宇宙新概念

宇宙新概念
今天，我想就以下几个问题与大家进行探讨。

第一，一些学生置疑学习物理究竟有多大用处？
我就这个问题给大家举一个例子：扬振宁先生在国内招博士生时出了这样一个题目：“估计每年地球上落叶有多少？”这样的题目，众所周知是没有标准答案的，解答的关键在于建立物理模型。

换言之，学习物理就是提供给大家一个分析问题的方法。

另外，对于现在大学生来说需要对各方面知识都有一定的了解，物理也不例外。

第二，太阳系存在第十大行星吗？2002年10月，美国加州理工学院的天文学家布朗和特鲁希略在美国天文学会行星科学部的一次会议上宣布，他们在太阳系的最外缘发现一个球型天体，暂用名为“夸欧尔”。

它绕太阳公转的周期为288年，直径约为1290千米，距地球64亿千米。

“夸欧尔”由冰和岩石组成。

这是自1930年发现冥王星以来，太阳系中最重要的发现。

这就引发了对这样一个问题的思考：冥王星是否是太阳系中九大行星之一呢？九大行星离太阳的距离由近到远排列为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星，而它们离太阳的距离是满足一定规律的。

可写成如下的数学公式：Rn=0.4+0.3*2n-2。

而当n=5时有一颗没有被发现的行星，而陆续找到了智神星、婚神星、灶神星和义神星，这些都是直径为几百千米的小行星。

到1991年底，算出轨道并获得国际编号的小行星已有5012颗。

这么多的小行星从哪儿来呢？自然想到火星和木星之间存在过一颗大行星，后来爆炸成小块，形成小行星群，还有一种观点认为小行星起源于原始星云，原始星云在逐渐形成太阳和太阳系的行星时，有一部分星云演化不健全，形成小行星群。

夸欧尔直径相当于冥王星的一半，位于太阳系边缘的“柯伊伯带”，“柯伊伯带”在冥王星饶太阳轨道更远的一个带状区域内，天文学家认为彗星是从这一带起源的，所以这一带区域又被称为是彗星的“产房”。

