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如果宇宙物质密度小于某一临界密度(根据现有的对膨胀速率的观测,临界密度约为 5×10-30 克/厘米3),将没有足够的引力阻止膨胀,宇宙膨胀永无止境,这一情形下,我们称宇宙的膨胀是开放的(开宇宙);如果宇宙物质密度>临界密度,巨大的引力会使得膨胀最终停止并接下来收缩,在这一情形下称宇宙的膨胀是封闭的(闭宇宙)。
由于目前为止还不能在宇宙的两种可能结局间作出判断,我们不妨都看一看:
a) 开宇宙(可能性比较大些)
随着恒星不断从气体中诞生,气体越来越少,直至无法再形成新的恒星。
1014年后,恒星全部失去光辉,宇宙变暗,星系核处黑洞不断变大。
1017-1018年后,只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星。恒星中质子开始变得不稳定。
1024年后,质子开始衰变成光子和各种轻子。
1032年后,衰变过程结束,宇宙中只剩下光子、轻子和大黑洞。
10100年后,黑洞完全蒸发,可称为世界末日。
b) 闭宇宙
膨胀停止的早晚取决于宇宙物质密度的大小。
假设物质密度是临界密度的2倍,这膨胀过程经过约500亿年后停止,宇宙半径比现在大一倍。
一旦自引力占上风,宇宙开始收缩,收缩过程几乎正好是膨胀过程的反演,1000亿年后重新回复到大爆炸发生时的极高密度和极高温度状态。且收缩过程越来越块,最后称为"大暴缩".
闭宇宙的结局似乎比开宇宙差得多,但我们不必杞人忧天。
宇宙没有中心没有边,不管它是有限的还是无限的;宇宙在时间上有一个开端,有没终结则要看其密度而定。
现代天文学面临的问题
奥伯斯佯缪
德国天文学家奥伯斯1826年指出,静止、均匀、无限的宇宙模型会导致一个重大矛盾,即无论从哪一个方向观看天空,视线都会碰到一个星星,因而整个天空就要亮得象太阳一样,实际上夜空却是黑的。
理论和观测之间的这种矛盾就叫做奥伯斯佯缪。即使天体之间有吸光物质,这个矛盾也仍然存在。有些人从天体非均匀分布,天体寿命有限的效应或演化效应来解释;也有人通过假设引力常数随距离的增加而减少到零来解释。
对于奥伯斯佯缪,现在一般都倾向于从膨胀宇宙模型来解释。这个矛盾是从观测和理论相联系的角度考虑宇宙的大尺度性质时提出来的,它标志着科学的宇宙学的萌芽。
找反物质
根据粒子物理理论,大爆炸时应产生同样数量的物质和反物质。现在,我们已经知道,组成我们周围世界的是物质,物质的原子核是由质子和中子组成的,它们都带正电。那么,从理论上说,组成反物质的原子核就是由反质子和反中子组成, 它们是带负电荷的。而现在所有的实验都还没有观察到这种现象。
对于在宇宙在找不到反物质的现象,几十年前,就有科学家大胆设想, 如果宇宙中的正电子和负电子完全对称,那么,因为地球由带正电的电子和质子组成, 那么就可能另外存在一个主要是由反电子和反质子所组成的星球。
暗物质
用动力学方法测量星系的质量,发现与光有关的质量对宇宙临界密度的贡献仅小于1%,这表明暗物质是宇宙质量密度的主要成份。确实是有形式多样的重子物质是不发光的,例如,木星,白矮星、中子星、黑洞等,但目前认为这些不是暗物质的主要成分,一些粒子物理学家已宣称,中微子的静止质量不可能等于0,如电子中微子的静止质量为6×10-32g.80年代兴起的超对称、超引力等理论预言了很多新粒子,它们都不是重子。人们将又这些粒子组成的暗物质按其质量大小分成三种不同类型。取其典型质量为10ev、1kev和1Gev并分别称为热暗物质、温暗物质和冷暗物质。
类星体
二十世纪六十年代天文学家发现了一种特殊的天体。它们在普通的光学观测中只是一个类似恒星的光点;而在分光观测中,它们的谱线具有很大的红移,又不像恒星。从天体的红移量可以得到天体远离我们而去的速度和它们与我们的距离。类星体是人类迄今为止观测到的最遥远的天体,大都距地球一百亿光年以上。然而令人惊讶的是,类星体的直径只有普通星系的十万分之一到百万分之一,还不到一个光年,体积类似太阳。尽管个子如此的矮小,可它释放出来的能量却相当于二百个星系,或二十万个太阳的能量总和。有的人怀疑它的红移是否满足业己确立多年的哈勃定律。总而言之,对类星体的研究已构成了对近代物理学的挑战,而问题的解决,有可能使我们对自然规律的认识向前跨一大步。
能否穿越虫洞
60多年前,爱因斯坦提出了“虫洞”理论。那么,“虫洞”是什么呢?简单地说,“虫洞”是宇宙中的隧道,它能扭曲空间,可以让原本相隔亿万公里的地方近在咫尺。
早在20世纪50年代,已有科学家对“虫洞”作过研究,由于当时历史条件所限,一些物理学家认为,理论上也许可以使用“虫洞”,但“虫洞”的引力过大,会毁灭所有进入的东西,因此不可能用在宇宙航行上。
随着科学技术的发展,新的研究发现,“虫洞”的超强力场可以通过“负质量”来中和,达到稳定“虫洞”能量场的作用。科学家认为,相对于产生能量的“正物质”,“反物质”也拥有“负质量”,可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样,“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过,目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界,并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。
据美国华盛顿大学物理系研究人员的计算,“负质量”可以用来控制“虫洞”。他们指出,“负质量”能扩大原本细小的“虫洞”,使它们足以让太空飞船穿过。他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣,许多国家已考虑拨款资助“虫洞”研究,希望“虫洞”能实际用在太空航行上。 |
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