宇宙和生命-第11章

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　质占宇宙质量的２０％左右，而暗能量则占了约７０％。而我们能够看得见的星体的质量只占10％左右。　

　　宇宙中星系的旋转运动，是长期困惑科学家们的难题之一，而最近发现的宇宙加速膨胀使问题更加复杂：　要维持一个旋转星系的稳定，必须有神秘的“暗物质”施加额外的引力；而要使宇宙加速膨胀，则需要“暗能量”施加超过星系之间引力作用的斥力。造成这种尴尬的原因很可能是科学家们对引力和天体运动规律认识的局限造成的。引力是英国科学家牛顿在前人研究太阳系内行星的运动的基础上提出的。后来物理学家爱因斯坦在广义相对论的框架上予以重新描述。引力虽然成功地描述了太阳系内行星的运动，但是在宇宙大尺度上却没有真正得到过实验的证实。而且美国航空航天局的科学家在多年前就发现，他们发射到太阳系以外的航天器的运动速度比以万有引力计算出的较慢，偏离按照万有引力定律所计算的轨迹。引力也是长期以来使科学家们最头疼的一种相互作用，它的很多性质与其它相互作用力格格不入。太阳系的尺度与宇宙的相比实在太小，把太阳系的观测结果无限外推到宇宙尺度是否可行，令人怀疑。或许这就是背后的原因。设想牛顿先知道现在观测到的星系的运动，而不是太阳系中的行星运动，他也许根本不会提出他的万有引力理论，就是提出也不太可能是今天我们知道的这个理论。来自暗能量望远镜的观测结果或许能为科学家们提供这方面的线索。　

　　现代科学关于宇宙和地球年龄的研究，目前估计宇宙年龄主要有两种方法。第一种方法是测定球状星系中最暗的白矮星的年龄，其基础是目前的星系演化理论。现在科学家认为球状星系是宇宙中最古老的星系，白矮星是星系中最古老的星体，而且越暗淡的白矮星越古老。白矮星是质量与太阳相当但体积仅与地球相当的一种星体，所以其密度是水的一百万倍以上。白矮星由于热辐射发光而逐渐冷却，通过估算白矮星冷却的时间，科学家们可以推断出白矮星的年龄从而估算出宇宙的年龄。从最新哈勃望远镜观测到的白矮星数据，科学家们推断宇宙年龄在130…140亿年之间。另外一种方法是哈勃常数（H0）法，其基础是目前流行的宇宙大爆炸理论。现代天文观测显示我们的宇宙正在膨胀，所以星系之间的距离在逐渐增加。哈勃定律指出星系之间的退行速度（v）和它们之间的距离（d）有一个简单的正比关系，v=H0×；d，假定哈勃常数（H0）不随宇宙年龄而变化，测出了两个星系间的退行速度和距离，1/H0=d/v就给出了自从大爆炸两个星系分开经历的时间，也就是宇宙自大爆炸以来的所经历的时间。目前用这种方法得到的宇宙年龄约为130亿年。但是最近的观测表明宇宙受一种神秘的力量所推动，正在加速膨胀，所以哈勃常数并不是恒定不变的。而且最近的一些天文发现（如古老星系中众多新星体的产生，星河的重组与更新，大量新星体的暴生，神秘的暗物质，频繁的ＧＡＭＭＡ爆等等）表明，现代科学对宇宙的认识还很不全面，因此对宇宙的年龄的推断很可能是有局限的。　

