作者：学习委员
出版社：吉林电子出版社
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宇宙探谜试读：
前 言
把兴趣引进课本,使爱好代替讲台,将学生的被动接受知识变为主动学习吸收,激发学生的阅读热情与探索精神,奠定良好的知识基础与创新素质,这就是本套全书的宗旨。
本套全书根据全国中小学教学大纲的要求,同时根据创新素质教育的要求,再结合全国中小学各科课本的同步内容编撰而成,是各学科的有益补充和知识范围的深层挖掘,是现代中小学生都必须掌握的知识内容。这些百科未解知识之谜,能够增长中小学生的知识,开拓他们的视野。
我们的学校教学都是一些已知的基础文化知识,其内容一般都比较简单和死板,都已有比较科学而清楚的定论,这些知识是前人创造的,也是比较容易掌握的,其实,教学的真正目的是在掌握已知知识的基础上,探索未知的知识,创造未知的领域,不断推动科学文化知识向前发展,使我们真正成为自然的主人。
目前,我们中小学生手中的薄薄课本的知识面显得单调而不足,事实上,我们生活在一个迷宫一样的地球上,已知的知识是很少的有形板块,而未知的领域才是很大的无形部分。人类社会和自然世界是那么丰富多彩,使我们对于那许许多多的难解之谜和科学现象,不得不密切关注和发出疑问。我们应不断地去认识它,勇敢地去探索它。古今中外许许多多的科学先驱不断奋斗,一个个谜团不断解开,推进了科学技术的大发展,但无数新的奇怪事物和难解之谜,又不得不使我们向新的问题发起挑战。科学技术不断发展,人类探索永无止境,解决旧问题,探索新领域,这就是人类一步一步发展的足迹。
作为中小学生,我们应该站在前人知识的终点上,接过前人手中的火炬,勇敢地探索未来知识的巅峰,跑到未来知识的最前沿,推动人类社会不断向前发展。
为此,我们在综合了国内外最新研究成果的基础上,根据全国中小学生学习和阅读的特点,编辑了这套《最佳课堂》。本套全书包括《数学探谜》、《物理探谜》、《化学探谜》、《语文探谜》、《政治探谜》、《历史探谜》、《文化探谜》、《文学探谜》、《文艺探谜》、《体育探谜》、《娱乐探谜》、《生物探谜》、《生理探谜》、《医学探谜》、《自然探谜》、《地理探谜》、《海洋探谜》、《军事探谜》、《文明探谜》、《考古探谜》、《科学探谜》、《天文探谜》、《宇宙探谜》、《侦破探谜》。
本套全书全面而系统地介绍了中小学生各科知识的难解之谜,集知识性、趣味性、新奇性、疑问性与科普性于一体,深入浅出,生动可读,通俗易懂,目的是使广大中小学生在兴味盎然地领略百科知识难解之谜和科学技术的同时,能够加深思考,启迪智慧,开阔视野,探索创新,并以此激发中小学生的求知欲望和探索精神,激发中小学生学习的兴趣和热爱科学、追求科学的热情,使我们全国的中小学生都能自觉学习、主动探索,真正达到创新素质教育的目的。
宇宙诞生之谜
宇宙是如何诞生的?现在的样子又是如何演变而成的呢?在很早以前人类就提出了这些疑问。这个使人类困惑千年而未能破解的重大问题,直到70年前爱因斯坦完成了一般相对论学说之后,才首次提出符合科学逻辑的解答。
一般相对论提出宇宙有可能发生膨胀,后来研究的结果证实了这一点。科学家们发现远方的银河正在以非常快的速度和我们的银河拉远距离,这说明宇宙正在逐渐地膨胀着。另外,还发现宇宙空间到处充满着3度K的杂音电波,这证明宇宙曾经是一个超高温,高密度的大火球。在以上事实的基础上而产生的“大爆发宇宙论”已被公认为是当前最标准的宇宙进化理论。根据这个理论推算,宇宙诞生的时间在150亿年之前。宇宙刚刚诞生时它的直径仅有l/1033厘米,但它的温度和密度却高得让人无法想像。由于物质的温度和密度骤然下降,使这个宇宙之卵以爆炸性的速度猛烈膨胀。在“大爆发”中诞生了各种元素和支配它们运动的力,也因此形成了星球和银河,倾刻间宇宙之卵便演变成了“成年”的宇宙。“大爆发宇宙论”提出,宇宙可能是从既无空间也无时间的“虚无”之中以惊人的速度迅猛膨胀而瞬间诞生的。这种理论还提出,宇宙常常是周而复始地从诞生到消亡,再诞生、再消亡的轮回,我们现在的这个宇宙只是从过去到未来无数个宇宙中的一个而已。但到目前为止,对于宇宙的起源还没有一个统一的理论,这还需要人类待进一步的考察和研究。
宇宙也会死亡吗
生老病死是人之常情。但宇宙也会有完结的一天吗?会以怎样的形式完结?会是瞬间爆炸吗?
