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      多出了星星--对宇宙空间的认识和理解       
    多出了星星--对宇宙空间的认识和理解
    [ 作者:赵戴维    转贴自:飞碟探索    点击数:3434    文章录入:云中子

        不时有许多流星划过寂静的星空,天空中多出许多在台湾看不到的星星。面对浩瀚的星空,特别在那银河中看得到的微弱小星星及看不到的之间,还有更多、更远的星系。科学家们说那些是另外的许多个银河,我不禁让我的思想飙到那些银河里去了。我有许多问题:难道只因为南方纬度低而看不到天空中多出的星星吗?这宇宙究竟有多大呢?真的一直这样大吗?是否还有其他宇宙呢?这宇宙是否有开始呢?若有,是何时出现的呢?是怎么开始的呢?其他星球上是否有生命呢?宇宙中是否有超级智慧的出现呢?是什么力量维系着这个宇宙呢?
      在我读高中的时候就非常喜欢科学,那时我常在图书馆看书。有一次我查到一本中文名叫《膀臂与拳头》的书,看起来应该是军事、武器或体育运动方面的书。我很有兴趣,借出来打开一看,书本里每一页都是黑的。原来那是教你利用膀臂与拳头,观察全年不同季节中每一夜的星空如何变化。从那时候起,晚上我就常常爬到我家屋顶上,我迷上了看星星。人类最初的科学,也是从看着每晚出现的星星,发现它们有一定规律性而开始。直到今天,人类不断地探索宇宙,发现更多的规律性,利用这些规律性,如惯性定律及万有引力定律,人类又更进一步地探索宇宙。
      
      由万有引力到探索宇宙
      
      我刚才问的最后一个问题是:“到底是什么力量维系这个宇宙于不坠呢?”但是这种问法太“自大”了,把人类自我本位的意识形态表达出来。根据万有引力定律,最客观的说法应该是大、小星球互相吸引;较不客观的说法是小星球被大星球吸引,像彗星或陨石一样坠落在大星球上;最不客观的说法就是:“是什么力量叫这些星星不坠下来?”其实,被我们所称呼为小星星的,绝大多数是远远比我们太阳还要大得多的恒星。满天都是小星星,我们却根本没有资格叫那些小星星坠落在地球上,我们整个太阳系不坠到别的恒星系统中,化为一道道瞬间即逝的流星雨给别人看就已经很不错了。当人类用自己的角度去看宇宙的时候,就无可避免地会把人类自我本位的意识形态表达出来。
      万有引力是牛顿发现的。牛顿的万有引力定律,可用在两个质量分别为sub>1及M2的物体上,如果这两个物体的距离是d,这个万有引力F可以写成:
      F=G(M1×M2)/d2
      其中G就是万有引力常数。这个公式指出了两个物体之间的吸引力和两个物体的质量成正比,而与它们之间距离的平方成反比。
      月球为何不会掉在地上呢?牛顿解释说:如果你在一个高山上,把石子朝着水平方向扔出去,地面如果是平的,不管你扔多远,石子总要掉落到地面上。但地表并不是平面,而是一个球形的曲面,因此当投出石子力量小的时候,石子还是会掉回地面;当抛掷力量够大的时候,虽然石子仍然是一直往下掉,但同时地面也一直在它前面弯下去。只要石子往下掉的轨迹和地面弯下去的曲度配合,那么石子永远不会掉回地面,而是绕着地球转圈子,这便是所谓的绕地轨道。
      
