• 作品首页 /
•  太空天窗在哪里  / 
•  目录  / 
•  太空天窗在哪里

太空天窗在哪里

1．探索宇宙的诞生

宇宙广阔宇宙从何而来，这是一个从古至今都吸引人研究的问题。远古时期，我国就流传着盘古开天辟地的故事；西方则创造了一个“上帝”。《圣经》中是这样记载的，上帝用说话的方式要来了天地万物、光明和黑暗。因为在古代的时候，人们一遇到解释不了的一些奇怪自然现象的时候，可能就会编出一些神话用事，借助神灵的威力，这一点也是能够理解的。

时间过去了几千年，历史前进到了现在，关于宇宙的模型也有了好几个蕴藏着科学内涵的说法，其中影响最大的就是“大爆炸宇宙学”，它也可以解释许多的观测事实。这个理论的内涵就是，认为“我们的宇宙”——“观测到的宇宙”曾经有过一段从热到冷的演化史。在这一段时间里，宇宙体系在持续膨胀着，物质密度也可能会从密到疏进行演化。事实上，这一由热至冷、由密至疏的过程就像一次庞大规模的爆炸。

它的具体操作过程，能够这样来理解：宇宙早期，如同一个“原始火球”，它具有100亿度以上的高温和很大的密度。就是由于高温，“原始火球”非常不稳定，大概是在200亿年前，它爆炸了，于是整个体系迅速膨胀着。宇宙之中实际上充满了中子、质子、电子、光子和中微子等这些基本形态的物质。膨胀始终在继续，但温度能够快速地降下来。

只要短短几分钟，温度就可以下降10亿度左右，这时中子就会失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么和质子结合成重氢、氦等元素，宇宙中的化学元素就是从此时开始形成的；等温度下降至1OO万度后，早期形成化学元素的过程暂时结束；降至几千度时，爆炸产生的强烈辐射继续衰退，宇宙间遍布气态物质。最后，气体慢慢凝聚成气云，接着演化成各不相同的恒星体系，直到我们今天看到的宇宙。

在现实中，有人模仿按比例尺画地图的样子，把过去的近200亿年的宇宙演化历程浓缩到一年中，得出一个非常直观和有趣的“宇宙日历”：1月10日，大爆炸，宇宙诞生；5月1日，浩瀚的银河系诞生；9月9日，太阳系问世；9月14日，地球形成。9月24日，地球上原始生命出现；11月12日，绿色植物破土而出；12月26日，更高级的哺乳动物来到了这个世界。12月31日0时22分30秒，原始人类站在地球上；23分46秒，北京猿人开始用火；23分59秒，中国历史延续到春秋……宋代；24分，全球进入了迄今仍在继续的现代化社会……从上述列表中我们能够看出；人类历史其实就是宇宙岁月中非常短暂的一瞬间。

宇宙的形成果真是这样的吗？现在，没有人能够给出肯定的答复，可是比起其他宇宙模型的观点来，大爆炸宇宙学是的确可以很好地解释人们知道的神奇的宇宙现象，以下我们就来看看这些事实：据现在观测到的宇宙间所有的天体年龄都没有发现超过或者等于200亿年的，原因就是它们都诞生在宇宙温度快速下降之后，太阳只不过是50亿年前的产物。

相关观测还发现，很多星系的光谱事实上都有“红移”现象。天文学家们了解，若发光体朝着离开我们的方向运动之时，人们接收到的光谱线就会移到红色的这一端。星系光谱的红移也就意味着它们是在远离我们而去，或者说它们正在退行。所谓退行，其实就是说明宇宙正在膨胀，这就像一个气球上的各点，在吹气球的时候各点的距离会因气球胀大而增大是一个道理。在1929年的时候，美国天文学家哈勃(EdwinPowellHubble，1889～1953)了解到星系退行的速度和离人类的距离是成正比的，也就是说距离越远，退行速度也越快。人们把这个规律称作“哈勃定律”。

而第三个事实就是，天文学家们得出结论，在各不相同的天体上，氦的含量都很大，比例也差不多一样，大概占30%。如果单靠恒星本身的核反应机制是不足以说明为什么会有这么多氦的，而“大爆炸”早期的高温，却可以很好地解释这一点。

另外一点，大爆炸理论的提出人之一，原苏联科学家伽莫夫(1909～1968)曾经预言，今天的宇宙很冷，只有绝对温度几度。在1965年的时候，这个预言被证明了，美国的科学家发现了漫布于整个空间的“微波背景辐射”，它的温度大概是3K，它们研究得出的这个结果在定性上和定量上都和大爆炸宇宙理论相符合。

但是，大爆炸理论也是有局限性的，宇宙中还有很多疑问解答不了。如，让天文学家们着迷了17年之久的宇宙膨胀。这种“砰”然一声后的自我膨胀将会有一个什么结果呢？是膨胀到一定程度时，天体间的引力使它停止，然后收缩、升温又回到“原始火球”，再爆炸？还是出现一个在扩张和崩溃之间实现临界平衡的宇宙？或者最终导致一个具有“负曲线”和无限未来的宇宙呢？又如，上面理论的提出和观测到的事实都是建立在“我们看到的宇宙”，也就是“总星系”中的，这就是所谓狭义的宇宙，是“我们的宇宙”。除此之外，那个更为广阔的空间又是何种模样？这又是一个疑问了。

2．宇宙的大爆炸学说在现实中，人们是依据什么推测出曾经可能有过宇宙大爆炸呢？这主要就是依赖天文学的观测与研究。我们的太阳不过是银河系中的一两千亿个恒星中的一个。就如我们银河系同类的恒星系——数不计数的河外星系。在观测的过程中，我们发现了那些遥远的星系都在远离我们而去，距离我们越遥远的星系，飞离的速度也就越快，所以就形成了现在膨胀的宇宙。

针对这一点，人们开始思考，假如把这些向四面八方远离中的星系运动反过来看，它们可能当初是从同一源头发射出去的，是否在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？以后，人们接着又观测到了布满宇宙的微波背景辐射，这说明大概在137亿年前宇宙大爆炸所产生的余波尽管是微弱的但的确是有的。这一发现对宇宙大爆炸论是个重要的支持。

对于现代宇宙学来说，宇宙大爆炸论是它的重要流派，它可以很到位地解释宇宙中的某些基本问题。尽管宇宙大爆炸理论在20世纪40年代才提出，但是20年代以来就有了萌芽。在20年代的时候，很多天文学者都观测到一个现象，不少河外星系的光谱线和地球上同种元素的光谱线对比，都会有不同地波长变化，也就是红移现象。

直到1929年，美国的天文学家哈勃发表结论总结：星系谱线红移星与星系和地球之间的距离成正比的规律。在他的这一理论中，他指出：假如认为谱线红移是多普勒效应的结果，那么就表示河外星系都在离开我们向远方行走，并且距离越远的星系飞离我们的速度越快。总结来说，这就像是一幅宇宙膨胀的图像。

时间来到了1932年，勒梅特第一次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍苏联著名天体物理学家伽莫夫首次把广义相对论加入到宇宙理论中，他提出了热大爆炸宇宙学模型：最开始的时候，宇宙源自高温、高密度的原始物质，刚开始的温度甚至达到几十亿度，但随后温度开始持续下降，于是宇宙就开始膨胀。

就宇宙的形成来说，大爆炸理论是其中比较有影响力的一种说法，这一理论起源于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，不过始终都少为人知。直至40年代伽莫夫等人又郑重地提出了宇宙大爆炸理论。这个理论的观点是，宇宙在远古时期曾处于一种超高温和超密度的状态，人们将这个状态形象地称之为“原始火球”。

这里所说的“原始火球”实际只是一个非常小的点，如今的宇宙也一直在继续膨胀，也就是无限大，也许在宇宙爆炸的能量散发至最大限度之时，它就会变成一个原始火焰也就是无限小的点以后，火球爆炸，宇宙就持续膨胀，物质密度惭渐变稀，温度也逐渐降低，直到现在的状态。从这一理论中，就能够说明河外天体的谱线红移现象，同时还可能圆满地解释多数天体物理学问题。在50年代初期，很多人才开始广泛关注这一理论。