根据科学家利用天文望远镜获得的最新观测结果,宇宙最终不会变成一团熊熊燃烧的烈火,而是会逐渐衰变成永恒的、冰冷的黑暗。这听起来似乎太骇人听闻了。然而地球人或许没有必要杞人忧天,因为地球人暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。根据科学家的推测,宇宙很可能至少将目前这种适于生命存在的状态再维持l000亿年。这个庞大的数字相当于地球历史的20倍,或者,相当于智人(现代人的学名)历史的500万倍。既然它将发生在如此遥远的未来,对地球人今天的生活就不会有丝毫影响。
与此同时,科学家又指出:没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会突然消失,但是,随着时间的推移,它可能会让人觉得越来越不舒服,并且最终变得不再适于生命存在。
这种情况将会在什么时候出现呢?又会以怎样的方式出现呢?这的确是一个令人沮丧的问题。但是,我们又不得不承认,对于我们这些生活在地球上的凡夫俗子来说,这些问题却有另一种冷酷的魅力。
自从20世纪20年代,天文学家哈勃发现宇宙正在膨胀以来,“大爆炸”理论一直没有摆脱被修改的命运。根据这一理论,科学家指出,宇宙的最终命运取决于两种相反力量长时间“拔河比赛”的结果:一种力量是宇宙的膨胀,在过去的100多亿年里,宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大;另一种力量则是这些星系和宇宙中所有其它物质之间的万有引力,它会使宇宙扩张的速度逐渐放慢。如果万有引力足以使扩张最终停止,宇宙注定将会坍塌,最终变成一个大火球——“大崩坠”,如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀,它将最终变成一个漆黑的寒冷的世界。
显而易见,任何一种结局都在预示着生命的消亡。不过,人类的最终命运还无法确定。因为目前,人们尚不能对扩张和万有引力作出精确的估测,更不知道谁将是最后的胜利者,天文学家的观测结果仍然存在着许多不确定的因素。
这种不确定因素又是什么呢?科学家指出,这一不确定因素涉及到膨胀理论。根据这一理论,宇宙始于一个像气泡一样的虚无空间,在这个空间里,最初的膨胀速度要比光速快得多。然而,在膨胀结束之后,最终推动宇宙高速膨胀的力量也许并没有完全消退。它可能仍然存在于宇宙之中,潜伏在虚无的空间里,并在冥冥中不断推动宇宙的持续扩张。为了证实这种推测,科学家又对遥远的星系中正在爆发的恒星进行了多次观察。通过观察,他们认为这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。
倘若真是这样的话,决定宇宙未来命运的就不仅仅是宇宙的扩张和万有引力,还与在宇宙中久久徘徊的膨胀推动力所产生的涡轮增压作用有关,而它可以使宇宙无限扩张下去。
人们不禁要问:人类能够避免这场可怕的灾难吗?人类已经在越来越快地改变着地球,操纵着自己的生存环境,也许到那时,人类将会以高度发展的智慧在宇宙中立于不败之地。谁知道呢?且让未来的地球人和地外一切生命拭目以待吧。人类对宇宙的认识永远没有终极,认识穷尽的那天也许就是人类或宇宙毁灭的那一天。正如爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说:“至于谈到世界末日的问题,我的意见是:等着瞧吧!”
宇宙范围之谜
我们现在所谈到的宇宙大小,是指可见的宇宙,也就是以我们人类生活的地球为一个球体,它的半径是从大爆炸,即宇宙作为一个点诞生,并开始向外迅速膨胀以来光所通过的空间。从整体上看,宇宙很可能比这个可见的宇宙大得多。“光年”是天文学采用的计量单位,也就是光在一年中经过的路程。光的速度大约为每秒30万公里,一光年大约是94600亿公里。银河系的直径约为十万光年,而且还有另外的星系在银河系之外,离我们有数10亿光年。我们目前所能观测到的宇宙边缘,最新发现了类星体,与地球相隔约100亿到200亿光年,这是到目前为止所知最遥远的天体。
这样遥远的距离简直无法想像,但天文学家的职责就是准确地计算、测量出宇宙的大小和范围。
假如天文学家可以找到一支“标准蜡烛”,也就是某个类星体,它有稳定亮度,特别显眼,远隔半个宇宙也能够看见,那么这个问题便不再是谜。但是到目前为止,大家公认整个宇宙可通用的“标准蜡烛”还没有找到。因此,天文学家运用这一基本方法时通常采取一种分步方式,这就是设立一系列“标准蜡烛”,每一步的作用就是测定下一步。
近几年,远红外线观测造父变星、行星状星云和麻省理工学院的约翰·托里的成片星系,3种不同的“标准蜡烛”使大多数人认为宇宙并不古老,仅有110-120亿年。
但是,并不能肯定这就是正确答案,至少有另外3个天文学家小组得出了不同的结果。其中的一个小组是以哈佛大学天文学系主任罗伯特·柯什纳为首,他们得出的结论是,宇宙并不古老,可能有150亿年。
但杰奎琳·休特及她的学生们,以及普林斯顿大学的埃德·特纳,都测定宇宙有240亿年。
总而言之,到现在为止,宇宙究竟有多大这个问题还没有一个具体统一的答案,有待科学家们进一步研究。
宇宙年龄之谜
宇宙的年龄有多大,这一直是科学家所关注的问题。因为它是宇宙是否会膨胀的一个指标。
