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关于宇宙之谜（第1页）

关于宇宙之谜

自古，脚下一望无际的大地，是人们感觉平坦、厚重、坚实又可靠的地方。宇宙科学就是一步一步地超越人们的这种踏实感的历史，每一个新发现都伴随着人们的惊奇和难以置信之感，几乎每一次难题的解决，都会从相关证据中牵引出更富挑战性的新难题。为获得这些知识，人类经历了几个世纪的努力，每一个成就的取得都是继续进步的阶梯，每一个难题的发现又都是对智力的挑战……。宇宙科学的发展历程既充满着理性和逻辑的魅力，又为人类留下了无尽的想像空间。

一、认识宇宙

人类经过很长时间的努力才认识到我们脚下的大地是个球体。大地这个球体该放在宇宙的什么地方呢?开始人们把它放在了宇宙的中心。后来，有个叫帕拉多喜的人发现天上的星星有一些在动——人们叫它们行星，与之相应，不动的星星便叫恒星。于是人们就说，天上的月亮、太阳、行星及所有恒星都绕着地球做圆周轨道运动。托勒密第一个用数学方法确定了地球与行星的关系，给古希腊人心目中的宇宙图景做出了定量的描绘。这个图景后来成了基督教神学的理论基础。直至1543年哥白尼出版《天体运行论》，才把地球从宇宙中心移开。在哥白尼的体系中，地球不再是宇宙的中心，而是与其他行星一样沿正圆形轨道绕太阳旋转。

17世纪之前，人们一直都是凭借肉眼来观察天象，并借助一些简单的度量仪器来研究天体，主要是太阳、月球和可以用肉眼看到的五大行星。中国人用他们所熟知的金木水火土五行，古希腊、古罗马人用他们熟悉的神来给这些行星起了名字。1610年，伽利略发明了天文望远镜，从而拓宽了人们的视野，看到了用肉眼无法看到的新的宇宙图景。

从18世纪到19世纪上半叶是近代天文学大发展的时期，这时期建立了完整的大行星、地球和彗星运动理论，发现了一些新的行星、行星的卫星和小行星，并且把观察的视野从太阳系扩展到了银河系的其他恒星系。19世纪下半叶，天文学家将当时物理学中的一些新的理论和方法引入到天体研究中，创立了天体物理学，从此开始了现代天文学阶段。

进入20世纪之后，无论是天体物理理论，还是天体观测方法都取得了很大的进展。在传统的光学天文学领域，随着反射天文望远镜的出现，一改19世纪折射天文望远镜的局限，天文望远镜的口径不断增大。1908年出现了1．5米镜、1918年出现了2．5米镜、1948年出现了5米镜、1976年出现了6米镜，1993年口径10米的巨型天文望远镜问世，使人们的视野进入到更为遥远的宇宙空间。1932年，美国工程师史斯基发现了来自银河系中心方向的宇宙无线电波，后来将这种无线电波称为宇宙射线，由此发现了了解宇宙的新途径，并创立了射电天文学。手段的改进是天文学发展的前提，射电望远镜的出现使宇宙全波段地展现在人类的视野中，使人类了解到一些根据可见光无法了解的天体和物质，例如超新星痕迹、类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射等。

20世纪60年代开始，人类探索宇宙的立足点不再局限于地球。1962年，美国探空火箭携带X射线探测器飞离地球150公里，发现了在地球表面无法接收的来自宇宙的强X射线，开创了空间天文学时代。1998年6月，美国航天飞机发现者号携带着有中国科学家参与研制的阿尔法磁谱仪，试图寻找宇宙中的反物质。

二、宇宙的结构

●梯级分布和各向同性

宇宙是自然科学最大的研究对象，关于宇宙，人类已经有了越来越多的知识。这些知识包含了可能对宇宙进行某种科学解释、建立某种模型所必需的东西；已经让我们能够理性地推断可测范围之内宇宙的起源和不很久远时段内宇宙的未来；已经让我们能够发射地球卫星和为各种不同目的服务的太阳系际探测器；已经让我们能够以科技的方式展开对宇宙间智能生命伙伴的搜寻……

我们现在对宇宙的基本认识是：在相对较小的时空内，宇宙中的物质依次聚集为星体、星系、星系团、超星系团、超超星系团……宇宙在整体上是均匀的、各向同性的，宇宙没有中心，任何典型星系的观察者所看到的宇宙规律是一样的。

●宇宙在大尺度上是膨胀着的人们发现天空中有许多云雾状的天体，名之为星云。1924年哈勃把天文望远镜对准仙女座大星云，分辨出构成该星云的单个星体，使河外星系和尘埃云得以区分，并发现仙女座大星云不是银河系中的天体，而是距地球约220万光年之遥的与我们的银河系一样的星系，谓之河外星系。继而他又对河外星云做了更深入细致的研究，发现了许多更为遥远的星系。

1912年始，致力于天体光谱研究的美国天文学家斯莱弗发现，几乎所有河外星系的光谱线都存在着向红端移动的现象。如果按照多普勒效应解释，这就意味着这些星系都在远离地球而去，而且运行速度相当大，比如室女座大星云的运行速度是每秒1000千米。1929年，哈勃考察了斯莱弗的工作，结合自己对河外星系的研究，把运行速度的研究范围扩展到每秒2万公里，提出著名的哈勃定律：星系光谱线的红移量同它们与地球的距离成正比。哈勃的理论被后来的观测进一步证实。也就是说，河外星系的红移是反映宇宙整体性特征的系统性红移——从宇宙中的任何一点都能看到几乎所有的天体都在远离该点而去——宇宙在膨胀。这是一种全方位的无中心膨胀，其情形类似于膨胀的气球上各点之间相互远离。

