仲新元
在遠古,我們的祖先就對世界充滿了好奇,他們那時也許就在思考:我們從哪里來,將到哪里去?我們的家園——地球是從何而來,它有著怎樣的奧秘?至今這一問題仍是困擾科學(xué)家乃至哲學(xué)家的重要問題.
確實是這樣.從有文字記載的時期起,人類就已經(jīng)對這一問題表現(xiàn)出了濃厚的興趣,而且,對這一問題的探求欲望變得越來越強烈了.
三國時期徐整所著的《三五歷記》中的一則神話故事《盤古開天地》有這樣的描述:未有天地時,混沌狀如雞子.盤古生其中一萬八千歲,天地開辟.陽清為天,陰濁為地.天每日升高一丈,地每日下沉一丈,盤古在中間每日長一丈.這樣過了一萬八千年,變得天高地深,天地間九萬里.
故事把宇宙說成是源自于一次奇妙的大爆炸.果真如此嗎?讓我們從人類認識宇宙的過程談起.
日心說和地心說之爭
公元前5世紀(jì),愛琴海中的薩默斯島上誕生了一位數(shù)學(xué)天才畢達哥拉斯,他從球形是最完美的幾何形體的角度出發(fā),認為大地是球形的,且所有天體亦是如此.他又由此推斷,地球的外面是空氣和云,再往外是太陽、月亮和行星,它們都在圓形軌道上繞地球做勻速圓周運動,最外層是永不熄滅的天火.
公元140年,埃及的希臘裔天文學(xué)家托勒密,據(jù)此提出了完整的地心說.在這個體系中,將人們能清晰地看到的七個天體:太陽、月亮、金星、木星、土星、水星、火星,按照不同的軌道半徑排列,且都是從東方升起,從西方落下.對一些和這個體系相悖的現(xiàn)象,也都經(jīng)特別的處理,使其能得到合理的解釋.
人們對這種天體運行現(xiàn)象的起因百思不得其解,從而認為是上帝的“原始推動力”造成的.
16世紀(jì)時,波蘭天文學(xué)家哥白尼,在經(jīng)過大量的觀察和縝密思考、研究的基礎(chǔ)上,認為宇宙是簡單、和諧的,提出了日心說理論,即太陽是宇宙的中心,包括地球在內(nèi)的行星都是圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的.這一理論模型很好地解釋了地心說所不能解釋的現(xiàn)象.科學(xué)家開普勒還在前人觀測、整理的資料的基礎(chǔ)上,提出了天體沿橢圓軌道運行的觀點,打破了天體只能沿圓周軌道運行的傳統(tǒng)說法.
1609年,望遠鏡剛問世.大科學(xué)家伽利略用自制的望遠鏡第一次觀察天體便有了重大發(fā)現(xiàn):原來太陽上有黑子;月球上有環(huán)形山和峽谷;水星、火星、木星都有衛(wèi)星……
但這些發(fā)現(xiàn),都和宗教的說法產(chǎn)生了很大的分歧,而被教廷稱為“邪說”,很多擁護日心說的科學(xué)家受到了迫害:伽利略被終身軟禁,布魯諾被活活燒死……
但科學(xué)是壓不垮的.大科學(xué)家牛頓發(fā)明了用反射鏡制作望遠鏡的方法,從而為建造大型望遠鏡進行天體觀測鋪平了道路.他提出的萬有引力定律,更是能為維系天體繞日運行作出了合理的解釋.天文學(xué)家哈雷用幾何方法推算出了測地球和太陽間距離的方法,與此同時,他還借助萬有引力理論準(zhǔn)確預(yù)測了一顆彗星(后被稱為哈雷彗星)光臨地球的時間.
隨著這些研究手段、方法的進步和科學(xué)證明,地心說逐漸被世人所摒棄.日心說雖然有著很大的局限性,但和地心說相比,卻使人類對宇宙的認識向前跨了一大步.
對恒星的研究
科學(xué)家經(jīng)過長期不懈的研究,發(fā)現(xiàn)我們看到的天上的銀河,是由數(shù)以十億計的恒星組成的,我們的太陽系只是處于銀河系的一個不起眼的小角落中.其他的恒星有很多比太陽大很多倍,只是因為過于遙遠,所以我們看起來亮度不大.
1923年,科學(xué)家哈勃用大型天文望遠鏡觀測到了銀河系外由無數(shù)恒星組成的星云,使人們的視野拓展開來,也使人們知道,在銀河系之外,宇宙中還存在著大量的星系和由星系組成的星團,有的星系比銀河系不知大多少倍!
通過對恒星發(fā)出的光譜的研究,人們還發(fā)現(xiàn):太陽與天穹上的無數(shù)恒星是一樣的,主要由氫和氦等元素構(gòu)成.它們發(fā)出的能量是由原子核聚合時發(fā)生的聚變反應(yīng)產(chǎn)生的(其原理和氫彈爆炸一樣).
人們原以為恒星在天上的位置是恒定不變的(所以命名為恒星),但1718年哈雷的科學(xué)觀測表明,恒星也是在運動著的.后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們除了在橫向上有小的偏移,在視向(即沿我們視線方向)上也有較大的運動跡象,且是在離我們遠去.離我們遠去的證據(jù)是它們發(fā)出的光發(fā)生了“紅移”.
