科普知識（二）

1、認識宇宙 人類經過很長時間的努力才認識到我們腳下的大地是個球體。大地這個球體該放在宇宙的什麼地方呢?開始人們把它放在了宇宙的中心。後來，有個叫帕拉多喜的人發現天上的星星有一些在動--人們叫它們行星，與之相應，不動的星星便叫恆星。於是人們就說，天上的月亮、太陽、行星及所有恆星都繞著地球做圓周軌道運動。托勒密第一個用數學方法確定了地球與行星的關係，給古希臘人心目中的宇宙圖景做出了定量的描繪。這個圖景後來成了基督教神學的理論基礎。直至1543年哥白尼出版《天體運行論》，才把地球從宇宙中心移開。在哥白尼的體系中，地球不再是宇宙的中心，而是與其他行星一樣沿正圓形軌道繞太陽旋轉。 17世紀之前，人們-直都是憑藉肉眼來觀察大象，並藉助一些簡單的度量儀器來研究天體，主要是太陽、月球和可以用肉眼看到的五大行星。中國人用他們所熟知的金木水火土五行，古希臘、古羅馬人用他們熟悉的神來給這些行星起了名字。1610年，伽利略發明了天文望遠鏡，從而拓寬了人們的視野，看到了用肉眼無法看到的新的宇宙圖景。 從18世紀到19世紀上半葉是近代天文學大發展的時期，這時期建立了完整的大行星、地球和彗星運動理論，發現了一些新的行星、行星的衛星和小行星，並且把觀察的視野從太陽系擴展到了銀河系的其他恆星系。19世紀下半葉，天文學家將當時物理學中的一些新的理論和方法引入到天體研究中，創立了天體物理學，從此開始了現代天文學階段。 進入20世紀之後，無論是天體物理理論，還是天體觀測方法都取得了很大的進展。在傳統的光學天文學領域，隨著反射天文望遠鏡的出現，一改19世紀折射天文望遠鏡的局限，天文望遠鏡的口徑不斷增大。1908年出現了1.5米鏡、1918年出現了2.5米鏡、1948年出現了5米鏡、1976年出現了6米鏡，1993年口徑10米的巨型天文望遠鏡問世，使人們的視野進入到更為遙遠的宇宙空間。 1932年，美國工程師央斯基發現了來自銀河系中心方向的宇宙無線電波，後來將這種無線電波稱為宇宙射線，由此發現了了解宇宙的新途徑，並創立了射電天文學。手段的改進是天文學發展的前提，射電望遠鏡的出現使宇宙全波段地展現在人類的視野中，使人類了解到一些根據可見光無法了解的天體和物質，例如超新星痕迹、類星體、脈衝星、星際分子和微波背景輻射等。 20世紀60年代開始，人類探索宇宙的立足點不再局限於地球，1962年，美國探空火箭攜帶X射線探測器飛離地球150公里，發現了在地球表面無法接收的來自宇宙的強X射線，開創了空間天文學時代。1998年6月，美國太空梭發現者號攜帶著有中國科學家參與研製的α磁譜儀，試圖尋找宇宙中的反物質。 2、宇宙的結構 ●梯級分布和各向同性 宇宙是自然科學最大的研究對象，關於宇宙，人類已經有了越來越多的知識。這些知識包含了可能對宇宙進行某種科學解釋、建立某種模型所必需的東西;已經讓我們能夠理性地推斷可測範圍之內宇宙的起源和不很久遠時段內宇宙的未來;已經讓我們能夠發射地球衛星和為各種不同目的服務的太陽系際探測器;已經讓我們能夠以科技的方式展開對宇宙間智能生命夥伴的搜尋…… 我們現在對宇宙的基本認識是:在相對較小的時空內，宇宙中的物質依次聚集為星體、星系、星系團、超星系團、超超星系團……。宇宙在整體上是均勻的、各向同性的，宇宙沒有中心，任何典型星系的觀察者所看到的宇宙規律是一樣的。 ●宇宙在大尺度上是膨脹著的 人們發現天空中有許多雲霧狀的天體，名之為星雲。