书城科普读物管窥宇宙环境(科学新知丛书)
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第13章 宇宙中的不解之谜(3)

1993年,日本和美国联合研制的“宇宙与天体物理高级观测卫星”(X射线观测卫星)被发射到地球上空的轨道上。经过几年的追踪观测,美国国家航空和航天局的一个研究小组的科学家,终于在1999年的夏季,抓住了一个超大黑洞吞食周围天体的可见的证据。在下图中,我们可以清晰地看到一个高速旋转的“圆盘”,它就是研究黑洞的科学家在理论上预言的“吸积盘”。

所谓的吸积盘,就是被黑洞的强大引力吸进黑洞的天体物质,在进入黑洞的视界之前,会以极高的速度围绕黑洞作旋转运动,同时释放出能量。因此,我们所观察到的吸积盘的物质,在极高的能量的作用下,已经完全成为气态。它们不断地向宇宙空间发射出以X射线为主的能量。这也可以说是可见宇宙的物质,在走向不可见的“彼岸世界”时,告别的“余热”罢。

一个黑洞附近的吸积盘

照片中的这个其大无比的吸积盘,是研究小组在美国马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心,通过1993年发射的宇宙与天体物理高级观测卫星拍摄到的。科学家保罗和他的同事们介绍说,这个吸积盘位于星系-NGC3516的核心区域。在吸积盘的中心点处,有一个超大黑洞。科学家估计,这个超大黑洞的质量在100万至10亿个太阳系质量之间。对吸积盘的旋转速度的测定表明:物质到达中心区域,即进入黑洞的视界之前,其速度已经高达每小时1000万千米以上。就是说,对于我们来说,可见的物质的告别速度大约是每秒3000千米左右。

这个超大黑洞的内部是什么样的,我们一无所知。它到底会“吃掉”多少可见的物质,我们仍然是无法估计和预测。按照现有的天文学理论,被吸入黑洞的物质越多,黑洞本身的质量就越大,它进一步吞食周围天体的本领就越大。

不过,读者尽可以放心,即使像本文所提供的照片的这种超大黑洞,假如它能够“无限制”地吞食周围的天体,它“吃完”本身所在的星系,也至少需要几千万年以上的时间。更何况星系之间的距离都在数以千万计光年以上呢。例如,星系-NGC3516与银河系的距离就大约为1亿光年。

宇宙空间的“虫洞”

你或许感到这个题目太离谱了,宇宙空间怎么会有“虫”,而且还会有“虫洞”。当我告诉你:且慢惊奇吧,这可是爱因斯坦的“杰作”啊。你一定会愿意读一读这篇小文章了。

聪慧过人的爱因斯坦,居然选择了Wormholes——蛀虫之洞——这样一个词,来说明关于宇宙空间的最玄奥的理论设想。60多年过去了,今天看来,爱因斯坦的确不愧为科学界的奇才和非同凡响的巨人。

他居然能够想象出如此绝妙的比喻:宇宙中有一些“虫洞”,简直是妙不可言。

由于光线在浩瀚的宇宙中都要“走”数以千万年计的时间,所以天文观测实际上就是直接观看历史。人类探索宇宙,就是在探索可以看见的历史。历史是一部充满了哲理和争斗的厚厚的书籍,我们付出毕生的精力,也仅仅只能读完这部书的一部分篇章。蛀虫则不然,它们可以轻而易举地从这部书的第一页,蛀出一个小洞,一直达到这部浩瀚史书的最后一页。爱因斯坦设想,宇宙空间也有类似的“通道”,它可以帮助我们方便地通过宇宙空间。小蛀虫通过书上的“虫洞”往来于书的首页和最后一页之间时,它们是完全不管书上的文字写些什么内容。同样的道理,人类通过宇宙中的那些特殊通道时,也完全可以不受平常的时空观的限制。因此,爱因斯坦将这种魔幻般的宇宙中的特殊“通道”,称之为“虫洞”。

“虫洞”到底是怎么一回事?

