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未来宇宙 的联想
发布时间:2018-4-4  阅读次数:338  字体大小: 【】 【】【
  
  
未来宇宙 的联想
  作者:霍金     来源:百度百科





宇 宙 的 未 来



《宇宙的未来》是霍金1991年1月在剑桥大学的一次讲演录。这篇讲演,从古代巫师的预言,谈到近代宗教预言,再过渡到对宇宙未来的讨论。
主要探讨了宇宙未来的两种命运:一是继续膨胀下去,一是收缩以至于坍缩成一个点。膨胀还是收缩,取决于宇宙的平均密度。运用天体物理学理论,对宇宙的未来作出科学的论断,这是科学家与巫师不同之处。
  • 中文名

  • 宇宙的未来

  • 演讲者

  • 斯蒂芬·霍金

  • 地        点

  • 剑桥大学

  • 时        间

  • 1991年1月

目录

  1. 1  作者简介

  2. 2  原文欣赏

  3. 3  背景知识

  4. 4  内容理解

  5. 5  演讲特点

  6. 6  有关资料

作者简介

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斯蒂芬·霍金是继阿尔伯特·爱因斯坦之后最杰出的物理学家。霍金1942年出生于英国牛津,先后就读于牛津大学和剑桥大学,学习数学、物理学和宇宙学。1963年,霍金经诊断得了肌萎缩性侧索硬化症。这种病会引起肌肉萎缩,导致瘫痪;说话会越来越困难,直至完全丧失语言能力;患者通常因并发肺炎或窒息而死亡。不过,患者的思维能力包括记忆能力不受影响。医生告诉霍金他最多只能活两年。在经历了一段短暂的失望和沮丧后,霍金又开始了他的宇宙学研究。霍金后来在相对论、“大爆炸”和黑洞等领域取得了突出的研究成果。霍金1988年出版的宇宙学著作《时间简史:从大爆炸到黑洞》,是一部里程碑式的畅销书。霍金被确诊患病已40多年,但他仍孜孜于宇宙起源的理论研究,仍在为大统一理论而耕耘不已。霍金现任剑桥大学卢卡斯数学教授,这也是牛顿爵士曾担任过的职位。