到了60年代，科学家彭齐亚斯和威尔逊又找到了宇宙大爆炸理论的最新的证据，他们了解到了宇宙背景辐射，此后他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，据此为宇宙大爆炸理论找到了关键的依据。两位科学家在测定银晕气体射电强度时，在大约7.35cm波长处，意外地探测到一个微波噪声。并且无论天线转到什么，不管白天黑夜、春夏秋冬，这种神秘的噪声在什么时候都能保持稳定。大约相当于三K摄氏度的黑体发出的辐射。这个意外发现使天文学家们格外激动，这跟他们的预料：当年宇宙大爆炸后，到现在一定会留下点什么，每一个阶段的平衡状态，都必须有一个相应的等效温度，作为时间前进的声响。这两位科学家最后也凭借这一点斩获1978年的诺贝尔物理学奖。

可以说，在科学家霍金身上，20世纪科学的智慧和毅力得淋漓尽致的体现。他对于宇宙起源后10～43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释：宇宙的起源，最早是比原子更小的奇点，然后就是大爆炸。在大爆炸之后聚集的能量形成了一些基本粒子，这种粒子在强大的能量的作用下，慢慢形成了宇宙中的各种物质。

至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。但是，现代的宇宙大爆炸理论依然缺乏大量实验的支持，并且我们还不知道宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

3．宇宙的大小和结构宇宙的多维空间从量天尺看宇宙的大小要想聊宇宙航行这一话题，首先必须要了解宇宙。宇宙是什么？按古人的注解就是空间和时间的总和，假如用现代物理学解释就是四维时空（三维空间加一维时间）。

所谓时空，其实就是在物质的变化和运动中体现出来的。现代宇宙观认为，宇宙是在100～200亿年前的一次大爆炸中诞生的，并且随之诞生了时间、空间和物质。其实，爱因斯坦广义相对论就是研究时间、空间和物质之间相互关系的学说。他得出了这样的结论：物质能够使时空弯曲、且弯曲时空告诉物质怎样运动。

宇宙包容万象，内涵极为丰富，这里无法说清其万一，仅就与宇宙航行密不可分的宇宙的大小、宇宙的结构和宇宙的形状稍作说明。但是，宇宙的大小可以说始终是一个说不清楚的、令人茫然的问题。为了便于大家理解，我们不妨从科学家订立的“量天尺”来看宇宙的大小。

在地球上，人类通常会用“千米”来测量距离和长度，从北京到上海的航线距离是1178千米，地球的半径是6378千米。但是，离开地球到太阳系空间，“千米”这把尺子用起来就非常不方便，比如冥王星到太阳的平均距离是5900224000千米，以彗星活动范围计算太阳系的半径是34410000000000千米，这的确就是个天文数字。在这种情况下，科学家不得不采用另一把尺子来量天，称之为“天文单位”，他的计数方法是以地球到太阳的平均距离149600000千米为1天文单位。这样一算，得出冥王星至太阳的距离是39.44天文单位，另外，如果以彗星的活动范围计算出来的太阳系半径是23万天文单位。

不过，冲出太阳系来到银河系的地盘，“天文单位”这把尺子用起来就没有那么方便了，比如离太阳最近的恒星比邻星的距离大概也有约265600天文单位，而银河系的直径达6324000万天文单位。在这种情况下，科学家只得又启用一把新的量天尺，叫做“光年”，也就是说光行进1年的距离。大家应该都了解，光行进的速度是30万千米/秒，那么，1光年的距离大约是94608亿千米或63240天文单位。按照光年来计算，太阳与比邻星的距离是4.2光年，银河系的直径大约是10万光年。

那么，如果用光年来计算，宇宙的尺度究竟是有多大？现在还没有人能准确地说出来，但是如果从理论上来说，我们假设宇宙是在100～200亿年前的大爆炸中诞生的，空间从零以光速扩展，而光是以球形传播的。那么，今天的宇宙半径尺度应该是100～200亿光年。但现实情况是不是真是这样，还不得而知。

泡沫状结构宇宙上路开车，必须要先熟悉路况；在江河湖海上航行，必须要先了解航线情况；同样的，宇宙航行也一样要先了解宇宙中物质的分布状况。

据相关研究显示，在宇宙大爆炸中形成的物质，主要是氢和氦，它们一般弥漫在宇宙中。随着宇宙的膨胀和温度的渐渐降低，在重力作用下收缩成一大团一大团氢氦云。重力作用下的持续收缩，大云团慢慢分裂成很小的云团，物质密度渐渐增加，云团因相互之间的重力作用而旋转。就这样，通常持续的分裂——收缩，在氢氦云团的内部，因为物质重力作用的相互挤压，温度不断升高，当温度升高到能使氢发生聚变反应时，它就变成一颗恒星。个别恒星在空中旋转甩出一些物质，并逐渐集合成行星和卫星。我们能够看到的宇宙中的可见物质，就包括这些恒星，及由它演变而来的其他天体，比如黑洞等。天长日久，宇宙中的物质经过发展，就会形成宇宙的这种泡沫状大结构。

那么，如果要是从探测的角度，倒着来说宇宙的泡沫状大结构。太阳是颗单星，但宇宙中的多数恒星往往是两颗、三四颗、十几颗到几十万颗聚集在一起，分别称双星、聚星和星团。因此，恒星并不是均匀在宇宙中分布的。

事实上，所谓单星、双星、聚星和星团也并不是均匀分布的，它们分别聚集在一起形成星系，就算宇宙怎么膨胀都不散开。太阳位于银河纱之中，它共有1000多亿颗恒星，其中还包括大约1000个星团。在宇宙之中，共有1000多亿个像银河系这样的星系，另外还有一些独立的星团和星云。并且星系和独立的星团、星云并不是呈均匀分布的，它们则是分别聚集成星系群或星系团。此外，银河系所在的叫本星系群，半径大约是300万光年。

通常，星系群和星系团也不是均匀分布的，它们又分别聚集成超星系团。本星系群属本超星系团，半径大约是3亿光年。据相关探测表明，超星系团并不是最大的群体。在距离银河系大约2亿光年的地方，有一个非常强大的引力源在牵引着本超星系团。根据分析推测，这个大牵引者极有可能是由很多超星系团组成的超星系团集团。

由上述可知，不均匀分布形成了宇宙的所谓泡沫状大结构。星系集中的地方就是泡沫壁，也就是星系膜或星系纤维，它们形成“星系长城”。而几乎没有星系的地方是泡沫结构中的大泡泡，被称作“宇宙空洞”，宇宙空洞的直径能够达到1～3亿光年。

宇宙中所谓的泡沫状大结构，并不能说明宇宙中的物质分布不均匀。如果就整个宇宙来说，它在每个方向上物质分布的均匀速度达到十万分之一。

4．膨胀或脉动的宇宙宇宙的膨胀在这一年，一个默默无闻的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的，不过，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化，分三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。后来，西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。著名科学家爱因斯坦知道这些膨胀或脉动的宇宙模型后，很激动。相比之下，他觉得这比自己的模型做得好，应该放弃，而弗利德曼的模型才是准确的宇宙模型。

并且，爱因斯坦还作出声明，称自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是很错误的，场方程不应该包含宇宙项，而更应该是原来的老样子。不过，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人并没有听取爱因斯坦的意见，而是继续讨论宇宙项的意义。因此，现在的广义相对论的场方程分为两种，其中一种不含宇宙项，而另一种含宇宙项，这些都在专家们的应用和研究中。

大约是在1910年左右，有些天文学家就发现很多星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多谱勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，也就是光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。很多人可能都有过这样的感觉：迎面而来的火车，它的鸣叫声特别尖锐刺耳，远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是所谓声波的多普勒效应，面对扑面而来的声源发出的声波，人会感到它的频率增高，而渐渐远离我们的声源发出的声波，人则会感到它的率下降。

假如现在认为所谓星系的红移、紫移，都是多普勒效应，那么大部分星系都是在远离我们，只有个别星系向我们靠近。随后进行的研究中我们发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中(我们银河系所在的星系团称本星系团)。其实本星系团中的星系，大部分红移，小部分紫移；但是其他星系团中的星系就全部是红移了。

在1929年的时候，美国的天文学家哈勃对当时的一些观测数据进行了总结，提出一条经验规律，河外星系(即我们银河系之外的其他银河系)的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。因为多普勒效应的红移量和光源的速度是成正比的，因此，上面所说的定律也可以表述为：河外星系的退行速度和它们离我们的距离成正比：