1924年哈勃把天文望遠鏡對準仙女座大星雲，分辨出構成該星雲的單個星體，使河外星系和塵埃雲得以區分，並發現仙女座大星雲不是銀河系中的天體，而是距地球約220萬光年之遙的與我們的銀河系一樣的星系，謂之河外星系。繼而他又對河外星雲做了更深入細緻的研究，發現了許多更為遙遠的星系。 1912年始，致力於天體光譜研究的美國天文學家斯萊弗發現，幾乎所有河外星系的光譜線都存在著向紅端移動的現象。如果按照多普勒效應解釋，這就意味著這些星系都在遠離地球而去，而且運行速度相當大，比如室女座大星雲的運行速度是每秒1000千米。1929年，哈勃考察了斯萊弗的工作，結合自己對河外星系的研究，把運行速度的研究範圍擴展到每秒2萬公里，提出著名的哈勃定律:星系光譜線的紅移量同它們與地球的距離成正比。哈勃的理論被後來的觀測進一步證實。也就是說，河外星系的紅移是反映宇宙整體性特徵的系統性紅移--從宇宙中的任何一點都能看到幾乎所有的天體都在遠離該點而去--宇宙在膨脹。這是一種全方位的無中心膨脹，其情形類似於膨脹的氣球上各點之間相互遠離。 ●宇宙的時空是柔性的 在牛頓時空觀中，空間是三維平直的，是絕對均勻、各向同性的;時間是單向一維的，像河流一樣勻速地流淌著。時間和空間與物質無關，它們就像是盛裝物質的容器，亘古存在，永遠不變。 愛因斯坦1905年和1915年先後提出狹義相對論和廣義相對論，狹義相對論初步建立了時間、空間的統一性，以及時間空間與物質運動的聯繫。在狹義相對論中，時空度規隨物質的運動而變化。 廣義相對論統一了引力質量和慣性質量，引力場等效於具有相當加速度的參照系。他還揭示了四維時空與物質的統一關係，指出空間一時間不能離開物質而獨立存在，物質的質量及其分布狀況決定時空的結構。反過來看，引力場是空間幾何彎曲的表現，空間的曲率體現引力場的強度。 有人依據愛因斯坦的理論推論，在極強引力場，比如黑洞中，空間收縮為1維的，時間擴張為3維的;而超強理論又認為在極微觀高能的世界中時空可能是11維的。 愛因斯坦指出大引力場周圍可測到空間彎曲，並預言在日全食的時候觀測太陽背景處的恆星位置可以證實這種現象。1919年愛丁頓率隊赴非洲觀測日全食驗證了愛因斯坦關於光線在引力場中發生彎曲的預言，也就是證實了愛因斯坦關於物質與時空結構關係的理論。 3、太陽系 直至目前，太陽系依然是我們在宇宙中了解最多的天體系統。哥白尼之後的幾個世紀中，太陽系一直是天文學研究的重點。到了19世紀末，科學家們已經發現了除冥王星之外的其他八大行星和將近500顆小行星。20世紀二三十年代，天文學家們又發現了太陽系中的一顆新的大行星--冥王星，並且發現了一些大行星周圍的衛星、7000多個小行星，以及若干顆彗星，從而繪製出更加完備的太陽系圖景。 ●太陽 太陽是與人類的生活最密切相關的天體，萬物生長*太陽，我們地上生命的全部能量幾乎都來源於太陽。但是由於研究手段的限制，直到20世紀，隨著物理學和天文學的發展，更精密儀器的問世，特別是太陽空間探測器的發射，人類對於太陽才有了深入的了解。 現在我們知道，太陽是個主要成分為氫的氣體球，太陽的能量來自其本身氫原子的核聚變;太陽表面平均溫度為五六千度，中心溫度達數千萬度;太陽每時每刻都在向外輻射巨大的能量，輻射到地球上的只是其中極其微小的部分;太陽既是生命的源泉，又是巨大的殺手。因為它有強大的磁場，內部溫度極高、進行著劇烈的核反應，所以自然界各種相互作用的機制隨時在其中起作用，所形成的強大的由紫外線、x射線等高頻段電磁波及各種粒子流組成的太陽風籠罩在地球上。 太陽風是地球所承受的宇宙射線的重要來源。