测定宇宙年龄的方法有很多。用同位素年代法测量过地球的年龄为40至50亿年,月球年龄为46亿年,太阳年龄为50至60亿年,此法测定宇宙年龄为120亿年。
比较常用的还有球状星团测量法,它是借助恒星演化理论来测算恒星年龄,利用这个方法计算的宇宙年龄为80至180亿年。如果从测定的最老恒星的年龄约200亿年来看,宇宙的年龄至少应在180亿年以上。
哈勃常数测定法是基于宇宙膨胀的观测事实确立的。在一个不断膨胀的宇宙中,测膨胀速度可通过红移量的测量来获得。测出邻近星系与我们的距离,再由此标定红移与距离的关系,就可提供宇宙的尺度,进而计算宇宙的年龄,因此测定出邻近星系与我们之间的距离是最为关键的。
测量与邻近星系距离的方法有两种,每种方法测量出的结果也都有两种,即200亿年和100亿年。
还有人采用一种与哈勃常数无关的测定方法,测得的宇宙年龄为240亿年。最近,德国的科学家测定出宇宙年龄为340亿年。
总之,运用不同的测定方法测出来的宇宙年龄都不一样,而且相差非常远。由于宇宙是怎样产生,又是怎样演化等问题至今也没有一个正确的解释,所以宇宙的寿命到底有多大,也无法给它一个合理的解释,有待科学的进一步研究。
宇宙的膨胀与收缩
关于宇宙的生成有许多假说。在我国古代曾有“盘古开天地”的传说,于是有一个假说观点产生了。盘古花了八千年使天地分离这样一种用膨胀观点来描述宇宙产生的假说。
在西方,认为宇宙的膨胀或演化似乎是不可思议的。《圣经》上讲:“一代消逝了,另外一代降临了,但地球是永恒的……过去是什么,将来还是什么;过去被做成什么样,将来还是什么样。世界上没有任何新的东西。”这种思想对西方的影响可谓至深、至远。
说它的影响深远,并不夸张,就连爱因斯坦也未能例外。爱因斯坦在发表广义相对论之后,同荷兰物理学家德西特一起把它应用到宇宙研究上。研究结果表明宇宙是动荡不止的,要么膨胀,要么收缩。为此,爱因斯坦修改了自己的理论,使宇宙重新“静”下来,这使他铸成大错。他曾不无遗憾地谈到,这次失误是“我一生中犯的最大错误”。
俄国科学家费里德曼计算的结果表明,宇宙可能周期性地收缩和膨胀,也可能无限地膨胀下去。比利时天文学家勒梅特则认为,我们的宇宙原来装在一只“宇宙蛋”中,由于它的突然爆炸才逐渐形成现在人们观测到的宇宙。
在勒梅特的理论提出后不久,美国天文学家哈勃利用加州威尔逊山上1.5米和2.5米直径的天文望远镜发现宇宙是在膨胀着的。
宇宙会永久地膨胀下去吗?这个问题并不容易回答。为此人们进行了大量的观测与研究。
能使宇宙中止膨胀的是引力,但它要达到一定的量。能否达到这个量,要看宇宙物质的平均密度能否达到一个量(临界密度)。可是,如果宇宙中存在着大量的“暗物质”,其平均密度就难定了。
20世纪80年代,前苏联科学家发现一种叫作中微子的基本粒子质量不为零。如果它得到确认,宇宙物质就会超过临界密度,宇宙膨胀就会中止。
宇宙年龄测定也是宇宙膨胀与否的一个指标,但宇宙年龄测定的难度很大。
目前为止,虽然可以检测宇宙的膨胀还是收缩,但都缺乏可靠的证据,但科学家相信人类迟早会有一个清楚的认识。
宇宙尽头在何方
在20世纪以前,人们认为太阳系几乎就是一切,不相信太阳系以外还存在其他星球。到1900年,人们又认为太阳系所属的银河系就是整个宇宙。至于银河系的大小,当时最大胆的估计是宽约2万光年(光年即光在一年中所走过的距离,约等于94605亿公里),其中包含大约20~30亿颗像太阳一样的恒星。
1920年,天文学家哈洛·沙普利等人根据当时掌握的测量恒星距离的新方法,算出了银河的真实宽度是10万光年,其中包含的恒星总数达2000—3000亿颗。同20年前的看法相比,银河“扩大”了100倍,而且还断定这极度扩大了的银河,并不是全部宇宙。
与此同时,天文学家又发现宇宙是由许多个像银河系一样的星系集成的,每个星系大约由几十亿到几万亿颗星体组成。而且证明了宇宙是动态的,成群存在的星系彼此相互分离,它们之间的距离越来越大,好像宇宙也在不断扩大。
1929年,美国天文学家埃德温·P·哈勃等人设计出了确定星系距离的多种方法,证明即使是离我们比较近的星系(例如仙女星座系),距离我们也有230万光年。60年代,人们发现某些曾被认为是我们自己星系中的没有光泽的恒星,实际上离我们星系非常遥远,被人们称为“类星体”。这些“类星体”,最近的离我们也有10亿光年,远的则达120亿光年以上。
按照宇宙诞生之后就急速扩大的宇宙模型,可以计算出宇宙的年龄为130亿年。这就是说,从地球到宇宙“尽头”的距离,理论上应是130亿光年。
至于宇宙究竟有多大,它的“尽头”究竟在何处,也许将永远是个谜。
宇宙的主宰是谁
你知道吗?很多大的星系的中心都有一个黑暗的“暴君”。这一发现,是现代天文学研究的新成果。英国出版的《新科学家周刊》2000年第3期有篇题为《宇宙的主人》的载文,该文指出:虽然它的臣民们看不见这位“君主”,但是它却统占着伸展到数千光年以外的几十亿个“太阳系”,它在所有“太阳系”诞生之前就已存在,并且早就在帮助塑造它们的未来了。这些“暴君”就是黑洞,天文学家将它们称为“超大质量”天体。
自从天文学家于20世纪初预言黑洞的存在以来,人们陆陆续续地得到了各种证据,证明了宇宙中确实存在着黑洞。然而,对于这种无法以可见光看到的天体,人类的了解究竟达到什么程度?