原文欣赏

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节选自《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》(湖南科学技术出版社1995年版)。杜欣欣、吴忠超译。史蒂芬·霍金,英国理论物理学家,1942年1月生于英国的牛津。先后在牛津大学物理系和剑桥大学物理系学习,23岁获博士学位。21岁时,患上一种运动神经细胞病,以致全身不能动弹,不能说话。他身残志坚,在大爆炸、黑洞等宇宙学理论上取得了举世瞩目的成就,被誉为当代的爱因斯坦。他的科普著作《时间简史》在全世界行销数千万册,极大地增进了人们对宇宙的认识。现任英国剑桥大学卢卡逊数学讲座教授。本文是霍金1991年1月在剑桥大学的一次讲演录。
这篇讲演的主题是宇宙的未来,或者不如说,科学家认为将来是什么样子的。预言将来当然是非常困难的。我曾经起过一个念头,要写一本题为《昨天之明天:未来历史》的书。它会是一部对未来预言的历史,几乎所有这些预言都是大错特错的。但是尽管有这些失败,科学家仍然认为他们能预言未来。(尽管预言宇宙的未来有困难,但科学家仍未失去信心。)
在非常早的时代,预言未来是先知或者女巫的职责。这些通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人。周围的牧师把她们的咒语翻译出来,而真正的技巧在于解释。古希腊的德勒菲的著名巫师以模棱两可而臭名昭著。当这些斯巴达人问道,在波斯人攻击希腊时会发生什么时,这巫师回答道:要么斯巴达会被消灭,(古代巫师的预言,诀窍在于可以随意作出解释。)要么其国王会被杀害。我想这些牧师盘算,如果这些最终都没有发生,则斯巴达就会对阿波罗太阳神如此之感恩戴德,以致忽视其巫师作错预言的这个事实。事实上,国王在捍卫特莫皮拉隘道〔特莫皮拉隘道〕一般译作“温泉关”的一次拯救斯巴达并最终击败波斯人的行动中丧生了。。公元前480年,波斯国王薛西斯一世率领大军五十多万、战舰千艘,越过达达尼尔海峡,水陆两路进犯希腊。斯巴达国王列奥尼达斯率领300名斯巴达士兵在温泉关顽强抵抗波斯军,全部战死。波斯军队占领雅典,大肆焚掠。希波战争是希腊诸城邦反抗波斯侵略和压迫的战争,最后以希腊的胜利而结束。
另一次事件,利迪亚〔利迪亚〕一般译作“吕底亚”,小亚细亚西部的奴隶制国家,在现在的土耳其境内。的国王克罗修斯〔克罗修斯〕一般译作“克罗伊斯”,吕底亚的末代国王(约前560—前546年在位)。公元前546年,波斯国王居鲁士攻破其首都萨狄斯,被俘。据说他是古代的巨富之一,他的名字已成为“富豪”的同义语。,这位世界上最富裕的人有一次问道:如果他侵略波斯的话会发生什么。其回答是:一个伟大的王国将会崩溃。克罗修斯以为这是指波斯帝国,殊不知正是他自己的王国要陷落,而他自己的下场是活活地在柴堆上受火刑。
近代的末日预言者为了避免尴尬,不为世界的末日设定日期。这些日期使股票市场下泻。虽然它使我百思不解,为何世界的终结会使人愿意用股票来换钱,假定你在世界末日什么也带不走的话。
迄今为止,所有为世界末日设定的日期都无声无息地过去了。但是这些预言家经常为他们显然的失败找借口解释。例如,第七日回归的创建者威廉·米勒〔威廉·米勒〕(1782—1849)美国纽约州农民,近代基督复临运动的创始人。从1831年起开始传道,根据《但以理书》的某些章节推算出基督将于1843年或1844年3月21日第二次降临,赢得了成千上万的追随者。预言虽然失败,但该派仍坚持教义,并于1863年成立了基督复临安息日会。预言,耶稣的第二次到来会在1843年3月21日至1844年3月21日间发生。在没有发生这件事后,这个日期就修正为1844年10月22日。当这个日期通过又没有发生什么事后,又提出了一种新的解释。据说,1844年是第二次回归的开始,但是首先要数出获救者名单。只有数完了名单,审判日才降临到那些不列在名单上的人。幸运的是,数人名看来要花很长的时间。
当然,科学预言也许并不比那些巫师或预言家的更可靠些。人们只要想到天气预报就可以了。但是在某些情形下,我们认为可以做可靠的预言。宇宙在非常大的尺度下的未来,便是其中一个例子。
我们在过去的三百年间发现了制约在所有正常情形下物体的科学定律。我们仍然不知道制约在极端条件下物体的精确的定律。那些定律在理解宇宙如何起始方面很重要,但是它不影响宇宙的未来演化,除非直到宇宙坍缩成一种高密度的状态。事实上,我们必须花费大量金钱建造巨大粒子加速器去检验这些高能定律,便是这些定律对现在宇宙的影响是多么微不足道的一个标志。
即便我们知道了制约宇宙的有关定律,我们仍然不能利用它们去预言遥远的未来。这是因为物理方程的解会呈现出一种称作混沌的性质。这表明方程可能是不稳定的:在某一时刻对系统作非常微小的改变,系统的未来行为很快会变得完全不同。例如,如果你稍微改变一下你旋转轮赌盘的方式,就会改变出来的数字。你在实际上不可能预言出来的数字,否则的话,物理学家就会在赌场发财。
在不稳定或混沌的系统中,一般地存在一个时间尺度,初始状态下的小改变在这个时间尺度将增长到两倍。在地球大气的情形下,这个时间尺度是五天的数量级,大约为空气绕地球吹一圈的时间。人们可以在五天之内作相当准确的天气预报,但是要做更长远得多的天气预报,就既需要大气现状的准确知识,又需要一种不可逾越的复杂计算。我们除了给出季度平均值以外,没有办法对六个月以后作具体的天气预报。
我们还知道制约化学和生物的基本定律,这样在原则上,我们应能确定大脑如何工作。但是制约大脑的方程几乎肯定具有混沌行为,初始态的非常小的改变会导致非常不同的结果。这样,尽管我们知道制约人类行为的方程,但在实际上我们不能预言它。科学不能预言人类社会的未来或者甚至它有没有未来。其危险在于,我们毁坏或消灭环境的能力的增长比利用这种能力的智慧的增长快得太多了。
