宇宙是物质世界,它处于不断的运动和发展中。
《淮南子·原道训》中说:“四方上下曰宇,古往今来曰宙,以喻天地。”即宇宙是天地万物的总称。科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的?这个问题直到现在仍然没有完全满意的答案。人们曾经提出过许多学说,最有影响的是“宇宙大爆炸说”,它提出最早,在当代天文学上最受重视;其次是“稳态理论”及“虫洞喷发说”。
(一)宇宙起源——大爆炸理论
大爆炸理论认为宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。在爆炸发生之前,宇宙内的所存物质和能量都聚集在一起,并浓缩成很小的体积,温度极高,密度极大。大爆炸使物质四散出击,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降;宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的(图1-2)。
图1-2 宇宙大爆炸
根据大爆炸理论,在宇宙的早期,温度极高,约在100亿开以上,物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。因为整个体系在不断膨胀,温度很快下降,当温度降到10亿开左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万开以后,早期形成化学元素的过程结束(元素合成理论)。当温度降到几千开时,辐射减退,宇宙间的气态物质,逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙。
大爆炸理论认为,宇宙起源于一个单独的、无维度的点,即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。
“大爆炸宇宙论”是1927年比利时数学家勒梅特提出的,他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里,在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙。1948年,俄裔美籍物理学家伽莫夫等人,又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后,经一系列元素演化,到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像。但是该理论存在许多使人迷惑之处。
宏观宇宙是相对无限延伸的。大爆炸理论认为宇宙当初仅仅是一个点,而它周围却是一片空白,将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测。况且从能量与质量的关系考虑,一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢?
人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年。但宇宙中天体的运动速度是不同的,在宇宙范围,时间没有衡量标准。譬如,地球上东西南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义。既然年的概念对宇宙而言并不存在,大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢?
有科学家声称:宇宙膨胀达到极点时将又发生一场大爆炸,如同黑洞的形成过程一样,宇宙将变成一个高密度、小体积的球体,缩小到一定程度后,将再次发生大爆炸。根据能量守恒定律,宇宙的能量并没有消亡。但是,没有人能解释,大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等,都像上次一样(几百几千亿年以后,又有太阳系,又有地球,又有中国,又有你),还是重新排列。
不久前有美国科学家宣布,宇宙的演化过程还可持续大约240亿年,比先前估计的110亿年增加了一倍有余。
(二)宇宙起源——稳态理论
稳态理论现在受到普遍怀疑。该理论认为在星系之间的膨胀空间中新物质会产生出来。
若干世纪以来,很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外,基本没有什么变化。宇宙不需要一个开端或结束。即使是在发现宇宙正在膨胀之后,这种想法也没有被放弃。托马斯·戈尔德、赫尔曼·邦迪及弗雷德·霍伊尔于20世纪40年代后期提出,物质正以恰当的速度不断创生着,这一创生速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡,从而使宇宙中的物质密度维持不变。这种状态从无限久远的过去到现在一直存在,并将永远地继续下去。宇宙在任何时候,平均来说始终保持相同的状态。稳态理论所要求的创生速率很小,每100亿年中,在1立方米的体积内,大约创生1个原子(图1-3)。稳态理论的优点之一是它的明确性,它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的。也正因如此,它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。当宇宙背景辐射被发现后,这一理论基本上已被否定。
图1-3 稳态理论
(三)宇宙起源——虫洞喷发说
虫洞喷发说认为:我们现在的宇宙起源于一次时空之门的开启。在许许多多平行宇宙中,有一个极其普通的平行宇宙。在这个宇宙中,质量最大的一个黑洞不断地吞噬宇宙中的其他天体,它的质量不断增大,大到其万有引力可以摧毁一切物质形态,首先将其核心变为能量体,能量逐渐积蓄,最终冲破其外壳,向外释放能量,形成虫洞,时空之门打开。当能量释放完全后,虫洞停止喷发,时空之门关闭。喷出来的高能粒子,经过漫长的演变后,形成了我们现在所生存的宇宙。那个喷发的虫洞则变为宇宙中的一个普通的天体,这是我们不能找到宇宙中心的原因(图1-4)。
(四)宇宙起源——宇宙循环说
长期以来,“大爆炸”宇宙诞生理论一直被天文学界普遍认同,但近期哈勃太空望远镜拍摄的宇宙深处的照片却让科学家们对“大爆炸”理论打上了一个重重的问号。
“哈勃”太空望远镜本次拍摄到了一些宇宙深处的星体,这些星体大概形成于宇宙诞生后的5亿年内(约130亿年前)。然而,这些星体的数量却远远少于科学家们原来的估计。哈勃太空望远镜拍摄的这些照片(图1-5)可以说明以下两点:要么大爆炸发生后恒星物质的形成并没有科学家们原来设想的那么“积极”,这并不符合现阶段通行的理论;要么当时的物理环境与现在截然不同。
图1-4 虫洞喷发说
图1-5 宇宙深处星体
宇宙循环说是一种宇宙起源新说。宇宙中大多星球都会发光发热,这些发光发热的星球,由于温度高,表面进行着巨大的物质运动,甚至局部爆炸,如太阳黑子。星球常常以太阳风等形式,不断地向宇宙空间抛洒颗粒微细的、总质量巨大的物质;恒星不断地向外发射光和热量,也会消耗巨大的物质。
经过几十亿年、上百亿年的演变消耗,会发光的恒星会越来越小,最后发生如超新星爆炸一样的爆炸,消失在宇宙中;或变成白矮星、中子星、黑洞,逐步“蒸发”掉。
恒星在它生存的几十亿、上百亿年的时间,向外发射的光、热,向外抛洒的微细物质,恒星爆炸后的碎片,及恒星“蒸发”的物质,并没有消失,而是在广阔的宇宙空间漫游。这些在广阔的宇宙空间漫游的能量和物质,在万有引力、太空低温等条件下,经过漫长的岁月,又会逐步聚集成物质团,物质团经过相互吸引和碰撞,逐步聚集成新的星球。
宇宙就这样永不停息地循环着,没有时间上的过去与将来,寿命无限长,空间无边无际、无限宽广,质量上无限大。人们永远计算不出宇宙究竟有多大,范围有多宽;宇宙究竟生存了多久,还能生存多久。这就是“宇宙循环论”。
具体到某个星体、星球,可能在它生命终结时会发生爆炸,人类已经观察到某些星体的爆炸,如超新星爆炸。但整个宇宙却不可能发生爆炸,因为没有任何力量,能把如此广大、无边无际的宇宙物质吸引在一起,形成一个宇宙大星球。也没有任何力量能把这个假设的、巨大的宇宙大星球炸碎。因此,大爆炸理论,科学根据不足。