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    快乐十分任五胆拖复式:第一道光(1)

    《中国科技财富》 2008年12月29日 作者:李杰信

         uman Science



    人文科普·时空隧道



       现代天文学家,大都认为我们目前能看得到的宇宙,应起源于“大霹雳”(The Big Bang)。



       一提到“大霹雳”,马上有人会问,“大霹雳”以前宇宙又是什么样子的呢?这个问题和“我们的宇宙外还有宇宙吗?”相类似。有些宇宙学家还语出惊人,甚至说像我们这样的宇宙可能有10500个,也就是1后面再加500个零。这个数字反正不必要谁拍胸脯负责,姑且听之,小心不被吓死就成。但我们宇宙外的宇宙,看不见,摸不着,不是科学话题,应属哲学范畴,虽然大伙儿侃起来特来劲,但在人类文明毁灭之前,甚至到太阳烧成红巨星之日,恐也难有定论,所以在这篇文章里暂且不谈。



       “大霹雳”之后,我们熟悉的宇宙物理定律现身,电磁波按规矩办事,产生的各类基本粒子各就各位,在暗无天日中,经由重力场上亿年的循循善诱,终能凝聚成形,修成正果,引发核聚变,在某个星系,抢先发出第一道光,逐渐形成了目前璀璨瑰丽的宇宙。



       有人又问,这套物理定律是怎么来的?为什么非就是它不行?不能有别的定律吗?这又是一个好问题。世界上从古至今一直到未来人类灭绝之日,所有的科学家都被您问倒了!唉,人类住在一颗小小的地球上,以有限的智慧,能问出这么伟大的问题,就骄傲一下吧!但我在此打下保票:这个问题永远无解。



       当然,除了宇宙起源之外,人类也想知道生命又是如何起始的?外层空间有生命存在吗?有外星人的文明世界吗?外星人访问过地球吗?这些科学范畴里的问题,人类迟早能得到答案。



       在这篇文章里,我们先讨论一个小小的科学问题:宇宙的“第一道光”发生在什么时候?发生在哪个星系?



       大霹雳



       20世纪初期,爱因斯坦预言,光和物质是一体的两面。日常生活中见得到的东西,大都傻傻地被地心引力牢牢抓住,而光却以每秒30万公里的闪电高速飞行。光和物质的差别有如天上人间,风马牛不相及。而现在,光和物质竟成了铁哥们儿,拥有同样物理特性,玄呀!好,既然光和物质是双胞胎,那物质被万有引力控制,光也应逃脱不了万有引力干系。飞在天上的东西往地下掉,光自然也该朝有重力场的方向弯曲吧?1919年日全蚀时,星光向太阳方向弯曲现像,竟然真的被测量到。爱因斯坦的预言被证实,一夜之间成为人类有史以来最著名的科学家。



       这个物理实验,惊天地,泣鬼神!



       爱因斯坦相对论中光的能量E和物质质量m中间的关系为E=mc2,c为光的速度。一小块东西,如果完全依这个公式转变成能量,将巨大无比,是核能的来源。经由现代粒子加速器中实验证实,光能量,也可称“光子”能量,和物质的质量的互相转换,的确是阳光大道,畅通无阻。



       自此,光子与重力齐飞,能量共物质一色。



       宇宙以强势的“大霹雳”拉开序幕,上台时全身披挂的就是纯纯的至高光子(电磁波)能量。爆炸后就开始膨胀,一膨胀后就开始冷却。冷却后就开始以能量转换物质的E=mc2公式,开始将光能量转化为物质,制造出许多各类粒子和反粒子,如质子和反质子,电子和反电子(正子)等,在此不加细表。时间再往前流,到了“大霹雳”后37.6万年,温度降到绝对温度3000K(开氏温度,Kelvin。水的冰点为273K),电子速度慢到可以让质子以电磁力将其捕捉住,不带电的中性氢原子终于诞生了。



       中性的氢原子现形,宇宙有了基本建材,好戏就要连连上演了。



       空谷回音



       中性氢原子的出现,是我们宇宙演化的一个重要里程碑。在此之前,宇宙空间继续膨胀,温度降低,没用完的光子,和当时充斥空间的各类带电粒子形成的电浆,左碰右撞,有如在泥浆中寸步难行,时而被粒子吸进去,时而又被吐出来。光子在这段期间,像陷入沼泽地般,日子过得相当郁闷。



       中性氢原子出现后,宇宙空间不再带电。而同时更加膨胀的宇宙,空间更大,温度更低,光子已呈强弩之末,变成波长较大的电磁微波,与不带电的氢原子不再有任何瓜葛?;谎灾?,在“大霹雳”后的37.6万年,电磁微波终于和周遭的物质完全切割(decoupling),在清亮透明的环境中,开始不需拐弯抹角地自由畅快游荡。在这个时期荡漾的电磁波,留下空谷回音,竟然被久远以后的人类,在1965年无意听到(图1)。但此时的宇宙,又已多膨胀了137亿年,温度已由3000K降至约2.75K。其实每次打开电视,银幕上的雪花杂讯,有1%是由宇宙大爆炸后所留下的残余电磁波而来。所以“大霹雳”并不是摸不着、看不见的推想,而是有一定科学根据的。



