字宙之外是否还有宇宙

字宙之外是否还有宇宙

我们居住的地球是太阳系的一个普通成员。太阳系的中心天体——太阳，是一个半径约70万千米，表面温度高达6000K的气体球，其核心温度高达1500万K，发生着氢聚变为氦的核反应。我们赖以生存的光和热，就是由这种核反应产生的。

太阳系有8个行星，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。水星距太阳最近。在火星与木星之间运行着几十万颗小行星。太阳系中质量较小的天体还有彗星和流星。

晴朗的夜空中有一条横亘天际的光带，被称为银河。实际上它是由群星和弥漫物质集成的一个庞大的天体系统，叫做银河系。银河系的发光部分直径约7万光年（实际直径约10万光年），最大厚度约1万光年，像一个中央突起、四周扁平的旋转铁饼。太阳是银河系中一颗普通恒星，处在距轴约3/5的地方，以250千米/秒的速度绕轴旋转。银河系中有大约2000亿颗恒星，彼此之间相距很远。离太阳最近的比邻星距太阳4.3光年，半径是太阳半径的6000万倍。除了恒星外，银河系中还有不少由气体和尘埃组成的团快，称为星云。有的星云含有大量分子，称为分子云，常常是形成恒星的场所。那么，银河系又是谁的成员呢？

银河系之外还有数以10亿计的庞大天体系统，与银河系属于同一结构层次，统称星系。人类肉眼可以看见的最远天体——仙女座星系——就是其中之一，它距银河系225万光年，但在与银河系大小相当的星系中还算最近的一个。星系在宇宙中的分布是不均匀的，有的成双，有的成群，大的星系团甚至包含成百上千个星系。有些星系团又聚集成尺度更大的超星系团，但在5亿光年以上至目前观测所及的150亿光年之间，尚未发现不均匀的迹象。那么，这些星系又归属于谁呢？

16世纪，哥白尼提出日心说，为地球找到了坐标，把地球从居于宇宙中心的特殊地位降为一颗绕太阳旋转的普通行星，正确地反映了太阳系的实际情况。十八、十九世纪，是太阳系天文学发展的鼎盛时期，借助望远镜，人们不仅发现了天王星、大量的小行星、行星的卫星等太阳系成员，还根据天王星实际观测位置与理论计算位置的偏差，完全靠天体力学理论准确地预言了海王星的存在和位置，并最终导致了海王星的发现，从而有力地证明了当时的宇宙理论同太阳系的客观实际是相符的。与此同时，人类的视野逐渐由太阳系扩展到更为广阔的恒星世界。1718年，哈雷将自己的观测同1000多年前托勒密时代的观测结果相比较，发现有几颗恒星的位置已有明显的变化，首次指出了所谓恒星不动的观念是错误的。1918年，沙普利分析当时已知的100多个球状星团的距离和视分布资料，得出银河系是一个直径达10万光年的庞大的透镜形状天体系统，太阳并不处于其中心的正确结论。1924年，哈勃发现仙女座星云中的造父变星（其光度由于星体的膨胀收缩运动而发生周期性变化的一类变星），根据周期一光度关系推算出它远在银河系之外，是尺度同银河系相当的巨大恒星系统。这一重大发现，将人类认识的宇宙范围从恒星组成的银河系扩展到由星系组成的更广阔的世界。这个包括银河系在内由众多星系组成的世界，就是我们今天所了解的宇宙。那么，宇宙又是以怎样一种状态存在的呢？

1916年，爱因斯坦提出广义相对论。这一理论主张，时间和空间并不像人们一贯认为的那样，只是一个让物体在其中运动而本身却不受影响的容器，而更像是一个形状依赖于其上所载小球的薄膜。自由粒子和光沿着这一形变薄膜上弯曲的短程线运动，就像它们在小球引力的作用下偏离直线运动一样。这种关于时间、空间和引力的全新理论，不仅正确地预言了日全食时掠过太阳边缘的星光会发生1.75角秒的偏折，而且完满地解释了牛顿引力理论不能说明的水星近日点每百年前移43角秒的现象，因而逐步得到人们的公认，为上演现代宇宙学这场气势恢弘的戏剧搭好了坚实的舞台。1917年，爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究，得到一个有限无界的静态宇宙模型。尽管后来发现它不可能保持稳定而被放弃，但毕竟是一次开创性的尝试，揭开了现代宇宙学研究的序幕。1924年，弗里德曼在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，决不会保持静止状态。就如在太空中向四面抛出的一把石子，要么继续飞散开去，要么在相互间引力的作用下聚拢回落，不可能在某个中间位置保持相对静止一样。尽管这个浅显的例子不难理解，但在没有确切的事实证明之前，人们是很难放弃宇宙整体静止的传统观念的。那么，我们有没有办法觉察作为宇宙基本成员的星系的运动呢？能不能像发现恒星的自行（恒星间在天球上的相对位置的变化）那样，通过比较不同时代拍摄的天文照相底片来发现星系的自行呢？这至少在目前条件下是不可能的，因为星系离我们实在太遥远了。幸运的是，物理学为我们提供了另一种测定物体运动速度的有力手段——多普勒效应。光波同声音一样，也有类似效应：面向观察者运动的光源谱线（与静止光源相比）将向高频（即光谱蓝端）移动，而背向观察者运动的光源谱线将向低频（即红端）移动，波长的相对移动量与相对运动速度成正比。1929年，哈勃在仔细研究了一批星系的光谱之后发现，除了个别例外，绝大多数星系的光谱都表现出红移，而且红移量大致同星系的距离成正比。如果将红移解释为多普勒效应，那就意味着所有星系都在离我们而去，其退行速度正比于同我们的距离。这一关系为哈勃定律，比例常数称为哈勃常数。如果遵循哥白尼的思想，认为我们在宇宙中并不处于特殊的中心位置，也就是说哈勃定律对任何星系来说都是成立的，那么，直接的推论就是：宇宙中所有的星系都在彼此远离，即宇宙处于普遍的膨胀之中。既然我们已经证明了宇宙正处于一种膨胀状态，那么人们自然会问；宇宙在最初是一种什么状态？它将来会是怎样一种归宿？

