当代宇宙学的前沿问题

宇宙学是天文学的分支，但当代宇宙学的研究与其他学科 （尤其是物理学）非常密切，其研究的前沿问题大多处于天文学与其他学科的交叉之处，如这里要介绍的黑洞、暗物质和暗能量、地外文明，均是如此。

一、黑洞

对我们人类来说，太阳是最重要的一个天体。我们每天早晨看到它从东方升起，傍晚从西边落下，日复一日，年复一年。在我们的心目中，太阳永远充满着活力，是不会老的。

其实不然，人们之所以丝毫感觉不到太阳的衰老，只是因为人类个体的寿命与太阳的年龄相比实在是太微不足道了。现代天文学告诉我们，太阳也不过是宇宙中千千万万颗恒星中的一员，所有的恒星都有其自身从生到死的一生。只是有的寿命长些，有的寿命短些。

大体上，一颗恒星的一生要经历以下几个阶段：

（1）引力收缩——恒星形成阶段。由于弥散于星际间的物质主要是氢和氦，分布不均匀，密度较大处便成为引力中心，星际物质因引力作用逐渐向该处聚集形成星际云。星云持续收缩，在收缩过程中形成恒星胎。由于引力势能逐渐转化为热能，星胎内部温度越来越高，到一百万摄氏度左右时，氢与氢或氦的核聚变反应爆发，恒星胎转变为恒星。

（2）主序星阶段。在恒星形成之后，恒星内部的氢核聚变成了它的主要能源，其后恒星的辐射压力、气体压力与恒星的自吸引力趋于平衡，恒星基本上既不收缩也不膨胀，这是恒星一生中时间最长的相对稳定时期。不同质量的恒星稳定时期各不相同，质量越大的恒星时间越短，质量越小的恒星时间越长。

（3）红巨星阶段。氢核聚变反应主要在恒星的中心部分进行，随着时间的推移，靠近中心部分的氢逐渐耗尽而形成氦核，氦核的周围则仍然是进行着氢核聚变的壳层。当氦核的质量达到恒星质量的10％～15％时，其核心部分又因引力而收缩，温度随之升高；至中心温度达到1亿度时，3个氦核聚合为1个碳核的核聚变就要发生。这时星体的内部膨胀，吸收热量，而星体的表面积扩大，温度降低，这就成了红巨星。

（4）高密恒星——恒星演化的最后阶段。当红巨星内部能够发生核反应的物质都耗尽时，它将发生引力坍缩。这时，这颗恒星的末日也就来临了。其质量小于1.44个太阳的，就成为白矮星。质量在1.44～2个太阳之间的，成为 “中子星”。中子星的存在首先出自理论预言，人们认为现已发现的几百颗脉冲星都是中子星，质量超过两个太阳的将成为 “黑洞”。

黑洞，是根据广义相对论所预言的，在宇宙空间中存在的一种质量 （密度）相当大的天体和星体 （大约为100亿吨／立方米）。黑洞的质量 （密度）是如此之大，它产生的引力场是如此之强，以至于任何物质和辐射都无法逃逸，就连光也逃逸不出来。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体，故名为黑洞。

现代的黑洞理论建立在广义相对论的基础上。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。比如说，恒星在被吸入黑洞时，会在黑洞周围形成吸积气盘，盘中气体剧烈摩擦，强烈发热而发出X射线。借由对这类X射线的观测，可以间接发现黑洞并对之进行研究。迄今为止，黑洞的存在已被天文学界和物理学界的绝大多数研究者所认同，他们也不时宣称有许多黑洞已经被观测到——现代天文学研究表明，宇宙中大部分星系，包括我们居住的银河系的中心，都隐藏着一个超大质量黑洞。这些黑洞质量大小不一，大约100万个太阳质量到大约100亿个太阳质量都有。

黑洞是一个空间—时间区域，它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离，这个边界被称为 “事件视界”。它如同一个单向的膜，只允许物质穿过视界并落到黑洞里去，但没有任何物质能够从里面出来。

就辐射谱而言，黑洞与有温度的物体完全一样，而黑洞所对应的温度，则正比于黑洞视界的重力强度。换句话说，黑洞的温度取决于它的大小。若黑洞只是太阳的几倍重，它的温度大约只比绝对零度高出亿分之一度，而更大的黑洞温度甚至更低。因此这类黑洞所发出的量子辐射，一律会被大爆炸所留下的2.7度辐射 （宇宙背景辐射）完全淹没。

目前公认的理论认为，黑洞只有三个物理量可以测量到：质量、电荷、角动量。也就是说：对于一个黑洞，一旦这三个物理量确定下来了，这个黑洞的特性也就唯一地确定了，这被称为是黑洞的唯一性定理。黑洞具有潮汐力，越小的黑洞潮汐力越大，反之，越大的黑洞潮汐力越小，旋转的黑洞有内视界和外视界，并会有一个奇异环，一切越过视界的东西最终都会落向奇点，越大的黑洞从视界到奇点所花的时间越长。