      一条看不见的轨道
      
      在宇宙中有许多的轨道,我们先由人造卫星的轨道说起。记得我小的时候,人造卫星是非常少见的,报纸上还会公布某颗人造卫星在几点几分朝什么方向可以看到,到了晚上我真的会在天空中找那颗人造卫星。当时人造卫星的轨道不高、移动速度快,很容易和一般的星星区别,只是不要和飞机搞混,否则看卫星就变成看飞机了。现在人造卫星满天飞,但多为不容易辨识的高轨道同步卫星。这些卫星有军事用、通信用、气象用、资源探测用和广播电视用的,你现在收看、收听的节目,多半就是人造卫星转播的。但是还有一些早就报废,成了太空垃圾,却还能一直在轨道上继续“绕着地球跑”。
      现代人的生活虽然和人造卫星关系越来越密切,但一般人还是不了解人造卫星。我可以解释人造卫星的运作原理,一点都不难。人造卫星是用火箭载具送到太空轨道中的,火箭升空到达一定高度及轨道速度时把卫星放出,那颗卫星就会乖乖地在轨道上一直“绕着地球跑”,不需要任何的燃料。不用燃料怎么运行呢?答案就在万有引力定律及惯性定律。惯性定律是牛顿第一定律,简单地说就是“在没有外力的作用之下,动者恒动、静者恒静”。
      开车如果不继续踩油门,汽车会渐渐慢下来,因为开车时重力(即万有引力)一直在作用,又因为汽车与空气、车轮与路面产生的摩擦力使车子变慢。这重力、摩擦力就是外力的作用。在太空中的人造卫星,除了有极小的空气阻力外,几乎没有什么摩擦力,但地球的重力却一直在牵制它,这重力使卫星维持在轨道上运行。卫星在轨道上运行和我们在公路上开车不同,如果速度突然增快,在轨道上运转的物体会升到更高的轨道上,以比原来更慢的速度绕圈子,不会留在同一条轨道上。在高速公路上,你可以尽量加速而维持在同一条路面上,直到被交通警察逮到为止,但在太空中随便加速,会改变原来运行的轨道。
      这种现象很特别,NASA在前一阵子发射航天飞机与俄罗斯的太空站会合,如果航天飞机驾驶员不了解轨道物理就麻烦了。假如太空站和航天飞机在同一轨道上运行,太空站在前方30千水处,而你是航天飞机的驾驶员,你如何和太空站会合?如果你在陆地开车,既然在同一轨道,只要加速就接上了,但在太空中你一加速,航天飞机就升到高轨道中,一到高轨道航天飞机会以更慢速度运行,结果你就离太空站越来越远。那么正确的操作方法是什么呢?首先你应该减速,使航天飞机降低到较低的轨道上。根据轨道力学,低轨道的运转快,你就会发现航天飞机和太空站的距离越来越近,虽然太空站是在你上方轨道中,你只要在最后阶段稍一加速就接上了。好玩吗?宇宙中星球虽然多,却不是满天乱飞的,在宇宙中所有星球都有一定的运行轨道、速度及方向。了解轨道运作的原理之后。你现在可以进一步探索宇宙了。宇宙是什么?
      “上下四方日宇,古往今来日宙”,所以宇宙就是空间与时间的组合。中国古代的思想家很早就已经把时空观念联系起来,他们称宇宙是时空的组合,非常符合现代物理学家的看法。20世纪爱因斯坦发表相对论之后,才把时空统一起来,提出四维时空的理论,把三度的空间与第四度的时间统一,用四维空间观念,来表明一个“运行中的宇宙”。
      
