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第8章 天体网:黑暗而美丽的宇宙天网(5)

“宇宙网”的研究对天文学有着重要的意义,但至今科学家还没完全弄清楚这些层级结构的起源问题。科学家发展了一套结构形成理论,并在计算机中对宇宙的演化进行模拟,给出了星系团、超团、细丝、薄片以及空洞的演化图景。参见弗里茨·兹威基:《星系与星系边缘》,外语教学与研究出版社,2009。或许许多年以后,科学家能够找到一条理解宇宙之网的捷径。复杂的宇宙之网融合了星系、星系团和超星系团等复杂的局部网络,而星系内部又有类似太阳系的局部恒星系统,恒星系统内部又有行星及其卫星组成的小家族。整个宇宙俨然是一张“巨网”,网罗着宇宙空间的一切。

2.穿梭于星系高速公路网

在科幻小说《银河系漫游指南》中,有这样的描述:外星人为了修建宇宙高速公路,决定摧毁地球这一阻挡工程进展的障碍物。虽然这只是一个幻想的虚构情节,但如今看来,似乎宇宙中真的存在这种类似于高速公路一样的网络“桥梁”。能够穿梭于星系际高速公路是多么美妙的一件事情,能够理解宇宙的架构和起源又是多么令人振奋的事情。美国哈佛大学科学家赛谬尔·阿贝斯曼在研究哈利·贝克的伦敦地铁地图后,绘制了一张银河系的交通图。这张图展示了银河星系各星云和行星之间庞大而又复杂的联系,图中的每条线路都与银河系中的天体相对应,“站点”代表的是星星、星云等天体的相对位置。线路图交错的样子和现实的地铁线路图非常相似。

近些年,科学家试图通过各种努力解开“宇宙网”的神秘面纱,探索“宇宙网”的枝蔓在“天体森林”里四处伸展之谜。加拿大多伦多大学的天文学家霍华德·叶曾说:“对我来说,下个15年天文学和天体物理学中真正激动人心的事情就是认识看到的这张宇宙之网,但目前还无法告诉你,在某个时刻这张网中的某个星系究竟有多大。”美国弗吉尼亚理工学院的谢恩·罗斯教授曾想打造一条条在行星与卫星间蜿蜒前行的低能量通道,能够减少探索太阳系过程中使用的燃料。

现在可以作如下的一个描述:宇宙中应该存在这样一条贯穿星系的“高速公路”,在这条“高速公路”上,星系和星系团都在不断地演化着。“高速公路”连通着整个宇宙星系,构成了一个巨大的宇宙天网。有些星系团产生出新的星体,有些则与其他星系合并。在宇宙高速公路上,星系和星系团不断发生相互作用,彼此不断地运动和变化着,一起在宇宙高速公路上穿梭。

(二)奇幻莫测的宇宙网络演化

宇宙从何而来,归于何处,没有什么问题比宇宙的起源与演化更让人头疼的了。相比于宇宙苍穹,人类是何其的渺小与不起眼。宇宙这张巨网究竟向何处演化,又是谁编织了这样一张巨网贯穿整个宇宙时空……

1.宇宙网的纽带

有这样的一个笑话:有三个僧侣,当佛祖问他们怎么决定自己薪水的时候,第一个僧侣回答说,他会在地上画一条竖线,把人们捐的香火钱扔过去,落在线右边的是佛祖的,落在线左边的是佛祖赐予他的。第二个僧侣回答说,他会在地上画一个圈,把人们捐的香火钱扔过去,落在圈里的是佛祖的,落在圈外的是佛祖赐予他的。第三个僧侣则得意地回答道,前两个人的做法都是对佛祖的亵渎,应该把钱往空中扔,佛祖接到多少算多少,落回地面的是自己的。可见第三个僧侣利用了引力的知识,单凭人类手臂的力量是不能把钱币扔到太空中的。

引力是宇宙万物的凝聚力,宇宙中普遍存在万有引力,引力维系了整个宇宙空间。如果没有引力,行星、恒星以及星系等都无法生存。引力是认识整个宇宙之网的窗口,牛顿发现了万有引力,证明任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引,万有引力定律被认为是17世纪自然科学最伟大的成果之一。而爱因斯坦的相对论证明了时间和空间存在密切的关系,而且还会因为引力发生弯曲现象。挣脱引力束缚需要巨大的宇宙速度,因此宇宙飞船需要达到“第一宇宙速度”才能把人造卫星送到环地轨道。如果把光看成是由一些极微小的粒子组成的,那么在足够多质量的星体上,它的引力足够大,以至于光都难以逃脱,就会形成一个看不见的星球。由于光是宇宙速度的极限,因此就有了“黑洞”的说法。

