科学知识大全

科学知识大全(审精)

夜晚的天空为什么是黑的

夜晚的天空为什么是黑的？这是经典宇宙学中的一个著名的问题．自古以来，人们就不断地对宇宙进行种种猜测．古代的人们曾经认为星星是镶嵌在一个透明球面上的．中国最古老的宇宙结构学说盖天说的基本观点是天圆地方．托勒政的地心宇宙体系和哥白尼的日心地动宇宙体系中都包括恒星天球的内容．中世纪的思想家尼古拉认为宇宙是无限的．牛顿把空间和时间的无限性作为他的理论的基本原理．他还推断：星星的数目必定是无限的，而且相当均匀地分布在空间．观测上，英国著名的天文学家威廉·赫歇耳和约翰·赫歇耳父子宣布至少某些可观测星云是与银河系具有相同尺度和结构的由分立的恒星组成的系统．这些星系居于整个宇宙之中．19世纪天文学家普遍认为可观测宇宙必须是静态、无限的和均匀的．而对静态、无限、均匀的宇宙的一个著名反对意见即夜黑问题，也称奥伯斯佯谬．这个样谬是说，若恒星发出的光不变且都相同，而空间又是欧几里得的（平直的），则在此种宇宙中整个天空的亮度看起来是均匀的，且与太阳一般亮．因为无论从哪一个方向观看天空，视线都会碰到一个星星．这一点可以用一个简单的几何论证说明：现考虑进入人眼的一束细长的锥形光线．虽然恒星表面的视亮度与距离平方成反比，但锥体的截面积（或恒星的数目）随距离平方而增加，则集中在锥体内的光与它从什么地方发出没有关系，因而整个天空就要亮得像太阳一样，实际上夜空却是黑的．如何才能消除观测与理论之间的矛盾呢？

奥伯斯的推导基于以下的宇宙学观点：

1．宇宙物质是均匀分布的． 2．宇宙是静态的． 3．宇宙是无限的． 4．宇宙存在的时间已经无限长．为了避免夜晚的天空像太阳那么亮的结论，我们必须重新考察上述观点．一个平均密度随观测距离的增大而减小，并以零为极限的等级式宇宙模型可以消除佯谬，但要付出失去均匀性的代价．但迄今为止的观测结果是：宇宙物质在大尺度空间内的分布是均匀和各向同性的．这个观点称为宇宙学原理，是现代宇宙学理论所必须依据的公理．上述第一点符合宇宙学原理，应予保留．这样等级式宇宙模型应该放弃．由于奥伯斯假定恒星发光不变，这一点今天看来最成问题．如果假定恒星并不是永远那么亮，而是在有限的过去才开始发光，由于远处恒星的光线尚未到达我们这儿，这也可以避免整个天空像太阳那么亮的结论．这使我们面临着是什么首次使恒星发光的问题．如此看来一个具有有限过去的宇宙可避免奥伯斯样谬．此时宇宙在时间上有个开端．另外一个有足够大膨胀速率的宇宙也能避免奥伯斯佯谬，即使它具有无限的过去．因为根据量子理论的观点，光子的能量正比于其频率．远距离高速追行光源的光线将产生非常大的红移，因而其能量将相应减小，使其总和保持有限，甚至可忽略不计．由于观测上尚无放弃宇宙学原理的理由，第一条观点应该接受，而第二、第四条应该重新考虑．

20世纪初，爱因斯坦创立了广义相对论，这就为研究宇宙的整体结构提供了理论基础．宇宙的整体性质由引力场方程决定．荷兰物理学家德西特首先获得了引力场方程的一个宇宙解，但它是动态的而不可能是静态的：宇宙要么是膨胀的，要么是收缩的．观测上，哈勃发

现河外星系的视向退行速度与距离成正比，即距离越远，视向速度越大．这说明宇宙空间中任意两个星系间的距离都在增大，宇宙在膨胀．如果一个膨胀的宇宙沿时间反溯回去将会达到一个原始的超密态，也就是宇宙于过去某一时刻创生于一次原初物质的大爆炸过程．这就是大爆炸宇宙学的宇宙模型．为了理论预言和实验观测相一致，宇宙在极早期曾经历一个暴胀阶段．显然一个具有有限过去而正在膨胀的大爆炸宇宙模型能避免奥伯斯佯谬．还有一个具有无限过去的稳恒态宇宙模型，它虽能消除佯谬，但却要破坏能量守恒且不能解释宇宙微波背景辐射等，已经不再为人们所接受．综上所述，现在观测到的宇宙在膨胀，这是科学界公认的．经历一个暴胀阶段的大爆炸宇宙学模型是一个成功的模型，其理论预言与实验观测十分吻合．显然这是一个动态的宇宙学模型，且宇宙在时间上可能有一个开端．这样看来，对于一个均匀、静态、无限的经典宇宙学模型，其第二、第四条观点不成立．如果放弃这两条，也就自然不会得出夜晚的天空像太阳那么亮的荒谬结论.

