語(yǔ)文高三下冊(cè)《宇宙的未來(lái)》正文(2)
語(yǔ)文高三下冊(cè)《宇宙的未來(lái)》正文
暗物質(zhì)的另一個(gè)證據(jù)來(lái)自于星系團(tuán)。我們觀測(cè)到星系在整個(gè)空間中分布得不均勻，它們成團(tuán)地集中在一起，其范圍從幾個(gè)星系直至幾百個(gè)星系。假定這些星系互相吸引成一組從而形成這些星系團(tuán)。然而，我們可以測(cè)量這些星系團(tuán)中的個(gè)別星系的運(yùn)動(dòng)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(tuán)就會(huì)飛散開(kāi)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(rèn)為星系已具有在它們旋轉(zhuǎn)時(shí)把自己抓在一起的所需的質(zhì)量。所以，在星系團(tuán)中我們觀測(cè)到的星系以外必須存在額外的暗物質(zhì)。
人們可以對(duì)我們具有確定證據(jù)的那些星系和星系團(tuán)中的暗物質(zhì)的量作一個(gè)相當(dāng)可靠的估算。但是這個(gè)估算值仍然只達(dá)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(cè)證據(jù)，則可預(yù)言宇宙會(huì)繼續(xù)無(wú)限地膨脹下去。再過(guò)五十億年左右，太陽(yáng)將耗盡它的核燃料。它會(huì)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?yàn)樵诤阈茄莼^(guò)程中，由于內(nèi)部核燃料的耗盡，熱核反應(yīng)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(kāi)始燃燒膨脹。，直到它把地球和其他更鄰近的行星都吞沒(méi)。它最后會(huì)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(jiǎn)并態(tài)恒星，是恒星演化的一種歸宿。當(dāng)恒星經(jīng)過(guò)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(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，這顆恒星就演化成白矮星。。我正在預(yù)言世界的結(jié)局，但這還不是。這個(gè)預(yù)言還不至于使股票市場(chǎng)過(guò)于沮喪。前面還有一兩個(gè)更緊迫的問(wèn)題。無(wú)論如何，假定在太陽(yáng)爆炸的時(shí)刻，我們還沒(méi)有把自己毀滅的話，我們應(yīng)該已經(jīng)掌握了恒星際旅行的技術(shù)。
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(yáng)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(guò)引力坍縮，依靠簡(jiǎn)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(huì)變成黑洞〔黑洞〕一種特殊的天體，是時(shí)間—空間的一個(gè)區(qū)域。它的基本特征是有一個(gè)封閉的視界。由于引力強(qiáng)大，就連光也不能從中逃逸出來(lái)，所以黑洞是看不見(jiàn)的。。黑洞還更小，并且具有強(qiáng)到使光線都不能逃逸的引力場(chǎng)。然而，這些殘留物仍然繼續(xù)繞著銀河系中心每一億年轉(zhuǎn)一圈。這些殘余物的相撞會(huì)使一些被拋到星系外面去。余下的會(huì)漸漸地在中心附近更近的軌道上穩(wěn)定下來(lái)，并且最終會(huì)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(tuán)中的暗物質(zhì)是什么，可以預(yù)料它們也會(huì)落進(jìn)這些非常巨大的黑洞中去。
因此可以假定，星系或星系團(tuán)中的大部分物體最后在黑洞里終結(jié)。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(xué)的不確定性原理〔量子力學(xué)的不確定性原理〕即德國(guó)物理學(xué)家海森伯(1901—1976)提出的測(cè)不準(zhǔn)原理。它的量子力學(xué)意義是不能在同一個(gè)態(tài)中同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量出粒子的位置和速度。講，粒子不可能同時(shí)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(guò)光速，這就使得它能從黑洞逃逸出來(lái)，粒子和輻射就這么緩慢地從黑洞中泄漏出來(lái)。在一顆星系中心的巨大黑洞可有幾百萬(wàn)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(zhǎng)的時(shí)間才能逃離黑洞。但是它最終是要逃離的。在一個(gè)星系中心的巨大黑洞可能花10(九十次方)年的時(shí)間蒸發(fā)掉并完全消失，也就是“1”后面跟90個(gè)“0”。這比宇宙現(xiàn)在的年齡要長(zhǎng)得多，它是1010年，也就是“1”后面跟10個(gè)“0”。如果宇宙要永遠(yuǎn)膨脹下去的話，仍然有大量的時(shí)間可供黑洞蒸發(fā)。