      宇宙的大小
      
      对一个人来说,地球已经是非常大了,但在宇宙中,地球只不过是太阳系里面的一个普通的行星而已。如果太阳是一个空心的球体,那么它可以装130万个地球,而我们的太阳只不过是银河系中一个最普通的中小型 恒星,许多别的恒星都比太阳不知大多少倍。
      地球与太阳平均的距离是1.5亿千米,这个距离被定为一个天文单位(astronomy unit,AU)。一架波音747的喷气客机以全速飞行,从地球到太阳大约需要20年,来回一趟就需要40年(当然飞机在太空中飞行是不可能的,太空中缺乏燃料燃烧时所需要的氧)。太阳系中离太阳最远的是冥王星,距离太阳约40AU,以全速前进的波音747不停地直飞,来回一趟要1600年之久,16个世纪。
      在晴朗的夜晚,银河特别灿烂时看天上那些发光的星球,除了几颗太阳系里的行星之外,其他全都是太阳系之外的恒星。太阳是银河系1000亿颗会发光的恒星中最平凡的一颗,如果要数数看银河系中究竟有多少颗恒星,每秒数一颗,从孔子的时代数起,到今天都还数不到一半。
      光的速度每秒是30万千米。光在一年里大约走过10万亿千米的距离,这距离称为光年。恒星与恒星之间的距离实在太大,在天文学上计算天体问的距离,已经不能再用千米为单位了,因此使用光年为单位。
      光从太阳走到地球,一个天文单位大约要8分钟。到最接近太阳系的恒星,半人马座,大约是4.3光年,半人马座其实是三颗受引力吸引而互相绕行的多星系统。在20光年距离的范围内,太阳系共有20个最近的“邻居”恒星系统。银河系直径大约10万光年,厚度大约1万光年,其中最古老的恒星,年龄约100亿一150亿年,由此可知我们银河系的庞大与悠久。
      但宇宙中并非只有一个银河系,我们的银河系只是1920年以前人类所认识的宇宙范围。除了我们太阳系所在的银河系之外,目前已经发现了10亿个银河系的恒星系统,称为河外星系。与我们最接近的一个河外星系,叫做仙女座星系,距离地球大约有200万光年。这些河外星系正以极大的速度离我们远去,也就是说,宇宙还在不断地扩张之中。
      银河系和所有已发现的河外星系统称为总星系,那是我们已知宇宙的大小。目前最大的无线电望远镜,能观测到100亿光年以外的天体,但还没有到达宇宙的边缘。科学家相信,宇宙间还有无数个如此庞大的天体系统。除了我们这个银河系之外,银河深处有许多银河系叫我们着迷。幻想一下,小叮当使用时光隧道、飞行屋或任意门,发现一个新的天体系统,甚至一个新的宇宙吧。
      
      宇宙的起源
      
      天文学家认为距今160亿一150亿年前,有一次大爆炸产生了宇宙,表示宇宙有一个开始。目前至少有两项重要事实指出宇宙有个开始的起点。
      热力学第二定律是19世纪最伟大的科学发现之一,说明在自然状况下,任何系统均会趋向最大的乱度,并趋向最低的能量,即一个封闭系统中的状态。系统会是逐渐倾向于无秩序、越来越凭概率、越来越随机,乱度只会不断增加,有规律而可用的能量则不断减少。
      现在的宇宙系统并不是处于完全混乱无条理的状态。宇宙的密度、温度、成分,其实都处于非常特定的不均匀状态,有大量的能量可资运用。若不是日益混乱的过程在时间上是有限的,就是宇宙的大小是无限的。但宇宙并非无限大,如果宇宙存在的年月是可推算的,则宇宙必有一个开始,这开始是个有条理的过程或事件,和我们现在观察到的过程有所不同。
      哈勃发现从遥远星系传来的星光会显现出红位移,越远则越大。他推算距离时假设:越微小、越模糊的星系越遥远。到目前为止,关于红位移唯一合理的解释是“多普勒摆动”,指出远方星系正以一定的速度,一直离我们远去。这结论就是说:宇宙正在不断地膨胀中,远方星系是渐离渐远。
      1915年,爱因斯坦发表广义相对论,宇宙并非静止不动,也不是永恒的,宇宙有一个开始,始于很久以前的远古,但这远古却非无限远。设定一段距离和时间就可以计算出时光的流动,但以此计算星系间的距离还有些误差,且速度随时间递减,因此宇宙膨胀开始的时间,只能粗略估计在100亿~200亿年之间。
      还有其他证据告诉我们宇宙的年龄,星团各有自己的年龄,有的100亿年,有的不到。利用地壳中铅的放射性同位素含量分析,地球年龄约是46亿年,而太阳年龄约是50亿年。计算木星的冷却率,推算约有45亿年之久。在太阳系中,每个行星的固体表面都有撞击口,显示出漫长而复杂的碰撞期至少已进行了数十亿年。地球岩层显示长期以来的侵蚀至少有数十亿年之久。宇宙在空间、时间上并非无限,我们若看见距我们1亿光年的星星,这星光旅行了1亿年才到我们这儿。若有任何星系现在毁灭了或不发光了,我们要等到另外1亿年之后才会知道。星星的种类很多,有些是从一团不断压缩的气,经过几十亿年渐渐形成的。星系彼此不断碰撞、结合,过程耗时10亿年之久。
      宇宙始于一两百亿年前,是个很重要的结论。唯物论最早所谓“物质和能量的存在是永恒的”,并没有科学根据,与我们所观察到的事实相违背。
      