黑洞似乎是 “吃人不吐骨头”的怪物，是死寂的代名词，但霍金研究后发现，黑洞也会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。霍金于1974年做此预言时，整个科学界为之震动。霍金的理论结合了广义相对论与量子理论，是黑洞研究领域的一次思想飞跃。他认为，黑洞周围的引力场会释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种 “霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计，因为大黑洞辐射得比较慢，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞爆炸。也就是说，所有的黑洞都会蒸发，只不过大的黑洞沸腾得较慢，它们的辐射非常微弱，因此令人难以觉察。但是随着黑洞逐渐变小，这个过程会加速，以致最终失控，当温度达到10℃～15℃时，黑洞就会在爆炸中毁灭。这也正是霍金所指出的，黑洞也有一个从生到死的过程。

现在已经有人提出了 “人造黑洞”的设想并付诸实施。该设想认为，声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似，如果使流体的速度超过音速，那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞现象。随着大型强子对撞机的发明，物理学家认为这些加速器很可能产生类似于黑洞的高密度物质—— “人造黑洞”，甚至可能威胁地球安全。

俄罗斯科学家亚力克山大·特罗菲蒙科认为，能吞噬万物的真正宇宙黑洞也完全可以通过实验室 “制造”出来：一个原子核大小的黑洞，它的能量将超过一家核工厂。如果人类有一天真的制造出黑洞炸弹，那么一颗黑洞炸弹爆炸后产生的能量，将相当于数颗原子弹同时爆炸，它至少可以造成10亿人死亡。不过，目前所实施的一些所谓 “人造黑洞”项目尚未对人类生存构成威胁，但人类对这类项目是否该有所警惕、防患于未然呢？

二、暗物质和暗能量

21世纪科学最大的谜案之一是 “暗物质”和 “暗能量”。它们的存在，向全世界的年轻科学家提出了挑战，同时也是机遇。在21世纪之初，美国国家研究委员会发布了一份题为 《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的研究报告。科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重，暗物质的本质问题和暗能量的性质问题，在报告所列出的11个大问题中分列为第一、第二位。

暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么。它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。

围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他的观点。他提出 “天外有天”之说，认为：因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙，我们的宇宙在加速地膨胀，且核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连。

暗物质，在宇宙学中又称为暗质，是指那些自身不发射电磁辐射、也不与电磁波相互作用的一种物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。

暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明，我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4％，暗物质占了宇宙的23％，还有73％是暗能量。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常关键。

虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测，但对其组成成分仍未能全然了解。早期暗物质的理论重在一些隐藏起来的一般物质星体，例如：黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为晕族大质量致密天体（英文缩写为：MACHOs），然而多年来的天文观测无法找到足够量的MACHOs。

一般认为，难以探测的重子物质 （如MACHOs以及一些气体）确实贡献了部分的暗物质，但证据指出这类的物质只占了其中一小部分。而其余的部分称作 “非重子暗物质”。此外，星系转速曲线、重力透镜、宇宙结构形成、重子在星系团中的比例以及星系团丰度 （结合独立得到的重子密度证据）等观测数据也指出，宇宙中85％～90％的质量不参与电磁作用。这类 “非重子暗物质”一般据猜测是由一种或多种不同于一般物质的基本粒子所构成。

在众多可能是组成暗物质的成分中，最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子的新粒子。这种粒子与普通物质的作用非常微弱，以至于它们虽然存在于我们周围，却从来没有被探测到过。还有一种被理论物理学家提出来的、被称为轴子的新粒子，也很有可能是暗物质的成分之一。惰性中微子也有可能是组成暗物质的一种成分。

暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究领域。对于大质量弱相互作用粒子来说，物理学家可能通过放置在地下实验室、背景噪声减少到极低的探测器直接探测，也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心、太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测。

暗能量，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。如今，这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。暗能量它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量来推动的。暗能量之所以具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占73％，占绝对统治地位。

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑式的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一个证据是，对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，由加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的 “暗能量”。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究，它精确地测量出宇宙中物质的总密度。我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1／3，所以仍有约2／3的短缺。这一短缺的物质被称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。值得注意的是，对于通常的能量 （辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。

三、地外文明

地外文明是指地球以外的其他天体上可能存在的高级智慧生物的文明。生命是文明存在的前提，因而地外文明探索不言而喻包含了地外生命的探索。由于当前地外文明和地外生命的科学探索都处于猜测性的初级阶段，习惯上对地外文明和地外生命两者概念上不作太严格的区分。所谓地外生命，即除地球外存在的生命体。现代科学研究表明，地球在宇宙中并不是唯一的，像地球一样的行星有许许多多，几乎遍布宇宙。因此，地外生命存在的可能性，正在被越来越多的人所接受。

