2008年5月9日星期五

宇宙的谜团-漂浮的宇宙岛



漂浮的宇宙岛













气体尘埃星云

宇宙岛,是人们对星系极其形象的称呼。在宇宙大爆炸之后的膨胀过程中,分布不均匀的物质受到引力的作用逐渐聚集而形成一个个星系,即宇宙岛。1755 年,德国哲学家康德提出宇宙中有无限多星系的观点,这就是宇宙岛假说的渊源。天文学家通过观测,看到许多雾状的星云,便猜测它可能是由很多恒星构成的,只是离得太远,人们无法一一分辨出。后来,英国天文学家赫歇尔发现许多星云可分解成恒星群,而另一些星云无法分解,于是他提出了星系并非宇宙岛的观点。到了20世纪,科学家们经过精确的测量和论证,才把河外星系定名为宇宙岛。

星系起源

关于星系起源的理论有很多,有代表性的是引力不稳定性假说和宇宙湍流假说。前者认为,在30 亿年间,星系团物质由于引力的不稳定而形成原星系,并进一步形成星系或恒星;后者认为,宇宙膨胀时形成旋涡,它可以阻止膨胀,并在旋涡处形成原星系。二者都认为星系形成了100 亿年。现在人们观测到的河外星系已达上万个,最远者距银河系达7 0 亿光年。估计河外星系数目大得惊人,若画一个半径达20亿光年的圆球,其内含有约30亿个星系,每个星系都包含着数以千亿计的恒星。

华格天体的环

美国天文学家奥康涅尔等人曾专门研究过星系的环,但与椭圆星系的环相比,华格天体的环具有特殊性,它光度均匀,结构对称,十分完美。他们还拍摄到了华格天体的光谱,谱线红移相当于每秒12750千米,证明这种天体确实是在银河系之外。以色列特拉维夫大学天文台的布洛施,通过对华格天体的研究,又有了新的收获。他发现,华格天体的环发出的光比核发出的光还要强。他经过深入研究,认为华格天体的环属于旋涡星系环中的一种特例,是由星系盘的某种不稳定性造成的,也就是说,星系中棒状结构的不稳定性,搅动星系盘而形成了星系的环状结构。

星系的环状饰物












行星状星云

人类常用环状器物做装饰,有趣的是星星也会用环状物装饰自己。不但土星、木星会这样,就是庞大的星系也会用环状物来装饰自己。天空中的确有这样一类星系:它们的中心呈恒星状,周围有一个光度均匀、结构对称的环。它们虽有着酷似行星状星云的美丽外表,实质上却是一个星系。用世界上最大的天文望远镜可以看见它清晰的倩影:核心呈红色,环则有些发蓝。这类天空中的特殊星系又叫“华格天体”。


2008年5月8日星期四

宇宙谜团-宇宙的归宿

宇宙的归宿









浩渺宇宙在时间中仿佛是一个封闭的果壳

根据宇宙的大爆炸学说,我们的宇宙产生于200 亿年前,而且在不断膨胀。这使得人们不禁要问,宇宙要膨胀到何时,宇宙的归宿是什么样呢?宇宙论学者认为我们的宇宙有三种可能的归宿:第一种情况是宇宙所包含的物质太少,引力无法遏止宇宙继续膨胀,结果宇宙会永无止境地膨胀下去,我们称这个宇宙为“开放宇宙”;第二种情况是宇宙拥有足够的物质,使膨胀的速度逐渐降低,并最终在某一时刻将膨胀逆转为“大压缩”,这种宇宙称为“封闭宇宙”;第三种情况介乎两者之间,宇宙物质的平均密度刚好等于“临界密度”。这时候,宇宙会继续保持膨胀的状态,不过膨胀的速度会随时间而逐渐减慢。我们称这种宇宙为“平坦宇宙”。

宇宙的循环运动

宇宙物质的运动是循环衍生的(生命只是物质运动的一种形式)。据计算,任何恒星经过100 万亿年都会与另一颗恒星接近一次。这样恒星周围的行星就会被撞出而流离失所。这时,90%的恒星逃离星系,剩余者则形成一个大黑洞。新的粒子理论同宇宙的结局密切相关。新理论告诉我们,原子核内的质子可能不是永恒的物质,它的寿命是1 亿亿亿亿年。如果真是这样,经过1亿亿亿亿年后,只剩下几种基本粒子和黑洞了。


宇宙的年龄

说到宇宙的年龄,人类不能再用通常的尺度,不是用百万年,而是用亿年为单位。但对宇宙的年龄,科学家们只是在推测和估算,还没有找到一种绝对准确的方法。所以科学家们采用各种方法来取得能够接近真实的结果。用同位素年代法测量地球、月球和太阳年龄是一种好方法。经测定,地球年龄为40 亿~50 亿年,月球年龄为46 亿年,太阳年龄为50 亿~60 亿年。运用这种方法测定宇宙年龄,天文学家布查测定的结果为120 亿。球状星团测定法是根据恒星演化理论来测算恒星年龄的一种方法,利用该法求得的宇宙年龄为80亿~180亿年。但是,人们对恒星进行观测发现,最老的恒星年龄约200 亿年,因此,180 亿年的年龄是不够的。那么,宇宙的年龄到底是多少呢?