如果宇宙射線長驅直入，地球上絕不會有生命可言，是地球的大氣層特別是臭氧層和強大的地球磁場保護著我們，這也是我們今天為南北極的臭氧空洞憂心，並極力倡導保護臭氧層的原因。太陽的壽命約為100億年，它現在已經走完了大約一半的旅程。 ●月球 月球是地球的衛星，是離我們最近的天體，它那肉眼看上去亮麗晶瑩的外表曾經寄託過人類數不盡的美好心愿。 從17世紀伽利略第一次把望遠鏡指向月球看到環形山以後，直到20世紀人類才逐漸了解了月球的物理特性。20世紀20年代，法國科學家利奧推測出月球表面有一層由火山灰構成的灰土，50年代末，人類所進行的首次空間探測就是針對月球。1959年，前蘇聯發射了第一顆月球探測器，發回來的照片使人類第一次看到月球背面的情況。很快，美國也相繼發射了一系列月球探測器。1972年7月20日，美國阿波羅11號宇宙飛船的登月艙在月球著陸，宇航員阿姆斯特朗成為第一位登上月球的人，迄今為止，一共有12個人分6次登上了月球。 現在我們已經知道，月球是個死寂的天體，它既沒有大氣、沒有水、沒有活火山，也基本沒有「地質運動」，它除了寂靜地繞著地球旋轉、接受來自宇宙空間的各種撞擊和輻射之外基本上已經結束了自己天文學意義上的進化歷程。可能只有人類才能賦予月球新的生命。 關於月球的起源有三種主要的說法:一種認為月球是在地球產生過程中與地球同時形成的，是早期地球星胚旋轉處於吸積盤階段時盤面上擾動積聚的結果;另一種說法認為月球的起源遠比地球晚，月球是從地球上拋出去的，太平洋就是月球脫離地球後留下的痕迹;第三種說法認為月球是地球掠獲的小行星。但三種說法都有解釋不清的問題，所以關於月球的起源至今還是個未解之謎。 現在，一些國家包括我國都有自己探測開發月球的願望或已經制定了計劃，人類未來宇宙空間的第一個落腳點恐怕還得是月球。 ●行星 在19世紀下半葉天體物理學創立之前，太陽及太陽系中的行星、彗星和月球一直是天文學家研究的重點。隨著航天飛行器的問世，人類得以近距離觀察一些大行星。從60年代開始，美國、蘇聯和德國等國家先後發射了多個星際探測器，主要對火星、金星和水星等內太陽系天體進行科學考察，其中美國的火星探測器「海盜1號」和「海盜2號」於1975年在火星上著陸;1997年，美國的火星探測器「探路者」又在火星上著陸，進一步探索火星的地形地貌，為人類將來可能登陸火星進行深入的考察。從70年代開始，一些行星探測器又飛向外太陽系，考察木星、土星、天王星和海王星。 火星是目前為止人類了解得最多的行星，也是各種天文地質狀況與地球最接近的太陽系天體。人類在夢想著以各種物理、化學和生物的辦法對火星進行地球化改造，使它在不遠的將來呈現出適合於人類居住的條件，以便在人類走出地球這個人類童年的搖籃，邁開向宇宙空間移民的第一步的時候落戶火星。 除九大行星外，太陽系火星和木星之間還有一個奇異的小行星帶。小行星的最初發現是起因於人們的一種困惑--在太陽系中每一顆行星與太陽的距離都大約是其前一顆的1.3~2.0倍，惟一的例外就是第五顆行星--木星到太陽的距離大約是第四顆行星--火星到太陽距離的3.4倍。受由理論推導而發現天王星的鼓舞，德國的天文家們認為在火星和木星之間應該還有一顆行星，還組織了一個小組準備搜尋。然而，第一顆小行星卻是義大利天文學家皮亞齊在無意中發現的。1801年1月1日，皮亞齊在火星和木星之間發現了一個每天都改變位置的暗淡天體，德國數學家高斯推算出它的軌道正是在人們期待發現新行星的空間內，證明它是一顆行星，皮亞齊名之為穀神星。