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第3章 宇宙大观(2)

现代天文学已经揭示了天体的起源和演化的历程。当代关于太卩日系起源的学说认为,太阳系很可能是50亿年前银河系中的一团尘埃气体云(原始太阳星云)由于引力收缩而逐渐形成的(见太阳系起源)。恒星是由星云产生的,它的一生经历了引力收缩阶段、主序阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段。星系的起源和宇宙起源密切相关。流行的看法是在宇宙发生热大爆炸后40万年,温度降到4000K,宇宙从辐射为主时期转化为物质为主时期,这时或由于密度涨落形成的引力不稳定性,或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系,然后再演化为星系团和星系。热大爆炸宇宙模型描绘了我们宇宙的起源和演化史:我们的宇宙起源于200亿年前的一次大爆炸,当时温度极高、密度极大;随着宇宙的膨胀,它经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程,直至10亿—20亿年前,才进人大规模形成星系的阶段,此后逐渐形成了我们当今看到的宇宙。1980年提出的暴涨宇宙模型则是热大爆炸宇宙模型的补充。它认为在宇宙极早期,在我们的宇宙诞生后10—36秒的时候,它曾经历了一个暴涨阶段。

用哲学观念思考宇宙

有些宇宙学家认为,我们的宇宙是唯一的宇宙;大爆炸不是在宇宙空间的哪一点爆炸,而是整个宇宙自身的爆炸。但是,新提出的暴涨模型表明,我们的宇宙仅是整个暴涨区域的非常小的一部分,暴涨后的区域尺度要大于1×1026厘米,而那时我们的宇宙只有10厘米。还有可能这个暴涨区域是一个更大的始于无规则混沌状态的物质体系的一部分。这种情况恰如科学史上人类的认识从太阳系宇宙扩展到星系宇宙,再扩展到大尺度宇宙那样,今天的科学又正在努力把人类的认识进一步向某种探索中的“暴涨宇宙”“无规则的混沌宇宙”推移。我们的宇宙不是唯一的宇宙,而是某种更大的物质体系的一部分,大爆炸不是整个宇宙自身的爆炸,而是那个更大物质体系的一部分的爆炸。因此,有必要区分哲学和自然科学两个不同层次的宇宙概念。哲学宇宙概念所反映的是无限多样、恒发展的物质世界;自然科学宇宙概念所涉及的则是人类在一定时代观测所及的最大天体系统。两种宇宙概念之间的关系是一般和个别的关系。随着自然科学宇宙概念的发展,人们将逐步深化和接近对无限宇宙的认识。弄清两种宇宙概念的区别和联系,对于坚持马克思主义的宇宙无限论,反对宇宙有限论、神创论、机械论、不可知论、哲学代替论和取消论,都有积极意义。

宇宙的来源探究有些宇宙学家认为,暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生开始的,这种观点之所以在以前不能为人们接受,是因为存在着许多守恒定律,特别是重子数守恒和能量守恒。但随着大统一理论的发展,重子数有可能是不守恒的,而宇宙中的引力能可粗略地说是负的,并精确地抵消非引力能,总能量为零。因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题。这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面:1.本体论方面。如果认为“无”是绝对的虚无,则是错误的。这不仅违反了人类已知的科学实践,而且也违反了暴涨模型本身。按照该模型,我们所研究的观测宇宙仅仅是整个暴涨区域很小的一部分,在观测宇宙之外并不是绝对的“无”。现在观测宇宙的物质是从假真空状态释放出来的能量转化而来的,这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式,并不是创生于绝对的“无”。如果进一步说这种真空能起源于“无”,因而整个观测宇宙归根到底起源于“无”,那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式。2.认识论和方法论方面。暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念。这个宇宙无论多么巨大,作为一个有限的物质体系,也有其产生、发展和灭亡的历史。暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来,认为观测宇宙中的物质与能量形式不是永恒的,应研究它们的起源。它把“无”作为一种未知的物质和能量形式,把“无”和“有”作为一对逻辑范畴,探讨我们的宇宙如何从“无”一未知的物质和能量形式,转化为“有”一已知的物质和能量形式,这在认识论和方法论上有一定意义。

有些人认为,时间和空间不是永恒的,而是从没有时间和没有空间的状态产生的。根据现有的物理理论,在小于1×10—43秒和1×10—33厘米的范围内,就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量,因此时间和空间概念失效了,是一个没有时间和空间的物理世界。这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的。正像历史上的牛顿把时空观发展到相对论时空观那样,今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观。由于在大爆炸后10—43秒以内,广义相对论失效,必须考虑引力的量子效应,因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源。这些工作都是有益的,但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水平上无法度量新的时空形式,而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在。