爱因斯坦的广义相对论指出,用尽了核燃料的、一定质量的恒星,在晚期可以因为重力坍缩而形成黑洞。在黑洞里面我们通常所理解的时间和空间都被超强的引力场扭曲了,改变了性质。那么,同样的道理,宇宙中就完全有可能存在着性质与黑洞类似、形态却与之迥别的空间。这个空间就是虫洞。

所谓虫洞,是宇宙中一些纤细的、管状重力超常区域。它的两端与正常的宇宙时空相通连,而其内部的引力场却强大到能够扭曲常规时空的程度。或者我们也可以借用科学幻想作家的语言,说它们是宇宙中的“时空隧道”,虫洞最引人入胜的地方,就是可以令原本相隔亿万千米的地方变成犹如近在尺咫那样,通常情况下,光线要走上几年时间的宇宙距离,经过虫洞,也许只要几秒钟就可以到达。

为了形象地说明这个问题,可以用如下面的图示来表示。在图中,左面的一张平展的纸张表示正常时空观下的宇宙空间的一个平面。一艘宇宙飞船从A点出发,经过若干年的时间,到达了B点,准备继续飞向C点。显然,要飞到C点,一定还要经过许多年的时间。

时空发生了“扭曲”的状况,平面被弯曲了,C点和B点已经靠得非常近了。连接B、C两点的就是一条“虫洞”。同样的道理,被弯曲的平面,也可以使A、B两点接近起来,它们之间有另一条“虫洞”。如果飞船可以自由地进出虫洞,那么它在瞬间之间就可以由B点到达C点,或者由B点回到A点。即我们常常幻想的超越时空的限制,自由地往来于过去和未来之间。

平面弯曲,并不表示实际发生了弯曲。只是告诉我们这样一个可能性:在空间存在着一些特殊的通道,在这些通道之中,可以实现超过光速数万倍、数亿倍的运动。有了如此高速的运动,我们就可以实现“四维空间”的梦想,时间也是坐标系中的一个寻常坐标轴,可以沿着它,去提前看看未来是什么样的;也可以回到某个历史时代,亲自体验一下那个时代的一切。

宇宙中真的会有这样神奇的“虫洞”吗?

在20世纪60年代以前,宇宙中有没有中子星都是未解之谜,黑洞的存在与否也被人们画上了一个大大的问号。一般人当然认为,有关“虫洞”的一切,不过是想像力丰富的科学家的美妙、遥远的“梦想”。

1967年,中子星的发现,在掀起追寻黑洞的新热潮的同时,也重新唤起了科学界探索“虫洞”的激情。随着探索的进展,越来越多的科学家相信,宇宙中真的存在着“虫洞”。

但是,理论物理学家也提出了新的难点,“虫洞”中的引力场实在是太大了,一切进入其中的现实世界的物质,都将被毁灭,回复到宇宙诞生最初几分钟的物质状态。形象一点的比方说,我们乘坐一艘太空船,想去看看牛郎星的情况。我们进入一条虫洞时,是一艘太空船,从虫洞的另一端出来时,却是一缕原始的宇宙“烟尘”了。人类怎么可能利用这些宇宙通道进行宇宙旅行呢!

面对这一新的难题,有些物理学家指出:“另一个世界”的物质可以为我们所用。新的概念和问题又来了:所谓的“另一个世界”指的是什么?

