果壳里的60年/宇宙系列/第一推动

作者简介

史蒂芬·霍金（Stephen W.Hawing），出生于伽利略逝世的周年纪念日，英国理论物理学家，《时间简史》、《果壳中的宇宙》的作者，被尊崇为继爱因斯坦以来最杰出的理论物理学家。

内容简介

大尺度结构的起源 人们有时惊讶，我们的宇宙怎么从一个未形的火 球开始，生出今天那么纷纭的万千事物？这似乎背离 了物理学的一个神圣原理——热力学第二定律。不过 ，结构的生成实际上是引力作用的自然结果。原来， 膨胀的宇宙对结构生成来说是不稳定的：如果某个区 域的初始密度比周围大一点儿，它会更加减缓膨胀的 速度，从而使密度差别更大。这样，原来致密的区域 就演化为一团聚集的物质，然后孕育出我们今天看到 的结构。 如今理论家们可以在计算机上跟踪虚拟的宇宙演 化。这些结果最好是看电影，不过我还是在这个文本 里展示了几张“剧照”。模拟说明了引力是如何慢慢 将物质吸引在一起的。早期宇宙的结构，看起来就像 丝线交错的一个巨大的蛛网。气体云和亿万颗恒星沿 着丝线收缩，成为原始的星系。决定这些复杂模式的 ，除了引力，还有流体动力学的定律。在丝线交错的 地方，星系聚集成星系团。这些高密度的星系团区域 包藏着高热的气体；而宇宙的低密度区域则在膨胀、 冷却。星系形成的过程经历了几十亿年。随着宇宙不 断演化，星系团也形成了。 星系有时会发生碰撞。当两个螺旋星系被它们的 相互引力拉拢时，可能会猛烈地撞在一起。巨大的冲 击在气体中激起强大的激波，而恒星几乎可以没有碰 撞地穿过，因为它们之间存在着巨大的距离。巨大的 气体云在波前浓缩，爆发强烈的辐射，形成新的恒星 。引力的潮汐力从星系拉出恒星，划过长长的一缕云 烟。当两个星系核靠近，发生第二次碰撞时，便生成 一个单独的庞大结构。我们的故乡银河系，还有我们 那个芳邻仙女星系，可能都会遭遇那样的命运，不过 那是几十亿年以后的事情了。 从几乎没有结构的火球演化为今天的世界，从冰 冷的3度的夜空到炽热的千万度的恒星表面，都不存 在热力学疑难。引力放大了线性密度的差异，当引力 将气体云聚集在一起，使中心变得更加炽热，恒星也 最终在那里生成。 宇宙的命运 现在我们向前看——不找化石了，来学做预言家 。在银河系与仙女星系的大碰撞中，恒星将幸存下来 ，不过我们的太阳却将在70亿年后膨胀，在抛洒它的 外层云烟之前，吞没所有的行星，蒸发地球上的一切 生命残余。然后，它死一般地沉寂下来，成为一颗白 矮星。那么，整个宇宙呢？它最终会停止膨胀吗？它 会坍塌收缩吗？假如它继续膨胀，速度会慢下来吗？ 或者，它会在膨胀中加速吗？这些问题的答案，依赖 于引力能使膨胀的步伐慢多少。简单计算说明，假如 每立方米空间的平均原子数大于5，那么宇宙膨胀就 会发生逆转。5个原子听起来似乎不多，但如果所有 星系都粉碎了，把物质均匀分散到整个空间，也比它 还空——每立方米只有0．2个原子——仿佛一朵雪花 落在地球。这比所谓的临界密度小25倍，乍看起来， 它似乎意味着宇宙有无限的空间永远膨胀下去。 可事情没那么简单，还有一个著名的暗物质的疑 难。天文学家发现，星系和星系团将相互飞离，除非 吸引它们的引力作用比我们实际看到的强大5倍。暗 物质的存在有许多证据——我只给大家讲一个。 图（省略）是距离我们10亿光年的一个星系团— —较明亮的那些星系都属于这个集团。但我们也看到 了许多暗淡的条纹和圆弧——它们是比那个星系团还 远若干倍的更远的星系。它们显现成这样的图像，是 通过扭曲的透镜看到的。平常，我们通过粗糙的透镜 ，会看到墙纸上规则的花样被扭曲了；同样，根据爱 因斯坦的预言，穿过或接近星系团的光线会发生偏转 ，从而扭曲遥远星系的图像。但是，假如星系团除了 我们看见的星系外没有别的东西，我们怎么也不可能 想象显现在这些弧线的巨大偏转和扭曲。所以，这个 事实证明了那些星系团所包藏的物质，比我们看见的 多5～10倍。P82－86