宇宙的其他地方对于地球上发生的任何事物根本不在乎。绕着太阳公转的行星的运动似乎最终会变成混沌,尽管其时间尺度很长。这表明随着时间流逝,任何预言的误差将越来越大。在一段时间之后,就不可能预言运动的细节。我们能相当地肯定,地球在相当长的时间内不会和金星相撞。但是我们不能肯定,在轨道上的微小扰动会不会积累起来,引起在十几亿年后发生这种碰撞。太阳和其他恒星绕着银河系的运动,以及银河系绕着其局部星系团的运动也是混沌的。我们观测到,其他星系正离开我们运动而去,而且它们离开我们越远,就离开得越快。这意味着我们周围的宇宙正在膨胀:不同星系间的距离随时间而增加。
我们观察到的从外空间来的微波辐射〔微波辐射〕指宇宙微波背景辐射,即来自宇宙空间背景上的各个方向同性的微波辐射,是宇宙之初“大爆炸”的余热,温度比开氏绝对零度高2.7度,习惯上称为3K辐射。1965年美国科学家彭齐亚斯和威尔逊因共同发现宇宙微波背景辐射而获1978年诺贝尔物理学奖。背景给出这种膨胀是平滑而非混沌的证据。你只要把你的电视调到一个空的频道就能实际观测到这个辐射。你在屏幕上看到的斑点的小部分是由太阳系外的微波引起的。这就是从微波炉得到的同类的辐射,但是要更微弱得多。它只能把食物加热到绝对温度〔绝对温度〕即开氏温度,1848年由英国物理学家开尔文(1824—1907)提出,1960年第十一届国际计量大会规定热力学温度以开尔文为单位。开氏的零度称为“绝对零度”,等于零下摄氏273.15度。③〔哥白尼(1473—1543)〕波兰天文学家,太阳中心说的创立者,近代天文学的奠基人。的2.7度,所以不能用来温热你的外卖皮萨〔皮萨〕一种意大利式的馅饼。。人们认为这种辐射是热的早期宇宙的残余。但是它最使人印象深刻的是,从任何方向来的辐射量几乎完全相同。宇宙背景探索者卫星已经非常精确地测量了这种辐射。从这些观测绘出的天空图可以显示辐射的不同温度。在不同方向上这些温度不同,但是差别非常微小,只有十万分之一。因为宇宙不是完全光滑的,存在诸如恒星、星系和星系团的局部无规性,所以从不同方向来的微波必须有些不同。但是,要和我们观测到的局部无规性相协调,微波背景的变化不可能再小了。微波背景在所有方向上能够相等到100 000分之99 999。
上古时代,人们以为地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一样的事实,对于他们而言毫不足怪。然而,从哥白尼③时代开始,我们就被降级为绕着一颗非常平凡的恒星公转的一颗行星,而该恒星又是绕着我们看得见的不过是一千亿个星系中的一个典型星系的外边缘公转。我们现在是如此之谦和,我们不能声称任何在宇宙中的特殊地位。所以我们必须假定,在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。这只有在如果宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同时才有可能。平均密度或膨胀率的大区域的任何变化都会使微波背景在不同方向上不同。这表明,宇宙的行为在非常大尺度下是简单的,而不是混沌的。因此我们可以预言宇宙遥远的未来。
因为宇宙的膨胀是如此之均匀,所以人们可按照一个单独的数,即两个星系间的距离来描述它。现在这个距离在增大,但是人们预料不同星系之间的引力吸引正在降低这个膨胀率。如果宇宙的密度大于某个临界值,引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压。这和起始宇宙的大爆炸相当相似。大挤压是被称作奇性的一个东西,是具有无限密度的状态,物理定律在这种状态下失效。这就表明即便在大挤压之后存在事件,它们要发生什么也是不能预言的。但是若在事件之间不存在因果的连接,就没有合理的方法说一个事件发生于另一个事件之后。也许人们可以说,我们的宇宙在大挤压处终结,而任何发生在“之后”的事件都是另一个相分离的宇宙的部分。这有一点像是再投胎。如果有人声称一个新生的婴儿是和某一死者等同,如果该婴儿没从他的以前的生命遗传到任何特征或记忆,这种声称有什么意义呢?人们可以同样地讲,它是完全不同的个体。
如果宇宙的密度小于该临界值,它将不会坍缩,而会继续永远膨胀下去。其密度在一段时间后会变得如此之低,引力吸引对于减缓膨胀没有任何显著的效应。星系们会继续以恒常速度相互离开。
这样,对于宇宙的未来其关键问题在于:平均密度是多少?如果它比临界值小,宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大,宇宙就会坍缩,而时间本身就会在大挤压处终结。然而,我比其他的末日预言者更占便宜。即便宇宙将要坍缩,我可以满怀信心地预言,它至少在一百亿年内不会停止膨胀。我预料那时自己不会留在世上被证明是错的。
我们可以从观测来估计宇宙的平均密度。如果我们计算能看得见的恒星并把它们的质量相加,我们得到的,不到临界值的百分之一左右。即使我们加上在宇宙中观测到的气体云的质量,它仍然只把总数加到临界值的百分之一。然而,我们知道,宇宙还应该包含所谓的暗物质,即是我们不能直接观测到的东西。暗物质的一个证据来自于螺旋星系。存在恒星和气体的巨大的饼状聚合体。我们观测到它们围绕着自己的中心旋转。但是如果它们只包含我们观测到的恒星和气体,则旋转速率就高到足以把它们甩开。必须存在某种看不见的物质形式,其引力吸引足以把这些旋转的星系牢牢抓住。
暗物质的另一个证据来自于星系团。我们观测到星系在整个空间中分布得不均匀,它们成团地集中在一起,其范围从几个星系直至几百个星系。假定这些星系互相吸引成一组从而形成这些星系团。然而,我们可以测量这些星系团中的个别星系的运动速度。我们发现其速度是如此之高,要不是引力吸引把星系抓到一起,这些星系团就会飞散开去。所需要的质量比所有星系总质量都要大很多。这是在这种情形下估算的,即我们认为星系已具有在它们旋转时把自己抓在一起的所需的质量。所以,在星系团中我们观测到的星系以外必须存在额外的暗物质。