在“柯伊伯带”内侧，有条被称为库伯带的小行星带。

冥王星就是在库伯带中发现的一棵大行星。

也就是说，冥王星是在库伯小行星带中被发现的“大”行星。

因此布朗的发现动摇了冥王星作为太阳系九大行星之一的地位。

第三，恒星的一生。

自然界中的四大之迷为“宇宙的起源”，“太阳系的起源”，“生物的起源”以及“人类的起源”。

与太阳系起源和演化学说相比较，恒星起源和演化学说比较成熟和完整。

这是因为迄今为止人类所观测到的太阳系只有一个，加上Peg51过两个。

而对这些恒星的年龄进行分类，我们发现了相对于人类而言的胎儿期、婴儿期、少年期、青年期、中年期、老年期的恒星，因此恒星的一生也就明白的摆在我们面前了。

形成恒星的星云物质，初始在空间的分布是不均匀的，形成大小不相同的星云。

当星云的温度达到100 K，又小于173K，密度达到10-23克／厘米3 ——10-22克/厘米3，质量达到了金斯质量，即太阳质量M⊙。

化学成分主要是氢时，则星云开始在自身引力的作用下收缩。

收缩又分为快收缩阶段和慢收缩阶段。

快收缩阶段：这是从星云过渡到恒星的阶段，在这个阶段，物质几乎是向中心自由降落的。

在几万年到上百万年时间内，密度增加十多个数量级，收缩中引力势能转化为热能，使温度增高，内部压力逐渐形成和加强。

当中心密度达到克／厘米后，气体不透明度增加，产生的热量不容易散开而使得中心温度不断提高。

再进一步收缩到一定程度时，由于中心温度的提高，引起剧烈运动，大云团会碎裂成许多小云团。

一块块小云团开始形成恒星的雏形，它们被称为原恒星或恒星胎，形成原恒星的整个过程是一个引力势能转化为热能的过程。

慢收缩阶段：当内部压力与引力几乎相等时，原恒星处于准流体力学平衡状态，便开始慢收缩过程，但此时吸引力仍是矛盾的主要方面，处于这一阶段的时间要比前一个阶段长得多。

当中心温度升高到700万Ｋ以上时，氢聚变为氦的热核反应就开始了，这种热核反应的
能量与以辐射方式向外传输的能量相等时，原恒星就不在收缩了。

进一步研究发现，不同质量的原恒星收缩为恒星经历的时间是不相同的，质量大的原恒星，慢收缩时间短；质量小的原恒星，慢收缩时间长。

恒星进入主星序阶段后就开始了一个比较长的相对稳定的时期，恒星基本上膨胀也不收缩。

质量越大，光度也越大，能量消耗越快，恒星停留于主星序的时间越短。

最短的约为107年，最长的约为1013年，太阳停留在主星序阶段的时间约为100亿年。

恒星演化晚期，在经过脉动阶段后，很大一部分恒星可能还要经过一个爆发阶段。

随着条件的不同，爆发方式不止一种。

到２０世纪６０年代后期科学家才肯定恒星状星云的核心是演化到晚期的恒星。

其核心由碳核组成，外层还有氦和氢。

当外层物质落入内部后，变迅速聚变，释放出大量能量，引起大量的物质抛射。

也可能是氦聚变区域由内部向外层延伸，当其接近恒星表面时，光速迅速增大，辐射压力超过引力，导致物质大量流出，这是爆发的一种方式。

而另一种爆发方式是新星爆发和超新星爆发。

当恒星演化到晚期时，内部温度已高达几十亿开，密度已达到水的一亿倍以上。

这时候恒星的内部会产生的大量的中微子，中微子的穿透力很强，大量逃逸出恒星，导致恒星的引力收缩。

恒星以极大的速度收缩，引力能转化为爆发能量，这很可能是超新星爆发的原因。

当然也可能是其他原因，如核爆炸，碳、氧聚变成更重的元素等。

超新星爆发后会留下许多碎片。

如最强的射电源仙后A其光学照片上只能看到一些从一个中心点以每秒7440千米的极高速度朝四面八方飞奔的碎片。

现在大多数天文学家认为白矮星、中子星、黑洞是恒星演化的最后阶段，它们都是高密天体，故临终阶段又可称为高密阶段。

恒星经爆发或经其他途径后演化成上述3种天体中的一种，至于是哪一种天体就要取决于星的质量了。

恒星在核能消耗尽后，如果它的质量小于1.44⊙（张德拉塞卡极限），就可能演化成白矮星；如果它的质量在1.44~3M⊙之间，就可能演化成中子星；如果它的质量更大，就可能演化成黑洞。