●宇宙的时空是柔性的

在牛顿时空观中，空间是三维平直的，是绝对均匀、各向同性的；时间是单向一维的，像河流一样匀速地流淌着。时间和空间与物质无关，它们就像是盛装物质的容器，亘古存在，永远不变。

爱因斯坦1905年和1915年先后提出狭义相对论和广义相对论。狭义相对论初步建立了时间、空间的统一性，以及时间空间与物质运动的联系。在狭义相对论中，时空度规随物质的运动而变化。

广义相对论统一了引力质量和惯性质量，引力场等效于具有相当加速度的参照系。他还揭示了四维时空与物质的统一关系，指出空间一时间不能离开物质而独立存在，物质的质量及其分布状况决定时空的结构。反过来看，引力场是空间几何弯曲的表现，空间的曲率体现引力场的强度。

有人依据爱因斯坦的理论推论，在极强引力场，比如黑洞中，空间收缩为1维的，时间扩张为3维的；而超强理论又认为在极微观高能的世界中时空可能是11维的。

爱因斯坦指出大引力场周围可测到空间弯曲，并预言在日全食的时候观测太阳背景处的恒星位置可以证实这种现象。1919年爱丁顿率队赴非洲观测日全食验证了爱因斯坦关于光线在引力场中发生弯曲的预言，也就是证实了爱因斯坦关于物质与时空结构关系的理论。

三、太阳系

直至目前，太阳系依然是我们在宇宙中了解最多的天体系统。哥白尼之后的几个世纪中，太阳系一直是天文学研究的重点。到了19世纪末，科学家们已经发现了除冥王星之外的其他八大行星和将近500颗小行星。20世纪二三十年代，天文学家们又发现了太阳系中的一颗新的大行星——冥王星，并且发现了一些大行星周围的卫星、7000多个小行星，以及若干颗彗星，从而绘制出更加完备的太阳系图景。

●太阳

太阳是与人类的生活最密切相关的天体，万物生长靠太阳，我们地上生命的全部能量几乎都来源于太阳。但是由于研究手段的限制，直到20世纪，随着物理学和天文学的发展，更精密仪器的问世，特别是太阳空间探测器的发射，人类对于太阳才有了深入的了解。

现在我们知道，太阳是个主要成分为氢的气体球，太阳的能量来自其本身氢原子的核聚变；太阳表面平均温度为五六千度，中心温度达数千万度；太阳每时每刻都在向外辐射巨大的能量，辐射到地球上的只是其中极其微小的部分；太阳既是生命的源泉，又是巨大的杀手。因为它有强大的磁场，内部温度极高、进行着剧烈的核反应，所以自然界各种相互作用的机制随时在其中起作用，所形成的强大的由紫外线、X射线等高频段电磁波及各种粒子流组成的太阳风笼罩在地球上。

太阳风是地球所承受的宇宙射线的重要来源。如果宇宙射线**，地球上绝不会有生命可言，是地球的大气层特别是臭氧层和强大的地球磁场保护着我们。这也是我们今天为南北极的臭氧空洞忧心，并极力倡导保护臭氧层的原因。太阳的寿命约为100亿年，它现在已经走完了大约一半的旅程。

●月球

月球是地球的卫星，是离我们最近的天体，它那肉眼看上去亮丽晶莹的外表曾经寄托过人类数不尽的美好心愿。

从17世纪伽利略第一次把望远镜指向月球看到环形山以后，直到20世纪人类才逐渐了解了月球的物理特性。20世纪20年代，法国科学家利奥推测出月球表面有一层由火山灰构成的灰土。50年代末，人类所进行的首次空间探测就是针对月球。1959年，前苏联发射了第一颗月球探测器，发回来的照片使人类第一次看到月球背面的情况。很快，美国也相继发射了一系列月球探测器。1972年7月20日，美国阿波罗11号宇宙飞船的登月舱在月球着陆，宇航员阿姆斯特朗成为第一位登上月球的人。迄今为止，一共有12个人分6次登上了月球。

现在我们已经知道，月球是个死寂的天体，它既没有大气、没有活火山，也基本没有“地质运动”，它除了寂静地绕着地球旋转、接受来自宇宙空间的各种撞击和辐射之外基本上已经结束了自己天文学意义上的进化历程。可能只有人类才能赋予月球新的生命。

关于月球的起源有三种主要的说法：一种认为月球是在地球产生过程中与地球同时形成的，是早期地球星胚旋转处于吸积盘阶段时盘面上扰动积聚的结果；另一种说法认为月球的起源远比地球晚，月球是从地球上抛出去的，太平洋就是月球脱离地球后留下的痕迹；第三种说法认为月球是地球掠获的小行星。但三种说法都有解释不清的问题，所以关于月球的起源至今还是个未解之谜。

现在，一些国家包括我国都有自己探测开发月球的愿望或已经制定了计划，人类未来宇宙空间的第一个落脚点恐怕还得是月球。