哈勃常数测定法













哈勃空间望远镜

哈勃常数测定法是基于宇宙膨胀的观测事实确立的。在一个不断膨胀的宇宙中,测定膨胀速度可通过红移量的测量来获得。测出邻近星系与地球的距离,再由此标定红移与距离的关系,就可求得宇宙的年龄。由此可知,是测出邻近星系与地球之间的距离。测量地球与邻近星系距离的方法有两种,但两种方法最终求得的宇宙年龄都在100 亿~200 亿年之间。这就是宇宙存在的年限。

2008年5月7日星期三

宇宙谜团-宇宙有多大

宇宙有多大 '2x] {`n
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?7| uNQn? 在18 世纪人们的眼里,宇宙还只是太阳系。随着科学技术的发展,人们认识到:太阳也只是天空中数以万计的恒星中的一颗。于是,人们心目中的宇宙开始逐渐扩展到了 银河系。近代,人们的认识范围逐渐扩大,人们心目中的宇宙已不再是银河系。人类已经认识到:在银河系以外,还有许多河外星系的存。十几个或几十个星系一起 组成星系群。成百上千个星系则组成更高一级的星系组织—星系团。北冕星座是有一个包含着400 个星系的星系团,离我们更远,光从那里照射到我们地球,需要整整7 亿年之久。这样的一个个星系团共同组成了我们的总星系。人们都说“宇宙广阔无垠”,那么,宇宙究竟有多大呢?
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牛顿的“箱子宇宙”

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牛顿是古典力学的创立者,他曾设想
宇宙是个“大箱子”


从哲学角度上说,宇宙不光在空间上是无限的,在时间上也是无限的。“天地四方曰宇,古往今来曰宙”。正因为宇宙在时间上和空间上的无限,才使得宇宙能够作为一个统一的整体而存在。德国大哲 学 家康德曾提出著名的时空悖论,强调人们关于宇宙有限与无限的理解必然存在着矛盾。古典力学创立者牛顿设想:宇宙像一个无边界的大箱子,无数恒星均匀地分布 在这个既无限又空虚的箱子里,靠万有引力联系着。他的观点引出了有名的“光度怪论”(即“奥尔伯斯佯”):如果宇宙真是无限的,恒星又是均匀地分布着, 那么夜晚的天空将会变得无限明亮!



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爱因斯坦的“有限宇宙球”

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因斯坦的相对论指出:宇宙中时间和空间是非常复杂地纠缠在一起的。


相对论大师爱因斯坦,于1917 年提出了有限宇宙的模型,“把宇宙看作是一个在空间尺度方面有限闭合的连续区”,并从宇宙物质均匀分布的前提出发,在数学上建立一个前所未有的“无界而有 限”、“有限而闭合”的“四维连续体”,即一个封闭的宇宙。根据爱因斯坦提供的“宇宙球”模型推想,在宇宙任意一点上发出的光,都将会沿着时空曲面在 100 亿年后返回它的出发点。人类目前的认识,实际上是把宇 宙作为在时间上有起点,在空间上有限度的想像模型来对待的。
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宇宙到底是什么样子








英国剑桥大学教授斯蒂芬·霍金(1942~)是继爱因斯坦之后最伟大的科学家之一。

宇宙到底是什么样子?英国物理学家斯蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受:宇宙有限而无界,只不过比地球多了几维。比如,我们的地球就是有限而无界的。在地球上,无论从南极走到北极,还是从北极走到南极,你始终不可能找到地球的边界,但你不能由此认为地球是无限的。实际上,我们都知道地球是有限的。地球如此,宇宙亦是如此。怎么理解宇宙比地球多了几维呢?举例来说:一个小球沿地面滚动并掉进一个小洞中。在我们看来,小球是存在的,它还在洞里面,而对于一个假设的“二维”世界的动物来说,它得出的结论就会是:小球已经不存在了!它消失了。为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里,对“三维”世界是无法清楚认识的。同样的道理,我们人类生活在“三维”世界里,对于比我们多几维的宇宙,也是很难理解清楚的。




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英国剑桥大学教授斯蒂芬·霍金(1942~)是继爱因斯坦之后最伟大的科学家之一。