白矮星、中子星内部没有核能，它们都是靠剩余热量逐渐冷却而发光的。

中子星的温度比白矮星高，能量消耗较快，寿命只有几亿年。

当白矮星、中子星内部的热能消耗完后，它们就演化成为不发光的黑矮星。

黑矮星就不再是恒星，而是恒星的残骸。

恒星的一生到黑矮星就结束了，但黑矮星作为一个天体，还将进一步演化。

第四，多普勒效应与谱线红移。

河外星系有一个很重要的现象——谱线红移。

在讲述这个现象之前，我们先了解一下什么是多普勒效应。

不少人有这样的经历：在站台上等车的时候，如果一列火车鸣着汽笛呼啸而过，就会感觉到随着火车的接近和离开，汽笛的音调有明显的变化。

当火车接近我们时，汽笛的音调尖锐些，当火车离开我们时，汽笛的音调低沉些。

这是因为声源和观测者的连线方向上有相对运动时，观测者接受到的声波的波长会发生变化。

当声源接近观测者时，观测者感到波长变短（频率变高）、声调升高；当声源远离观测者时，观测者感到波长变长（频率变低）、声调降低。

这就是多普勒效应。

光源和观测者在两者连线方向作相对运动时，也有多普勒效应。

当天体离开我们时，天体光谱中的谱线都向光谱的红端位移，波长变长；当天体接近我们时，谱线向光谱的紫端位移，波长变短。

进一步研究表明，在41个星系中，只有离银河系较近的几个星系是紫移，其余都为红移。

星系愈弱，距离愈远，谱线红移愈大。

谱线红移的原因虽说目前没有定论，但通常还是用多普勒效应来解释。

星系中活动最剧烈的要数类星体了，类星体是20世纪60年代天体物理的四大发现之一。

由于类星体的照片像恒星，所以给它取名为类星体。

实际上，类星体并不属于恒星这一层次，而属于星系这一层次。

迄今为止发现的类星体已有数千个之多。

类星体虽然看上去像恒星，却与一般恒星有很大的差别：首先是光谱有很大的不同。

其
次，银河系内的恒星大多没有探测到有射电辐射，少数有射电辐射的恒星强度都不能与类星体相比。

由于类星体的光谱都具有红移的性质，所以认为类形体不是河内星系。

类星体之所以引起人们如此大的关注，主要是由于它的巨大红移。

哈勃在1929年发现星系的距离D与星系的推行速度成正比：V=HD ，其中H为正比例常数，叫哈勃常数。

这个定律已被大量的星系质料所证实，称为哈勃定律。

它告诉我们：星系的运行速度越大则它的距离越远。

如果将哈勃定律推广到类星体，也就是说，类星体的红移是由类星体的运动引起的，则类星体的距离非常遥远，是处于宇宙距离上的天体，由此而求得的光度是无与伦比的。

而类星体又是恒星状的，且有以年甚至以小时计算的光变现象，这意味着类星体的致密部分大小只有若干光年甚至更小。

这么小的范围竟可发出比整个银河系还要高上百倍的辐射能量，不能不称其为宇宙中最令人惊叹的事情，这就是所谓的能源问题。

第五，黑洞和白洞。

有人认为高密度并非是形成黑洞的先决条件，因为黑洞的质量是随半径成正比增加的，但它的体积是与半径三次方成正比的，所以反而与半径平方成反比，也就是同质量平方成反比。

一个一亿倍M⊙的大黑洞的密度只不过与水的密度相等，我们现在所能观测的范围约为100亿光年。

照此推理，以如此大的距离为半径的黑洞，其密度将是非常小的，同实际观测到的平均密度相差无几。

所以有人认为，我们自己就处在一个大黑洞中，而我们所观测到的仅是这个黑洞的一部分。

黑洞还有一个特别的行为，就是当两个黑洞相撞而合二为一时，合成的黑洞的视界表面积一定不小于原来两个黑洞视界表面积之和。

这种黑洞的合并还会释放出巨大的能量，合并后的黑洞还可以再合并，再释放能量。

那么黑洞一分为二能不能发生呢？著名的黑洞理论家霍金认为这是办不到的。

他的“面积不减定理”规定：黑洞在变化中视界表面积只能增加，不能减小，而黑洞分裂将导致表面积减小，所以这是禁止发生的。

霍金在研究量子力学对黑洞附近物质行为的影响时，发现黑洞似乎总是以稳定的速度发射粒子，而且发射的粒子具有热辐射的性质。

黑洞的辐射看起来好像是一个普通的热物体在辐射，所以黑洞并非绝对的“黑”。

刚才我们谈了黑洞的问题，按照宇宙通常存在的对称性，也许也应该有与黑洞相对应的天体存在，也就是恒星坍缩的逆过程，这就是宇宙物质的“火山口”，大量物质和能量从那里涌出来，这样的天体称为白洞。

