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第145章 暗物質和虛空

華楓清楚脈衝星靠消耗自轉能而彌補輻射出去的能量,因而自轉會逐漸放慢。

但是這種變慢非常緩慢,以致於信號週期的精確度能夠超過原子鐘。而從脈衝星的週期就可以推測出其年齡的大小,週期越短的脈衝星越年輕。脈衝星的特徵除高速自轉外,還具有極強的磁場,電子從磁極射出,輻射具有很強的方向性。

由於脈衝星的自轉軸和它的磁軸不重合,在自轉中,當輻射向著觀測者時,觀測者就接收到了脈衝。脈衝星就是快速自轉的中子星。

中子星,是超大質量恆星爆炸形成超新星時殘留的內核,它是密度非常高的天體,相當於將太陽的質量裝入一個直徑僅有20千米的球體內。

中子星能夠每秒旋轉數百次,由於超強的引力作用和旋轉速度,中子星可在時空中形成較大的“漣漪”,但如果其表面包含隆起或其他瑕疵,時空中出現的“漣漪”將出現不均勻性。中子星的表面被認爲是由富含中子微粒的結晶層,是一種固體堅硬的外層。中子星表面的原子排列地比鋼鐵更加緊密,其強度是鋼鐵斷點的100億倍。

堅硬的表面意味著中子星能夠支撐大量的表面隆起地形——“山脈”,可能在中子星表面能夠支撐一些10釐米高的地形隆起,延伸至幾公里之外。研究認爲黃金和其他重金屬元素可能來自於中子星碰撞的大爆炸。

夸克星,是一種假設的星體。恆星爆發之後會留下遺骸,一顆中子星或者一個黑洞。但如果這個遺骸比上質量太小無法成爲黑洞,比下質量太大無法形成中子星,則形成夸克星。雖然還沒有被觀測到,但天文學家們相信它們應該是存在的。夸克星其實是由奇異夸克物質所組成的,所以它們還被稱爲奇異星。

黑洞,一種特別緻密的暗天體。大質量恆星在其演化末期發生塌縮,其物質特別緻密,它有一個稱爲“視界”的封閉邊界,黑洞中隱匿著巨大的引力場,因引力場特別強以至於包括光子(即組成光的微粒,速度c=3*10^8m/s)在內的任何物質只能進去而無法逃脫。

黑洞的產生過程類似於中子星的產生過程;恆星的核心在自身重量的作用下迅速地收縮,發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止,被壓縮成一個密實的星球。但在黑洞情況下,由於恆星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去,中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾爲粉末,剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。

黑洞的最特別之處在於它的“隱身術”,原因是彎曲的空間。光是沿直線傳播的。根據廣義相對論,空間會在引力場作用下彎曲。形象地理解,好像光本來是要走直線的,只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。

在地球上,由於引力場作用很小,這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍,空間的這種變形非常大。這樣,即使是被黑洞擋著的恆星發出的光,雖然有一部分會落入黑洞中消失,可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。

所以,我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的隱身術。黑洞會發出耀眼的光芒,體積會縮小,甚至會爆炸。當英國物理學家斯蒂芬·威廉·霍金於1974年做此預言時,整個科學界爲之震動。他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量,同時消耗黑洞的能量和質量。

如果在黑洞附近創生一對正負粒子,其中一個粒子被吸入黑洞,那麼創生的反粒子會被吸入黑洞,而正粒子會逃逸,由於能量不能憑空創生,我們設反粒子攜帶負能量,一個反粒子被吸入黑洞可視爲一個正粒子攜帶正能量從黑洞逃逸。而愛因斯坦的公式E=mc^2表明,能量的損失會導致質量的損失。

當黑洞的質量越來越小時,它的溫度會越來越高。這樣,當黑洞損失質量時,它的溫度和發射率增加,因而它的質量損失得更快。因此霍金預測黑洞以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸。

1917年,A.阿爾伯特·愛因斯坦運用廣義相對論建立了一個“靜態、無限、無界”的宇宙模型,奠定了現代宇宙學的基礎。

1922年,G.D.弗裡德曼發現,根據愛因斯坦的場方程,宇宙也可以是膨脹的和振盪的。

1927年,G.勒梅特提出了真正意義的膨脹宇宙模型。1929年,哈勃發現了星系紅移與它的距離成正比,建立了著名的哈勃定律。這一發現是對膨脹宇宙模型的有力支持。

20世紀中葉,G.伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙模型。1965年微波背景輻射的發現證實了伽莫夫等人的預言。大爆炸宇宙模型成爲標準宇宙模型。

