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物理世界奇遇记7:黑洞、热寂和喷灯(上)

2006-8-4 9:0

  “我看,一定就是这里啦!”汤普金斯先生一边查看慕德给他的那张匆匆画就的地图,一边自言自语地咕哝着。大门上没有任何标记可以证明这里确实是诺尔顿庄园。他可以看到在车道的尽头有一座非常大的。爬满了绿藤的庄园住宅。这同他原来想象的并不一样,不过,他认为最好还是前去问一问。就在这个时候,他认出了慕德,她正蹲在花坛边清除杂草呢。他们很亲切地互相问好。

  “你在这里购置的房地产实在太大了,”他羡慕地说,“我没想到画家的收入有这么多。你不认为阁楼上会太冷,不利于你从事美术创作吗?”

  最初,她似乎显得有些莫名其妙,然后突然爆发出一阵响亮的笑声。“这一切都属于我吗?”她大声说道,“我倒希望是这样。但是不,它已经四分五裂了——从诺尔顿家族离开这里以后就一直是这样。它现在分隔成了好几个单元。这是我得到的那一小部分。”她指着不久以前才扩建的一座小屋。“请进去吧,随便一点,就像在家里那样。”

  在他们等待壶中水烧开的时候,她带他迅速地浏览一遍她那小小的、布置得很舒适的房子,然后在起居室的沙发上坐下,品尝起咖啡和饼干来。

  “那么,你觉得昨天晚上那台歌剧怎么样?”她问道。

  “啊,它大有趣了,”他说,“当然,我还没能理解它的全部涵义。不过,我很喜欢它。谢谢你建议我去看它。只有一件事……”

  “什么事?”

  “没什么大事。只是回到家里以后,我不由自主地为定态理论所碰到的遭遇感到惊讶。它似乎是一种通情达理的理论呀。”

  “可别让我爸听到你说这种话。”她微笑着说,“不知道花了多少时间才说服他让那台歌剧上演呢。他不愿意学生们被弄糊涂的。关于科学必须建立在实验上——而不是建立在美学上,他自己编了一大套歌舞。不管一种理论怎样吸引你,只要实验结果同它相对立,你就必须把它甩掉。”

  “反对定态理论的证据真的像你前几天所说的那么有力吗?”他问道。

  “是的,”她答道,“所有证据都以压倒优势支持大爆炸理论:首先,我们知道,宇宙已经随着时间的推移而改变了——我们可以看出,它是已经改变了。”

  汤普金斯先生皱着眉头问:“我们看到了吗?”

  “是的。你应该记住,光的速度是有限的;光从遥远的天体传到我们这里是要花一些时间的。当你在考察空间遥远的深处时,你也就是在考察时间遥远的过去。举例来说,”她望着窗外说:“太阳发出的光要花8分钟才能到达我们这里,这就是说,我们现在看到的太阳光是它在8分钟以前的模样——而不是此时此刻的模样。对于像仙女座中的星系那些更为遥远的天体,情况也是这样。你一定看见过那个星系的照片,你可以在各种天文学书籍中找到它们。那个星系离开我们大约有100万光年,所以,那些照片所表现的是它在100万年前的模样。”

  “你想说明什么问题呢?”

  “我想说明的问题是,”她接着说,“马丁·赖尔发现,他越深入地探索空间的深处,换句话说,他越深入地回顾时间的过去,在给定的体积内存在的星系数量就越多。如果宇宙确实随着时间而逐渐变得稀松的话,那么,这正好是我们应该预料到的结果——宇宙在过去要比现在更密实一些。”

  “在昨天的歌剧快结束时,他们提到过这一点,对吗?”汤普金斯先生问道。

  “对极了。不仅如此,我们现在还知道,就连星系自身的性质也随着时间而改变了。有一个时期,也就是星系在大爆炸后刚刚形成不久,它们燃烧发出的光要比今天亮得多;当它们处在这种状态中时,我们便管它们叫做类星体。类星体只出现在很遥远的地方,这就意味着,它们只存在于非常遥远的过去,目前并不存在——这又一次违背了宇宙不变的想法。

  “得,我开始被你说服了。”他承认了。

  “不过,我还没有说完呢,”她坚持要说下去,“就拿原初原子核丰度来说吧……”

  “那是什么?”

  “是来自大爆炸的各种不同粒子的比例。你知道,在大爆炸的早期阶段,所有的东西都是非常热的,每一种东西都随意快速地运动,彼此迎头撞击。在那个阶段,宇宙中存在的一切都是亚原子核粒子(中子和质子)、电子和其他基本粒子。你找不到任何重原子的原子核。不久,由于中子和质子聚合在一起,形成了第一个原子核,但是,在紧接着的一系列碰撞中,它又被击开而破坏掉了。后来,随着宇宙的膨胀和冷却。碰撞变得不像过去那样频繁,也不那么猛烈,只有到这个时候,新形成的原子核才能一直存在下去。于是,我们就有了这种原初核合成——这是物理学家们给它起的名称。

  “但是,原子核吸收越来越多的中子和质子,从而组成越来越大的原子核这种过程,是不可能永无止境地进行下去的。”她继续说,“这是一种同时间赛跑的过程。随着时间的推移,温度一直在降低。这就意味着,温度终于会降到非常低的程度,以致核粒子所具有的能量已经小到不再能使它们发生聚变。不仅如此,由于宇宙不断膨胀,密度同样也在不断减小,因而碰撞的次数也变得越来越少。以上几种原因结合起来所产生的结果,就是到达了不再发生那种核反应的一点,这时重原子核的混合物也就不再发生变化了。这种混合物称为冻结混合物。当然,正是这种原子核的混合物决定了最后可以形成的各种不同原子的比例。