进入黑洞的物质，会不会在另外的某个地方冒出来呢？我们假设上述质量转移是通过隧道或桥梁进行的，这种隧道或桥梁严格来说不具有宇宙的时空概念，人们称之为虫眼，或虫洞。

物质一旦在虫洞的另一端出现，它就再次突然膨胀成了普通的物质。

膨胀时，它发出炽烈的辐射能，而这种能量原先是陷在黑洞里的，也就是说膨胀时出现了一个白洞。

宇宙里可能有许多大大小小的白洞，每个白洞和它们的黑洞连接在一起。

如果把所有黑洞、白洞都考虑进去的话，我们会看到连接它们的那些虫眼在宇宙里相当稠密的交织在一起。

前面跟大家说了一下关于黑洞与白洞的问题。

在这样一个辨证基点之后，大家都非常清楚，现在我们自然界有三种理论：牛顿力学体系——用以解决问题的理论；量子力学体系——用以解决微观问题的理论；广义相对论——用以解决宏观问题（大天体问题）的理论。

对于黑洞，它的能量是巨大的，满足了用广义相对论解决的条件。

但它的限度又是非常小的，又满足了用量子力学解决的条件。

所以，我们迫切的需要形成一种新的理论——量子力学理论。

当然，这个理论现在还没有建立起来。

也就是说，在黑洞这个问题上现有理论都是失效的，因为根本无法解释，所以应该有新的理论出现。

现在我们一般会认为如果有黑洞存在的话，它会影响到周围恒星的演化过程，这是一方面。

另一方面，我举个例子：如果在会议室的后面有一颗恒星，在我坐的地方观察它发出的
光，结果发现的是一对双星的图象，两颗恒星在一起。

而光谱分析结果表明这两颗星的光谱是完全一样的。

我们都知道一个哲学观点：没有两个人的指纹是一样的，没有两片同样的树叶。

所以宇宙中应该也没有两颗恒星的光谱是完全一样的。

那么为什么会得到两个同样的象呢？其实从恒星发出的两束不同方向的光在接近黑洞时，由于黑洞的强大引力使两束光发生了弯曲，即改变了传播方向，这样两束光就同时进入望远镜了，得到了一个双星。