永遠(yuǎn)膨脹下去的宇宙的未來(lái)相當(dāng)乏味。但是一點(diǎn)也不能肯定宇宙是否會(huì)永遠(yuǎn)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(cè)到，它會(huì)使宇宙的平均密度達(dá)到或超過(guò)臨界值。這種附加的暗物質(zhì)必須位于星系或星系團(tuán)之外。否則的話，我們就應(yīng)覺(jué)察到了它對(duì)星系旋轉(zhuǎn)或星系團(tuán)中星系運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)。
為什么我們應(yīng)該認(rèn)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(xì)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(wàn)億分之一，宇宙就會(huì)在十年后坍縮。另一方面，如果那時(shí)宇宙的密度小了同一個(gè)量，宇宙在大約十年后就變成基本上空無(wú)一物。
宇宙的初始密度為什么被這么仔細(xì)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?？磥?lái)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?yàn)榉駝t的話，我們就不會(huì)在這里觀測(cè)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(wèn)這樣的問(wèn)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(méi)有理由去相信宇宙包含有比我們已探測(cè)到的更多物質(zhì)。十分之一的臨界密度對(duì)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?yàn)樗坪跆兄赜谖覀冏陨淼拇嬖?。這樣就有人對(duì)為何密度應(yīng)這么接近于臨界值尋求另外可能的解釋。這種探索導(dǎo)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(guò)，正如在遭受極端通貨膨脹的國(guó)家每隔幾個(gè)月價(jià)格就加倍一樣。然而，宇宙的暴漲更迅猛更極端得多：在一個(gè)微小的暴漲中尺度的至少一千億億億倍的增加，會(huì)使宇宙這么接近于準(zhǔn)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(yīng)包含足夠的暗物質(zhì)，使得密度達(dá)到臨界值。這意味著，宇宙最終可能會(huì)坍縮，但是這個(gè)時(shí)間不會(huì)比迄今已經(jīng)膨脹過(guò)的一百五十億年左右長(zhǎng)太多。
現(xiàn)在小結(jié)如下：科學(xué)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(yù)言將來(lái)。但是定律給出的運(yùn)動(dòng)通常是混沌的。這意味著初始狀態(tài)的微小變化會(huì)導(dǎo)致后續(xù)行為的快速增大的改變。這樣，人們?cè)趯?shí)際上經(jīng)常只能對(duì)未來(lái)相當(dāng)短的時(shí)間作準(zhǔn)確的預(yù)言。然而，宇宙大尺度的行為似乎是簡(jiǎn)單的，而不是混沌的。所以，人們可以預(yù)言，宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去呢，還是最終將會(huì)坍縮。這要按照宇宙的現(xiàn)有密度而定。事實(shí)上，現(xiàn)在密度似乎非常接近于把坍縮和無(wú)限膨脹區(qū)分開(kāi)來(lái)的臨界密度。如果暴漲理論是正確的，則宇宙實(shí)際上是處在刀鋒上。所以我正是繼承那些巫師或預(yù)言者的良好傳統(tǒng)，兩方下賭注，以保萬(wàn)無(wú)一失?！肌接钪婢植窟\(yùn)動(dòng)的混沌狀態(tài)，不妨礙對(duì)它的宏觀預(yù)測(cè)。但宇宙的未來(lái)是膨脹還是坍縮，尚難定論。
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