人们可以对我们具有确定证据的那些星系和星系团中的暗物质的量作一个相当可靠的估算。但是这个估算值仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右。这样,如果我们仅仅依据观测证据,则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。再过五十亿年左右,太阳将耗尽它的核燃料。它会肿胀成一颗所谓的红巨星〔红巨星〕光谱呈橙色、红色的巨星称为红巨星。其形成是因为在恒星演化过程中,由于内部核燃料的耗尽,热核反应的速率减弱,打破了引力与辐射压之间的平衡,恒星的外壳开始燃烧膨胀。,直到它把地球和其他更邻近的行星都吞没。它最后会稳定成一颗只有几千英里尺度的白矮星白矮星〕一类低光度、高温度、高密度的简并态恒星,是恒星演化的一种归宿。当恒星经过红巨星阶段损失大量质量后,剩下的质量若小于1.44个太阳质量,这颗恒星就演化成白矮星。。我正在预言世界的结局,但这还不是。这个预言还不至于使股票市场过于沮丧。前面还有一两个更紧迫的问题。无论如何,假定在太阳爆炸的时刻,我们还没有把自己毁灭的话,我们应该已经掌握了恒星际旅行的技术。
在大约一百亿年以后,宇宙中大多数恒星都已把燃料耗尽。大约具有太阳质量的恒星不是变成白矮星就是变成中子星〔中子星〕恒星在核能耗尽后,经过引力坍缩,依靠简并中子的压力与引力平衡形成的星体。,中子星比白矮星更小更紧致。具有更大质量的恒星会变成黑洞〔黑洞〕一种特殊的天体,是时间—空间的一个区域。它的基本特征是有一个封闭的视界。由于引力强大,就连光也不能从中逃逸出来,所以黑洞是看不见的。。黑洞还更小,并且具有强到使光线都不能逃逸的引力场。然而,这些残留物仍然继续绕着银河系中心每一亿年转一圈。这些残余物的相撞会使一些被抛到星系外面去。余下的会渐渐地在中心附近更近的轨道上稳定下来,并且最终会集中在一起,在星系的中心形成一颗巨大的黑洞。不管星系或星系团中的暗物质是什么,可以预料它们也会落进这些非常巨大的黑洞中去。
因此可以假定,星系或星系团中的大部分物体最后在黑洞里终结。然而,我在若干年以前发现,黑洞并不像被描绘的那样黑。量子力学的不确定性原理〔量子力学的不确定性原理〕即德国物理学家海森伯(1901—1976)提出的测不准原理。它的量子力学意义是不能在同一个态中同时准确测量出粒子的位置和速度。讲,粒子不可能同时具有定义很好的位置和定义很好的速度。粒子位置定义得越精确,则其速度就只能定义得越不精确,反之亦然。如果在一颗黑洞中有一颗粒子,它的位置在黑洞中被很好地定义,这意味着它的速度不能被精确地定义。所以粒子的速度就有可能超过光速,这就使得它能从黑洞逃逸出来,粒子和辐射就这么缓慢地从黑洞中泄漏出来。在一颗星系中心的巨大黑洞可有几百万英里的尺度。这样,在它之内的粒子的位置就具有很大的不确定性。因此,粒子速度的不确定性就很小,这表明一颗粒子要花非常长的时间才能逃离黑洞。但是它最终是要逃离的。在一个星系中心的巨大黑洞可能花10(九十次方)年的时间蒸发掉并完全消失,也就是“1”后面跟90个“0”。这比宇宙现在的年龄要长得多,它是1010年,也就是“1”后面跟10个“0”。如果宇宙要永远膨胀下去的话,仍然有大量的时间可供黑洞蒸发。
永远膨胀下去的宇宙的未来相当乏味。但是一点也不能肯定宇宙是否会永远膨胀。我们只有大约为使宇宙坍缩的需要密度十分之一的确定证据。然而,可能还有其他种类的暗物质,还未被我们探测到,它会使宇宙的平均密度达到或超过临界值。这种附加的暗物质必须位于星系或星系团之外。否则的话,我们就应觉察到了它对星系旋转或星系团中星系运动的效应。
为什么我们应该认为,也许存在足够的暗物质,使宇宙最终坍缩呢?为什么我们不能只相信我们已有确定证据的物质呢?其理由在于,哪怕宇宙现在只具有十分之一的临界密度,都需要不可思议地仔细选取初始的密度和膨胀率。如果在大爆炸后一秒钟宇宙的密度大了一万亿分之一,宇宙就会在十年后坍缩。另一方面,如果那时宇宙的密度小了同一个量,宇宙在大约十年后就变成基本上空无一物。
宇宙的初始密度为什么被这么仔细地选取呢?也许存在某种原因,使得宇宙必须刚好具有临界密度。看来可能存在两种解释。一种是所谓的人择原理,它可被重述如下:宇宙之所以是这种样子,是因为否则的话,我们就不会在这里观测它。其思想是,可能存在许多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近临界密度的能存活得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质。只有在那些宇宙中才有智慧生物去诘问这样的问题:密度为什么这么接近于临界密度?如果这就是宇宙现在密度的解释,则没有理由去相信宇宙包含有比我们已探测到的更多物质。十分之一的临界密度对于星系和恒星的形成已经足够。
然而,许多人不喜欢人择原理,因为它似乎太倚重于我们自身的存在。这样就有人对为何密度应这么接近于临界值寻求另外可能的解释。这种探索导致极早期宇宙的暴涨理论。其思想是宇宙的尺度曾经不断地加倍过,正如在遭受极端通货膨胀的国家每隔几个月价格就加倍一样。然而,宇宙的暴涨更迅猛更极端得多:在一个微小的暴涨中尺度的至少一千亿亿亿倍的增加,会使宇宙这么接近于准确的临界密度,以至于现在仍然非常接近于临界密度。这样,如果暴涨理论是正确的,宇宙就应包含足够的暗物质,使得密度达到临界值。这意味着,宇宙最终可能会坍缩,但是这个时间不会比迄今已经膨胀过的一百五十亿年左右长太多。
现在小结如下:科学家相信宇宙受定义很好的定律制约,这些定律在原则上允许人们去预言将来。但是定律给出的运动通常是混沌的。这意味着初始状态的微小变化会导致后续行为的快速增大的改变。这样,人们在实际上经常只能对未来相当短的时间作准确的预言。然而,宇宙大尺度的行为似乎是简单的,而不是混沌的。所以,人们可以预言,宇宙将永远膨胀下去呢,还是最终将会坍缩。这要按照宇宙的现有密度而定。事实上,现在密度似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区分开来的临界密度。如果暴涨理论是正确的,则宇宙实际上是处在刀锋上。所以我正是继承那些巫师或预言者的良好传统,两方下赌注,以保万无一失。〖〗宇宙局部运动的混沌状态,不妨碍对它的宏观预测。但宇宙的未来是膨胀还是坍缩,尚难定论。