V＝HD在这个公式中，V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。根据哈勃定律来分析，全部的河外星系都在逐渐远离我们，并且离我们越遥远的河外星系，离开得速度也会更快。在哈勃定律所反映的规律和宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移也能够这样来说明，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动。所以，一定会有一少部分星系在某些时间内向我们的银河系靠近。不过，此种紫移现象和宇宙整体的膨胀没有关系。

分析一下就可以知道，哈勃定律在很大程度上支持了弗利德曼的宇宙模型。但是，假如查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢？一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节。另外一个可能性就是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，因此大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据也更加精确，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律最终被大量实验观测所确认。

5．探秘太空中的引力体1968年以来，国际天文研究小组的“七学士”（天文学家费伯和他的同事们）在观测椭圆星系时发现，哈勃星系流正在受到一个很大的扰动。所谓哈勃星系流就是指宇宙所表现出来的普遍膨胀运动，有时简称哈勃流。这是根据著名的哈勃定律、由观测星系位移现象所知晓的。哈勃流受到巨大扰动这一现象说明，我们银河系南北两面数千个星系除参与宇宙膨胀外，还以一定的速度奔向距离我们1.05亿光年的长蛇座一半人马座超星系团方向。是什么天体具有如此大的吸引力呢？天文学家们经分析认为，在长蛇座一半人马座超星系团以外约5亿光年处，可能隐藏着一个非常巨大的“引力幽灵”——“大引力体”（或称“大吸引体”）。有人用电子计算机作理论模拟显示，发现这个神秘的大引力体使我们的银河系大约以每秒170公里的速度向室女星系团中心运动。与此同时，我们周围的星系也正以每秒约1000公里的速度被拖向这个尚未看见的“大引力16体”。有人推测，这个“大引力体的直径约2.6亿光年，质量达310个太阳质量。距离我们大约1.3亿光年。我们处于大引力体的外层边缘。但是，也有人否定这个“引力幽灵”的存在。如伦敦大学的天文学家罗思·鲁宾逊和他的同事们，在仔细观察了国际红外天文卫星（1983年发射）发回的2400张星系分布照片后断定，已观测到的星系团如宝瓶座、长蛇座和半人马座等，比以前人们认识的要大得多，其宽度大约有1亿光年。这些庞大的星系团中存在着足够的物质，也足以产生拉拽银河系的引力，而不是什么别的“大引力体”。究竟有没有“大引力体”，的确是一个令人费解的宇宙之谜。

6．研究宇宙中的反物质反物质：另一半宇宙大家都知道，我们的这个世界是由物质组成的，而物质则又是由原子、分子等微观粒子所构成的。但是反物质却是相反的，它是由原子、分子的反粒子，也就是反原子和反分子所构成。所以，这里所谓的反物质指的就是具有和物质完全相反的性质。

反物质，这个定义被提出已经很久，不过这首先要从正电子的预言和发现说起。最早在1928年的时候，英国物理学家狄拉克在试图把20世纪最重要的原理——相对论和量子力学结合起来的实践中发现了这一现象，并且预言了正电子的存在。而所有这一切都是由狄拉克所建立的相对论波动方程中得出负能量值的解引起的。在对这个方程求解的过程中，狄拉克一共得出了4个描述电子内部状态的解，用来说明电子应当具有4个内部状态。其中两个状态能够用电子的自旋及自身磁矩的存在加以解释；不过对于方程的另两个附加解的求解过程中得到的负能量值的解得出了奇怪的结论。

由上述可知，假如一个电子真的可以存在于负能状态，那么，它就不可能因为和其他粒子相碰撞而慢慢减速并最终停停止，而是越加速越快，直到它的速度达到光速。不过，从相对论方程的分析中能够清晰地知道，这种性质是实现不了的。所以，狄拉克提出了他非常著名的那个假设。

他做出的假设是这样的：我们日常所说的真空，事实上并非是真空的，而是所有负能级上都有两个电子的一种系统，因此，真空中是可以有无穷数目的电子，而且全部负能级都被电子占满了。按照泡利汀容原理，电子不可能跳跃到某个已被占满的负能级，因此它不得不留在正能级区听之任之一个能级上。所以，一定是处于负能级的电子在受到激发后朝正能级跃迁。在这个过程中，就像电子由正能级跳跃到负能级上的反过程，通常只要是有能量大于能级的光子激发，是非常有可能发生的。

假如它真的发生了，那么这个具有正能量的电子，就会使其跃迁出的负能级位置上出现一个空穴。如何来解释这个空穴呢？以下不妨举例说明，如果我们手上系着几个充满氢气的气球，那么手就会感觉到有一个向上的拉力，若是突然其中一个气球的线断了，我们立马就会感受到向上拉的力减小了，从反面来讲，我们也可以解释为是多了一个向下拉的力。同样的道理，在负能级状态缺少一个电子的空穴行为，就好像在那个地方产生了一个有正能量的带正电的粒子，这个粒子就是我们所说的正电子。

按照上述的推理，人类就是第一次从理论上预言了反粒子的存在。接下来在1932年的时候，卡尔·安德生通过对宇宙射线的威尔逊去层实验发现并证实了正电子的存在。继安德生发现正电子后，1955年张伯莱发现了反质子，1956年又发现了中子。在20世纪60年代左右，又随后发现一系列反粒子，接连发现反粒子使人们联想到是否所有的粒子都有和它相对应的反粒子呢？

紧接着，人们在其后所进行的一系列实验中发现，除去光子等少数粒子的反粒子是它的本身外，几乎所有粒子都有反粒子。人类自古就相信宇宙是对称的思想，不禁又使人们想到了既然粒子能组成物质，那么反粒子为何不能组成反物质呢？就目前为大众所公认的宇宙起源的大爆炸理论中则很明确地提出了的确是存在反物质的，并且还预言宇宙中应该存在存在等量的物质与反物质。

不过，探索反物质的道路是漫长而又艰难的。从发现第一个反粒子到现在已将近70年，在这中间人们也仅是从实验中获得了一些反粒子，并且最近几年才人工合成了第一反原子——反氢原子。而对于能构成反物质的其他各类反原子、反分子都还一无所获，更谈不上反物质了。产生这些困难的原因在于人们发现的反粒都是从宇宙射线路获得的，而宇宙射线到达地球首先要穿过厚达3000千米～4000千米的大气层，因此射线中的绝大部分反粒子在到达地球前都已与大气层中的粒子中和了。所以人们所能探测到的反粒子就极为微少了，并且反粒子都非常不稳定，极易与周围物质粒子发生湮灭。

因此，科学家们的观点是现在我们所处的这个物质世界中是不可能存在反物质的，就算存在也会很快和周围物质相中和。所以，只能把探寻反物质的希望寄予宇宙空间。在宇宙空间深处可能存在一个与物质世界完全相反的空间，在那里会存在大量的反物质，基于这一考虑，许多国家的科学家们数年共同努力下，“阿尔法磁谱议”终于升入太空。经过10天的太空航行后，它将对宇宙中是否存在反物质做初步探测。到2002年的时候，“阿尔法磁谱仪”就会被放置到新组建的“发现号”空间站，从此开始对反物质的大规模探测。

在现实中，如果反物质被探明是真实存在的，那么，这将会是对在此基础上建立起的现有宇宙起源论及相对论量子力学理论的最有力的实验验证。我们都知道根据爱因斯坦质能方程E=mc2，物质减少的质量将会转化为能量。现在的核反应正是利用了这一点，但核反就不能使质能完全转化；而物质与反物质相中和，因其产生出的是零质量的r光子，因此它的质量就会完全转化为能量。1千克铀235完全裂变释放出的能量相当于2000吨优质煤完全燃烧时所放出的化学能。而同等质量的物质与反物质中和放出的能量则是铀235的3200多倍！因此探索反物质对于能源相对短缺的现代社会亦有着重要大意义。如果一旦探测结果证明宇宙中并没有反物质。那么，这就会是对现有理论的一个不对理论物理的基础进行最大的修改。

7．探索宇宙未来的命运宇宙的命运把宇宙当作一个整体来认真研究的宇宙哲学，可能对于我们这些生活在地球上的平凡人而言，还是一门崭新的科学，而在这门博大精深的科学中，我们对宇宙的最终命运之谜了解得最少。不过，人类现在已经发现了几条能够揭示宇宙命运的线索，这其中有一些线索能够给人带来希望，但另一些线索却让人感觉沮丧。