如今,天文学家们正在开始怀疑是否已经在宇宙中留下了象征它们权威的标记。2000年年初,研究人员提出:巨大的黑洞是宇宙中所有星系萌生的“种子”,近来,天文学家发现了更多的支持这一观点的证据。
早在几十年前,天文学家就发现了类星体——位于遥远星系中央的高亮度的天体。类星体的亮度可以是环绕在它周围的星系的数百倍,但是它们的体积却比我们的太阳系还小。到底是什么东西可以从这么小的空间里发出这么多的光和辐射呢?——黑洞是一种可能性。
尽管人们对于黑洞吞噬光线的能力了解得更多一些,但是它们也可以成为灿烂光芒的发源地,被黑洞吞没的物质会在黑洞周围形成一个呈螺旋形运动的圆盘,而圆盘在剧烈的翻腾过程中所产生的摩擦会将默默的气体加热到白热状态。天文学家认为,这就是类星体发光的原因。
因此,当天文观测的结果开始证明更多的普通星系中央存在着黑洞时,天文学家自然会认为它们是能量已经耗尽的类星体。
1978年,在一个编号为M87的星系中,天文学家第一次捕捉到这样一团巨大的黑色物质。
1988年,美国密歇根大学的道格·里奇斯通和他的同事阿兰·德雷斯勒对螺旋形的安德洛墨达星系和椭圆形的小星系M32进行了观察,科学家们因而得出这样的结论:上述两个星系中一定存在着巨大的黑洞。果然,在几年的时间里,哈勃太空望远镜在我们附近的20多个星系里已经发现了巨大的黑洞存在的证据。其中的一个黑洞属于我们自己:银河系中心有一个质量相当于300万个太阳的黑洞。
那么,在星系的生命进程中,这些超大质量的黑洞扮演着什么样的角色呢?
在2000年1月的美国天文学会上,里奇斯通提出一个引起天文学家激烈争论的观点:黑洞可能首先是星系的缔造者。里奇斯通这一观点将传统的天体物理学整个颠倒了过来。宾夕法尼亚州立大学的戈登·加迈尔则指出:巨大的黑洞可能在时间刚刚诞生时就已经形成,而且它们一直都是在其周围形成的新星系萌生的“种子”。
星系为什么会需要这样的“种子”呢?早期的宇宙非常匀净。创世大爆炸残留下来的余辉表明,在早期的宇宙中,不同区域之间的密度差异非常小,不超过大约10万分之一。为了创造出我们今天看到的由星系和空间组成的宇宙,这些微小的密度差异一定被放大了许多倍。而且这一放大过程非常迅速。因为在创世大爆炸发生仅10亿年后星系就出现了。加迈尔指出:“这段时间对于宇宙完成从‘平滑’到‘粗糙’的演变过程来说并不算长。”为此他提出,巨大的黑洞在这一过程中可能扮演了引力种子的角色,黑洞将受到其引力作用的物质吸引到它的周围,这些物质又进一步演变形成恒星。换句话说,星系就这样诞生了。
与此同时,美国航天局新近建成的钱德拉χ射线观测站也给里奇斯通提供了一些支持其观点的证据。一个由天文学家组成的研究小组在《自然》杂志上发表了钱德拉望远镜的观测结果。研究小组负责人理查德·穆绍茨提出:新发现的“暗光天体”可能是非常遥远的类星体,它们发出的普通光线已经被星系间的气体吸收,因此只有χ射线穿过星际间气体到达了地球。它们可能是处于生机勃勃的青年时代的类星体,这时大多数星系都还没有形成。
但是,即使有证据表明黑洞并没有这么古老,它们也仍然有可能对星系的演变产生深远的影响。
大约在1998年,里奇斯通和德雷斯勒及多伦多大学的约翰·马里因安等十几位天文学家进行合作,以便将所有人们已知的关于邻近星系中黑洞的信息集中在一起。他们发现,位于星系中央的黑洞的体积总是大约相当于其周围的核球体积的1%。但是问题在于,核球部分的大小与星系中央的黑洞的大小为什么会有如此紧密的联系呢?