背景知识

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中国是最早进行天文观测的国家之一,在殷商甲骨文里,就有许多天文观测记录。汉语“宇宙”一词出现较早。战国时期的尸佼在他的著作《尸子》中就说:“上下四方曰宇,往古来今曰宙。”东汉的高诱在《淮南子·原道训》注中也说:“四方上下曰宇,古往今来曰宙。”
中国古代的宇宙学说,有浑天说、盖天说、宣夜说等。浑天说认为,“浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡子中黄,孤居于天内,天大而地小。天表里有水,天之包地,犹壳之裹黄。天地各乘气而立,载水而浮。”(《张衡浑仪注》)盖天说认为,“天似盖笠,地法覆盘”(《晋书·天文志》),天地都是穹形的,如同一个同心的球穹,相距八万里。宣夜说认为,“天了无质,仰而瞻之,高远无极,眼瞀精绝,故苍苍然也。”(《晋书·天文志》)就是说“天”不是一个固体的“天穹”,不过充满了无边无际的气体,日月星辰都在这气体中浮动。
在西方,古希腊人也有多种宇宙学说。公元前600年左右,住在米利都的古希腊哲学家泰利斯认为地球是一个圆盘,漂浮在一片汪洋中。他的弟子阿那克西曼德认为天空是包围地球的一个球层,恒星在内层,太阳和月亮在外层。毕达哥拉斯认为,地球、月亮、太阳、行星和恒星都在一个同心球上围绕中央火旋转。托勒密总结了古希腊的天文学成就,著《天文学大成》,认为地为球形,静止不动,处于宇宙的中心,其他天体围绕地球运行,创立了“地心说”,统治西方天文学界一千四百多年,直到波兰天文学家哥白尼在16世纪发表《天体运行论》,创立日心说。17世纪,意大利物理学家和天文学家伽利略亲手制造天文望远镜,开拓了人们的天文视野。德国天文学家开普勒提出了行星运动的三大定律,英国物理学家牛顿用力学的引力原理解释开普勒的行星运动定律,创立了天体力学。
现代宇宙学最有影响的学说是大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为,宇宙早期温度极高(在100亿度以上),物质密度极大。在那里,物质被压缩成一个奇点,时间和空间都毫无意义。大约200亿年前,发生“爆炸”,温度逐渐冷却,形成各种各样的恒星体系,也就是我们今天所能观测到的宇宙。
宇宙大爆炸学说是逐渐形成的。20世纪初,爱因斯坦的相对论改变了科学家研究宇宙的方法。1927年,比利时天文学家勒梅特第一个提出了动态宇宙模型,认为宇宙是从一种“原始原子”不断分裂、膨胀形成的。他推测:如果宇宙中物质的质量小于某个临界值,宇宙就会继续膨胀下去,成为“开放的宇宙”;反之,就会坍缩,成为“闭合的宇宙”。1948年,出生在俄国的美籍物理学家伽莫夫发展了这一理论,提出了“大爆炸”学说。
大爆炸学说得到了以下天文观测的支持。(1)河外星系有系统地谱线红移(课文中涉及到)。1917年,美国天文学家斯里弗发现河外星系谱线有系统地向红端移动,表明这些遥远的天体正在离我们远去。1929年,美国天文学家哈勃发现,几乎所有的星系都有红移现象。星系距离越远,红移越大。这种红移与距离之间的线性关系,称为哈勃定律。(2)在各种不同的天体上,氦的丰度相近,大都是30%。根据大爆炸理论,早期宇宙温度很高,所以产生氦的效率也很高。(3)测定各种天体的年龄,均小于200亿年。(4)宇宙微波背景辐射的发现(课文中涉及到)。

内容理解

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在讲演的开头,作者就指出,预言将来是非常困难的,预言宇宙的将来尤其困难。但科学家仍然有信心。
提到预言,人们会不由自主地想到古代的巫术。女巫把自己“弄得精神恍惚”,不过是为了增加点神秘色彩,“而真正的技巧在于解释”。近代宗教预言也是这样,不断用新的解释来掩饰预言的失败。也许,科学预言并不比巫师或宗教预言家的预言更可靠,但预言宇宙的未来,还是可能的。
当然,我们现在还不知道一些极端条件下的物理定律,但这并不影响我们对宇宙未来演化的预测,因为这些定律的物理方程是不稳定的,不会有确切的解──就像我们用手旋转赌盘,你感觉不到用力的微小变化,但指针却停留在不同的地方。同样道理,对五天以外的天气情况作预报是相当困难的,因为复杂得难以计算;即使我们知道了制约大脑的所有方程,也不能对人类的行为作出预测,因为小小的改变会导致截然不同的结果。
宇宙中的局部运动也许会出现混沌状态,但宇宙在大尺度上是可以预测的。宇宙正在膨胀,其他星系正在离我们远去。宇宙微波背景辐射证明了宇宙的膨胀大体上“是平滑的而非混沌的”;反过来说,如果宇宙的膨胀率和平均密度不是“处处相同”,各个方向上的宇宙微波背景辐射就不会如此一致。“这表明,宇宙的行为在非常大尺度下是简单的,而不是混沌的。”
现在,宇宙中星系之间的距离在增大,“但是人们预料星系之间的引力吸引正在降低这个膨胀率。如果宇宙的密度大于某个临界值,引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压。”“大挤压”和“大爆炸”前的状态一样,“是具有无限密度的状态,物理定律在这种状态下失效。”
预言宇宙的未来,“关键问题在于:平均密度是多少?如果它比临界值小,宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大,宇宙就会坍缩,而时间本身就会在大挤压处终结。”
计算宇宙的平均密度并不容易。“如果我们计算能看得见的恒星并把它们的质量相加,我们得到的,不到临界值的百分之一左右。”即使加上“气体云的质量”,临界值最多是百分之一。但是,我们能不能据此得出宇宙将永远膨胀下去的结论呢?还不能。因为宇宙中还有许多暗物质8菹衷诘墓鄄庋芯浚庑┌滴镏使浪阍谀冢叭匀恢淮锏揭褂钪嬷匦绿醯牧俳缰柿康陌俜种笥摇U庋绻颐墙鼋鲆谰莨鄄庵ぞ荩蚩稍ぱ杂钪婊峒绦尴薜嘏蛘拖氯ァ!闭庋霸诖笤家话僖谀暌院螅钪嬷写蠖嗍阈嵌家寻讶剂虾木 保呦蛎鹜觥R蛩堑闹柿康牟煌蛘弑涑砂装牵蛘弑涑芍凶有牵蛘弑涑珊诙础?
霍金对黑洞的解释是:“空间—时间的一个区域,因为那儿的引力是如此之强,以至于任何东西,甚至光都不能从该处逃逸出来。”(《时间简史》一书所附《小辞典》)但是,也许“黑洞并不像被描绘的那样黑”,根据量子力学的测不准原理,如果黑洞中有一颗粒子的位置是确定的,那么它的速度就有可能超过光速“逃离黑洞”。
我们不能相信已有的确定证据,是因为还有别的理论在探讨宇宙的奥秘。人择原理和暴涨理论就是其中的两种。
宇宙是继续膨胀还是可能收缩,这取决于宇宙现有密度。在对这个问题没研究清楚之前,科学家也不得不认为“宇宙实际上是处在刀锋上”,所以要继承巫师或预言家的传统,“两方下赌注,以保万无一失。”