然而，穀神星太小，半徑只有1000千米，只有月球的1/50大，似乎不足以填補火星和木星之間空曠的空間，於是天文學家們繼續搜尋。1807年奧伯斯在這個空間內又發現了三顆新行星，分別命名為智神星、婚神星和灶神星。天文學家赫歇爾建議稱這些行星為小行星，這種叫法延用下來。 至今，在火星和木星間的這個空間內已經發現了數千顆小行星，因此人們稱其為小行星帶。現在一般認為這個小行星帶是由於太陽系內最大的行星木星的強大引力加之火星引力的共同攝動導致的結果。這種攝動使小行星帶內的物質難以聚合成星子，故而形不成大行星。 除小行星帶內的小行星外，還有一些分布在太陽系內其他行星軌道上或自己擁有獨立軌道的小行星。這些小行星的軌道曲率往往特別大，也就是說特別扁長，遠日點特別遙遠，近日點特別近，與地球等其他行星軌道有交*。天文學家把軌道近地點比金星與地球的距離還近的小行星稱為掠地小行星。與大行星軌道交*以至可以達到相當*近的距離，這一方面導致小行星有可能被大行星掠獲，成為大行星的衛星;另一方面，雖然可能性極小，但一旦發生就是滅頂之災--小行星們有可能與大行星相撞，當然最令人擔憂的是與我們的地球相撞。這也是人類必須在宇宙中尋找更多的棲身之所的一個重要理由。著名科普作家卡爾·薩根曾引用西方的一句俗語來解釋這個理由說:「我們不能把所有雞蛋都放在同一隻籃子里。」 ●衛星 月球是地球唯一的衛星，也是直至近代之前人類知道的太陽系中惟一的一顆衛星，所以自古人們都是把它與金木水火土等行星一道等而觀之，並沒覺出它與其他行星有什麼不同。1610年，伽利略用自製的望遠鏡觀天，發現了木星的四顆衛星。這件事在當時可謂是引起了軒然大波，因為這就意味著不但地球不是宇宙的中心，太陽也不是宇宙惟一的中心，而這樣的結論是為當時的「正統思想」所絕對不能容忍的。現在，人類已經在太陽系中發現了至少64顆衛星;並且知道土衛六上有大氣，這是目前所知惟一的一顆擁有大氣的衛星。有大氣是非同小可的事情。因為有大氣就多了一重地球化的可能，而存在地球化可能的地方都有可能成為人類的未來家園。 ●彗星 長期以來，無論在東方還是西方，彗星的出現都被視為是不祥的徵兆。對於西方人來說這種情況在1682年徹底改變了。這一年牛頓的朋友哈雷發現了當年出現的彗星原先也曾經進入過人類的視野，而且他計算出這顆彗星每76年會再來一次。1758年，這顆彗星果然光臨。但是，人們長期以來還是不知道為什麼彗星在太陽系運行時形狀會發生變化。直到20世紀，人們才知道彗星原來也是以橢圓軌道繞太陽運行的天體，但它們的軌道比行星的扁得多，因此近日點往往很近，遠日點卻非常遠。 彗星主要是由冰雪物質和塵埃組成，有人形象地說彗星是個「臟雪球」。彗星遠離太陽時，為完全的固體狀態，當它*近太陽時，因為熾熱，會形成水蒸汽和塵埃，因此，形狀變化較大，會有明顯的膨脹，多數情況下還會拖出或長或短的彗尾。我們現在還知道，彗星因為每次經過太陽附近時都會損失一些物質，在經過太陽若干次之後，彗星就全部因蒸發和分解為塵埃而消失，或者留下一個由岩石組成的核。 關於彗星的起源，還是個未解之謎。 4、銀河系 銀河系是一個擁有上千億顆恆星和大量星際物質的天體系統，太陽是銀河系中一顆極其普通的中等恆星。我們在夏夜晴朗的天空中看到的銀白帶子是銀河系在天球上的投影，熠熠的白色是密集的恆星發出的光輝。 如果從銀河系之外看銀河系，它應該是一個帶旋渦結構的鐵餅形星系。銀河系的盤面直徑約為10萬光年，核球直徑大約為1萬光年，銀核直徑大約為3光年。