两条线索好消息告诉我们，在短时间内人类是不会被宇宙“扫地出门”。宇宙非常至少能够把现在这种适于生命存在的状态再维持l000亿年。这相当于地球历史的2O培，或者相当于智人(现代人的学名)历史的5O0万倍。假如人类在公元1000亿年的新年到来之前就突然灭亡，并且不能放焰火庆祝新年的来临，那一定不能说是宇宙本身的错。

坏消息告诉我们，这世界上没有什么东西是能够永远存在的。宇宙可能不会消失，可是随着时间推移，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。计算这种情况何时会出现以及将会怎样出现确实是一门令人心情抑郁的科学，但是我们也不得不承认这项研究本身也有一种冷酷的魅力。从天文学家埃德温·哈勃1929年发现宇宙正在膨胀以来，经典的“创世大爆炸”理论经过了几十年的不断修改。根据这一理论，宇宙的最终命运将取决于两种相反力量之间的“拔河比赛”的结果。一种力量是宇宙的膨胀，在已经过去的10O多亿年的时间内，宇宙的扩张始终在使星系之间的距离拉大。还有一种力量就是这些星系与宇宙中全部其他物质间的万有引力：它好像一个制动器，可以使宇宙扩张的速度渐渐放慢。

其实，这个问题很简单，就像万有引力足够使扩张最终停止，那么宇宙就注定会发生坍缩，并最终变成一个大火球——同创业大爆炸相当，不过过程正好相反的“大崩坠”。假如万有引力不足以阻止宇宙的待续膨胀，那么它最终将变成一个令人感到“不快”的黑暗和寒冷的世界。恒星是通过使氢原子核（主要是氢和氦）发生聚变反应形成较重的原子核来产生能量的。如果恒星内部储存的氢和氦全部消耗完毕之时，而日渐衰老的恒星上燃烧的火焰会因为没有新的原子来替代将近消亡的原子而熄灭。与此同时，宇宙会慢慢衰变为一个一团漆黑的空间。

一个结局由上述分析来说，每一种结局看起来都像在预示生命的死亡。假如宇宙的最终命运是熊熊大火，“大崩坠”就能熔化一切，甚至亚原子粒子也难逃厄运。另一方面，假如宇宙以无边的寒冷和黑暗而告终的话，宇宙中的生命形式就有可能存在很长一段时间——例如，智慧生命可以通过从洞中提取引力能来获得能源从而维持自己的生存。不过，在全部的物体都已经衰退到几乎相同温度(略高于绝对零度)的情况下，再想办法来保持生存，就好比是要用—池死水来推动水磨一样难办。

但是，人类的最终命运到现在还不能判定，原因就是我们还无法判断扩张和有行引力这两者究竟谁能取得最后的胜利。很多天文学观测的结果支持前者，但是目前仍然存在着许多不确定的因素。其中之一是令人大伤脑筋的“暗物质”问题。科学家们对星系运动方式的研究显示，星系中蕴藏着极大的非星系内部引力。从上述分析中，说明人类可以看到的恒星和星云不过只占宇宙物质总量的1%至10%。还有很多物质是看不到的，并且这些物质是不发光的。

现在，还无人能知道宇宙中这些暗物质究竟是什么。但一种可能性是它是由弱相互作用大质量粒子(wIMp)构成的。在我们能够确定暗物质的成分并用数学方法对其进行计算之前，以我们目前能够看到的一切为基础对宇宙的未来进行预测是绝对靠不住的，这就像是首先在乡村俱乐部对几个打高尔夫球的人进行民意测验，然后根据测验结果来预测全国大选的结果一样缺乏可信性。同时，讽刺文学作家和宿命论者对于这种“火或冰”的结局也感到了一种带有苦涩意味的满足，这充分反映出人类，思维意识的精髓：没有人可以活着脱离中活的苦海。而这正是使我对这一宇宙的最终命运产生怀疑的原因。人类在用科学方法研究宇宙哲学的过程中总出了很多重要经验：很多时候，宇宙的发展变化并不会跟着人业已确立的思维方式——来认识宇宙，人类需要转变新的思维方式。

在20世纪里诞生的概念，像爱因斯坦的弯曲空间、海森伯格的不确定原理等使我们的思维方式发生了重大改变，同时人们也认识到每时每刻都有数以万亿计的亚原子粒子在我们的身体里快速运动但却并未造成任何损害，这些都是现代宇宙哲学不可或缺的组成部分，所以我认为我们有理由假设在即将到来的新世纪里；人们将敞开大门接受一些更加奇异的概念。所以，我们也许可以从还没有打开的大门下面窥见门后放出的几道光线，但在这道光线的辅助下我们可能就会对宇宙的未来作出进一步的准确预测了不确定因素说到和宇宙终结命运有关系的一个不确定因素和膨胀理论有关，根据这一理论，宇宙始于—个像气泡一样的虚无空间，这个空间最初的膨胀速度要比光速快得多，宇宙学家之所以相当重视膨胀理论是因为这一理论解决了一些创世大爆炸理论的早期版本所无法解决的问题，此外，膨胀理论对于研究宇宙的最终命运也有—些启示作用。其中包括：最初推动宇宙高速膨胀的力量(有时根据它在爱因斯坦的广义相对论方程式中的代号用希腊字母入表示)在宇宙像“打嗝”一样膨胀结束之后也许并没有完全消退。它也许还存在于宇宙中，潜伏于虚无的空间，持续推动宇宙不断扩张，就像引导员在幕间休息结束后有礼貌地引导观众回到剧场一样。

科学家们通常对遥远的星系中正在爆发的恒星所做的观测证明，这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。假如果真如此，决定宇宙未来命运的拔河比赛”就不但涉及宇宙的扩张和万有引力的制动作用，而且还和微妙的徘徊不去的膨胀推动力所产生的能够使宇宙无限扩张下去的涡轮增压作用有关。

不过，最能激发起人们兴趣的未知数可能是智慧生命本身在宇宙中所扮演的角色。就像物理学家弗田曼·戴森所说：“如果不将生命和智慧的作用考虑在内，对遥远的未来进行详细的预测是不可能的。”在这里，我们暂且不去评论它的好坏，地球很大的一部分的确已经被—种有实力为了自己的利益而操纵它的生存环境的智能物种所改变。

和这个比较相似，存在于遥远未来的先进文明也许有能力熔化很多恒星甚至整个星系，从而生起一堆巨人的“营火”，或者使宇宙的长期发展朝着对这—文明有利的方向前进。在宇宙逐渐衰亡的没落时期，生活可能会变得很枯燥乏味，不过这种生活也许会持续很长时间。试想一下我们能够看到的宇宙在未来1万亿年时间里可以动用多少天然智能和人工智能资源吧。分析一下，那种极速发展的智慧和以19世纪的热力学知识为基础、认为人类迟早会灭亡的观点到底谁能胜出呢？

因此，就让我们都拭目以待吧，就像爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到忧虑的孩子的信中所说的：“至于谈到世界末日的问题，我的意见是：等着瞧吧！”

8．太空中的“金刚石”

我们知道，金刚石一直以来都被人们视为“矿石骄子。”早在5000年前，人们就已经知道有金刚石了，在《圣经·旧约》的《出埃及记》和《以西结书》中，对金刚石那迷人的光泽赞叹不已；印度的古代杰作《吠陀经》、《刺马耶耶》和《摩呵波罗多》，更是对金刚石那奇异的晕色啧啧连声。在希腊语中，“金刚石”一词就是“不可战胜”、“不可摧毁”的意思。由此可见，金刚石一直以来都被视为珠宝中的贵族。

古代人们对金刚石充满着热情的想象力。他们认为，金刚石的非凡性质是一切自然创造物中最完美无缺的表征。一块晶莹的石头竟然有那样出奇的硬度和耐久性，人们感到不可思议，它那闪烁出迷幻异彩的本领尤其令人神往。在世界上，许多民族更是奉它做自己的神灵，并且冠以极其崇荣的头衔“宝石之王”！

金刚石的尊贵之处在哪里？首先，来看一下金刚石的化学成分以及它的出处。这个问题一直是科学界长期争论不休的问题。历史上一些知名科学家几乎都揣测过金刚石那些扑朔迷离的化学成分。但始终都没能找出确切的答案。因此，对于金刚石化学成分的猜测也有很多。