人和宇宙的关系

从20世纪60年代开始,由于人择原理的提出和讨论,出现了人类存在和宇宙产生的关系问题。人择原理认为,可能存在许多具有不同物理参数和初始条件的宇宙,但只有物理参数和初始条件取特定值的宇宙才能演化出人类,因此我们只能看到一种允许人类存在的宇宙。人择原理用人类的存在去约束过去可能有的初始条件和物理定律,减少它们的任意性,使一些宇宙学现象得到解释,这在科学方法论上有一定的意义。但有人提出,宇宙的产生依赖于作为观测者的人类的存在。这种观点值得商榷。现在根据暴涨模型,那些被传统大爆炸模型作为初始条件的状态,有可能从极早期宇宙的演化中产生出来,而且宇宙的演化几乎变得与初始条件的一些细节无关。这样就使上述那种利用初始条件的困难来否定宇宙客观实在性的观点失去了基础。但有些人认为,由于暴涨引起的巨大距离尺度,使得从整体上去观测宇宙的结构成为不可能。这种担心有其理由,但如果暴涨模型正确的话,随着科学实践的发展,一定有可能突破人类认识上的困难。

哪里是宇宙的中心

人们总习惯于寻找中心,政治中心、经济中心、游乐中心等。

古人以为地球是宇宙的中心,而人类是地球的中心,但后来我们失望地发现一切并非如此。那么,宇宙有中心吗?如果有,它在哪儿?太阳系中所有的行星都绕着它们的中心——太阳旋转。连那么庞大的银河系也有中心的,它让周围所有的恒星也都绕着它来旋。

这么说来,我们的宇宙也应该存在这样的中心,但是实际上它并不存在。因为宇宙的膨胀是发生在四维空间内,而不是我们通常所能理解的三维空间内,它不仅包括普通三维空间(长度、宽度和高度),还包括第四维一时间。四维空间的膨胀很难用三维思维来描述,但是我们也许可以通过观察并用气球的膨胀来解释它。假设宇宙是一个正在膨胀的气球,而星系是气球表面上的点。我们还必须假设星系只能沿着表面移动而不能进人气球内部或内外运动。也就是说,我们把自己描述为一个生活在气球表面的二维空间的人。

气球的表面不断地向外膨胀,也就是说宇宙不断膨胀,则表面上的每个点彼此离得越来越远。站在任何一点上的人将会看到其他所有的点都在退行,而且离得越远的点退行速度越快。

在现实中,宇宙膨胀不是在三维空间内开始的,而我们只是三维空间的人。宇宙是在过去的某个时间,即亿万年以前,在当时的一个四维空间的点开始膨胀,虽然我们可以获得有关的信,戀、,但我们却无法回到那个时候,无法探明那一点在四维空间中的位置。

宇宙真的没有中心。但是,这样的宇宙是不是会显得杂乱无章?也许它在我们所不能理解的四维或五维空间中是有中心的,而且是井然有序的。

宇宙中的智慧生物

人们总是想象宇宙中是否存在高等发展的智慧生物,那么,这种可能性到底存不存在呢?毫无疑问,和地球类似的行星是存在的,有类似的混合大气,有类似的引力,有类似的植物,甚至可能有类似的动物。然而,其他的行星非要有类似地球的条件才能维持生命吗?

实际上,生命只能在类似地球的行星上存在和发展的假设是站不住脚的。以往人们认为放一十性很强的水中是不会有任何微生物的。但是实际上有几种细菌可以在核反应堆周围足以致死的水中存活。有两位科学家把一种蠓在100°c高温下烤了几个小时后,马上放进液氦中(液氦的温度低得和太空中一样),再经过强辐射照射后,他们把这些实验品再放回到正常的生活环境中。这些昆虫又恢复了活力,并且繁殖出完全健康的后代。

这无非是举出了极端的例子。也许我们的后代将会在宇宙中发现连做梦也没有想到过的各种生命,也会发现我们在宇宙中不是唯一的、也不是历史最悠久的智慧生物。地球外的茫茫宇宙中,究竟有没有生命,究竟有没有类似地球人甚至比地球人拥有更高级文明的外星人?随着空间科学技术的不断发展,这个富有神话色彩的猜测,越来越激励着人们的心。对这个亘古未解之谜尽管目前众说纷纭,莫衷一是,但原来持否定态度的权威人士,越来越多地转向了可能存在这一边。

科学家能够提出地球外有生命,甚至推测存在比我们更聪明的外星人,是很了不起的。因为有些人会用地球上生命形成与存在的传统理论来衡量外星球,忘却了它们之间在地理条件和自然环境上的不同。

