語文高三下冊《宇宙的未來》正文(2)
語文高三下冊《宇宙的未來》正文
暗物質(zhì)的另一個證據(jù)來自于星系團。我們觀測到星系在整個空間中分布得不均勻，它們成團地集中在一起，其范圍從幾個星系直至幾百個星系。假定這些星系互相吸引成一組從而形成這些星系團。然而，我們可以測量這些星系團中的個別星系的運動速度。我們發(fā)現(xiàn)其速度是如此之高，要不是引力吸引把星系抓到一起，這些星系團就會飛散開去。所需要的質(zhì)量比所有星系總質(zhì)量都要大很多。這是在這種情形下估算的，即我們認為星系已具有在它們旋轉時把自己抓在一起的所需的質(zhì)量。所以，在星系團中我們觀測到的星系以外必須存在額外的暗物質(zhì)。
人們可以對我們具有確定證據(jù)的那些星系和星系團中的暗物質(zhì)的量作一個相當可靠的估算。但是這個估算值仍然只達到要使宇宙重新坍縮的臨界質(zhì)量的百分之十左右。這樣，如果我們僅僅依據(jù)觀測證據(jù)，則可預言宇宙會繼續(xù)無限地膨脹下去。再過五十億年左右，太陽將耗盡它的核燃料。它會腫脹成一顆所謂的紅巨星〔紅巨星〕光譜呈橙色、紅色的巨星稱為紅巨星。其形成是因為在恒星演化過程中，由于內(nèi)部核燃料的耗盡，熱核反應的速率減弱，打破了引力與輻射壓之間的平衡，恒星的外殼開始燃燒膨脹。，直到它把地球和其他更鄰近的行星都吞沒。它最后會穩(wěn)定成一顆只有幾千英里尺度的白矮星白矮星〕一類低光度、高溫度、高密度的簡并態(tài)恒星，是恒星演化的一種歸宿。當恒星經(jīng)過紅巨星階段損失大量質(zhì)量后，剩下的質(zhì)量若小于1.44個太陽質(zhì)量，這顆恒星就演化成白矮星。。我正在預言世界的結局，但這還不是。這個預言還不至于使股票市場過于沮喪。前面還有一兩個更緊迫的問題。無論如何，假定在太陽爆炸的時刻，我們還沒有把自己毀滅的話，我們應該已經(jīng)掌握了恒星際旅行的技術。
在大約一百億年以后，宇宙中大多數(shù)恒星都已把燃料耗盡。大約具有太陽質(zhì)量的恒星不是變成白矮星就是變成中子星〔中子星〕恒星在核能耗盡后，經(jīng)過引力坍縮，依靠簡并中子的壓力與引力平衡形成的星體。，中子星比白矮星更小更緊致。具有更大質(zhì)量的恒星會變成黑洞〔黑洞〕一種特殊的天體，是時間—空間的一個區(qū)域。它的基本特征是有一個封閉的視界。由于引力強大，就連光也不能從中逃逸出來，所以黑洞是看不見的。。黑洞還更小，并且具有強到使光線都不能逃逸的引力場。然而，這些殘留物仍然繼續(xù)繞著銀河系中心每一億年轉一圈。這些殘余物的相撞會使一些被拋到星系外面去。余下的會漸漸地在中心附近更近的軌道上穩(wěn)定下來，并且最終會集中在一起，在星系的中心形成一顆巨大的黑洞。不管星系或星系團中的暗物質(zhì)是什么，可以預料它們也會落進這些非常巨大的黑洞中去。
因此可以假定，星系或星系團中的大部分物體最后在黑洞里終結。然而，我在若干年以前發(fā)現(xiàn)，黑洞并不像被描繪的那樣黑。量子力學的不確定性原理〔量子力學的不確定性原理〕即德國物理學家海森伯(1901—1976)提出的測不準原理。它的量子力學意義是不能在同一個態(tài)中同時準確測量出粒子的位置和速度。講，粒子不可能同時具有定義很好的位置和定義很好的速度。粒子位置定義得越精確，則其速度就只能定義得越不精確，反之亦然。如果在一顆黑洞中有一顆粒子，它的位置在黑洞中被很好地定義，這意味著它的速度不能被精確地定義。所以粒子的速度就有可能超過光速，這就使得它能從黑洞逃逸出來，粒子和輻射就這么緩慢地從黑洞中泄漏出來。在一顆星系中心的巨大黑洞可有幾百萬英里的尺度。這樣，在它之內(nèi)的粒子的位置就具有很大的不確定性。因此，粒子速度的不確定性就很小，這表明一顆粒子要花非常長的時間才能逃離黑洞。但是它最終是要逃離的。在一個星系中心的巨大黑洞可能花10(九十次方)年的時間蒸發(fā)掉并完全消失，也就是“1”后面跟90個“0”。這比宇宙現(xiàn)在的年齡要長得多，它是1010年，也就是“1”后面跟10個“0”。如果宇宙要永遠膨脹下去的話，仍然有大量的時間可供黑洞蒸發(fā)。