古希腊大哲学家培多克利斯说，金刚石是由土、气、水、火4种元素组成。按照印度科学家的说法，它构成的要素有5种，即土、水、天、气和能。1704年，牛顿对此作了系统的研究，指出金刚石的可燃性。罗蒙诺索夫更预言，金刚石之所以非凡坚硬，主要是因为“它是由紧密联结点组合成的”。1772年，法国化学家拉瓦哥将一颗金刚石加热使之燃烧，结果发现，它燃烧时所产生的气体就是二氧化碳！因此，拉瓦哥指出了金刚石和碳的关系。这种结论令人不可思议，如此高贵的金刚石竟与“低贱”的碳存在着密切的关系。

直到1796年，英国化学家耐特才作出金刚石是纯净的结论。至于金刚石来自何方，在科学界更具争议。最初人们大多认为，金刚石是来自地下的矿石。因为早期的金刚石多采自砂矿床。1870年在南非开普省北部找到世界上第一个原生金刚石矿床，该地就是以当时英国殖民大臣金伯利勋爵的名字来命名，这就是后来的金伯利城。后来，地质学家在矿区发现，金刚石的成矿母岩是一种无论是矿物成分还是性状都与一般的岩石有着很大的不同。于是，在1887年，英国人路易斯最早将金刚石称为金伯利岩。

后来，人们在世界各地相继发现了一些类似金伯利岩的矿物。因为这些在性状和矿物组成等方面与金伯利岩相似的岩体，并认识到金伯利岩是原生金刚石矿床的惟一成岩母矿。这是一种基质不含长石偏碱性超基性岩，主要成分为橄榄石，多具角砾状或斑状结构。因此，金刚石又被称作角砾云母榄岩，岩体通常呈漏差别形的岩筒（又名岩管或火山颈）或脉状岩石。

有关研究人员根据金伯利岩含有的高压矿物推测，金伯利岩浆形成于上地幔，在高压条件下沿着地壳的裂缝向上运移。由于它饱含高压气体（水及二氧化碳等），当上升而压力骤减时，体积迅速膨胀，在地下产生火山爆发。爆发后岩浆胶结碎屑物质充填火山颈，遂形成金伯利岩筒。曾经有人说，金刚石是由金伯利岩浆夺去邻近的碳质岩石的夹杂块形成的。也有人认为，金刚石是由金伯利岩和另一种榴辉岩一起从地壳深处带上来的。但是，现在大多数人确信，金刚石是由金伯利岩本身含量有的游离碳在剧烈上升和发生爆炸而来的。在整个岩浆活动过程中，也就是在高温高压条件下结晶形成。根据上述条件，人们利用极高的温度和压力已经成批量地生产出人造金刚石。

前苏联科学家通过同位素分析方法证明了，金刚石不仅能在150公里以下的地幔生成，也能在地下10公里的地壳里生成。只要岩浆通过地壳上部岩管时，通道出现狭窄的小孔，由于这一缩颈现象，压力会突然从不超过2万大气压猛增到100万大气压。正是在这种情况下，岩浆才会变成金刚石。

70年代末至80年代初，美国科学家在测定美国阿肯色州金刚石的气-液包裹体时，他们竟发现其中含有类石油的烃类物质（即由碳和氢构成的有机化合物），如甲烷、乙烯、甲醇、乙醇等。平均每克金刚石的含油气量约3．310-5克。因此，他们认为金刚石的形成与地球深部的烃源有关。

1981年，在日本队召开的国际宝石会议，索尔博士进一步阐述了二者之间的内在联系。他推测地球内部有丰富的烃源，烃气在超基性的金伯利岩浆中易于保存。当金伯利岩浆向上涌溢时，挥发性的烃气就向地表表层扩散，而残熔的碳素则缩在金伯利岩浆中，并因压力、温度的急剧变化而结晶形成金刚石。但是，1988年，人们又有了一个意外的发现，进而使上述观点受到了怀疑。这一发现就是，俄国学者叶罗费巴夫和拉钦夫首次在石质陨石中找到的浅灰色的金刚石细粒。不久，在石质陨石中也发现了金刚石。陨石中为什么会有金刚石呢？这个问题一直都是仁者见仁、智者见智。最初人们认为，这些金刚石是由于陨石中所含有的碳质因与大气摩擦和地面撞击，产生了高温高压而形成结晶的金刚石。

近年来，在美国国家自然史博物馆中，科学家们得到一块来自南极大陆亚兰高地冰盖中的铁陨石，在它的切片中也找到了一个金刚石晶体的包体。他们猜测这块陨石原是小行星的碎片，而其中所含的金刚石晶体，则是在它陨落之前，并且是在好几百万年前小行星带中的两颗小行星发生碰撞时形成的。这种铁陨石之所以具有金刚石包体是因为小行星碰撞时的速度非常大（时速约数万公里），从而产生较大的冲击压力，进而使自然碳转变为金刚石。

美国芝加哥大学的刘易斯和沃特等人开始对1969年坠落在墨西哥等地的4块陨石进行研究，他们意外的发现了无数非常细小的金刚石粉末，其中还含有微量的具有特殊比例的同位素的氙气。经过测定，显示出它们的年龄比太阳系还大，均生成于45亿年以前。这一结论表明，金刚石的生成与陨石相互间的撞击或坠落与地球是没关系的。

从上述来看，这几位科学家将地球内部的高温高压能促进生成金刚石的传统说法已经推翻了。于是，他们大胆提出，自然界的金刚石，大概都是在几十亿年前由于一颗红巨星，即垂死的“恒星”的毁灭过程中形成的。

科学家推断，在那个阶段，富有的氢和高温特别有利于碳气浓缩而形成结晶金刚石。与此同时，红巨星将增援大量气体，而这些气体将膨胀和冷却，使碳这类物质冷凝并结晶。千百年后，在红巨星最后爆炸成超新星时，它将喷射高速离子，包括带电的氙原子，这些氙原子将追上逃越的金刚石颗粒并埋在其中。由此可推断出，在宇宙中形成的金刚石的数量可能是惊人的。

在宇宙中，由于金刚石参与了太阳系的演化，所以在地球和陨石中能找到金刚石的踪迹。于是，人们就会提出这样的疑惑，美丽的金刚石究竟是来自天上还是地下呢？真是令人难以捉摸的迷。

9．小行星撞地球的几率对于人类来说，最大的自然灾害莫过于小行星冲撞地球了。如今，这方面的研究已取得了许多进展。1980年，有两位科学家研究了白垩纪和第三纪地层中间的一薄层粘土，发现其中含有大量的铱。而在地球上，铱很罕见；小行星中却十分丰富。因此他们提出：在白垩纪末，大约距今6500万年前，地球曾遭到一个巨大小行星的碰撞，从而导致了恐龙的灭绝。这也是恐龙灭绝的假说之一。

几年前，地质学家在中美洲墨西哥的尤克坦海岸发现了一个水下陨石坑，他们判断说，这里很可能就是地球遭小行星碰撞的地点。1993年9月，美国和墨西哥的科学家测得这个陨石坑的直径约300公里，碰撞时释放的能量相当于两亿颗氢弹。据此估计，当时这颗小行星的直径有16公里。

与此同时，法国的一个研究小组也发现，在远离日本1900公里的太平洋底的一个1300平方公里的范围内，遍布有微米级的磁铁矿和铱晶体。他们认为这不可能是尤克坦碰撞时通过空气越过来的粒子，因为这样飞过来的粒子经过空气的摩擦，必然会被烧成圆形。因此他们推测当时撞入地球大气层的小行星可能一分为二，其中一块撞在尤克坦，另一块则落到了太平洋的中部。

1993年，两位科学家根据电子计算机模拟认为，以前假定的大量小粒子碰撞的积累而导致地球自转是不可能的。他们提出了在40亿年前，曾发生过一次像火星一样大的天体碰撞了地球，从而使地球开始了自转，并由此产生了月球。这也是月球形成的假说之一。

科学们还根据空气动力学的复杂计算认为，彗星或含碳丰富的小行星会在更高的空中爆炸，还不致于危及地面，只有那些含铁丰富的小行星才会在地面形成陨石坑，而介于两者之间的更普遍的石质小行星，才会发生通古斯类型的事件。这是一颗像足球场大的小行星，其典型的速度为45马赫，当它以此速度进入大气层时，空气被集聚在其前方，后方就形成了一个真空，这一巨大的压力差形成的压力梯度正好会使它破碎。这一爆炸若发生在8公里的高空，可使周围的空气热到50000℃，其威力相当于一个核弹头，并产生出一个以超声速扩散的热气团，其冲击波足以使一个像纽约那么大的区域内的树木全部燃烧起来。据称6500万年前就曾有过一场遍及全世界的大火，该大火就是由小行星碰撞地球引起的，大火烧掉了全世界1/4的植物，致使幸存的恐龙也因缺乏足够的食物而无法继续生存下去。