1980年,美國的阿蘭·古斯在熱大爆炸宇宙模型的基礎上又進一步提出了大爆炸前期暴漲宇宙模型,隨後由安德烈·林德進行了修訂。

該模型包括一個短暫的(指數的)快速膨脹,這個過程抹平時空而使宇宙平坦,解決了視界問題。他提出:在宇宙誕生最初的時刻,時空發生過一次急速膨脹的過程,宇宙大爆炸之後的一瞬間,時空在不到10-34秒的時間裡迅速膨脹了10^78倍。

歷史中的電腦演化模型:

2014年5月,科學家制作出最爲成功的宇宙演化的電腦模型,模擬宇宙以暗物質爲起點誕生並演化的過程。

本次建立的電腦模型和真實的宇宙驚人得相似。這個電腦模型可用於測試有關宇宙構造和運轉原理的理論。有關科研成果已經在《自然》雜誌上發表。

電腦模型最初展示了虛空狀態下分散在各處神秘的“暗物質”。幾百萬年過去了,暗物質集中起來,爲早期星系的產生埋下種子。反暗物質隨之出現,纔有了將來的星球和生命。黑洞也在模型中佔有一席之地。它們吸入並吐出物質,產生一系列爆炸,影響星球的形成。

研究人員馬克·福格爾斯貝格爾表示,模型印證了暗物質等諸多宇宙學理論。他說:“在模擬中,很多星系都和現實宇宙中的星系非常相似。這意味著我們對宇宙基本運轉原理的認知是正確的、完整的。如果你不把暗物質算進去,它看著都不怎麼像真正的宇宙。”

現代宇宙學的先驅是霍金。霍金:“宇宙創造過程中,“上帝”沒有位置。沒有必要藉助“上帝”來爲宇宙按下啓動鍵。”

霍金推崇利用數學和物理手段尋找一個大一統理論,並且證明“宇宙不是偶然誕生的,不需要上帝”,“宇宙的數學模型是有限無界”。

霍金在演講中說道:

“然而,人們在過去幾年發現,科學定律甚至在宇宙的開端也是成立的。在那種情形下,宇宙可以是自足的,並由科學定律所完全確定。哈特爾和我所做的設想可以被重新表達成:宇宙的邊界條件是它沒有邊界。”

宇宙的創生:

爆炸之初,物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之後的不斷膨脹,導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻,逐步形成原子、原子核、分子,並複合成爲通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星雲,星雲進一步形成各種各樣的恆星和星系,最終形成我們如今所看到的宇宙。

暴漲模型允許宇宙的物質和能量從無中產生。大統一理論認爲,重子數允許不守恆,而宇宙中的引力能可粗略地說是負的,並精確地抵消非引力能,總能量爲零,因此宇宙從無中演化是可能的。

“無”並非是絕對的虛無,真空能恰恰是一種特殊的物質和能量形式。如果進一步說真空能起源於“無”,那麼這個“無”也只能是一種未知的物質和能量形式。從現代物理學的觀點看,真空也可視爲物質。

宇宙不論多麼巨大,作爲一個有限的物質體系,也有其產生、發展和滅亡的歷史。暴漲模型認爲宇宙中的物質與能量形式不是永恆的,把“無”作爲一種未知的物質和能量形式,在認識論和方**上有一定意義。

現代宇宙學不是晦澀無用的哲學思辯,而是建立在天文觀測、數學模型、物理實驗基礎上的現代科學,完全有能力認知宇宙的奧秘。天文學家們指出,大爆炸必然會發生,原因是“虛空”本質上是不穩定的,可以從量子力學和廣義相對論中推導出來。在量子力學的尺度,空間將不穩定,不再顯示平滑和連續,空間和時間失去穩定性,混雜形成時空的泡沫,微小的時空泡可以自發形成。量子化的時空產生漲落,宇宙產生於“虛空”。

對於這些理論上的東西,華楓心裡自有自己的理解,眼下他要考慮的不是這麼宏觀的東西,而是迫在眉睫的“末日浩劫”。

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