宇宙中的星体大多靠引力聚集在一起,例如地月系,地球和月亮相互围绕,相互吸引,共同围绕太阳系公转。太阳系则依靠自身强大的约束力使得八大行星和诸多星体尘埃围绕自身运转。而银河系则又是更为庞大的引力聚集地。宇宙中各种星系相互作用,有些恒星成团,有些星系成团。而银河中心存在着一个巨大的黑洞,使得整个银河系围绕银心运转。引力是天体网中最基本的力量,也是星体聚集最主要的因素。整个天体网络中,仿佛每天都在“打架”,各星系、星团、恒星、气体等都在依靠自身的引力吸引其他的天体,从而扩大自己在宇宙网中的势力。科学家常把天体系统也看成宇宙中的一种力量,其本质还是引力,由于天体系统已经聚集了一些星体,随着质量和体积的增加,其引力范围和引力大小都有可能不断膨胀。

总体而言,宇宙网中最根本的聚集力是引力,引力便是这宇宙之网的纽带,引力使得天体聚集在一起形成尺度大小不一的天体系统,各星体各天体系统相互争斗,相互吸引,共同构成了天体网络的基本架构。巨大的引力可能会产生黑洞,强大的黑洞会吞没宇宙的物质,就好像一个墓地,把那些战场上兵败的士兵给掩埋于此。

2.宇宙“网”向何方

关于宇宙网的演化和发展,科学家们也争论不休。这在一定程度上不能责怪人类的科技力量和知识水平,实在是宇宙这张天体网过于复杂,不管是从局部还是从整体都难以研究其发展方向。

宇宙的一切都是那么不可思议,仿佛上帝创造了一切。不过这毕竟是有神论者的异想之词。现在科学家们普遍认同宇宙爆炸学说和宇宙膨胀学说,开启了认识宇宙网演化的一个窗口。1932年勒梅特首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,形成了宇宙。大爆炸的过程异常复杂,在150亿年中先后诞生了星系团、星系、银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等天体系统。从网络理论出发,可以认为这些天体的形成是由更小的节点在引力、质量和距离的共同作用下形成的。由于爆炸时各个碎片的初始速度不同,则在宇宙空间中聚集了不同尺度的天体系统,天体网络也就有了大小之分。1929年,美国天文学家哈勃根据“所有星云都在彼此互相远离,而且离得越远,离去的速度越快”这样一个天文观测结果,得出结论认为:整个宇宙在不断膨胀,星系彼此之间的分离运动也是膨胀的一部分,而不是由于任何斥力的作用。按照这种理论,宇宙网络在不断向外界膨胀,不断地扩大,网络中的空隙必然有新的物质产生。无边无界,无始无终,但却又是有限的。这就是人类所处的宇宙。

在此并不想对宇宙演化学说作任何评判,只是想通过宇宙膨胀学说和宇宙爆炸学说来反观宇宙网络的演化方向。亚力山大·弗里德曼从爱因斯坦的相对论出发,规划了宇宙演化的三种命运:第一种是封闭式模型,当整个宇宙的密度很大时,万有引力也很大,因此星系退行的速度会不断减慢直到星系的退行停止,也就是宇宙的膨胀停止了。这个停止的过程不会很久,使宇宙慢下来的力导致宇宙逆转其进程,就像反着放电影胶片一样,宇宙开始收缩,直到成为一点。第二是开放式模型,在宇宙开始时体积为零,一旦开始膨胀,便不停地膨胀下去,因为宇宙的物质密度不足以提供使它停下的万有引力。第三种是平直式模型,在开始时这种宇宙与封闭式、开放式一样膨胀,此后虽然宇宙也不停地膨胀,但总是在收缩的边缘徘徊。

至于宇宙演化是以上哪一种情况或是更为高级的模式这一问题,就留给科学家们去思考和鉴定吧。但以上学说恰好也验证了一般性网络演化的基本方向,网络一般是由节点通过一定的联系不断聚合产生的,网络可以不断膨胀,但也会缩小,从哪个状态来看网络,完全由观察者主观决定。

宇宙天网是人类所见最大最复杂的网络,其网络结构、组织形式和作用方式等对研究网络有着极其重要的意义。研究天体网关乎人类和地球的生存发展,如何使得地球在这个纷纭复杂却又井然有序的网络中生存,是历史赋予当下的责任。

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