1993年6月，科学家们发现了一个新的小行星带，其中有许多直径小于50米的小行星正沿着离地球很近的轨道在绕日运行。有人担心它们会对地球构成威胁，但科学家们的计算后表明，这些直径小于50米的任何小行星在进入大气层后，都会被炸得粉碎，因此不会给地球带来任何灾难。

值得注意的是，1983年，又一颗小行星被发现，命名为“1983tv”。英国天文学家在计算了这颗小行星的轨道之后，发表了自己的看法：如果“1983tv”不改变其运行轨道，将于2155年与地球相撞，可能给人类带来灾难。

虽然这将是150年以后的事，但人类也该早想对策，而不能坐以待毙。其实，根据人类现代科学技术水平以及150年的高速发展，办法还是有的。比如我们可以迫使这颗小行星改变运行轨道，从而避免它与地球相撞。此外，我们还可以运用地对空远射程导弹一类的武器，在太空中将它摧毁掉，这将不会是很困难的吧！而目前最重要的是，首先精确地计算出这颗小行星的运行轨道，对于2155年碰撞地球一说得出一个准确的结论。在没有全世界天文学家共同的结论之前，它始终只是一个“相撞之谜”。

十多年前，美国国家航空和宇宙航行局一个顾问委员会，在讨论恐龙灭绝理论时认为，将来类似的撞击也会使人类灭绝。为此，他们正在研究对策，一旦有一个直径为一英里左右的行星将要撞击地球，可以用发射核弹头导弹在其旁边爆炸的方法，来改变它的行进方向。但据地质学家休梅克说，假如赫尔斯与地球相撞，将会释放相当于10万个百万吨级炸弹的能量，假如比它大10倍的行星与地球相撞，才会带来更大的灾难，而爆炸力大如赫尔斯的行星与地球相撞的概率，在10万年内只有一次，因此比前面所说的大十字架更难一遇了。

出人意料的是，也有人欢迎小行星光临地球。因为未来学家们认为，一个仅一英里宽，含有上等镍与铁的小行星，能给我们带来高达4万亿美元的资产。除了大量的镍与铁之外，有些游离的小行星还可能含有丰富的金和铂，以及一些稀有元素如铱等，其价值无法估计。所以，目前西方各国的科学家们正在想方设法地积极准备迎接这些地球的不速之客哩！

10．探索失踪物质的去处克利弗德（WilliamKingdonCiifford）早年夭折，他却给世界留下了引力和几何的思想。半个世纪之后，即1915年，爱因斯坦证实了这个思想。爱因斯坦的引力理论的推论之一是宇宙的形状取决于其中质量的多少。具体地讲，无论宇宙是无限的还是强烈地弯曲到自身闭合程度，都取决于宇宙中物质的密度。已经计算出来，数值为10E－29克／厘米’即是以使宇宙闭合。当我们想到水的密度——约为1克／厘米’是这个密度的10E29倍时，看来这个密度并不是太大的。10E－29克／厘米’这么大的密度相当于六立方英尺的容积内有一个氢原子。但是，如果我们计算一下可观测到的宇宙的密度，即把某绘定区域内的各星系的质量相加除以该空间的体积，那么将会发现，由此得出的密度大约要比10E－29克／厘米’小；～百倍。这充分地表明实际上是何等空虚，但却使相信宇宙事实上是闭合的某些天文学家感到为难。如果他们是对的话，那么这些失踪的物质到哪里去了呢？没有任何人知道肯定的答案。

在较小尺度上仍然存在上述难题，两月一在星系团范围内更加难于解决。星系团内的多数星系具有如此高的速度，以致于星系四面临着遭到分崩离析的危险。每个星系团中各星系的已知质量似乎都没有多到可维系它们在一起的程度。那么，为什么星系团没有完全疏散开呢？对这个问题还不能立即找出一个简单的答案。或许我们低估了星系的质量。也可能，整个导系团充满了不可见的仅质量很大的天体，例如黑矮星或黑洞。究竟如何，谁也不知道。

更近一些，甚至在银河系内我们也发现了质量失踪的同样问题。我们已经知道，晕族值量是来回通过银盘上下振荡的。我们可以确定晕族恒星的平均速度和它们在返回之前达到报道面上方的平均高度。根据这个资料，我们就能够确定银盘本身的质量。计算是很简单的，非常类似于通过上抛一个篮球来确定地球的质量。比如说，你在地球上可以把一个篮球抛到～定的高度。但是在另一个与地球大小相同但比地球质量大的行星上，你便不能把这个篮球抛到同样的高度。用这种方法估算出的银盘的质量叫做奥尔特极限（Oortlimit）。现在，如果我们把已观测到的我们银河系中的所有物质都加在一起，总共也只有奥尔特极限的一半左右。我们不能确切地知道失踪的物质在什么地方。有人说，它潜藏在体积甚小难以观测到的恒星里面。另一些人则说，它可能隐蔽在同样难以捉摸的分子氢里。谁是谁非，迄今谁也不能肯定。

11．宇宙中的“黑色骑士”

在太阳系中，还存

在有来自地球之外的人造天体。这已不是什么奇闻的事情了。

1961年，巴黎天文观测工作者雅克·瓦莱发现了一颗运行方向与其他卫星相反的地球卫星。对于这颗来历不明的卫星，人们将它命为“黑色骑士”。随后，世界上有许多天文学家按瓦莱提供的精确数据，也发现了这颗环绕地球逆向旋转的独特卫星。1981年，前苏联的一家天文台也证实了“黑色骑士”的存在。天文学家发现这个“黑色骑士”的特征如下，它在地球高空的轨道上，循着极大的椭圆轨道运行，体积很小，但十分耀眼，像一个金属球体。

随后，法国学者亚历山大·洛吉尔对“黑色骑士”进行研究得知，黑色骑士可以用与众不同的方式绕地球运行，表明它能够改变重力的影响。对于这种作用，只有外星来的UFO才能做到，因此这颗被称作“黑色骑士”的奇特卫星很有可能与UFO有相联系。

1983年1～11月间，美国发射的红外天文卫星在天空中扫描时，在北部天空的猎户座方向两次发现了一个神秘天体。这两次的观测时隔6个月，进而表明它在空中有稳定的轨道。

1988年12月，前苏联科学家在地面卫星站观测中，他们发现有一颗神秘的巨大的卫星出现在地球轨道上。当时，前苏联科学家还认为是美国“星球大战”中的卫星。不久前苏联方面才知道，美国科学家也在同一时间发现了那颗神秘的卫星。此时，美国人人也认为，它是属于前苏联的。

为了弄清此物，苏美两国高层官员通过外交途径接触和讨论，双方明白那颗卫星是出自第三者。经过一系列的调查，法国、西德、日本或地球上任何有能力发射卫星的国家都没有发射卫星。

于是，前苏联通过卫星和地面站跟踪观测。结果显示，这颗卫星体积异常巨大，具有钻石般的外形，而外围有强磁场保护，内部装有十分先进的探测仪器。它似乎有能力扫描和分析地球上每一样东西，包括所有生物在内。与此同时，这颗卫星还装有强大的发报设备，可以把搜集于的资料传送到遥远的外空中去。

随后，日内瓦召开了记者招待会，会议上前苏联宇航专家莫斯·耶诺华博士公开了此事。他强调说：“这枚卫星是1989年底出现在我们地球轨道上的。它肯定不是来自我们这个地球。”他表示，前苏联将会“出动火箭去调查，希望尽量找出真相”。这件事披露之后，世界上有二百多位科学家表示愿意协助美苏去研究这颗可能是来自外太空某个星球的人造天体。此外，法国天文学家佐治·米拉博士说：“很明显，这颗卫星飞行了很长的途径才来到地球，事实上它的设计也是这样。虽然只是初步估计，但我敢说它至少已制成5万年之久！”

在地球轨道上，不仅运行着完好的外来人造卫星，而且还有爆炸后的外星太空船残骸。前苏联科学家在60年代初期，首次发现一个离地球太2000公里的特殊太空残骸。经多年研究后，他们才确信那是一艘由于内部爆炸而变成10块碎片的外星太空船的残骸，并向报界宣布了这个消息。这一消息宣布之后，引起了世界上人们热切的关注。