1988年,英国剑桥大学的马丁·里斯和乔·西尔克提出了他们对这种紧密联系的解释:年轻的类星体发出的辐射可能会推动带电粒子风吹到环绕在它周围的星系中去,随着黑洞吞噬的物质越来越多,其体积也在稳步增加,类星体因而会变得更亮,带电粒子风也会相应加强。最终,带电粒子风的强度大到足以克服星系引力的程度,这时它就会把所有的气体都吹走。随着黑洞的气体供应被切断,它会停止膨胀,而整个星系的扩张也会相应停止。西尔克和里奇斯通通过计算得出:黑洞的体积必须增加到与马戈里安提出的质量关系大致相当的程度才会停止增长。
在此之前,年轻的类星体可能还会对其周围的星系产生其他的影响。密歇根大学的里奇斯通指出:“在其生命最初的1亿年时间里,类星体可以控制其所在星系的能量输出。”在这一段时间里,类星体发出的所有辐射也许可以帮助引发恒星的形成,虽然这一变化过程相当复杂。
类星体也可能会搅动其所在的星系。它们会喷出带有强大的能量的高速物质,这种高速物质流可以席卷整个星系,从而产生对周围气体有压缩作用的冲击波。这种压缩也有可能对恒星的形成产生帮助作用。
最后,巨大的黑洞可能会改变其所在星系的形状。在20世纪70年代,牛津大学的詹姆斯·宾尼通过计算认为:大多数椭圆形星系的形状都非常奇怪,它的x轴、y轴、z轴中应该有一条较长,而另一条的长度则介于二者之间。椭圆形星系看上去可能有点像一粒西瓜籽,或者一个被压扁的橄榄球。
但是,后来的天文学观测表明,大多数椭圆形星系的形状要比宾尼描述的更为对称——就像M&M巧克力豆一样是一个被压扁的球体。这是因为星系中央的黑洞扰乱了该星系恒星的运行轨道,从而使它们变得不稳定。因此,这个星系的形状很快就会变成更为稳定的扁球形。
事实上,我们很难相信黑洞会拥有上面提到的这些强大力量中的任何一种:比我们的太阳系还小的东西,却可以控制由数十亿颗恒星组成的巨大的宇宙区域,这种说法看起来仍然充满怪诞的色彩。
但根据路透社华盛顿电,关于黑洞的强大力量之说又有了新的证据。就在发布电文的当天,利用哈勃天文望远镜工作的天文学家公布了一张照片,从中可以看到宇宙中电子流的喷发。这股电子流像探照灯一样在宇宙中闪闪发光,其动力来源于吸力强大的黑洞。
这个看起来像宇宙探照灯光束的电子流实际上由几乎以光速从M87星系中心喷射出来的电子以及其他亚原子粒子组成。M87星系距离地球5000万光年,这股电子流自身的长度大约为5000光年。人们可以通过因特网看到这张最新发布的由哈勃望远镜拍摄的照片。
科学家发表的一份声明说,天文学家们早在1918年就知道了这股来自M87星系的奇特的电子喷射流,但是只有这张由哈勃望远镜在1998年拍摄并经过科学家们两年研究的照片揭示了这股电子流的来源。
天文学家们说,M87星系的中心隐藏着一个特大黑洞,它已经吞噬了相当于太阳质量20亿倍的物质。
宇宙产生的猜想
宇宙是怎样产生的?这是当今最大的谜。目前,大多数科学家接受的是“大爆炸宇宙学”。这一学说认为,宇宙起源于一个温度极高、体积极小的原始火球。在距今150~200亿年前,由于我们还不知道的物理原因,这个火球发生了大爆炸。随着空间膨胀、温度降低,物质的密度也逐渐减小,原先存在的质子、中子等基本粒子结合成氘、氦、锂等元素,以后又逐渐形成星系、星系团,并逐渐形成恒星、行星,而且在一些天体上还出现了生命现象,最后诞生了人类,宇宙初步形成。
大爆炸学说不断得到证实。1991年4月23日,美国加利福尼亚大学天文物理学家乔治·斯穆特在美国物理学会会议上宣布,他领导的科学小组发现了宇宙诞生初期的物质云团,有力地支持了大爆炸学说。他们的这一发现引起世界科学界的极大关注,被认为是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家斯蒂芬·霍金4月24日发表声明说:“这是本世纪最重要的发现。”
大爆炸学说可以解释较多的观测现象。例如,天文学家观测到远处的天体总是远离地球而去,这证明宇宙仍在膨胀;各种天体的年龄都小于200亿年,这也符合该学说有关大爆炸后才形成各种天体的推论。另外,大爆炸理论还成功地预言了宇宙背景辐射的存在。大爆炸学说预言在大爆炸之后,星系形成之前宇宙的结构应当是云团。这一巨大云团的发现证实了大爆炸学说的预言,通过对这一云团的观测,科学家可以进一步推测宇宙初期的情景。
而且,这一巨大云团的发现还证实了科学家的另一个预言,即宇宙质量的90%存在于“暗物质”中。以往天文学家观测到的宇宙总质量远比理论上计算出的宇宙总质量要小得多。这些“消失”了的物质被称为“暗物质”。“暗物质”的多少直接影响着宇宙的未来,如果宇宙总质量小于某一数值,那么它将像现在这样一直膨胀下去;如果它的总质量大于这一数值,那么天体之间的引力将使宇宙停止膨胀,并在这一巨大引力作用下开始收缩,形成宇宙“大坍塌”,直至大爆炸前的状态。
宇宙和谐吗
宇宙的运动有规律与和谐似乎已成为一种万古不变的信条。从古希腊时期起,著名的毕德哥拉斯学派就提出了“美是和谐与比例”,进而指出,人类生活的宇宙正是由于这种和谐才演化到今天并且秩序井然的。也正是由于这种和谐,天体才应该是球形的,其运动也应该是圆周运动。