理论物理学的研究很早就指出,既然我们的世界中,质子是带正电的,电子是带负电的,物质是有质量的。那么,就应该存在着与之相应的“另一个世界”。在那个世界中,一切都与我们的世界相反:存在着“反物质”,组成反物质的质子是带负电的,其外围的电子则是带正电的。同样,在那个世界中,物质与我们这里不同,可以称之为“负物质”,“负物质”的质量是“负质量”。

20世纪90年代,美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市的实验室,声称已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界。这一结果,为相信虫洞存在的科学家带来了巨大的希望。

这些科学家解释说,虫洞的超强引力场,可以通过“负质量(negative)”来中和。同时,“负质量”还可以用来控制虫洞,扩大原本细小的虫洞,使它们足以让太空船穿过。

上述研究成果,已经引起了美国航天局的兴趣,它正在考虑拨款资助有关的研究,希望有朝一日,虫洞能够实际应用于人类的太空旅行。

比较保守的科学家则坚持认为,洛斯阿拉莫斯市的实验室所制造的“负质量”的真实性,非常值得怀疑。他们指出,即或在理论上虫洞能够用于太空旅行,在实际上,地球上的人类也没有那么大的经济力量去实现这一科学之梦。英国星际学会的泰勒的话,集中表述了这派科学家的见解,他说:“能坐航天器到火星,我们便该满足了。”

关于宇宙中的虫洞的科学争论,到底结果如何呢?

我们只能告诉你如下的一个事实:1939年起,美国的哈佛大学和IBM公司合作,用了5年时间,制成的第一台计算机,长有15米,高达24米。如此庞然大物,只会作加减乘除,以及查表5种运算!60多年之后,我们使用的计算机是什么样的,就无需笔者赘述了。

获得了哈勃太空望远镜的资料后,使用极大阵列式射电天文望远镜对之进行连续观测的天文学家,则说这两个星系正在跳“宇宙华尔兹舞蹈”。

自从宇宙大爆炸的学说得到普遍的公认之后,相当长的一段时间里,人们曾经认为宇宙中的所有的天体,都在互相远离而去。近二三十年,天文观测逐渐揭示了更多、更复杂的现象,人们才知道宇宙中的天体运动比过去想象的要复杂得多。诸如,宇宙中存在着大大小小的许多黑洞,它们正在无情地吞食着能够捕获到的一切天体。

尤其令人多少有些震惊的发现是,距离银河系约200万光年的著名的仙女座大星云,正在以每秒钟约125千米的速度,向我们的银河系“逼近”。约45.6亿年之后,一场星系级别的宇宙之战,将不可避免地降临到银河系、太阳系(可参阅“星系之战”一文)。

然而,在1999年11月份之前,人们从来没有直接地观测到星系之间相碰撞的情景。

哈勃太空望远镜不负众望,一次又一次给天文学家和天文爱好者们带来令人振奋的惊喜。据天文学家解释说,大约在4000万年前(请注意:这里说的是观测年龄。因为在天文观测中,我们始终看到的都是“历史”的场面。例如,我们照片上的这两个星系,距离地球约114亿光年,因此哈勃太空望远镜所拍摄到的这幅珍贵的照片,实际上是1.14亿年之前的星系的碰撞的情况),这两个巨大的星系,相互运动、靠近,达到了“临界距离”。从这一刻起,无与伦比的强大引力,使它们发生了“碰撞”。这种碰撞,就好像地球和月球相互作用产生引潮力一样。只不过星系从宏观的尺度上看,是无数的天体的比较“松散”的集合体。所以,它们相互作用的力,可以使它们永远地改变形态。具体地说,较大的星系,将无情地“撕碎”较小的星系,小星系的碎片,将化为大星系的组成部分。这种“结合”也许会导致新的恒星的诞生,甚至会产生新的黑洞。

初步的观测表明,大约要经过几十亿年的时间,两个星系才会完成它们的碰撞和融合的过程。在完成这个过程之后,会产生一个新的巨大的星系。在这个新星系的中心会有一系列的黑洞,将可见的物质吸积到一个我们目前无法观测到,也不了解情况的区域中去。

或许,当这两个星系“变成”一个星系的时候,仙女座大星云和银河系又组成了一双新的“宇宙之眼”。我们的后代子孙也许正在宇宙的另一处地方观测和研究这个宇宙之眼呢。