这是可以用来判断黑洞存在的一个非常巧妙的办法。

这时的黑洞，相当于一个光学上的透镜，使光线会聚。

相对论包括狭义相对论和广义相对论，狭义相对论包含两条基本假设：第一个叫相对性原理。

在某个参考系中测量同时发生的事件，在另一个相对于前一个做运动的参考系测量就不是同时的了。

对不同的参考系来说，物体的尺度也不在是一个常量，这时会产生一些比较奇异的现象，比如同时性的相对性。

比如放两支蜡烛在这里，同时划燃两根火柴，又同时点亮两根蜡烛，我们就会觉得两支蜡烛同时点燃了。

但如果有一个人，坐在一艘可能有零点几个光速速度的飞船里看点蜡烛，那看见的就不是同时点着的，而是一个先亮一个后亮。

这就叫同时性的相对性，也就是说你在表述一个事情同时发生时一定要说你在怎样运动的参考系内，不然这个同时性是没有意义的。

接下来想给大家介绍一下爆炸理论的理论基础：3K宇宙微波背景辐射。

在美国的贝尔实验室，二战结束后有许多雷达工程师改行做接收天空中杂乱信号的工作。

看似漫无目的，实际上上个世纪的许多天文发现都是从这些古怪的信号中分析得来的。

1964年，贝尔实验室有一个喇叭型天线，专门探测天空中的杂乱信号对卫星的干扰到底有多大。

在做实验的过程中发现有一些不应该存在的噪声存在。

他们把噪声量化，量化的结果大概是开尔文温度3—4K。

做此项研究的两个科学家彭齐亚斯（A.Penziaz）和威尔逊（W.Wilson）并没有到此为止。

后来他们发现天线上有一对鸽子做了窝，白色电介质是鸽粪。

但后来他们又发现鸽粪对信号毫无影响，3K仍然存在。

此时，普林斯顿大学的天体物理学家迪克（H.Dike）等正准备制造一架设电望远镜来搜寻“原始火球”的辐射。

他们预测如果真的有过大爆炸，现在一定留有可以观测的遗迹。

所以他们计划造一架望远镜来观测。

在工作开始之前，一个偶然的机会，普林斯顿大学的研究组和彭齐亚斯与威尔逊结识了，并进行了互访。

后来得出结论：彭和威所发现的噪声正是迪克等人所预言以及准备寻找的东西——3K宇宙微波背景辐射。

彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。

现在我们讲一下宇宙的形状和年龄，这是一个非常难讲的问题，特别是宇宙的行状。

第一，除了欧几里德几何学之外，还有许多中几何学，如黎曼几何学。

黎曼几何认为三角形三内角之和不等于180度，可以小于也可以大于180度。

爱因斯坦的广义相对论证明：这个宇宙肯定是属于非欧几何，即黎蔓几何学的。

我们通常认为宇宙由时间和空间组成，由于物质的存在，把光的传播路径都弯曲了，因而这个宇宙不是一个平坦的宇宙。

第二，一个宇宙要满足几个条件：一是我们假定的物质和能量在宇宙任何一个地方满足的规律要跟在我们地球上是一样的；二是时间和空间在宇宙所有地方具有相同的性质；三是宇宙应该具备一种均匀性，也就是说物质在宇宙中是均匀分布的，所谓均匀分布，即在宇宙中所有位置观测到的宇宙应该是大致相同的。

这个观点我们在天文上称之为宇宙学原则。

宇宙学原则的存在要求我们否定宇宙边缘的存在，如果宇宙有边，那就会出现这种情况：你到达了宇宙的边，一边是群星，另一边是空。

这就违背了宇宙学的原则。

没有边缘却并非意味着无穷大，这就是宇宙。

现在我们就给出了一个概念——宇宙是无边的，但又是有限的，即有限无边。

举个例子：有一个很圆的西瓜，这个西瓜表面可以用几个坐标来描述呢？类似于地球表面，需要两个坐标——经度和纬度。

西瓜皮就是一个二维的曲面，放一只蚂蚁在西瓜上，赋予蚂蚁一个任务：看看你存在的世界有没有边。

实际上蚂蚁永远不会找到世界的边，但这个西瓜却是有限的。

其实人类的悲哀也莫过于此，我们就像一只三维的蚂蚁，站在四维或五维的宇宙这个西瓜皮
上。

霍金先生给了我们一个非常奇妙的想法。

光学中有种现象叫全析。

全析可以把一个三维的影象投射到一个二维的平面上，可以做到非常真实。

那么我们这样一个四维的时空很可能就是一个五维的宇宙被投射到一个低维时空上去。

霍金把全析的理论引入，把五维的宇宙叫做一个果壳，这个壳是实心的。

而现在果壳内部就投射到壳上面去了，五维的宇宙就显现出一个四维的时空。

物理学中有一个不确定原理，比如你想确定一个基本粒子，它的位置和速度你只能确定其中一个。

如果你把它的位置测得百分之百准确，那么速度则完全测不准；反之亦然，因为她们两者的误差必须大于一个值。

关于宇宙的年龄前面讲到了哈勃定律。

任何天体远离我们的速度与其距离我们的距离成正比。

离我们越远的天体，离开我们的速度就越大，其关系式为V=HD。

H就是哈勃常数，哈勃常数具有时间的量纲。

现在已经证明，宇宙的年龄就是哈勃常数H的倒数，现在估计大概在150亿年左右。

2002年的诺贝尔奖发给了一位美国科学家戴维斯，他发现了中微子。

诺贝尔奖的评语说得非常好，中微子的发现相当于在整个撒哈拉沙漠找到一粒有用的沙子。

中微子是我们理论预想的在核反应中会产生的一种粒子，它跟光子差不多，没有径子质量，没有电荷和光速运动，唯一的不同便是它具有穿透性。

光子是可以拦住的，但中微子无论如何也拦不住。

现在找到的中微子数目比理论预想少2/3。

所以要么是理论错了，要么是测量方法有问题。