16世纪,哥白尼经过自己的观测,否定了传统的“地心说”,提出了“日心说”。他认为,以太阳为中心的这种宇宙模型既符合天体运动的规律,又体现了一种“美妙的和谐”。后来的德国天文学家开普勒也非常推崇毕德哥拉斯的美学原则,把天体运动同音乐的音阶联系起来。牛顿从力学上对天体运动作了更深入的探讨,他提出了万有引力定律,不仅对运动的变化提出了更科学的解释,而且还指导天文学家发现了海王星。牛顿的万有引力定律体现出宇宙的秩序是如此的和谐。
这种“先定的和谐”也影响着现代天文学的研究。著名的反映宇宙膨胀的“宇宙大爆炸”假说非常具体地体现了“和谐”的原则,它以哈勃关于星系红移的观测事实为基础,并且预言了宇宙背景微波辐射的存在。这些都是宇宙和谐图景在大尺度宇宙空间上的再现。
现代物理学家爱因斯坦指出,宇宙这种先定的和谐可给人以美感和快感,是人类一切文学与艺术创作、毅力和耐心产生的源泉。
长期以来,宇宙的和谐性已被人们普遍接受,但近年来却遭到了挑战。以美国麻省理工学院的科学家萨斯、天文学家威兹德姆为代表的一些人认为,整个太阳系根本无法预测,也许400万年后,牛顿学说就被证实是错误的。他们认为,在宇宙中存在一种现象,根据某种简单的法则预测,由于许多偶然的因素起作用,会导致非常复杂和无规则的现象,这就是混沌现象。
那么,宇宙的主宰究竟是和谐还是混沌呢?这真是一个无法解释的谜。
宇宙会热死吗
1854年,德国科学家亥姆霍兹提出了宇宙热死说,他指出,宇宙只能使所有的能量转化为热,并最终处于均匀的状态,进而使宇宙陷入永恒的静止状态。这种假说也称作热死假说或热力学假说。
热死假说引起了世人的恐慌,因为那死寂的没有生命的宇宙就等于世界的未日来临,为了消除这个假说,许多科学家都对此进行了尝试,德国物理学家克劳修斯和奥地利物理学家玻尔兹曼曾为此展开争论,后者认为宇宙并非只向一个方向变化,也会向相反方向转化。恩格斯也不同意热死假的观点,他认为这同能量守恒原理相矛盾。
由于热死假说同宇宙无限论相矛盾,主张大爆炸学说的宇宙学家则从宇宙膨胀的观点加以解决。俄国科学家费里德曼曾经作过精密的计算,结果表明宇宙可能会周期性地收缩和膨胀,也可能会无限制地膨胀下去。后来美国天文学家哈勃利用加州威尔逊山上的1.5米望远镜和2.5米望远镜也发现宇宙是在膨胀着。根据这个观点,宇宙物质中分为粒子和辐射(如光线、红外线、紫外线x射线),由于宇宙的热膨胀,粒子是热平衡的,辐射也是热平衡的,但二者之间不是热平衡的,达到热平衡尚须一定的时间,由于引力作用,所以它们没有足够的时间达到热平衡。
然而,一些科学家对于宇宙热膨胀提出了疑问,把某些特定的物理性质的解释都归结到宇宙初始时的情况是不能令人满意的。人们都希望宇宙不会有热死那一天,希望生命和文明世界延续下去,但一直没有找到解决热死假说的办法。
宇宙中最神秘的谜团
黑洞的所谓“黑”,表明它不向外界发射和反射任何光线,因此人们无法看见它,它是“黑”的;所谓“洞”,是表明任何东西一进入它的边界便休想再出去,所以它活像一个真正的“无底洞”。黑洞为什么有这样的特性?这是因为它有极其强大的引力场,以至于任何东西,包括光在内,都不能从中逃掉。不仅如此,黑洞强大的引力场还足以摧垮其内部的一切物体,所以黑洞内部不具备任何类型的物质结构,这就是著名的“黑洞无常定理”。黑洞具有奇特的、令人难以想像的古怪性质。它的密度大得惊人,如果把太阳变成一个黑洞,它的半径就要从现在的70万千米“压缩”到3千米左右,即缩小到二十三万分之一;如果把我们的地球变成一个黑洞,那么它的半径就要从现在的6000多千米“压缩”到仅几毫米,相当于一颗小小的绿豆。经过天文学家研究,对黑洞的来源有3种看法:一是恒星在其晚年核燃料全部耗尽,星体在其自身引力作用下开始收缩凹陷,如果收留凹陷物质的质量大于太阳质量的3倍,那么收缩凹陷的产物便是黑洞;二是星系或球状星团的中心部分恒星很密集,星体之间容易发生大规模的碰撞,由此产生超大质量的天体坍缩后,便可以形成质量超过太阳1亿倍的黑洞;三是根据大爆炸的宇宙模型推断,大爆炸的巨大力量会把一些物质挤压得极其紧密,于是形成了“原生黑洞”。
天文学家还列举了许多星体轨道畸变的事实,以确认黑洞的存在。但是,尽管天文学家都认定黑洞的存在,但没有一个人找到一个黑洞。因此,黑洞是否存在,至今还是个谜。
月球是外星人的基地吗
宇宙飞船“月球轨道2号”在宁静海(月球上的平原)上空49千米的高度拍摄到月面上有方尖石,这一发现引起人们纷纷议论。美国科学专栏作家桑德森提出:“这些方尖石底座的宽度为15米,高为12到22米,甚至有可能达到40米。”法国亚历山大·阿勃拉莫夫博士对这些方尖石和其分布作了详细的研究,他通过计算方尖石的角度,断定石头的布局是一个“埃及的三角形”。他认为,这些东西在月球表面的分布很像开罗附近吉萨金字塔的分布。在宁静海的方尖石照片上,人们还发现了极其正规的长方形图案。这不可能是方尖石本身就有的,而是人为地刻在上面的。