演讲特点

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1.生动的导引
这篇科技论文是演讲辞,具有演讲的特点。预言宇宙的未来,虽然是一个严肃的科学话题。但如果就事论事,很容易枯燥乏味。演讲需要激起听众的兴趣。演讲者从古代的巫术和近代的宗教预言谈起,既增加了趣味性,又深化了讲演的主题──在与巫术的对比中,更显出了科学的求实精神。
2.严谨的推理
作为一篇科学演讲,其最终目的是让人信服。本文严谨的推理,增强了说服力。宇宙虽然复杂,但它在大尺度上又是可以描述的。宇宙的密度是决定其命运的关键,然而,确定这一点非常不易。演讲者从可见物质谈到暗物质,从成熟的理论谈到科学假说,把问题讲得透彻明白。没有作出一个明确的预言,也说明了演讲者严谨的科学态度。
3.幽默的语言
演讲是面对面的交流,这种交流是单向的,如果不注意演讲的语言艺术,就达不到最佳的表达效果。这篇演讲语言幽默,创造出一种轻松愉快的气氛,使所论述的问题更易于为听众接受。如,文中有一段话说:“我比其他的末日预言者更占便宜。即使宇宙将要坍缩,我可以满怀信心地预言,它至少在一百亿年内不会停止膨胀。我预料那时自己不会留在世上被证明是错的。”以揭示自己“自私”的心理表示幽默,同时传达出重要的信息:宇宙“至少在一百亿年内不会停止膨胀”。