　　目前层出不穷的天文新发现已经对现有的宇宙学理论提出了强有力的挑战，科学家们对宇宙的看法也在逐渐改变。普林斯顿大学教授保尔。斯坦哈特（Paul　Steinhardt）和英国剑桥大学教授内耳。图罗克（Neil　Turok）最近提出了宇宙循环爆炸重组的模型。该理论认为，宇宙无始无终，不断处于从生长到消亡的循环过程中。据BBC报导，提出这个理论的宇宙学家们说，宇宙必然是这样，这才可以解释宇宙间一个重大的疑团：为什么星体和各星系都在背道而驰（宇宙膨胀），越离越远。宇宙原本已经奇幻莫测，有黑洞、夸克星，还有不断从无到有、又从有到无的粒子。斯坦哈特说，这些公式预测宇宙无始、无终，一次次宇宙大爆炸将会永不止息，不断发生。他说：“我们这幅图画所提出的大爆炸并非时间的开端，而只是一连串爆炸循环当中的最新一次而已。在这些循环当中，宇宙经历加热、膨胀、冷却、停滞、空虚，然后再度膨胀。”根据这个理论，宇宙将会继续膨胀，然后在宇宙某个角落发生另一次大爆炸，一切重新开始。他们指出，如今的宇宙是在上个宇宙的尘埃中诞生的。目前科学家正在地球上和太空中建造新一代的仪器来证实或者否定宇宙无始无终的说法。　

　　现在科学界所公认的测定地球年龄的方法是放射性同位素半衰期法。其方法是测定古老岩石中放射性衰变的母元素和一些子元素的含量关系（所谓的等时线）来推断地球的年龄。这个方法的假设主要有三条：一是地球最初是由星际气体汇聚而成，慢慢冷却后形成现在发现的古岩石；二是这些古岩石中的矿物质或结晶基本是与外界隔绝的，也就是自其形成以来没有与外界发生物质交换；三是用于测定年龄的岩石中的放射性同位素半衰期在漫长的时间里是基本恒定不变的。用这种方法测定地球上最古老的岩石得到的地球的年龄约是38…39亿年，月球上的岩石更古老一些，约是45亿年。现在科学界所认为的地球年龄45。4亿年实际上是从太阳系中的最古老的陨石年龄推断的，因为科学家认为它们应当有相同年龄。　

　　但是用这种方法得到的地球年龄严格来说只是构成地球的岩石年龄。如果地球并不是现在科学家们认为的是从星际气体汇聚而成，而是由太空中的大块岩石通过某种机制聚合而成，那么岩石的年龄就可能与地球年龄大相径庭。就好比我们用测定房子的基石年龄来推断一座房子的年龄一样，得到结果肯定比房子的实际年龄要大得多。更好方法也许是通过观测房子横梁上集灰的厚度或者房子被侵蚀的程度来推断房子的年龄。对于地球年龄也一样。实际上历史上的确有不少人从地球上沉积物的厚度来推断地球的年龄而且得到的年龄比放射性同位素法得到的结果普遍要小得多。比较有影响的如A。凯基（A。Keikie）在1868年，　1899年和T。H。胡胥利（T。　H。　Huxley）在1869年得到的结果一亿年；J。约力　（J。　Joly，　1908）和W。J。苏勒士（W。J。Sullas，　1909）的八千万年　；T。M。李德（T。Mellard　Reade，1893）的九千五百万年；以及查尔斯　D。沃尔科特（Charles　D。　Walcott，　1893）的三千五百万到八千万年。在现代同位素半衰期法测定地球年龄占主导以后这些方法就逐渐被人们遗忘了。主要原因是这些结果比同位素半衰期法得到的结果小很多，科学家们认为地球的年龄应该和地球上的岩石年龄一样；还有这些方法涉及一些复杂的地球地质演化过程，有些数据难于精确估算等等。目前的天文研究表明我们的地球在历史上可能曾经发生过很大的变动。例如：位于麻省的哈佛史密苏年小型行星研究中心　（the　Minor　Planets　Center　of　the　Harvard…Smithsonian　Center）的天文学家迪姆。斯帕尔（　Tim　Spahr　）博士认为，从统计上来讲，每隔一亿年就会有一颗直径为六英里的小行星与地球相撞，使地球发生剧烈的变化。　

