空间中恒定的能量密度,它本来描述了宇宙的真实状况,却不能被几十年前的科学家所理解,落得个被抛弃的命运。

  现在,宇宙常数起死回生了,爱因斯坦视为一生中最大的错误,到头来竟是对的。虽然,宇宙依旧不是如爱因斯坦早年所想的那般静止不动,但至少,宇宙常数不为零现在已是大多数人所接受的“事实”。这段宇宙常数被发明、被扬弃、又死而复活的历史告诉我们,今日被大多数人或被学术权威相信是正确的事,明日很可能会被证明是错的。

  暗能量两次改变宇宙进程

  这里有一个奇怪的问题:为什么宇宙常数可以帮助爱因斯坦的公式导出一个静态的宇宙,而到了今天宇宙常数复活时却又导出了一个加速膨胀的宇宙?

  我们在前面说过,宇宙暗能量是一个定量,能量密度不会随宇宙体积增加而降低,也就是说无论宇宙大小,暗能量的密度都是一个固定值。这样的行为和其它我们熟悉的能量形式,如辐射(光子)能量和一般粒子能量都不一样,这类可观测的能量密度会随宇宙膨胀而下降。而正是因为暗能量的性质怪异,它才能够提供不寻常的宇宙排斥力。随着宇宙空间的不断膨胀,宇宙间物质密度不断降低,而宇宙排斥力却固定不变,这样,曾经帮助爱因斯坦使宇宙静止的宇宙排斥力(宇宙常数)现在成了宇宙加速膨胀的推进剂。

  宇宙排斥力的作用曾经使整个宇宙的历史产生过两个转折点。第一次是在宇宙起源之初,在第一秒刚开始的某一时刻,宇宙的尺度突然急剧猛增,那就是我们通常所说的宇宙剧烈暴胀阶段。这个阶段宇宙的膨胀是指数式的,也就是说,在每个固定时间周期里宇宙尺度就扩大一倍。我们假设这个时间周期为1个滴答,那么,2个滴答之后尺度增大到4倍;3个滴答,尺度增加到8倍;10个滴答,这个空间区域膨胀到1000倍以上。在那个暴胀期间,暴胀力异常之强,使得大约每隔100亿亿亿亿分之一秒(10-34秒)宇宙尺度就扩大一倍。这几乎是个无限小的时间间隔,它就是前面所说的1个滴答。仅仅100个滴答后,一个原子核大小的区域就会暴胀到大约1光年的直径。

  为什么宇宙表现出这样诡异的行为?这主要是由于早期宇宙完全被真空暗能量所控制,而那时的宇宙几乎还没有任何物质粒子,因此也就几乎没有任何引力对膨胀起刹车作用,只有强大到几近失控的排斥力造成宇宙的尺度增长得越来越快。

  暴胀造成的尺度急剧猛增也解释了我们现在的宇宙为何在各个方向上都如此均匀,因为宇宙任何初始的不规则性都会被空间扩展抹平,这非常像一只汽球,当它胀大时其上的皱纹便会消失。同样,不同方向上早期膨胀速度的任何变化也很快被急剧的暴胀所淹没,因为暴胀在各个方向上都有相同的作用力。

  后来,随着宇宙温度逐渐冷却,宇宙中结团成块的物质逐渐增加,从粒子到原子、到星云、到恒星和星系,物质密度越来越大,这就意味着物质的引力作用越来越强,并渐渐在与暗能量的抗衡中占了上风,使宇宙膨胀的速度缓慢下来。

  然而,大约六七十亿年前,暗能量又一次改变了宇宙的历程。根据最新的观测资料,天文学家估计,那个时期物质引力失去了对宇宙的控制,控制权再次落入了神秘的暗能量之手。这个变化的具体原因迄今无人知晓,最大的可能是,那时期宇宙物质在持续数十亿年密集产生后,进入一个平稳时期,物质产生的数量在逐渐变少,而宇宙仍旧在不断膨胀,致使宇宙空间中物质密度随宇宙体积增加而不断降低,但暗能量的密度却还是恒定的,因此宇宙的排斥力在与物质引力的较量中重新占了上风。

  自那以后,宇宙间物质密度愈见稀少,而暗能量密度却始终恒定,因此,宇宙加速膨胀终成定局。

    万物将被撕裂,宇宙将终结

  星系不断地漂移远去,宇宙终将变得寒冷、黑暗、没有尽头,是我们不可避免的命运吗?而这,还远不是宇宙最令人心寒的结局——宇宙可能还有一种更悲惨的下场。

  目前,关于暗能量的来源主要有两种理论。一种观点认为,暗能量类似爱因斯坦“宇宙常数” 所假设的,是一种从真空中弥漫出来的能量,不会随时间改变,密度固定。但也有科学家提出,暗能量与一种变化的动态能量场相关,密度随时间而改变。

  按照暗能量稳定存在的假设,宇宙将会永远加速膨胀下去;而如果暗能量本身不稳定,那么宇宙有可能迎来动荡的末日。已经有迹象表明,这种动态的能量场似乎正变得日益强大,宇宙中暗能量的密度有不断增加的趋势。这意味着,爱因斯坦所发现的宇宙常数似乎在随着时间的推移在增长。

  如果真是这样,那宇宙的前景将更加悲惨。暗能量越来越大,直到最后失控,不仅使宇宙膨胀的速度增加,更使其加速度也在不断增加,结果将是一场宇宙大崩裂!

  要理解这个问题,你可以想像一下,一辆小车每行进1公里,它的速度就增加了10公里/小时,然后每行进100米又增加了10公里/小时,然后每行进1米又增加了10公里/小时。这样的速度是多么恐怖!过不了多久,汽车就会被自身的加速度撕裂,很快,我们的汽车发动机也将四分五裂,不管我们花费多少心血都没有意义。

  显然,宇宙的情况也是如此。如果宇宙仅仅是速度增加,而加速度是恒定的,正如前文所述,所有的星系最终都将超越光速相互退行漂离,结果,每个星系都会在一个寒冷、黑暗的宇宙里像幽灵一样的漂荡。但加速度的急剧变化将使宇宙膨胀的速度快到不可思议,强大的暗能量将撕裂宇宙中所有捆绑在一起的物体,它会撕裂星系的星群,它会撕裂恒星,它会撕裂行星和太阳系,直至最终撕裂一切。

  这就是加速度增加与速度增加的不同。

  而这一切都取决于宇宙中暗能量的密度是不是在不断增加。

  如果暗能量真是如某些科学家所估计的那样正变得日益强大,那么宇宙的终结时间恐怕连500亿年都不到了,也许只有200亿年。如果我们人类能在以后的200亿年中能幸存下来(由于太阳只剩下50亿年的寿命,这看起来疑云重重),到时候科学家们就能看到一些迹象。
  ——在大裂变前10亿年,所有的星系会离我们非常非常遥远,就像是在空间中被蒸发了,再也看不到了;
  ——大裂变前的6000万年,银河系也分崩离析;
  ——大裂变前的3个月,我们太阳系的行星也飞离(假如它们还存在的话);
  ——当地球爆炸时,最后的时刻也就到来了;
  ——当最后30分钟来临的时候,原子甚至原子核也要崩裂了;
  ——时间终止了。
  后来会发生什么? 宇宙会再循环聚合吗? 一切都不再可知。
  暗能量,这个躲藏在黑暗中的神秘力量,乃是宇宙命运的真正主宰!