永遠膨脹下去的宇宙的未來相當乏味。但是一點也不能肯定宇宙是否會永遠膨脹。我們只有大約為使宇宙坍縮的需要密度十分之一的確定證據(jù)。然而，可能還有其他種類的暗物質(zhì)，還未被我們探測到，它會使宇宙的平均密度達到或超過臨界值。這種附加的暗物質(zhì)必須位于星系或星系團之外。否則的話，我們就應覺察到了它對星系旋轉或星系團中星系運動的效應。
為什么我們應該認為，也許存在足夠的暗物質(zhì)，使宇宙最終坍縮呢?為什么我們不能只相信我們已有確定證據(jù)的物質(zhì)呢?其理由在于，哪怕宇宙現(xiàn)在只具有十分之一的臨界密度，都需要不可思議地仔細選取初始的密度和膨脹率。如果在大爆炸后一秒鐘宇宙的密度大了一萬億分之一，宇宙就會在十年后坍縮。另一方面，如果那時宇宙的密度小了同一個量，宇宙在大約十年后就變成基本上空無一物。
宇宙的初始密度為什么被這么仔細地選取呢?也許存在某種原因，使得宇宙必須剛好具有臨界密度。看來可能存在兩種解釋。一種是所謂的人擇原理，它可被重述如下：宇宙之所以是這種樣子，是因為否則的話，我們就不會在這里觀測它。其思想是，可能存在許多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近臨界密度的能存活得足夠久并包含足夠形成恒星和行星的物質(zhì)。只有在那些宇宙中才有智慧生物去詰問這樣的問題：密度為什么這么接近于臨界密度?如果這就是宇宙現(xiàn)在密度的解釋，則沒有理由去相信宇宙包含有比我們已探測到的更多物質(zhì)。十分之一的臨界密度對于星系和恒星的形成已經(jīng)足夠。
然而，許多人不喜歡人擇原理，因為它似乎太倚重于我們自身的存在。這樣就有人對為何密度應這么接近于臨界值尋求另外可能的解釋。這種探索導致極早期宇宙的暴漲理論。其思想是宇宙的尺度曾經(jīng)不斷地加倍過，正如在遭受極端通貨膨脹的國家每隔幾個月價格就加倍一樣。然而，宇宙的暴漲更迅猛更極端得多：在一個微小的暴漲中尺度的至少一千億億億倍的增加，會使宇宙這么接近于準確的臨界密度，以至于現(xiàn)在仍然非常接近于臨界密度。這樣，如果暴漲理論是正確的，宇宙就應包含足夠的暗物質(zhì)，使得密度達到臨界值。這意味著，宇宙最終可能會坍縮，但是這個時間不會比迄今已經(jīng)膨脹過的一百五十億年左右長太多。
現(xiàn)在小結如下：科學家相信宇宙受定義很好的定律制約，這些定律在原則上允許人們?nèi)ヮA言將來。但是定律給出的運動通常是混沌的。這意味著初始狀態(tài)的微小變化會導致后續(xù)行為的快速增大的改變。這樣，人們在實際上經(jīng)常只能對未來相當短的時間作準確的預言。然而，宇宙大尺度的行為似乎是簡單的，而不是混沌的。所以，人們可以預言，宇宙將永遠膨脹下去呢，還是最終將會坍縮。這要按照宇宙的現(xiàn)有密度而定。事實上，現(xiàn)在密度似乎非常接近于把坍縮和無限膨脹區(qū)分開來的臨界密度。如果暴漲理論是正確的，則宇宙實際上是處在刀鋒上。所以我正是繼承那些巫師或預言者的良好傳統(tǒng)，兩方下賭注，以保萬無一失。〖〗宇宙局部運動的混沌狀態(tài)，不妨礙對它的宏觀預測。但宇宙的未來是膨脹還是坍縮，尚難定論。
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