对于地外文明，普通民众的关注度很高，但普遍倾向于娱乐化，充斥着诸如 “外星人”“UFO”造访地球的噱头。地外文明是一个科学问题，目前对其真正严肃的科学态度，应该是将地外文明探索与 “外星人造访地球”等噱头分开，因为目前没有确切的证据证明外星人曾造访过地球 （当然也没有确切的反证）。而地外生命的存在这个问题，基本上已得到科学界的承认，因为，在宇宙中以万亿亿计的恒星系中，如果仅有太阳系中的地球一个存在生命，这无论如何是不符合科学问题的合理性解释跟预期的。不然只能重回宗教神学那种说法：地球并不是宇宙中一颗普通的行星，造物主特别眷顾地球。

人们认为地外生命存在的原因有三：一是宇宙中适于生命生存的区域数量很大；二是在地球和太阳系中找到的元素，如C、H、O、N等构成生命的基本元素同样遍布宇宙；三是有机化合反应在许多环境条件下都能进行。科学家在暗黑星际云中发现了普通有机分子，更加支持了地外生命存在的学说。

探索地外生命，首先要根据地球上生命存在的状况，弄清生命存在的条件和环境。地球上生命的进化是一个极其缓慢的过程，其进程之慢完全可以同恒星演化的时间尺度相比。地球上低级生命的单细胞生物早在35亿年前就已经出现了，而人类这种智慧生命出现距今不过几百万年。因此，年轻的恒星，即使它周围存在行星，也不可能存在较高级的生命形式。另外，大质量恒星的发光发热寿命只有几百万年，对于生命进化所需要的时间来说也是远远不够的。只有类似太阳或更小一些的恒星才是合适的候选者。据研究，在我们的银河系中，符合这一条件的恒星约有1000亿颗。

但是，并非所有恒星都像太阳一样有行星，而且行星离开恒星的距离必须恰到好处，同时特别假定液态水的存在是生命存在的前提——这两个条件是十分苛刻的。如果地球离开太阳的距离比现在靠近5％，生命就不可能存在；再远1％，地球会彻底冰冻。这样计算下来，恒星周围具有能维持生命所必需的气象条件的行星实际上是不多的。此外，地外文明还必须处于与我们地球文明比较相匹配的文明阶段，不然，彼此向对方发出的联络信号不过是“对牛弹琴”，如我们今天人类向细菌发电报，是不可能有任何回应的。更有可能的是，我们今天收到对方的联络信号，等我们回复信号到达对方所在地时，对方文明已毁灭了。因为，据研究表明，即使是在我们银河系中，离我们最近的有可能存在文明的恒星系，距离我们也有4600光年。也就是说，双方无线电信号来回最少需9200年。要知道，人类懂得无线电技术才100多年。

这样看来，真要想联络上地外文明，前景似乎是悲观的。但是我们相信，在宇宙中，生命甚至智慧生命绝不只是地球独有的现象。从哲学意义上说，宇宙的无限注定了天体数量的无限，从而也可以注定存在生命的天体数量同样无限。但问题只有一个，就是无法发现。

目前，探索地外文明的方法主要有三大类：

（1）接收并分析来自太空的各种可能的电波。这方面的工作从1960年就开始了。

（2）人类主动向外太空发出表明人类在太阳系内存在的信号。1974年11月16日，美国利用设在波多黎各的阿雷西博305米直径的射电望远镜，发出人类第一组信号，对准武仙座球状星团，发射3分钟。

（3）发射探测器去登门拜访外星人。美国发射的 “先驱者”10号和11号，“旅行者”1号和2号，在完成对太阳系内的探测任务后，带着许多人类的信息，作为人类使者，漫游在恒星际空间。如果巧遇人类的知音，他们将从探测器中了解人类的活动，确定进一步交往的可能。

那么，应该在什么频率上追踪地外文明的信息——所谓的宇宙 “漂流瓶”呢？科学家主要把目光放在了1.42GHz、1.667GHz、22GHz附近的微波波段上。第一个频率是氢原子发出的无线电波的频率，第二个是羟基的频率，第三个则是水分子的。这些频率被形象地称为宇宙 “水坑”——不是非洲大草原上动物们喝水的地方，而是被认为最有可能进行星际通信的波段。选择这些波段的理由是，氢是宇宙中最丰富的元素，羟基和水在生命活动中扮演了至关重要的角色。

所有这些寻找 “漂流瓶”的项目有一个共同的名称：搜寻地外文明（SETI）。当然，科学家也不仅仅只盯着 “水坑”，他们同样也监视某些红外线、紫外线甚至可见光波段。光学波段的SETI是最近才兴起的，追踪目标是地外文明发出的激光脉冲。

由此可见，探索地外文明是一项综合性的科学使命，过于乐观是不现实的，过于悲观也是没有根据的，相信有一天人类能联络上外星人。

当然，也有人反对与地外文明联络。霍金就说，与外星人联络有风险，地球的资源将会被洗劫一空。这到底是警告，抑或只是玩笑？