　　科学家们原来认为元素的半衰变期是不随时间变化的。但是最近一期8月8日的《自然》杂志（第418卷，602页）发表了一篇文章，澳洲南威尔士大学的一组天文学家通过研究古老星系中的原子光谱发现精细结构常数是随时间变化的。他们由此推断光速不是随时间不变的常数。因为元素的半衰变期和光速有关，因而也可能是随时间变化的。如果真是这样，用元素半衰变期测到的岩石的年龄可能都是有疑问的。宇宙年龄再次被“修改”，在最新的一期《科学》杂志上，一组研究人员发表文章声称宇宙的年龄在112到200亿年之间。这项新估算的置信度为95％，这意味着还有更改的余地。近些年来，对宇宙年龄的预测多数是在100亿到150亿年之间。去年，哈勃太空望远镜提供的数据导致科学家把宇宙年龄推算到130亿到140亿年。新计算涉及我们银河系中老星系的新信息以及对星体如何形成的进一步认识。计算是建立在下面的一点：当星体被认为要结束它们生命的主体时，（也就是）它们用完热核反应熔合所需要的氢燃料并开始暗淡的那一点（刻）。科学家认为，暗能一般情况下被描述为对宇宙施加负压。引力使不同的星系凝聚在一起，但是暗能却使星系以越来越快的速度相互拉开。新的估测结果与宇宙95％为所称的暗能（Dark　Energy）所控制这一证据越来越多的论点相一致。科学家不知道这种神秘力量是什么，但是他们从宇宙正在以一种加快的速度膨胀这一事实上找到了证据。　

　　科学家发现宇宙的产生和演化需要外部“力量”的干预，最近许多奇妙的天文发现使许多物理学家开始重新考虑我们宇宙的起源。8月14日《自然》杂志刊登了著名理论物理学家，斯坦福大学李奥纳特。苏士侃（Leonard　Susskind）教授和他所领导的理论物理研究小组的观点，他们认为现今流行的关于宇宙学的理论在逻辑上存在严重的缺陷，按照现在流行的观点，我们的宇宙产生的可能性微乎其微，如果以我们认为的方式来安排这个宇宙，需要一个奇迹，我们肯定漏掉了什么。李奥纳特。苏士侃教授是至今仍然活跃在理论物理学前沿的著名理论物理学家，在超过三十年的物理学研究生涯中成就卓著。观测到的宇宙在加速膨胀，最近的天文观测表明宇宙在加速膨胀，　宇宙似乎要再次发生大爆炸。一个加速膨胀的宇宙似乎注定要重复自己，但是，苏士侃教授和他的同事认为，这种重复能够能产生我们这个世界的可能性不说为零也是非常的渺小。所以这是一个象宇宙那么大的问题：现今流行的关于宇宙的理论观点在逻辑上有缺陷吗？因为为使象现在我们知道的宇宙的存在，外部的帮助是必不可少的。换句话说，我们的宇宙必须要依靠一个奇迹才能创造出来，或者需要“上帝”从外部进行干预才有可能是这个样子。苏士侃教授和他的同事认为以下两者必居其一：或者宇宙并不是我们认为的在加速膨胀，或者还未发现的物理原理在起著作用。而且这个原理必须能挑选出那些为数不多的能够导致象我们这个宇宙创生的初始状态，然后引导宇宙演化使其不出偏差。苏士侃教授的研究小组，结合他们合作的科学研究和理论思维，认为似乎还有别的什么事物在宇宙创生之时施加了影响。一个不为我们所知的“力量”（“Agent”），因为不为我们所知的原因干预了我们宇宙的创生，　我们可能在根本上忽略了什么。图为宇宙的演化，宇宙的庞大与奥妙远远超出了现有科学理论的描述和理解能力。随着越来越多的天文现象的发现，现有的理论越来越难以自圆其说，科学家们重新思考现时宇宙论的观点已经迫在眉睫。科学的发展需要人们有足够的勇气否定旧的观念，现在可能也到了人们重新审视自己关于时空、生命和宇宙原有观念的时候了。现在的科学已经发现了，不断有新的星体的组成和旧的星体的爆炸。现在报纸上也在不断地登，原来这个地方没发现什么却多了一个星系，许多古老的星体在解体，许多新的星体在出现。这是在遥远天体中出现的事情，慢慢地它会越来越接近我们人类肉眼所能看到的这个空间范围，这些景象都会出现。由此，初步统计了近年来对超新星爆发现象的观测。超新星爆发（Supernova）是指恒星爆炸时，短时间内释放出大量能量的现象。1987A是一个典型的例子。它在几个小时内亮度增加到肉眼可见，历经几个月才暗下去。