后来，莫斯科大学天体物理学家玻希克教授使用精密的电脑对这10片破损的残骸追踪发现，它们原先是一个整体，据推算它们最早是在同一天——1955年12月18日从同一个地点分离，显然这是一次强大的爆炸所致。此外，玻希克教授还说：“我们确信这些物体不是从地球上发射的，因为前苏联在大约二年之后，即1957年10月才将第一枚人造卫星射入太空。”

为了进一步了解这颗卫星的来历，前苏联著名的天体物理研究者克萨耶夫对它进行了深入的研究。他说：“其中两个最大片的残骸直径约为30米，人们可以假定这艘太空船至少长60米，宽30米；从残骸上看，它外面有一些小型圆顶，装设望远镜，碟形天线以供通信之用，此外，它还有舷窗供探视使用。”这位研究者又补充说：“从这艘太空船体积来看，它有好几层，可能有5层。”

前苏联另一位物理学家埃兹赫强调：“经过我们多年搜集到的所有证据显示，那是一艘机件故障的太空船才发生了爆炸。”之后，他还说：“在太空船上还极可能有外星乘员的遗骸。”

前苏联科学家的这一发现使得美国同行也产生了浓厚的兴趣。此时，美国核物理学家及宇航专家斯丹·费德曼说：“如果我们到太空去收回这些残骸，相信我们可以把它们接合起来。”

十分有趣的是，当前苏联要宣布他们发现地外太空飞船残骸的10年前，一位美国天文学家约翰·巴哥贝曾在国内一份著名的科学杂志上发表了一篇文章，文中提到就有10块不明残片像10个小月亮似的围绕地球运行。这位天文学家认为，它们来自一个分裂的庞大母体，而这个不明物体分裂的时间就是1955年12月18日。可见，这篇文章正好与前苏联科学家的研究结果不谋而合，同时巴哥贝也驳斥了炸裂物体的存在只是一种自然现象的可能性。

直到21世纪的曙光降临，我们的科学家还不知道，这颗5万年前被发射升空的人造卫星，它的主人到底是谁？他们发射这颗卫星的目的是什么？但是，事实证明，除来自地球的人造卫星，宇宙中还存在其他人造天体。

12．探索宇宙的有限和无限宇宙到底是有限还是无限的？到底有没有中心有没有边？到底有没有生老病死有没有年龄？上述这些恐怕是自从有人类的活动以来一直被关心的问题。为了有一个更清晰的答案，让我们先来看看它的组成和结构吧。宇宙中的天体绚丽多彩，太阳系一共有九颗大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除去大行星以外，还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。这些都是离我们地球很近的，最为人们所了解的天体。那么，除了上面我们所提到的这些，浩瀚宇宙空间中还有些什么？

在晴朗的夜晚，人类用肉眼就可以看到天家中有很很多闪闪发亮的星星，他们绝大多数是恒星，恒星就是像太阳一样本身能发光发热的星球。我们银河系内就有1000多亿颗恒星。恒星常常爱好“群居”，有许多是“成双成对”地紧紧靠在一起的，根据一定的规律彼此绕转着，人们把这称作双星。此外，也有些是3、4颗或更多颗恒星聚在一起，称作聚星。

若是有十颗以上，或者是几万颗星聚集在一起，形成一个团星，就称作星团。在银河系中就发现1000多个这样的星团。在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星-变星。它们有的变化很有规律，有的没有什么规律。现在已发现了2万多颗变星。某些时候天空中会显现一颗亮度极高的星，并且会在很短的时间内突然增亮几万倍甚至几百万倍，这称作新星。

另外，也有这样一种亮度增加极快的恒星，会突然增亮几千万倍甚至几亿倍，这称作超新星。除了恒星之外，还有一种云雾似的天体，称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，如有名的猎户座星云。在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，还有些什么呢？是绝对的真空吗？答案是否定的。那里其实充满着很稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和很微弱的星际磁场。伴随着科技的高速发展，人类一定能够发现更多的新天体。

现在，银河系和河外星系随着其测距能力的显著提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立了立体的观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河。它包含两重含义，一是认识了银河的形状，二是知道了河外天体的存在。其实，银河系就是太阳所属的一个巨大的恒星集团，大约包含1011颗恒星。这种恒星集团称作星系。

在银河系中，多数恒星分布呈扁平的盘状。盘的直径是25kpc（千秒差距，1秒差距＝3.26光年＝3.09亿亿米），厚度约为2kpc。盘的中心有一球状隆起，称作为核球。盘的外部由几条旋臂构成。太阳位于其中一条旋臂上，距离银心约7kpc。银盘上下有球状的延展区，其中恒星分布较稀疏，称作银晕。通常，晕的总质量大约占整体的10%，直径大约是30kpc。我们每天见到的太阳，就它的光度、质量和位置讲，都不过是银河系中很普通的一员。

另外更为重要的是，并不是天穹中所有发光体都是银河系的一部分。假设有一个类似银河系的恒星集团，处于500kpc的距离上（银河自身大小为30kpc）。其表观亮度与2pc远处一颗类似太阳的恒星是一样的。所以，对天穹上的一个光点，必须测量它的距离，才能弄清楚它到底是银河系内的恒星还是银河系外的另一个星系。

其实，天穹上的大部分光点是银河系的恒星，不过也有很大量的发光体是和银河系类似的巨大恒星集团，历史上曾被误认为是星云，我们称作河外星系，现在已知道存在1000亿个以上的星系，著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙结构中的一个层次，从宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的层次。星系的质量差别很大。银河系的质量约为1011M⊙(太阳质量单位)。在明亮的星系中，这是典型的大小。质量很小的星系太暗，不易看到。小星系的质量可低达106M⊙。星系的典型尺度为几十千秒差距。如果对视星等在23等以内的星系作统计，星系总数在109以上。自20世纪60年代之后，天文学家又找到另外一种在银河系以外如恒星一样呈现为一个光点的天体，不过其实它的光度和质量又与星系一样，我们称作类星体。如今，已经发现的这种天体有上千个。

假设我们把观测的尺度放大一些，那么宇宙可看成由大量星系构成的“介质”，而恒星只是星系内部细致结构的表现。这样，为了了解宇宙结构，需关心星系在空间的分布规律。星系的空间分布不是无规的，它也有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。大约只有10%星系属于这种大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。但能够肯定的是，星系团所代表的是宇宙结构中比星系更大的一个新层次。通常这层次的尺度大小会有数百万秒的差距，它的平均质量一般是整个星系平均质量的100倍。

现在，人们通常会把10Mpc以上的结构称作宇宙的大尺度结构（现在观测到的宇宙的大小是104Mpc）。迄今为止大尺度上的观测事实并不是很准确的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到星系的“空洞”区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构称作超星系团。它的一般尺度是几十兆秒差距。如果由演化理论的角度来思考，尺度大到某种程度，就不应该再有结构存在。

那么，这个分析是不是符合客观事实，以及这尺度多大，都是很关键的，并需要有大尺度观测来回答的问题。今天对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结构现象存在，可以说正是人们热烈争论中的焦点。总而言之，如果把星系看成宇宙物质的基本单元，那么星系的分布状况就是宇宙结构的表现。分析一下，直到50Mpc的尺度为止，星系的分布表现出有层次的结构。以上这些观点，就是我们对宇宙面貌的基本认识。

13．神秘宇宙“黑洞”的真面目黑洞通常长期的持续观测，天文学家们发现，在宇宙中有一些引力很大却又无法看到任何天体的区域。通常，这种奇异天文现象有以下三个主要特征：

1．这些区域有极强的磁场和引力，不断吞噬很多的星际物质，某些物质在它周围运行轨迹也会同时发生变化，从而形成圆形的气体尘埃环；

2．它们有极大的能量，能够发出很强的各类射线辐射；

3．因为它强大的引力作用，光线在它周围就会发生弯曲变化。

就是这样，通过观测到的大量间接征兆能够证实它的存在，却不管怎样也无法直接看到它。于是一些天文学家想象的认为它是一种恒星塌缩后，质量、密度非常大的暗天体，美国的物理学家惠勒为它取了一个很有意思的名字——“黑洞”。