有关资料

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穷宇宙之际(吴国盛)
20世纪的天文学,由于观测手段更为先进,将人类的视野扩展到了150亿光年的空间距离。除了传统的光学望远镜随光学材料的改进和加工能力的提高,出现了空前大的口径外,无线电接收技术的发展,导致了可见光之外各波段的天文观测,射电望远镜冲破了银河系内星云尘埃等设置的光学屏障,把目光射向了河外星系。天文学进入了全波时代。
天体物理学在20世纪发展成了天文学的主流,它最引人注目的成就是诞生了将整个宇宙作为自己的研究对象的现代宇宙学。以爱因斯坦的相对论为理论基础,以大尺度的天文观测特别是河外星系的普遍红移和宇宙背景辐射为事实依据,宇宙学展示了宇宙整体的物理特征。
1.河外星系的观测与红移的发现
在浩瀚的太空中,除了有无数发光的星星外,还有弥散状的星云。关于星云的本质长时期存在争论,一种观点认为星云是银河系内的星际物质,另一种观点则认为,星云实际上是像银河系一样巨大的恒星集团,只是因为太远而看起来像“云”,由于观测手段的限制,这两种观点孰是孰非无法得到最后的判明。
到了20世纪,观测手段有了较大的发展,美国在威尔逊山上建造了当时世界上最大的2.5米口径的反射望远镜,确定空间距离的天体物理方法也发展了起来。人们可以对星云的本质有所说明了。
宇宙空间的尺度是太大了,不同的尺度范围要采用不同的方法,因为在某个范围有效的方法进一步扩展就失效了。对于较邻近的天体,可以用三角法测距。三角法也就是传统的视差法,距离太阳最近的比邻星(即半人马座α星,我国古代称之为南门二)就是通过视差法测出的,距离为4.3光年。使用三角法已经测定了500光年的空间距离,但更大的距离三角法就无能为力了。
更大的距离往往采用光度方法确定,我们知道,恒星的视亮度、距离与本身的光度三者之间存在某种确定的关系,视亮度是可以在地球上测定的,因此只要知道了某恒星的光度就可以知道它的距离。天体物理学已经得知,从光谱分布可以相对地确定恒星的光度。因此,光度方法可以用来大致地确定更远的空间距离。使用主序星作为标准,天文学家测出了10万光年的空间距离,大致搞清楚了银河系的空间结构。
超出10万光年之外,主序星的光度就显得太小而不为我们所见,天文学家又找到了造父变星作为标准,利用这个新的光度标准,可以确定星云的本质了。
1924年,美国天文学家哈勃(1889—1953)利用威尔逊山的大望远镜观察仙女座大星云,第一次发现它实际上由许多恒星组成,而且其中有造父变星,这样就可以运用光度方法来确定它的距离了。计算的结果是,仙女座星云位于70万光年之外,远远超出了银河系的范围,这就最终证明了某些星云确实是遥远的星系。哈勃一鼓作气,此后十年致力于观测河外星云,并找到了测定更远距离的新的光度标准,将人类的视野扩展到了5亿光年的范围。
与此同时,美国另一位天文学家斯莱弗(1875—1969)正致力于恒星光谱的研究。从1912年开始,他将视线对准了河外星云,发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象。随着观测的进展,积累的数据越来越多,除个别例外,几乎所有的河外星系(此时哈勃已经表明这些星云确实是河外星系)的光谱都有红移现象。如果按照多普勒效应解释,这就意味着这些星系都在远离地球而去,而且退移的速度相当大,比如室女座星云的速度达到了每秒1000公里,这样大的速度是令人称奇的。
1929年,哈勃考察了斯莱弗的工作,并结合自己对河外星系距离的测定,提出了著名的哈勃定律:星系的红移量与它们离地球的距离成正比。这一定律被随后的进一步观测所证实。哈勃定律指出了河外星系的系统性红移,反映了整个宇宙的整体特征,特别是当红移作多普勒效应解释时,哈勃定律就展示了一幅宇宙整体退移也就是整体膨胀的图景:从宇宙中任何一点看,观察者四周的天体均在四处逃散,这就像是一个正在胀大的气球,气球上的每两点之间的距离均在变大。
2.现代宇宙学的兴起
红移带来了宇宙学研究的勃兴,但现代宇宙学的源头还得从牛顿宇宙学讲起。在牛顿世界里,空间和时间都是无限的。但空间的无限性却带来了许多佯谬,首先一个佯谬是所谓夜黑佯谬,它是由德国天文学家奥尔伯斯(1758—1840)于1820年提出的,有时也称奥尔伯斯佯谬。它指出,如果太空中均匀地分布着无穷多个恒星,那么宇宙中任一点将会感受到无穷大的亮度,考虑到恒星之间的相互遮光之后,这一亮度可以变成一个有限值,但相当恒定,这就是说,夜空也将有一个均匀的亮度,而不是黑的。这一推论显然与事实不符,因此构成了佯谬。奥尔伯斯本人提出了解释佯谬的一种方法,即星际尘埃遮住了大部分星光。但这一解释是不够的,无限宇宙在物理上面临困难。
1917年,也就是广义相对论提出的次年,爱因斯坦发表了《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》一文,将广义相对论用于宇宙学问题,并建立了一个有限无边的静态宇宙模型。这个模型有两大特征,第一,它是有限无边的,第二,它是静态的。前一特征来源于广义相对论。在相对论看来,有物质存在就会出现时空弯曲,整个宇宙的平均物质密度不为零,那么,它整体上必然是一个封闭的体系,它是有限的,但没有边界、没有尽头,就像二维球面是一个有限但无边的二维空间一样。后一特征来自爱因斯坦的一时猜想,他当时相信,宇宙整体上应该是静态的,但他的引力场方程只能得出一个动态解,所以他人为地加了一个宇宙常数,以维持宇宙的静态的。
爱因斯坦的广义相对论出来之后,马上就有许多人据此构造宇宙模型。几乎与爱因斯坦同时,荷兰天文学家德西特得出了一个膨胀的宇宙模型。1922年,苏联物理学家弗里德曼得出了均匀各向同性的膨胀或收缩模型。1927年,比利时天文学家勒梅特再次独立地得到这一模型。后来人们发现,基于爱因斯坦的引力场方程所得到的宇宙模型必定是动态的,或者膨胀,或者收缩,而且膨胀和收缩的速度与距离成正比。
以弗里德曼模型为代表的相对论宇宙学一开始并不为人重视,因为它主要是一些数学推导,看不到物理内容。到了1929年,情况发生了变化。哈勃定律公布后,人们才惊喜地发现,它所展示的宇宙大尺度膨胀现象正是弗里德曼模型所预言了的。科学界一下子被震动了,原来研究整个宇宙的宇宙学确实是可能的,它的预言居然被证实了。作为相对论宇宙学之鼻祖的爱因斯坦也为这一发现欢呼,认为自己在宇宙模型中人为地引进宇宙常数是犯下了一个大错误。
宇宙学变得热闹起来了。人们想到,既然宇宙是膨胀的,那么越往早去,宇宙体积就越小,在某一个时间之前,宇宙就应该极为密集,现有的天体都不可能以现在的状态存在。照哈勃当时提供的数据估计,这个时间大概是20亿年。