1969年,人类登上月球后,地球人发现月球上并没有生物生存的迹象。不过,科学家分析研究了从月球带回的月岩标本后作出了一些猜测。前苏联天体物理学家米哈伊尔·瓦西尼和亚历山大·晓巴科夫说:“月球可能是外星的产物,15亿年来,它一直是外星人的基地。月球是空心的,在它荒漠的表面下存在着一个极为先进的文明。”在美国阿波罗计划进行中,当两名宇航员回到指令舱后,“无畏”号登陆舱突然在月球上坠毁。设立在离登陆舱坠落处70多千米远的地震仪,记录到了这次持续15分钟的“震荡声”。“声音”越来越远,慢慢减弱,前后达30分钟,仿佛是一只巨钟发出的美妙的乐音。这种现象在空心的星球上才会出现。如果月球是实心的,那么“声音”只会延续1分钟。“阿波罗11号”宇航员阿姆斯特朗在回答休斯敦指挥中心的问题时吃惊地说:“这些东西大得惊人!简直让人难以相信。我要告诉你们,那里有其他的宇宙飞船。它们排列在火山口的另一侧,它们在月球上,正注视着我们。”美国无线电爱好者播报到这里,无线电信号突然中断。阿姆斯特朗看到了什么,美国宇航局没有作出解释。“阿波罗15号”飞行期间,斯科特和欧文再次登上月球。在地球上的沃登十分吃惊地听到(录音机同时录到)一个很长的哨声,随着声调的变化,传出了由20个字组成的一句重复多次的话。这哨声可能是月球人的语言,这种语言使宇航员同休斯敦指挥中心的一切通讯联系切断。月球真的是宇宙人的基地吗?这至今还是一个谜。
月球上有水吗
如果月球上有水,那一定会为太空开发、登月旅行、月球基地建设带来很大的方便。
人们从水中还可以分解出作为宇宙飞船燃料的氢和助燃的氧,同时对于在月球上寻找生命以及研究月球本身都有着极其重要的意义。因此,人们渴望能在月球上找到水。
自1969年7月,“阿波罗”11号宇宙飞船登月以来,“阿波罗”系列的宇宙飞船已6次登月,并从月面上带来大量岩石标本。然而对这些岩石的分析表明,月球岩石中根本不含水分,于是,“月球上没有水”成了定论。
但美国天文学家对这一问题作出了挑战性的回答:月球上很可能有水。他认为,在月球北极和南极的环形山中,有终年不见阳光的凹地,那里有可能蓄积着冰,而“阿波罗”宇宙飞船从没有到过那里。
科学家们研究了月球的有关资料发现:在月球赤道附近,月面温度正午时是130℃,夜间降至-150℃,温差大得惊人。而在月球极地,温度经常在-200℃左右,在这种情况下,是有可能存在冰的。还有些科学家认为,如果月球与地球是以同样方式诞生的话,那么当初月球上也应该有水。
为了解开这个谜,美国国家航空航天局准备在今后的几年内发射一颗月球极轨道卫星,这颗卫星将使用伽马射线分光计,来考察月球两极是否有冰及其他物质。日本的宇宙科学研究所,也希望尽量发射自己的月球极轨道卫星,实现月球探查计划。
月球上到底有水吗?也许只有月球极轨道卫星才能带来真正的答案。
月球是空心的吗
月球到底是实心还是空心,我们无法用天平去称,也不能用阿基米德浮力定理将其放入海洋中去测量。惟一的办法就是用更为先进的仪器手段去测量(比如测量共振频率,共振时间持续长短,或用无线电波探测等方法)。
1969年,在“阿波罗”11号探月过程中,当两名宇航员回到指令舱后3小时,“无畏号”登月舱突然失控,坠毁在月球表面。离坠毁点72公里处预先放置的地震仪,记录到了持续15分钟的震荡声。如果月球是实心的,那么这种震波只能持续3~5分钟,欧、美报纸也曾经报道过“月球钟声”,说登月舱在首次和以后几次起飞时,宇航员们都听到钟声。那儿并无教堂,月球外壳(特别是月面)像是特种金属制品,整个月球犹如一口特大的铜钟!这一现象证明月球是空心的。
1969年11月20日4点15分,由“阿波罗”12号制造了一次人工月震,其结果充分说明月球是空心的。
美国宇航员以月面为基地设置了高灵敏度的地震仪,通过无线电波能将月震资料发送回地球。设在月面的地震仪十分精密,比在地球上使用的地震仪灵敏度高上百倍,它能测验出人们在月面造成震动的百万分之一的微弱震动,甚至能记录到宇航员在月面上行走的脚步声。人类首次对月球内部进行探测始于“阿波罗”12号,当宇航员乘登月舱返回指令舱时,用登月舱的上升段撞击了月球表面,随即发生了月震。正在进行观测的美国航空航天局的科学家们惊得目瞪口呆:月球“摇晃”震动55分钟以上,而且由月面地震仪记录到的月面“晃动”曲线是从微小的振动开始逐渐变大的。从振动开始到消失,时间长得令人难以置信。振动从开始到强度最大用了七八分钟,然后,振幅逐渐减弱直至消失。这个过程用了大约一个小时,而且“余音袅袅”,经久不绝。“阿波罗”13号人工月震获得长达3小时的振动。在“阿波罗”12号造成“奇迹”后,“阿波罗”13号随后飞离地球进入月球轨道,宇航员们用无线电遥控飞船的第三级火箭使它撞击月面。当时的撞击相当于爆炸了11吨TNT炸药的实际效果,撞击月面的地点距“阿波罗”12号宇航员设置的地震仪87英里。
月球再次震撼了。如是用地震学上的术语说就是:“月震实测持续3个小时。”月震深度达22英里至25英里,月震直到3小时20分钟后才逐渐结束。这种“月钟”长鸣如果用“月球——宇宙飞船”假说来解释就很自然,这种月震就在预料之中。月球是一个表面覆盖着坚硬外壳的中空球体,如果撞击那个金属质的球壳当然会发生这种形式的振动。“阿波罗”13号之后,进行月震实验的是“阿波罗”14号的S—4B上升段,仍采用无线电遥控的方式使其撞击月面,月球像预料的那样再次震颤起来。据美国航空航天局的科学报告说,月球对撞击的反应就像一个铜鼓被敲击,振动持续了3个小时,深达月面下22英里至25英里。