你能看到世界末日吗？

当一个外部观测者看见我慢慢地掉入（黑洞）时，他可能会以为能够合理地作出以下推断：我会看到宇宙逐渐地加速－－我在通过视界壮观的一瞬间看到了宇宙的末日。然而情况并非如此。外部观测者所见到的我的行为依赖于我所发出的光线，而我所见到的依赖于到进入我视野的光线。遥远未来事物所发出的光线根本无法到达我的视野。任意遥远未来的事件从未停滞在我“历史光线的光锥”上（其面由能在确定时间内到达我的光线构成）。

上述情况对于一个不带电、无自旋的黑洞而言可能是正确的，但对于一个带电或自旋的黑洞情况就不同了。在理想解中，此类黑洞可能包含一个“时间的虫洞”。该洞可以作为一个与其他隔离区域（这些区域可能是另一个宇宙）相连的门户。我不会撞到奇点上，而是通过了虫洞。但在作为某种视界内部的虫洞的入口，一种无限加速的现象发生了。如果我掉进虫洞，我将看到宇宙的整个历史在我眼前从头到尾播放一遍。更糟的是，随着“影片”播放的加速，光线开始蓝移，并且能量开始增加，在我通过虫洞的一瞬间，一种“无限蓝移”发生了，它的强烈辐射会把我煎熟。显然有理由相信这种无限蓝移会给虫洞自身带来灭顶之灾，它将被一个对我来说好不了多少的奇点所取代。但无论怎样，它都将虫洞之旅蒙上一层浓重

疑问的色彩。

行星引发的话题

行星的定义日前遭到了挑战，原因可能是因为我们过去对于它的命名太过随意了。随着科学新发现的日渐增多，科学家开始重新思考：什么样的天体才能称为行星？自从1995年发现首颗围绕另一颗恒星旋转的行星以来，科学家又发现了50多颗太阳系以外的行星。它们与我们熟悉的行星不同，体积巨大——往往超过木星的许多倍——一些更像另一类星体，棕色矮星。棕色矮星在1995年被证实存在，它们体积巨大，但不足以促成热核反应形成恒星。

这些棕色矮星像行星一样不发光，也可绕恒星运转，但没有多少行星的特征，它们比木星大5－15倍，大小范围很类似行星。由于这一系列以前从未探测到的星体，我们对行星构成和星体质量的观点正在改变。目前，在阿兰·博斯领导下，一个由13人组成的国际天文协会专家小组正在致力于“行星”的定义工作。天文学家认为，在行星与棕色矮星之间尚有3个疑问需要解决，即它们的起源、轨道及其体积。如果依据教科书来给行星下定义的话，一般的表述是：在恒星形成后，由其发散出的气体以及固体尘埃所组成的涡旋逐渐形成了行星。我们就是这样解释太阳系的9大行星的形成过程的。但是，曾经于1975年提出“棕色矮星”这一概念的塔尔特认为，不能单纯从形成过程来定义行星。她建议，在定义行星时还应当考虑行星围绕某个恒星轨道运行这一因素。问题是，棕色矮星即符合上述的两个“行星”标准。它们经常围绕恒星的轨道运行，这意味着棕色矮星是由气体和固体尘埃形成的。目前人们所争论的焦点在于星体的体积方面。如果棕色矮星的体积比木星的体积大13倍，它内部的压力就足以引起氘的燃烧。但是行星却无法燃烧氘。由此，人们通常会以是否有氘的燃烧来划分恒星与行星的界限。但是，对于那些体积小于行星的棕色矮星又该如何解释呢？恒星之所以成为恒星，是因为它能够通过热核反应将氢转化为氦这一过程发光。而棕色矮星，尽管它们能够通过燃烧氘来进行一种“内核熔融”反应，但是并不能达到恒星所具有的热核反应所需要的熔融过程。但是棕色矮星能够像恒星一样，是另一种无序的气体或尘埃云雾由于重力原因导致该云雾的坍塌而形成。许多科学家认为，冥王星本不应被称为行星。它的体积比其他行星小许多，而且它距离其他行星绕太阳旋转的轨道平面有一个很明显的角度。冥王星也远离海王星的轨道，研究人员认为它很可能是Kuiper带的一部分，Kuiper带是一个遥远的冰冻岩石区，在1992年被证实存在。1999年初，国际天文协会试图给予冥王星双重身份－既是行星又是通过海王星轨道的物体，但由于人们的反对而搁置下来。在太阳系中的更小的物体，包括彗星也被称为小行星。而且其他比冥王星体积大的物体很有可能也围绕太阳旋转。即使是恒星的定义也有模糊不清的地方。有专家认为，恒星与行星一样，也是由涡旋所形成的。这往往出现在双星体系当中，当一颗恒星形成后，另一颗恒星又通过其剩余物质而产生。再看看有关行星的定义。最近，天文学家为自由漂浮行星的形成过程提出了两种假说。一种是，这些行星形成于恒星周围的行星系，在其形成后脱离了这一星系。另一种是，这些星体是单独形成的，或者在其形成过程初期没有依附于任何恒星。天文学家认为，无论对于哪种形成方式，目前已有的解释和定义都是不充分的。需要提出新的解释并作出新的定义，以帮助人们更加清楚、准确地在行星与其他星体之间进行区分。

我们也许可以为行星下这样一个定义：“行星是不能进行内核熔融的球状星体，形成并运行于另一个有时发生内核熔融的星体轨道上。”小行星真的那么危险吗

今年9月，两名天文学家在夏威夷发现一颗名为2000SG344、直径大约为0．6公里的小行星正在与地球相对的轨道飞行。11月3日，一些科研人员在未对该行星进行深入分析的情况下向媒体公布了有关小行星有可能于2030年与地球相撞的消息。但就在一天之后，其他