事有凑巧,当时的地质学已经能够利用放射性同位素来测定地球上岩石的年龄,初步估计,大约是20亿~50亿年。相比之下,宇宙膨胀的年限也太短了。这使许多宇宙学家感到很为难,爱因斯坦也表态了:“既然由这些矿物所测定的年龄在任何方面都是可靠的,那么,如果发觉这里所提出的宇宙学理论同任何这样的结果有矛盾,它就要被推翻。”
为了既保留宇宙膨胀的观念,又回避年龄困难,英国天文学家邦迪、哥尔得和霍伊尔在1948年分别提出了稳恒态宇宙模型。他们认为,宇宙虽然在不断膨胀,但其中的物质密度并不变小,因为有物质不断地凭空产生出来。由于物质密度不变,所以不存在一个宇宙的密集时期,因而也不存在星体的年龄上限问题。
稳恒态宇宙模型预言了一个极其微小的物质产生率,它在地面实验室里无法验证,但可以通过天文观测检验,因为如果宇宙是稳恒的,那么恒星的分布密度应该是不变的,在地球上的所有天文观测都有一个特点,它完全依赖电磁信号(光是其中最重要的一种),而电磁信号的传播需要时间,因此,你看到的越远也就看得越古老,其空间分布就是时间分布。如果恒星的空间分布是均匀的,那就意味着它在时间上是稳恒的。反之,就不稳恒。通过30年代的星系计数和60年代的射电源计数,结论有了,天体的空间分布是不均匀的。这就是说,稳恒态宇宙模型有问题。
1948年,美国帕洛马山天文台建成了当时世界最大的光学望远镜,其口径达到5米,远远超过了此前哈勃使用的威尔逊山天文台的2.5米口径。天文学家利用新的望远镜继续证实了哈勃定律,但对哈勃关系中的哈勃常数提出了疑问,经认真仔细地校订,发现哈勃常数比实际数值小了10倍。按新的常数估计宇宙的年龄应当是200亿年,这样星体年龄问题就迎刃而解了。
年龄问题解决之后,理论宇宙学家当即着手研究宇宙早期的密集状态。从40年代末开始,俄裔美籍物理学家伽莫夫(1904—1968)等人提出了热大爆炸宇宙模型。他们认为,宇宙起源于一次巨大的爆炸,之后不仅连续膨胀,而且温度也在由热到冷地逐步降低。在宇宙早期,不仅密度很高,而且温度也很高,所有的天体以及化学元素都是在膨胀过程中逐步生成的。
大爆炸模型有一个重要的预言,即随着宇宙的不断膨胀,温度不断下降,各类元素开始形成,但原初辐射与物质元素脱离耦合后仍保持黑体谱,黑体辐射的温度大约是5 K。60年代,天文学家真的观测到了这种宇宙背景辐射,从而使大爆炸宇宙模型被广泛地接受,成为宇宙学界的标准模型。
3.射电望远镜与二十世纪六十年代的四大发现
传统的天文观测均是收集宇宙天体发来的可见光信息,但这只是它们所发射的大量电磁波的一个极小的部分。这些电磁波依波长从短到长有γ射线、X射线、紫外线、光波、红外线和无线电波,地球大气严重地吸收了它们之中的紫外和红外的大部分,只留下了一个狭窄的可见光段的窗口,人们常称它是大气的小天窗。当然,在电磁学理论未建立之前,人们也不知道还有其他的窗口。
电磁波发现以来,很快在各个领域得到了应用。无线电是最引人注目的重大应用成就。马可尼已经发现,地球上空的电离层可以反射无线电波,这促使他开通了英国与加拿大之间的无线电报。1924年,在一次测定电离层高度的无线电实验中,人们偶然发现,当发射的电波波长小于40米时,电波便一去不回了,开始以为是被吸收了,后来才知道它透过地球大气层飞出了外层空间。既然地球内部的电波可以跑出去,宇宙空间中的电波也就可以飞进来。天文观测的另一窗口就这样不知不觉被打开了。
窗口虽然已经打开,但由于仪器的灵敏度不高,一直也没有接受到来自天外的电磁信号。1932年,美国电信工程师央斯基(1905—1950)在做无线电通信干扰实验时,偶然发现了来自银河系中心人马座的电波信号。这一发现公布后并未引起人们的注意,无线电工作者认为其干扰不大,不予理会,而天文学家则均没有意识到它的重大意义。只是随着宇宙射电讯号的不断发现,天文学家才开始关注这一新的观测方法。
1946年,英国曼彻斯特大学开始建造直径66米的固定抛物面射电望远镜,1955年又建成了世界上当时最大的76米直径的可转抛物面射电望远镜。以后,射电技术有了长足的发展,射电望远镜发展出了射电干涉仪,它由一组射电望远镜组成一个天线阵,可以观测到很微弱的射电源。
第二次世界大战之后迅速兴起的射电天文学成了天文学中最有活力的新领域,60年代出现的四大发现就是在射电天文学观测中做出的。
第一个发现是宇宙微波背景辐射。1964年,贝尔电话实验室在新泽西州的克劳福德山上建立了一架供人造卫星用的天线,射电天文学家彭齐亚斯(1933—)和威尔逊(1936—)正在调试这架天线,以测定银河系平面以外区域的射电波强度。当他们想出办法避免地面噪声,而且提高了灵敏度后,发现总有一个原因不明的噪声消除不掉。该噪声十分稳定,相当于3.5 K的射电辐射温度。他们开始很不理解,因而也没有立即公布自己的发现。消息传到了普林斯顿大学,那里的天体物理学家迪克等人正在准备做实验验证大爆炸模型所预言的背景辐射,听到这个消息之后,立即断定这个无法理解的噪声就是宇宙背景辐射。他们通力协作,继续观测,终于证实了彭齐亚斯和威尔逊的观测结果。观测到的背景辐射是黑体谱且各向同性,与热大爆炸宇宙说的预言完全符合。这就强烈地支持了大爆炸宇宙理论,使宇宙学的理论研究掀起了一个新的高潮。
第二个发现是类星体。1963年,天文学家发现了一种新的奇异的星体,它体积极小、辐射能量极大。更为奇特的是,它们的红移量都相当巨大。这类新天体的发现给红移问题带来了麻烦。如果按红移的多普勒解释,类星体应该离我们极为遥远,有些类星体可以达到上百亿光年。但它们的亮度又十分大,这样远的天体向我们辐射出如此巨大的能量,这用我们已知的任何物理规律都无法解释。由于类星体发现得越来越多,红移量也越来越大,以致许多人开始怀疑红移的本性究竟是不是多普勒效应造成的。在红移本性方面出现的争论至今也没有平息。
第三个发现是脉冲星。1968年,天文学家用射电望远镜发现了又一种新型的天体,它以很短的周期有规律地发出短促的射电脉冲。天体物理学家已经证认出,它是一种超高温、超高压、超高密、超强磁场、超强辐射的中子星,脉冲星的发现对于进一步了解宇宙的物理本质有很高的价值。
第四个发现是星际分子。1963年,射电天文学家在仙后座发现了羟基分子的光谱,1968年又在人马座方向发现了氨分子的发射谱线。更值得注意的是,1969年在人马座上还发现了一个多原子的有机分子:甲醛分子。这个发现引起了科学界的高度重视,因为甲醛分子在适当的条件下可以转化为氨基酸,而氨基酸是生命物质的基本组成形式。这意味着,在宇宙空间确实存在着生命发生的适宜条件。随着星际分子发现得越来越多,一门星际分子天文学也诞生了。
宇宙是神秘的,它正在等待着未来的天文学家去识破、猜度。
(选自《科学的历程》,湖南科学技术出版社1995年版)



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