  “现在就出现了一件很有意义的事,”她总结说,“如果你知道今天宇宙中的物质密度有多大,你就可以计算出过去任何一个阶段物质密度应该具有的值,具体他说,可以算出原初核合成时期应有的密度值。而这又意味着,你可以从理论上推算出冻结混合物应该是什么样的。推算的结果表明,在冻结混合物中有77%的质量以氢(最轻的元素)的形态存在,23%是氦(次轻的元素),只有极其微量较重的原子核。而这正好是今天在检验星际气体的原子丰度时所观察到的情形。”

  “好的,你赢了!”汤普金斯先生认可了她的说法,“大爆炸理论胜利了!”

  “但是,我还没有把最最有说服力的证据告诉你呢。”慕德补充说,这时她变得越来越兴奋。

  “你说话开始变得很像你父亲啦。”

  她不理睬他的评论,继续往下说,“那就是宇宙微波背景辐射。你知道,既然大爆炸的温度极高,那就必然有一个火球伴随着它,就像原子弹爆炸时发出眩目的闪光那样。现在的问题是:大爆炸发出的辐射如今到哪里去了?它必定还处在宇宙中的某个地方,因为再也没有任何别的地方可以容纳它。当然,它必定不再是那种眩目的光,现在它必定已经冷却下来了。到目前这个阶段,它的波长应该处在微波区域内。事实上,伽莫夫(你还记得他出现在昨天晚上的歌剧中吗?)曾经很好地计算出、它的波谱应该对应于7K区域附近的某个温度。他是对的,目前已经发现了那个火球的残骸:1965年,两位通信科学家彭齐亚斯和威尔孙纯粹出于偶然,发现了那种辐射遗留下来的东西,它的温度是2.73K,这当然非常接近于伽莫夫早先计算出的数值。”

  汤普金斯先生什么话也没有说,他陷入了沉思。慕德好奇地看着他。

  “怎么啦?”她问道,“信服了吗?”

  汤普金斯先生摆脱了冥思苦想,“是的,是的,太好了,那确实是太好了。谢谢你!不过……”

  “不过什么?”

  “好吧,我说,我刚刚在头脑中画了这样一张图画,里面有氢,有氦,有电子,还有大爆炸产生的辐射,除此以外,就什么也没有了。那么,我们今天这个世界是怎么来的呢?太阳和地球又是从哪里来的?你和我又是怎么回事——我们总不会是只由氢和氦构成的吧?”

  “你这问的可是120亿年的历史啊!你给我多少时间来回答呢?”

  “3分钟够了吧?”汤普金斯先生满怀希望地问道。

  她笑了。“那就让我试试吧!你准备好了吗?”

  “等一等,”他看着手表说,“好了,你说吧!”

  “听着,在大爆炸后的几分钟内,我们只有氢和氦的原子核以及电子。再过30万年,一切都冷却下来,温度降到足够低,这时电子便能够围绕着原子核,于是,我们便有了第一个原子。现在,整个空间中充满了一种气体。这种气体的密度是非常均匀的。但是,也还存在某些极为微小的不均匀性——有些地方的密度比平均密度稍稍大一些,有些地方则稍稍小一些。这样一来,由于密度较大的地点具有较大的万有引力,气体就开始围绕着它们积集起来。它们收集的气体越多,它们的引力就越强,因而就能更有力地从四周吸来更多的气体,结果就形成了一些彼此分开的气体云。这时在每一个气体云内部都会形成一些小小的旋涡,这些旋涡互相挤压,从而使温度上升(这是日常生活中常见的事:当你把某种气体挤压成较小的体积时,它的温度就会升高)。最后,温度变得非常高,从而引发了核聚变过程——恒星就这样诞生了。结果,大约又过了10亿年,便出现了各个星系(实际上,星系有可能是通过两种方式形成的:一种是先形成星系云,然后由它分裂成许许多多恒星;另一种是先形成恒星,然后恒星聚集在一起形成星系。究竟是哪一种,目前还没有人真正知道)。但是,不管是这种还是那种,恒星毕竟是形成了,并且依靠核聚变过程而获得能量。它们不仅释放出能量,并且还逐渐积累起较重原子的原子核——这些原子正是后来构成地球和我们的身体所必需的材料。然后,恒星上的核火终于把燃料烧光了。对于像太阳这样的中等大小的恒星来说,这个过程大约要花100亿年的时间。这种处于老年期的恒星会发生膨胀,变成所谓的红巨星,然后再收缩而变成白矮星,最后慢慢凝固成很冷的岩石。质量更大的恒星会以一种特殊得多的方式结束它们的生命——随着‘轰’的一声,它就全部完蛋了。这就是超新星爆发。正是这种爆发喷出了某些新合成的核物质,即重的原子核。它们现在同星际气体混合在一起,并且能够聚集起来而形成第二代的恒星以及第一次出现的像地球这样的多岩石行星(在产生第一代恒星时,当然不会有行星存在)。然后,这类行星之一——地球——通过自然选择进行演化,终于把它表面上的化学物质转化成你和我。我们就是这样由星际尘埃构成的!”

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