       人类自侦测到“大霹雳”留下的现场证据后,便激起万丈豪情,重手出击,加大资本投入,前后送了好几个卫星上天,上面装着最灵敏的无线电天线,仔细倾听那盘古开宇时微弱的天籁。2008年2月,最新数据出笼(图2)。天文学家据此以及一些其它数据,计算出我们宇宙的年龄为137亿年,约含4%我们熟悉的物质,23%黑暗物质(dark matter)和73%黑暗能量(dark energy)(图3)。在4%熟悉的物质中,我们用最大望远镜所能看到的全宇宙星系,仅占其中的0.4%,其余3.6%是全宇宙的星尘。



       第一道光是由我们熟悉的物质凝聚核变后所发射出来的。在这篇文章中我们不得不牵扯到黑暗物质和黑暗能量。因为,在发出第一道光的星系材料成形之前,我们熟悉的物质本是和黑暗物质纠缠不清地混和在一起的。同时,对人类来说,另外一个重要心理因素就是,我们熟悉的星系物质是我们安身立命的基地,没有比它更重要了,但它在宇宙中占的份量实在太轻飘,我们如果置96%的宇宙于不顾,只谈0.4%的星系部份,对宇宙不够尊重,也没把第一道光的事完整交待,所以在此还是粗略谈谈黑暗物质和黑暗能量的一点来龙去脉。



       黑暗物质和黑暗能量



       因为有些螺旋状星系(图4)外围晕状部位的转速快得离谱,黑暗物质的存在,早在1933年就由瑞士天文物理学家兹维基(Zwicky)首先提出,而当时天文界的反应是姑且听之,仅以“失踪物质”(missing mass)登录在案。40多年过去了,很多观测以后,一位美国年轻的女性天文学家鲁宾(Rubin),以先进的光谱仪更精确地测量出更多螺旋状星系的转速,提出论文,做出斩钉截铁的结论:星系的转速跟我们所知的物理定律不符合!要么宣判牛顿和开普勒的力学错了,要么接受黑暗物质的存在,二者必择其一。在排山倒海的质疑下,鲁宾认死理,牛顿和开普勒的力学错不了,不然卫星上不了天,太阳系行星也无法运行。她坚守科学真理阵地,终于打赢了这场宇宙大论战。黑暗物质的存在抢滩登陆成功。



       爱因斯坦的相对论预测宇宙重力场透镜(gravity lens)的存在,也预测人类肯定永远看不见这类需要上百亿光年距离聚焦的物理现象。他一对一错。爱因斯坦对了,重力场透镜的确存在。爱因斯坦错了,哈勃望远镜上天后,人类已不只有能力一直看到了宇宙137亿光年外的尽头,竟然还观察到重力场透镜现象,不只看到一、两个,而是遍地开花,无所不在(图5)。重力场透镜,由强势黑暗物质的重力场提供,才能将上百亿光年外的星系,在哈勃望远镜焦点上成像。重力场透镜的物理现象,又给黑暗物质的存在提供了一个坚实的佐证。



       至于黑暗能量,从哈勃望远镜得到的数据,天文学家作出结论:宇宙膨胀的速度加快了,并且已经马不停蹄地加速了50亿年。人类所知道的宇宙物质,最终由重力场掌控,“大霹雳”后往外飞散,因星系间重力相吸作用,像马缰被拉紧一样,速度只会越飞越慢,怎么可能又加速起来?加速要踩油门,油门要接到油箱,才能得到能量。宇宙的个头儿和质量都那么大,加速膨胀的能量由哪儿而来呢?天文学家绞尽脑汁,痛苦地找到一种神秘的黑暗能量,并用理论给它规划了一些物理特性。别犹豫,就是它!黑暗能量于是就这么大摇大摆地登上了宇宙的舞台,并且毫不客气地当上了主角。



       黑暗物质和黑暗能量之所以被冠上“黑暗”,主要是它们绝不能发光变亮。发光是电磁波的物理特性,我们熟悉的物质都和电磁波有关。这些物质有些能导电,半导电,或绝缘,高温时燃烧发光,光照上去会反射,有的还有反磁性或顺磁性。总之,我们熟悉的物质对电磁力反应灵敏,电磁基因深植,与电磁世界无法切割。



       而黑暗物质和黑暗能量完全是另外一回事。它们只和重力场交往,与电磁世界生死不相往来。黑中来,暗中去,但干的都是宇宙间惊天动地的大案。不幸的是,现在“大霹雳”理论是以光子(电磁波)为起点,后来凝聚成我们熟悉的电磁和重力性质物质??上衷谖颐敲娑缘木谷皇怯傻绱糯笈ㄔ斐龅囊欢怨痔?,出于电磁而不带电磁基因,青出于蓝而不是蓝,它们到底是怎么孕育出来的?这是当今科学的最大难题,目前无解。



       在我们第一道光的讨论中,牵涉到的仅是黑暗物质,和黑暗能量没有直接瓜葛。



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