这次月震实验的地点距“阿波罗”14号宇航员设置的地震仪108英里。当“阿波罗”14号的宇航员们乘登月舱返回“小鹰”号指令舱时,“月钟”仍在震响,上升段自重2.2吨,当时对月面撞击造成的效果相当于爆炸了0.7吨TNT炸药,振动足足持续了90分钟。
美国航空航天局的科学报告说:“设在月面两个地点的地震仪都同时记录到撞击月面一瞬间的震动。不管这次小小的月震是人为的还是自然的,都标志着科学的探测时代已经开始了。”“阿波罗”15号在14号之后接着又做了人工月震试验。使用的地震仪是“阿波罗”12号、14号和15号的宇航员设在哈德利·亚平宁地区的三台地震仪。“阿波罗”15号制造的月震,最远传到了距撞击地点700英里远的风暴洋。如果用同样的方式在地球上制造地震,地震波只能传播一二公里,也绝不会出现持续一小时之久的振动。这次月震甚至还穿过风暴洋到达设在弗拉·摩洛高地的地震仪。试验表明,地球(地表下由地壳和岩浆组成的实心体)在地震时所发生的反应与月球在月震时的反应完全不同。地震研究所的主任莱萨姆认为,这种长时间振动现象在地球上是绝对不会发生的。这显然是由于地球和月球的内部构造不同造成的。
几次人为的月震试验和根据月震记录分析,都得出了相同的结论:月球内部并不是冷却的坚硬熔岩。科学家们认为,尽管不能得出月球这种奇怪的“震颤”意味着月球内部是完全空心的结论,但可知月球内部至少存在着某些空洞。如果把月震测试仪放置距离再远一些,就可得出月球完全中空的结论。
根据上述事实,前苏联天体物理学家米哈依尔·瓦西里和亚历山大·谢尔巴科夫大胆地提出“月球是空心”的假说。并在《共青团真理报》上指出:“月球可能是外星人的产物。15亿年以来,月球一直是外星人的宇航站。月球是空心的,在它的内部存在一个极为先进的文明世界。”如果月球里面确实空心,且有外星人居住,那么月球来到地球旁应比地球晚25到30亿年。但这个结论还有待验证,因为从宇航员由月球上带回来的岩石标本看,又证明岩石中有的是在70亿年前生成的,这比地球和太阳年龄(46亿年)还古老。因而这种假说似乎不被人们所接受。月球究竟是空心还是实心,还有待于继续研究。
火星发出强大激光的谜团
激光是一种特殊的光,通常情况下只有人工才能产生。可是,美国航空和宇宙航天局戈达德航天中心的天文学家们在火星的外围大气层中发现了一种二氧化碳激光,它发出的红外线热辐射比科学家们设想的火星周围可能发出的正常辐射强10亿倍!这是怎么回事呢?
让我们先熟悉几个名词。我们知道,物质的原子、分子存在着低能态和高能态。在常温下,低能态原子多于高能态原子,通过加热等特殊处理,低能态原子被激发到高能态,即“受激态”。通常情况下,各种高能态原子各自放出不同颜色的光,这是普通光。如果一束单色光入射到受激原子上,当这些受激原子的能量与单色光相符时,入射光就被放大了,就会形成极强的光——激光。人工产生激光的方法是:将一束单色光射入一个两端装有反射镜的匣子中。匣子中装有某种受激物质(二氧比碳、氦等),受激物质使入射光产生振荡激来回反射,就会产生激光。
火星上的激光是散布在火星大气层外围的二氧化碳分子发出来的,因为那里的温度低到-157℃,当被太阳光照射时,二氧化碳分子受到激发,成为受激物质。如果再有单色入射光,产生激光的基本条件就具备了。这单色入射光就是红外线。受激的二氧化碳分子蕴藏的能量在太阳光的照射下有一部分会释放出来,产生红外线热辐射,即发射出红外线光子,这些光子再去冲击其他受激的二氧化碳分子,就能产生激光。虽然放射出红外线光子的二氧化碳分子会失去一部分能量,但由于太阳光不断使二氧化碳分子受激产生能量,激光形成的整个过程始终不会中止。因此,火星外围的大气层就是一个巨大的激光器,只要有太阳光的照射,就会发出强大的激光。
火星上的可疑历史
现代探测表明,火星表面所以呈红色,是由于火星大气能够发出红外线激光,使火星形成一个巨大的气体激光器。火星地表亦富含氧化铁而呈红色。
多少年来,人们一直幻想着“火星人”的存在。但实际上,火星远不具备地球上的生存环境。这里的大气极其稀薄,只相当于地球3万米高空的大气;同时大气成分以二氧化碳为主,而且异常干燥。火星赤道地区全年平均气温仅达到15℃。春季的大风暴异常猛烈,可在火星上空形成经久不散的、面积极大的“大黄云”。火星表面类似月球,球形山密布,大约有几万座。
经过地球人的探测努力,尽管未能发现“火星人”的现实踪影,但从“人面石”到金字塔等建筑物的发现,已经表明火星上确有文明遗迹的存在。而最先为揭示火星文明秘密提供证据的,正是美国于1976年发射的火星探测器“维京1号”。
同年7月31日,“维京1号”拍下了著名的火星表面照片,这就是火星“人面石”照片。从照片上看,一处巨大的建筑犹如五官俱全的人脸仰视着天空。该照片受到了美国宇航局的重视,为此还成立了由3名技术人员组成的专门研究小组,来分析这令人莫名其妙的画面,以鉴别是否属于自然侵蚀或自然光影所致。
专门研究小组成员采用计算机最新的处理技术对火星“人面石”照片进行分析。他们认定:“人面石”是修建在一个极大的长方形台
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