宇宙到底是什么样子?英国物理学家斯蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受:宇宙有限而无界,只不过比地球多了几维。比如,我们的地球就是有限而无界的。在地 球上,无论从南极走到北极,还是从北极走到南极,你始终不可能找到地球的边界,但你不能由此认为地球是无限的。实际上,我们都知道地球是有限的。地球如 此,宇宙亦是如此。怎么理解宇宙比地球多了几维呢?举例来说:一个小球沿地面滚动并掉进一个小洞中。在我们看来,小球是存在的,它还在洞里面,而对于一个 假设的“二维”世界的动物来说,它得出的结论就会是:小球已经不存在了!它消失了。为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里,对“三维”世 界是无法清楚认识的。同样的道理,我们人类生活在“三维”世界里,对于比我们多几维的宇宙,也是很难理解清楚的。

宇宙谜团-宇宙诞生的奥秘

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b7qjk~, 茫茫宇宙,充满了无尽的神奇与玄妙;点点繁星,引起人们无限的遐想与憧憬。这里展现了一个多彩变幻的寰宇:恒星有着瑰丽的肖像,星系有着漂亮的环状饰物, 一些星体在悄悄地互相吞噬,黑洞正在吞噬它周围的一切,银河系像一个巨大的飞碟,河外星系构成庞大的“宇宙长城”,太阳长着绚丽多彩的“羽毛”,小行星可 能随时撞向地球,“长发美女”彗星不时光临人间……
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宇宙谜团-宇宙诞生的奥秘 k%$GApI2�
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T6A/0Mp {`fn%Y) 当人类第一次把目光投向天空时,就想知道这浩瀚无垠的天空以及那闪闪发光的星星是怎样产生 的。 所以,各个民族、各个时代都有着种种关于宇宙形成的传说。比如盘古开天、女娲补天等优美的神话故事和上帝6 天造出天地万物的宗教观念。不过那都是建立在想像和猜测基础上的。现在,科学技术有了巨大的飞跃,我们的认识已超出地球、太阳系、银河系的范围,而关于宇 宙的诞生和形成,也有了较为明晰的观念。
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“大爆炸”理论

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zoK^G? 1946 年,美国科学家伽莫夫提出“大爆炸”理论。此后,“大爆炸”理论逐渐形成体系,成为人们普遍接受的观点。“大爆炸”理论认为,大约在200亿年以前,构成 我们今天所看到的天体的物质都集中在一起,密度极高,温度高达100 多亿度,被称为“原始火球”。这个时期的天空中,没有恒星和星系,只是充满了辐射。后来不知什么原因,“原始火球”发生了大爆炸,组成火球的物质飞散到四 面八方,高温的物质冷却起来,密度也开始降低。在爆炸两秒钟之后,在100 亿度高温下产生了质子和中子,在随后的自由中子衰变的11分种之内,形成了重元素的原子核。大约又过了1万年,产生了氢原子和氦原子。在这1 万年的时间里,散落在空间的物质便开始了局部的联合,星云、星系的恒星,就是由这些物质凝聚而成的。在星云的发展中,大部分气体变成了星体,其中一部分物 质因受到星体引力的作用,变成了星际介质。宇宙就这样形成了。
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亚稳状态宇宙论

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宇宙一诞生就急剧膨胀, 并在膨胀期孕育了无数个宇宙,可称其为子宇宙、孙宇宙

1999年9月,印度著名天文学家纳尔利卡尔等人提出一种新的宇宙起源理论—“亚稳状态宇宙论”,对大爆炸理论提出挑战。他们相信,宇宙是由若干次小规模的爆炸而不是一次大爆炸形成的。新理论 认为,宇宙在最初的时候是一个被称为“创物场” 的巨大的能量库,而不是大爆炸理论所描述的没有时间、没有空间的起点。在这个能量场中,不断发生爆炸,逐渐形成了宇宙的雏形。此后,又接连不断地发生小规 模的爆炸,导致局部空间的膨胀。而时快时慢的局部膨胀综合在一起便形成了整个宇宙范围的膨胀。新理论犹如一块沉重的巨石,在人们平静的心湖里激起狂澜。人 们开始重新反思生命,以至产生生命的庞大宇宙。
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暴胀宇宙学

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物质在膨胀刚结束后的火球宇宙中诞生。



1979~1981年,美国科学家古思、温伯格和威尔茨克三人提出“暴胀宇宙学”理论。这个学说认为,在大爆炸后不到10-35秒的瞬间,宇宙迅速地膨 胀,故称为“暴胀”。暴胀持续了大约10-32秒。在如此短的时刻内,宇宙的体积却增大了1043 倍!