      圣经与宇宙
      
      宇宙的浩大出乎人的想象,放在广阔的宇宙中一比,地球不过是一颗微小的沙粒。人的生命短暂,放在恒长的宇宙时空中衡量,人类历史实在短暂,但在人类历史中却有不少自大的人。《诗篇》第8篇说:“我观看你指头造的天和你所陈设的月亮星宿,便说人算什么你竟顾念他?世人算什么你竟眷顾他?”
      《圣经》虽然不是为科学写的,但却是我们建立正确宇宙观、人生观最重要的一本书。《诗篇》19篇说上帝给人两本书:一本写在大自然里,就是上帝对人的一般启示;另一本就是《圣经》,那是神对人的特殊启示。
      科学有其局限,目前科学还无法解释宇宙的起因,但《创世纪》开宗明义说:“起初上帝创造天地。”当科学家还在研究宇宙是何时开始的时候,《圣经》已经告诉我们是谁创造的了。《创世纪》说起初上帝创造天地,那“起初”是后面的那六天吗?还是在《圣经》所记载的“第一日”以前?创造的那六天,每天是24小时吗?这几十亿、几百亿年的宇宙是否与《圣经》冲突呢?有人以为《圣经·创世纪》似乎说,神在不到1万年前,花了六天,每天24小时,创造了整个宇宙。《圣经》如果真的这样说,那么在科学与《圣经》之间的确是有冲突的。
      由大爆炸产生宇宙,表示宇宙不是自有永有,而是有一个开始。我不认为《圣经》告诉我们,在多久以前上帝造了天地,是在最初的那六天呢?还是在那“头一日”以前呢?那六天的“天”是24小时的“天”呢?还是一段漫长的岁月呢?有的问题就是在基督徒中间也有不同的看法。科学肯定了宇宙有个开始,《圣经》说明了有一个起初。
      宇宙如此浩瀚又有秩序,难道是巧合吗?若说是巧合,那就是无神论者所说的,“宇宙纯粹是用碰撞原理形成的”,即“用乱度产生秩序”。我不认为唯物论说“物质和能量的存在是永恒的”正确,我更不认为无神论说“宇宙是由碰撞形成的”正确,那是不负责任、也不合科学的说法。
      宇宙的存在是不可否认的事实,但宇宙靠什么存在?什么力量维系它的存在?宇宙又为什么而存在?科学没办法回答这些问题,科学也没有给我们任何理由怀疑神的创造。我们所生存的这个太阳一地球一月球系统有许多特性,而且使我们得以存活的特性,例如:地球表面的温度、重力、一天的长度、一年的长度、地轴的倾斜度、月球的引力、周期、大气的质量、成分、地表的成分、陆地及水域的分布。至少有30种特性是绝对不允许出差错的,否则我们就不可能存活。这30种特性同时发生的几率非常小。因此,想要在宇宙中找到适宜生存的星球并不太容易。我认为宇宙不是由碰撞偶然形成的,而是经过极有智能的创造者设计的。宇宙的存在经过特别的设计,这精密的设计显示有一位上帝,就是造物主,其设计这个宇宙也有目的。
      我相信宇宙是由一位创造者的创造而开始的,宇宙星系都靠它的维系而运行在轨道上。假如这是真的,知道谁是这位创造者,以及它为何创造了包括你、我的这个宇宙,对你而言就非常重要了。因为在这浩瀚的宇宙中,渺小的你、我的独特性竟然是唯一的,许多发生在你身上的事情,是绝不可能发生在任何别人身上的。那么,你的存在也是有意义的,而且是有独特意义的。
      和宇宙的广阔相比,人是何等渺小,在这恒久的宇宙中,人的寿命是何等微不足道。《罗马书》第一章中说:“神的事情,人所能知道的,显明在人心里,因为神已经给他们显明。自从造天地以来,神的永能和神性,是明明可知的。虽是眼不能见,但借着所造之物就可以晓得,叫人无可推诿。”

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