我們的太陽處在銀河一條旋臂上，距銀心約4萬光年遠的地方。因此在地球上看銀河，朝向銀心的一側密集明亮，另一側則稀疏暗淡。銀盤中恆星相對密集，尤其是旋臂上集中著一些比較年輕的甚至是形成中的恆星、疏散星團、星際介質和氣體星雲;年老的球狀星團分布在銀暈中;大質量的銀核中心有一個巨大的黑洞。銀河系的總質量為1400億個太陽質量，其中90%為恆星、10%為氣體和塵埃組成的星際介質。銀河系整體繞過銀心垂直於銀盤的軸旋轉，太陽所在處的轉速為每秒220千米。 5、恆星的演化 古人將天空中的星體分為行星和恆星，前者有明顯的運動，後者不動。1718年，天文學家哈雷發現三顆最亮的恆星--天狼星、南河三和大角星的位置與希臘時代天文學家的記錄有較大的偏差並且不可能是正常的誤差，於是得出結論說恆星並非不動，只是因為與我們的距離相當遙遠而顯得運動相當緩慢，所以看上去好像不動一樣。在19世紀，人們發現宇宙中的恆星具有不同的光譜，於是有人提出，恆星是否也發生演化。對於這個問題，直到20世紀50年代才找出答案。在這期間，美國天文學家史瓦西經過系統研究，將恆星的能源和恆星的結構與恆星的演化結合了起來。弗里德曼·霍伊爾對恆星演化給出了科學的解釋，將恆星生命周期劃分為起源、主序星、紅巨星、矮星等幾個階段。其中恆星在主序星階段停留的時間最長，我們的太陽現在正處於這一階段。對恆星的演化過程，科學家以赫-羅圖描述。對恆星演化過程的研究是人類迄今為止對天體問題最精確的科學研究。 恆星的前身是瀰漫稀薄的星際物質，由於引力收縮而成為密度較大的星胚。在收縮過程中，星胚中心密度增大，引力勢能轉化為熱能，溫度增高，並逐漸發光發熱，當中心溫度達到1000萬度時，在高溫高壓下，氫聚變為氦的熱核反應成為主要能源，星胚成為一顆真正的恆星。當向外的輻射能足以與萬有引力引起的向內的收縮相抗衡時，收縮停止。恆星內部的氫燃燒轉變為氦，隨著時間的推移，恆星中便積累了大量的氦，隨著氫燃料逐漸耗盡，氦逐漸增多，氫聚變為氦的熱核反應產生的熱量減少，溫度降低，向外的輻射能不足以抵抗因巨大質量而擁有的引力所導致的向內的壓力時，恆星在引力的作用下坍縮，星體密度增加，同時內部壓力急劇增大，引力勢能迅速轉變為熱能，溫度陡增，氦被點燃，氦聚變產生碳，燃燒重新開始，向外猛烈輻射能量，導致外殼急劇膨脹，恆星體積急劇增大，表面溫度迅速降低，成為紅巨星。紅巨星之後，如果恆星質量足夠大，還會重複如上的過程，點燃碳聚變而為以硅為主的元素，之後如果恆星質量更大，還會發生硅聚變而為鐵族元素的反應，甚至發生超新星大爆發。再後，恆星便逐漸走向它的末日。在恆星演化的末期依據恆星質量從小到大的不同可能依次出現四類演化結局:黑矮星、白矮星、中子星和黑洞。 6、宇宙中的未解之謎 著名科普作家阿西莫夫說:「在科學上每一個新的發現都會打開通往新的神秘的大門，同時最大的發展往往來自意外的發現，即推翻原有觀點的發現。」對人類現有的理解能力和科學水平而言，宇宙深奧而神秘，下面所列的只是幾個有代表性的現象。 ●暗物質 美國女天文學家葳拉·羅賓依據已經發現的一些天文現象及人類已知的一些科學規律，提出宇宙中應該存在大量的暗物質，否則許多現象都無法解釋。暗物質可能是黑洞和矮星，但暗物質中的絕大多數應該是一些不發光、不反光、不擋光的透明物質，科學家們有的說是重子物質、有的說是光子、有的說是中微子，總之，宇宙間的暗物質還是個未解之謎。 ●類星體 類星體指一類特別明亮、體積特別小、運行速度特別大、發射出的能量特彆強又有極快的明暗周期變化的一類天體。