科学家希柯勒教授在实验室里创造了一种与地球环境截然不同的木星环境,在这样的环境条件下成功地培养了细菌与螨类,从而证明生命并不是地球的“专利品”。我们地球上的所有生物也不是按照同一个模式生活的。氧是生物进行新陈代谢的重要条件,但是有一种厌氧细菌,就不需要氧,有了一定的氧反而会中毒死亡。高温可以消毒,会使生命死亡,但海底有一种栖息在140C条件下的细菌,温度不高反而会死亡。据估计,地球上不遵守生命理论而存在的生物有好几千种,只是我们没有全部发现而已。有些人往往认为地球的环境是完美无缺的,什么只有一个大气压、常温、湿度正常……其实,这些标准是地球人自定的。我们不应该以地球上生命存在的条件去硬套其他星球,各星球有自己的具体条件。如果表面温度为15—150°C的火星上存在着火星人,他们也许会认为在地球这个温度条件下根本无法生存。

于是,在生命理论的研究领域中,行星生物学应运而生了。主要研究各种行星的自然条件,是否存在适宜于这些环境条件的生物,地球生物是否可以移居到其他行星上去,以及发现行星生物新方法。因为生物往往具有一种隐蔽的本能,即使存在也不一定轻易发现。例如地球空间中存在着许多微生物,但又有谁能用眼去发现它们呢?目前,对火星、金星、木星等的探察工作刚刚开始,预言这些星体上不存在任何生命,似乎为时尚早。

随着人类对自然界认识的深化及当代科学技术的飞速发展,人们提出在地球以外的星体上存在生命甚至高度文明社会的问题不足为怪。科学家们为好奇心驱使极力想探明究竟,于是在二十多年前就产生了寻找“地外文明”的想法。

关于在地球以外广大的宇宙中是否有智慧生命的问题,科学家们分成了两大派。一派说,既然我们人类居住的地球是个最普通的行星,那么有智慧的生命就应当广泛地存在于宇宙中;另一派却说,尽管生命可能在宇宙中广为存在,但能使单细胞有机体转变成人的进化过程所需的特定环境出现的可能性是极小的,因此在地球外存在智慧生命就不大可能了。就科学的发展来看,这样的争论是正常的、有益的,而且会推动对“地外文明”探索的进程。

外星人的传闻日益增多,不论男女老幼对此都感兴趣。但是除了我们地球的人类之外,其他星体上到底有无高等智慧生命已成为当代科学的第一大谜。为解开此谜,1987年10月,世界上有69位著名科学家联合发出呼吁,要求对外星智慧生物进行世界性的探索。

宇宙天体之间的大碰撞1994年7月17日,宇宙之中发生了惊天动地的大碰撞,苏梅克一列维9号着星连续撞击木星,使我们体会到宇宙大碰撞的巨大威力。有人说:我们的地球是在渐变和灾变中演化过来的,渐变是缓慢地变化,这应是宇宙中任何星体共有的规律,也是地球自身演化的基本规律。但也有人说,古生物和古地质在短时间发生的巨变现象,却不能用渐变的说教去解释,因为沧海桑田一夜间便发生了;生物灭绝等翻天覆地的变化,又使一些新的物质产生,这对地球而言,虽说是“灾变”,但它的确为地球的新生仓建了另一番天地。

20世纪80年代以来,宇宙天体碰撞学说风行一时,科学家开始相信,在地球历史中所发生的重大事件都与碰撞密切相关,这些事件的爆发造成了地球环境的灾变,从而导致了生物的大规模灭绝。这种灭绝又为生物的进一步进化铺平了道路。

有谁能说出地球遭受多少次灾变,面对被碰撞得遍体鳞伤的地球,人们不禁想起在地球上发生的无数次外星物体的冲撞,为地球留下永远也抹不平的伤痕。虽然岁月已使人们淡忘,但更多的是人们对撞击的思索。

尽管地球上大多数的冲击坑都被自然之手抹平了,或者被海水吞没了,但科学家们还是发现了120多个地球上幸存下来的冲击坑,而且现在每年还在辨认或找出若干新的冲击坑。1905年,美国工程师、企业家巴林格发现的陨石坑,不仅大,而且奇特,坑的直径约1200米,深约180米,边缘高30—40米,接近为四方形,如此巨型陨石坑,就是你绕周边走一圈,至少也得花好几个小时。所以它成了当地旅游观光的好去处。

我们分析它形成的原因是天外来客巴林格陨石冲击地球所造成的。砸出深坑的“大铁块”估计直径达60米,质量约100万吨,在两万年以前以每秒约10千米的速度冲击地球,发生特大爆炸,从而给地球留下至今难愈的“创伤”,类似这样的事例极多,请看如下记录:

南非阿扎尼亚的维列福盆地在南纬27°附近,直径达70千米。调查结果表明,它大约形成于3亿年以前。

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