我們會聽到一輛鳴笛駛來的汽車發(fā)出的音調(diào)變高,而駛離我們時音調(diào)又會變低.物理學(xué)家多普勒注意到了這一現(xiàn)象的規(guī)律并進行了深入研究,人們稱這一現(xiàn)象為多普勒頻移現(xiàn)象.
同理,恒星只有在離我們遠去時,所發(fā)出光的頻率會變低,光的顏色在光譜中向紅光靠近,故稱為紅移.
紅移現(xiàn)象表明了遙遠的恒星或星系在離我們遠去.科學(xué)家通過觀測和計算,還證明了它們離我們遠去的速度越來越快.
大爆炸理論的形成
紅移現(xiàn)象表明:宇宙在膨脹之中.
人們不禁要問,如果將這一結(jié)論向回反推,即時間向后回溯,宇宙是從什么狀態(tài)開始膨脹的?按這種推論,最初應(yīng)該是一個點!果真如此嗎?人們對此一直莫衷一是.
有意思的是,這一結(jié)果和本文開頭提及的神話故事《盤古開天地》類似:“雞子”大小的點演變出了廣袤無垠的宇宙.
以沙伊爾、哈勃、霍金為代表的科學(xué)家認為,宇宙最初只是聚在一個點(奇點),它曾經(jīng)是如此的熾熱、微小和致密.因為突然發(fā)生了大爆炸,繼而產(chǎn)生了宇宙中的天體、再形成了地球上的萬物.由這一觀點構(gòu)成的理論體系,稱為“大爆炸”理論.
根據(jù)“大爆炸”理論,爆炸飛出的物質(zhì)在空間相遇,有很多物質(zhì)顆粒因引力作用相互吸引而聚到一起形成巨大的星體,其中的物質(zhì)也因引力的作用而受到極大的壓力,產(chǎn)生極高的溫度,使內(nèi)部引發(fā)聚變反應(yīng),放出巨大的能量.也有大量的物質(zhì)因此被拋射出去,有的又聚合成新的恒星,有的則構(gòu)成了行星.地球就是這樣的一顆行星.構(gòu)成地球上萬物的物質(zhì)都是這樣來自于不同的恒星,并由它們孕育了生命.如此說來,我們的身體竟然是由來自不同恒星的物質(zhì)構(gòu)成的!
大爆炸理論剛一問世,即受到很多科學(xué)家的質(zhì)疑甚至強烈反對,并在科學(xué)界形成了著名的“大辯論”.科學(xué)理論要被人們心悅誠服地接受,必須要有證據(jù).那么,證據(jù)在哪里呢?如果真的存在大爆炸的話,應(yīng)該有其殘留的痕跡甚至殘余物.
上世紀(jì)50年代,美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜在調(diào)試一組巨大而靈敏的無線電天線時,無論他們采取什么措施,總不能消除其中的噪聲,且這些噪聲在各個方向上基本相同.科學(xué)家由此敏銳地發(fā)現(xiàn),這就是大爆炸的殘余物——宇宙微波背景輻射!他們兩人也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎.
當(dāng)我們打開電視機后,在沒有電視信號時,屏幕上常會出現(xiàn)大量“雪花”,其大部分原因是接收到了這種宇宙微波背景輻射所導(dǎo)致的.
又經(jīng)過大量的天文觀測和研究,新的證據(jù)不斷出現(xiàn),以愛因斯坦相對論為基礎(chǔ)奠定的時空理論,使新出現(xiàn)的很多問題得到合理解釋,大爆炸理論也已被科學(xué)界所廣泛接受,也有一些科學(xué)家因這方面的研究而獲得諾貝爾獎.特別有意思的是,羅馬教廷一反歷史上對日心說封殺的態(tài)度,宣布支持大爆炸理論.1975年,教皇還接見了霍金.由此,大爆炸理論得到了宗教界和科學(xué)界的雙重承認!
但對這一問題的研究遠沒有停止.一些問題仍然在困擾著科學(xué)家.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的速度越來越快,而并非如經(jīng)典理論認為的那樣,會因引力的作用而減速.于是,科學(xué)家又推算出宇宙中充斥著看不到的暗物質(zhì)和暗能量的假說:宇宙中只有30%是物質(zhì),且其中大部分是暗物質(zhì);宇宙中70%是暗能量.當(dāng)然,這也需要證據(jù).包括華裔著名物理學(xué)家丁肇中在內(nèi)的眾多科學(xué)家多年來一直在孜孜不倦地探索著……
關(guān)于宇宙起源的探索方興未艾,遠沒到盡頭.科學(xué)家還在探究更好的研究方法,創(chuàng)建更新的理論體系,建造更大更完美的天文望遠鏡.
國際天文學(xué)聯(lián)合會和聯(lián)合國教科文組織,為紀(jì)念伽利略首次用望遠鏡進行天文觀測400年,將2009年定為“國際天文年”,主題是“探索我們的宇宙”.希望通過普及宇宙科學(xué)知識,幫助人們重新認識我們在宇宙中的位置,從而激發(fā)個人的探索發(fā)現(xiàn)精神.
探索宇宙起源,可為我們每位青少年插上智慧的翅膀,讓我們的理想在廣闊的宇宙中飛翔吧!