如果星系目前正在彼此远离，那么它们过去必定靠得更近，也就是说，较早时代的宇宙，物质密度会更高。继续这一推理就意味着过去必定存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被压缩为极其高密的状态。按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度，就可以估计出那一时刻距今约100～200亿年。这段时间对所有星系来说是共同的，事实上它们就是哈勃常数的倒数。那一时刻通常被称为“大爆炸”，也就是我们宇宙的开端。如果这一推论不错，那么宇宙中一切天体的年龄都不应该超出这个“宇宙龄”所界定的上限。为了验证这一假说，人们借助卢瑟福所开创的利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法，测量了地球上最古老的岩石和“阿波罗号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本，发现它们的年龄均不超过47亿年。恒星的年龄可以从它们的发光功率和拥有的燃料储备来估计。根据热核反应提供恒星能源的理论，人们估计出银河系中最老的恒星年龄为100～150亿年。用这两种完全不同的方法得到的天体年龄竟与“宇宙龄”协调一致，这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。宇宙大爆炸理论的创始人斯蒂芬·霍金认为：宇宙的源头是“无限密度的一点”。他认为这密度无限大的一点在距今200亿年以前发生了一次大爆炸，大爆炸形成了时间、空间和物质。理论推测认为，早期宇宙曾经非常炽热。在大爆炸后一秒钟以前，宇宙中的温度高于100亿K。那时不仅不可能存在星系、恒星、地球，甚至除了氢核外也没有其他化学元素，只有处于热平衡状态下的由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成的“宇宙汤”。起初，中子和质子的数量几乎相等，随着温度的降低，两者的比例逐渐下降，在约3分钟时达到1：6左右。当温度降到10亿K时，中子和质子合成氘核的反应开始，类似氢弹爆炸时发生的聚变过程，迅速把所有的中子和成到由两个质子和两个中子构成的氦核中。由此不难算出，氦同氢的质量比应为1：4。天文观测表明，无论在宇宙中哪个角落，无论在恒星、星际物质中，氦与氢的比例均大体与此相符。同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素，尽管数量小得多，但它们的丰度（即与氢的比例）也具有类似的普适性。这对大爆炸模型无疑是一个有力的支持。热大爆炸的另一个重要遗迹是微波背景辐射。前面说过，大爆炸后最初几分钟，宇宙就像一个氢弹爆炸时产生的火球，处处充满了温度高达10亿K的光辐射。由于处于热平衡中，这种辐射强度随波长的分布服从普朗克分布（或称黑体普）。随着宇宙的膨胀，辐射温度不断下降，但始终保持黑体普形和总体均匀性。按照伽莫夫等人的计算，作为这种过程的遗迹，目前的宇宙中应普遍存在温度约5K的背景黑体辐射。由于这种辐射的峰值波长在1毫米附近，处于微波波段，故又称微波背景辐射。令人遗憾的是，这一重要预言在提出后的10多年中竟未引起人们的认真关注。直到1964年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35厘米波长处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号时，他们起初也并不清楚自己发现的意义。后来普林斯顿大学的皮伯斯等得知这一消息，才认识到这正是他们试图寻找的宇宙背景辐射。为了最后“验明正身”，20多年来，形势逐渐明朗。1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星，第一批测量数据表明：在从0.5毫米到5毫米的整个波段上，该辐射的谱分布与温度为2.735±0.06K的理想黑体完全相合；在扣除运动效应以后，天空不同方向的相对温度差小于十万分之一。这就无容质疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普适性。它是热大爆炸模型最令人信服的证据。霍金认为，空间和时间起源于大爆炸，并将以黑洞的形式结束。霍金认为，对于我们的宇宙来说，如果宇宙的总质量大于某个数值，最终有一天它就会在自身的引力下产生“大坍缩”。这是一个与大爆炸相反的过程，届时时光将会倒流；如果宇宙的质量小于某个数值，那么宇宙就会像现在这样一直膨胀下去。

现在宇宙还有许多问题需要人们进一步探索，比如，宇宙之外还有没有宇宙？如果有，它与我们的宇宙是什么关系？这些宇宙之外又是什么？宇宙大爆炸前“无限密度的一点”的周围是什么？现在正在大爆炸的宇宙周围是什么？是不是正在坍缩的另一个宇宙？宇宙大爆炸是什么原因导致的？是否因为其他宇宙的“大坍缩”引起了我们所在宇宙的“大爆炸”？