美國天文學家馬丁·斯密特等人對類星體做了深入研究總結出一些現象，提出了一些令人費解的問題，但直至今天，天文學家們連在類星體到底是離我們較近的天體還是離我們非常遙遠的天體這一點上還沒有完全達成共識，類星體到底是什麼東西就更是不得而知。 ●黑洞、白洞，蛀洞 1939年奧本海默根據廣義相對論預言，當恆星質量足夠大(相當於我們太陽質量的3.2倍以上)時，可能會由於巨大的引力而坍縮;隨著它的體積的變小，引力場會變得十分強大，以至大到將其引力範圍(科學上稱視界)內任何東西都吸進去的程度，連光線也無法逃逸，像一個無限深的洞。20世紀60年代，美國物理學家惠勒將其名之為黑洞。有科學家預言，銀河系中應該有100萬個黑洞。由於黑洞吞食一切物質和光線，起碼現階段人類還找不到直接觀察黑洞的方法，不過科學家已經間接證明了若干個黑洞的存在。 白洞是科學家為平衡宇宙間物質的流動性而預言的一種與黑洞性質相反的天體，在視界之內的物質只向外流不向里流;蛀洞(亦有稱蟲洞)則是有了黑洞和白洞之後一種必然性的理論假說，它是科學家預言的彎曲空間不同區域間或不同宇宙間可能存在的聯繫通道。究竟在這樣深的層次上宇宙如何結構自己，人類還不得而知。 7、大爆炸宇宙模型 自從愛因斯坦用他的廣義相對論給出第一個宇宙模型之後，一門新的學科--宇宙學便誕生了。愛因斯坦1917年提出有限無邊靜態宇宙模型，在這個模型中物質均勻分布，宇宙的大尺度特徵不隨時間發生變化。1922年，蘇聯數學家弗里德曼提出了現代宇宙學中第一個動態宇宙模型，提出宇宙有膨脹和收縮兩種可能。1932比利時天文學家阿貝·喬治·勒梅特依據宇宙膨脹逆推而提出宇宙中所有的物質最初應該聚集在一起。1946年，美籍俄裔科學家伽莫夫首次將廣義相對論宇宙學和化學元素生成理論結合起來，提出宇宙開始於高溫、高密度的原始物質，最初的溫度高達幾十億度，很快便降低到10億度，這時的宇宙充滿了輻射和基本粒子，隨後溫度開始下降，宇宙開始膨脹，當膨脹持續100萬年，溫度降至一定程度時，宇宙物質逐漸凝聚成星雲，再演化成今天所見的各種天體。後來伽莫夫的學生阿爾法推斷150~200億年前宇宙大爆炸的餘燼，在今天應表現為溫度為幾K的背景輻射。這個理論在提出來的時候被很多人當作臆想，並未引起特別的關注。1965年，鮑伯·威爾遜和阿諾·彭齊亞斯用貝爾實驗室的角形天線無意間測到了2.7K的微波背景輻射。宇宙微波背景輻射的發現使沉寂的大爆炸宇宙模型煥發出新的生命力。 在大爆炸宇宙模型中，宇宙誕生的時候密度極大，空間高度彎曲，能量集中為引力能;大爆炸發生後，空間中充滿輻射、各向同性。這就產生了疑問--嚴格各向同性的均勻輻射場中何以能出現離散性的粒子?有人預言，這個輻射場中可能會出現細微的擾動，是擾動破壞了場的均質性，產生了粒子。1989年，美國發射「宇宙背景探索者」衛星，1992年正式宣布探測到微波背景輻射的不均勻性，這就使大爆炸在最初完全的能量狀態:足可以產生出粒子進而演化成現今的宇宙有了前提。喬治·斯勒姆以計算機對數據進行處理得出早期宇宙圖，這個圖被形象地戲稱為「宇宙蛋」。 不過，大爆炸宇宙學也還有許多不能解決的問題，比方說大爆炸之前的宇宙是什麼樣子?是整個宇宙都起源於這場爆炸，還是這場大爆炸僅僅是我們已知範圍的宇宙的起源?爆炸之後如今還在膨脹的宇宙是要永遠膨脹下去，還是有一天會停下來或轉變為逆向的收縮?……
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