在今天这个宇航时代里，世界各国都已拥有各种先进的天文观测设备，比如大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜，大型射电天文望远镜，突破了地球大气层包围的哈勃空间望远镜等。现在的天文观测，已经逐渐触及到距地球100亿光年以外的遥远天体，从河外星系到宇宙尘埃都能一览无余，甚至像几万公里外一支小蜡烛那么微弱的光也能观测到，而唯独对“黑洞”却无能为力，确有些不合逻辑。若它真是一种质量、密度极大，磁场、引力很强的“天体”，为何到现在都看不到它的真实面目呢？

原因非常简单，“黑洞”并非是真正的实体星球，而只是宇宙天体运动时产生的各种“磁场漩涡”现象，它的能量、射线辐射主要都是由磁场力作用产生的，因为它的构成物质密度非常稀薄，光线发射极其微弱，因此根本没有办法在远距离用光学仪器观测到它的形状，如果根据它的形态和性质来说，它倒的确可以说一个“黑暗磁场漩涡洞”。

我们假设“黑洞”是一种物质构成密度很大的“天体”，那么，在“黑洞”和物质密度相对较小的宇宙空间两者应该是有分界面的。根据光的反射、折射原理，当光投在两种物质的分界面时会有反射和折射现象的，这一点已经从宇宙中所有不发光天体都能够反光得到证实，无一例外。因此，从“黑洞”无法反射光线这一点说明“黑洞”尽管也有极强的吸引力，可是它的物质构成密度很稀薄，根本达不到反射光线的程度（并不是光线因为被它吸引不能脱离而不能反射）。

当光线和它相逢的时候，只得穿越而过了，看不到明显的光反射和折射现象。所以也就不能通过光学观测直接看到它的形状，而只能选择其他天文观测方式，通过“黑洞”快速旋转运动中产生的极强各类射线辐射来证明它的存在。在1992年的时候，科学家们通过哈勃望远镜上的高速光度计对天鹅座X-1的一批观察数据做分析时，发现了两个快速衰减且消失极快的紫外线脉冲阵列。这种现象与理论预言的物质落进黑洞视界时，释放辐射的特征正好是符合的。谈到光线在“黑洞”附近有可能发生弯曲的现象，是因为光波原本就是一种频率极高的电磁波，光现象本质其实就是一种电磁现象。因此，这种光线在“黑洞”附近因为受其磁场引力作用而产生弯曲现象是非常自然的。

宇宙中的任何天体都是不能独立存在的、任何物质之间都会有千丝万缕的相互内在联系。“黑洞”现象的出现绝对不是偶然的，而是在自然规律内物质循环演变过程中一个重要环节。整个自然界是由不断运动着的物质所组成，绝对静止的物质是不存在的，物质运动必然会产生磁场，天体和磁场是紧密相连的整体，因此只要有天体，它周围就存在磁场。不同类型的物质结构因为运动方向的不同，运动速度的差异，会产生很多大小不一、强弱各异的磁场漩涡，人们通常把这种磁场漩涡称作“黑洞”。通常较大的物质结构产生的磁场漩涡较大，例如星系中心的“黑洞”（银河系中心）；较小的物质结构产生的磁场漩涡也较小，例如恒星之间的“黑洞”（天鹅座X-1）。

在自然界，对物质能量大小起决定性作用的有两个重要因素：一是物质的质量；二是物质的运动速度。因为磁场具有力和能的特征，所以“黑洞”尽管构成物质密度很小，但由于它有很快的旋转运动速度，当组成它的物质凝聚向一个方向作有序运动时，便产生极大的能量和极强的引力。在宇宙中，有一些分散的呈气态的氢、氧类物质和呈固态的硅、铁类尘埃物质，通常受“黑洞”吸引力的作用，在“黑洞”附近运动方向发生变化，向它的中心高速旋进，逐渐形成围绕“黑洞”中心运动的圆形气体尘埃环。“黑洞”尽管无法直观地看到，却能够通过它向外发出的各类射线辐射现象提示它的形态。国外曾经有报道，哈勃望远镜已经拍摄到“黑洞”周围边缘呈现出翘曲状的尘埃圆盘，这些都形象的证明了“黑洞”的漩涡性质与真实形态及漩涡，通常都是呈漏斗状的特点。

事实上，宇宙中各类“黑洞”的运动形态和形成原理就像我们用肉眼能够看到的许多自然涡流现象一样。比如地球上大气运动产生的热带气旋——“台风”，在“台风”外围是急速旋转的气流形成的急风暴雨区域，能量很大，而在空气涡流中心区域——“台风眼”，因为空气稀薄，压力相对很小，对周围产生强大吸引力，所以气流不易进入，反而是风平浪静的区域，从卫星图上能够清晰地看到“台风”的圆形漩涡状云团。另外，还有江河湖海中的水涡流也是圆形漩涡状的，水涡流同样有很大的能量和吸引力，当物体接近时会被吸引进漩涡之中。“黑洞”，其实就和“台风”、“水流漩涡”这样能够直观看到的涡流现象很像，可以说是宇宙中物质运动的产物。它的巨大能量和引力主要来自物质急速运动产生的磁场。

所谓“黑洞”中心，是指那些外界物质不容易进入、有形物质又很少的区域。因此，在“黑洞”的中心都是空白区域。由于它对四周物质的吸引力在每个方向几乎都是均匀的，通常在“黑洞”周围物质运行的轨迹都是圆形漩涡状的。因为“黑洞”物质分布密度都不相同，它的周围通常还会伸出一些旋臂（如可见的星系旋臂），从而造成同方向辐射强弱程度不同的射线脉冲现象（即脉冲星）。

通常情况下，在“黑洞”引力吸积过程中，物质的数量和密度持续在增加，磁场漩涡范围会相应增大，能量和引力显著增强，而且会吸引更多的物质，这样像滚雪球一样不断发展。当“黑洞”周围物质达到相当体积和密度时，对光的反射、折射作用逐渐加强，到了某种程度就发展成为能够通过光学望远镜直接观察到的有形天体——“星云”，正是从恒星级“黑洞”中孕育出新生的天体“星云”。这种初期的有形天体多数是呈环状（环状星云），它的构成物质相对较稀薄，因此，形状是很模糊的。就这样，随着“星云”体积的不断膨胀，于是就有了几十亿年以上向“恒星”发展的演变进程。

总结一下，宇宙中全部天体的存在形式和演变过程，都是由自然规律所决定的，“黑洞”也一样。一旦我们通过表面现象揭示出它的本质和与自然规律的内在有何联系，包括“黑洞”在内的各种神秘天象就很容易解释清楚了。

黑洞“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。

黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。虽然这么说，但黑洞还是有它的边界，既“事件视界”。据猜测，黑洞是死亡恒星的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。另外，黑洞必须是一颗质量大于钱德拉塞卡极限的恒星演化到末期而形成的，质量小于钱德拉塞卡极限的恒星是无法形成黑洞的。

黑洞其实也是个星球，只不过它的密度非常非常大，靠近它的物体都被它的引力所约束，不管用多大的速度都无法脱离。对于地球来说，以第二宇宙速度，11．2km/s，来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来说，它的第二宇宙速度之大，竟然超越了光速，所以连光都跑不出来，于是射进去的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到任何东西，只是黑色一片。

根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。等恒星的半径小到一特定值，天文学上叫“史瓦西半径”时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。

那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。

我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料——氢，由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。

这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。

更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。

根据爱因斯坦的能量与质量守恒定律。当物体失去能量时，同时也会失去质量。黑洞同样遵从能量与质量守恒定律，当黑洞失去能量时，黑洞也就不存在了。霍金预言，黑洞消失的一瞬间会产生剧烈的爆炸，释放出的能量相当于数百万颗氢弹的能量。

黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬·霍金于1974年做此语言时，整个科学界为之震动。黑洞曾被认为是宇宙最终的沉淀所：没有什么可以逃出黑洞，它们吞噬了气体和星体，质量增大，因而洞的体积只会增大。

霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。

所有的黑洞都会蒸发，只不过大的黑洞沸腾得较慢，它们的辐射非常微弱，因此另人难以觉察。但是随着黑洞逐渐变小，这个过程会加速，以至最终失控。黑洞委琐时，引力并也会变陡，产生更多的逃逸粒子，从黑洞中掠夺的能量和质量也就越多。黑洞委琐的越来越快，促使蒸发的速度变得越来越快，周围的光环变得更亮、更热，当温度达到10～15℃时，黑洞就会在爆炸中毁灭。