　　全部数据来源于cfa…harvard。edu/cfa/ps/lists/Supernovae。html　。该网址列出了自1006年以来，所有观测到的超新星爆发现象。图一　图二　是仪器变了，还是天象变了？　该网址标出了各次爆发的强度。数字越小越强。第一个问题是：随着更灵敏的仪器的出现，观测到的事例会越来越多。我们选择了2％的观测都是强于18的。有了可以观测到20的仪器后，就会开始看到比18弱的现象，比18强的现象比例就会减小。图一我们画出了近年来所有比20强的爆发中，强于18的百分比（红色）。图二为历年强于20的爆发次数。可以看到，1989年后，强爆发的比例有增有降，不可能是使用更灵敏的仪器的结果。从图二中可以看出，1992年和1999年总爆发次数达到高峰。宇宙在剧烈地淘汰更新，善与恶在激烈地交锋，难道这仅仅是个巧合么？　中国自古有“天人合一”的说法。天上的事情和地上的事是有联系的。　这些超新星虽然相距地球遥远，但是光速在太阳系之外要快得多，发生的变化地球上很快就会看到。当宇宙发生大范围的变迁时，天上人间都会有相应的变化。这种“巧合”也不奇怪。　

　　现代物理学里有多重空间概念，现在我们来谈一谈不同空间的话题，不同空间可能大家都听说过，比如在小说中电影里都听说过这一个名词，好莱坞的新片“救世主”里边，讲一个人同时在157个空间中都存在，这里边已经用到另外空间的概念，另外空间到底存不存在呢？在中国民间有很多宗教故事中都有关于另外空间生动的描述，现在科学却是没办法直接探测到另外空间的景象，但是科学家他们认为现在探测不到，并不代表将来就探测不到，也不代表它就不存在。比如说几百年前我们探测不到紫外线、红外线、电磁波这些东西，但不代表我们今天就看不到，也不代表它不存在。那么在现代高能物理研究中，尤其在基本粒子、基本作用力这些领域的研究中告诉我们实际上另外空间是存在的，人类所生活的空间不仅仅是简单的三维空间。我所知道的最早的关于另外空间的学说是1957年由普林斯敦大学的物理博士“艾福雷特”　（Hugh　Everett）博士所提出的，他当时把这个理论叫做“多世界理论”　（Many　Worlds　Theory）也叫“平行世界理论”　（　Parallel　Worlds　Theory　）。这个理论后来又被美国曼哈顿计划，也就是原子弹制造计划，还有氢弹制造计划的主持之一，著名的宇宙物理学家约翰惠勒　（　John　Wheeler　）博士进一步发展。根据这个理论科学家告诉人们：实际上存在有无穷多的宇宙，每一宇宙和我们这个宇宙是平行的，而且每一东西所有的物体都在每一宇宙中存在，有些宇宙中的时空结构或物理规律可能和我们现在这个宇宙非常相近，有些却跟我们这个宇宙大相迳庭。正如著名的量子物理学家也是牛津大学的物理学教授德里斯（David　Deutsch）教授所说：“量子力学的本质实际上就是多时空的理论”这是我所知道的最早的关于另外空间存在的学说。

　　近年来，由于量子力学和广义相对论的交会，尤其是由于规范场理论的发展，现在的宇宙学家们提出了许多宇宙形成的学说，比如说宇宙大爆炸这个大家可能比较熟悉，还有爆炸宇宙理论，还有宇宙弦论等等。那么这些学说认为：我们现在这个宇宙是150亿年以前一次大爆炸所产生的，而这次大爆炸，它是由于一种量子涨落效应所引起的，物理学家们知道这个量子涨落，在宇宙空间中是随时随地都可能发生的，有很多次量子涨落。如果我们这一个宇宙是由一次量子涨落所产生的，那么每一次量子涨落都可能产生一个宇宙，那