书城科普读物宇宙大探秘
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第6章 浩瀚的宇宙(6)

反物质的研究者认为,宇宙中存在着我们看不见摸不着的“反物质世界”,它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的“负核”,外有正电子环绕。反物质一旦同我们世界的“正物质”接触,便会在瞬间发生爆炸,物质和反物质变为光子或介子,释放巨大能量,产生“湮灭”现象。

与此同时,人体自燃之谜也可以利用反物质与人体接触的理论得以释疑。

“反物质说”虽然只是科学上的一种假说,还有待证实,但反粒子等“负性物质”是存在的,而且现在又发现了反氘、反氢、反氦等一系列反物质。相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入,人们对反物质作用的认识一定会越来越深刻,反物质世界必将为人类做出贡献。

反物质的应用前景

目前虽然发现和制造的反物质粒子并不多,但反物质的一种形式——正电子已经有了许多实际用途。例如正电子发射X射线层析照相术(PET),医生利用PET扫描不仅能得出病人软组织的详细图像,而且能够观察他们体内的化学过程,其中包括在进行认识活动时大脑各部分消耗“燃料”的速度。

反物质的一个潜在的且十分诱人的用途是利用其来制造星际航行火箭的超级燃料。将氢和反氢混合湮灭来获得能量,那么这种燃料的0.01克所产生的推力就相当于120吨由液态氢和液态氧组成的传统燃料。物质和反物质这一物理体系给物理学家、化学家、天体物理学家带来一系列新的课题,同时也给人类带来新的憧憬。

时空理论与穿越梦想

自从威尔斯提出“时间机器”的设想以来,许多科幻作家都对超时间旅行这一题材感兴趣。当然,除了威尔斯的启发之外,还有很多因素促进了这类科幻作品在20世纪的繁荣。首先,爱因斯坦所提出的相对论根本改变了传统的时间观念,使人们意识到时间的非线性,懂得时间可以压缩和延伸。天体物理学、物质结构学等领域的一系列重要发现,也推动着人类时间观念的变革。

第一本时间旅行的小说是马克·吐温(1835~1910)写的《回到亚瑟王廷的美国人》,故事是一个人在被击昏后,醒来时已在古代英格兰,还遇上了亚瑟王、梅林等人。这故事十分有名,造成类似的“回到过去”式故事风潮不断,至今不少电视剧在没题材时都会搬来再用。

直到威尔斯写出《时间机器》,“威尔斯驾驶时间机器”的点子一直被艺术家们重复使用。牛顿将时间比喻为“时间之箭”,只有不断前进。那么什么叫时间旅行呢?一般是“从当下的时间到达另一个不连续的时间”。《时间机器》的主人翁说:“时间与其他三个向度(长、宽、高)没什么不同,只除了人们的意识乃沿着它前进。”我们每一个人都是时间旅行者,不断往“未来”旅行。

各种时空理论

相对论。爱因斯坦发表的相对论中,假设“光速绝对不变”,即使你的速率逼近光速,你所观测到的光依然以光速进行,你绝对追不上它,因为你的长度变短了,你本身的时间也变慢了。因此,进行光速宇宙旅行会是永不回头的时间旅行,就像电影《人猿行星》一般,太空人光速旅行了一段日子,地球却已过了数千年。

大崩坠理论。宇宙自大爆炸创生之后,不断膨胀,如果宇宙是封闭的(密度大于临界密度),根据广义相对论,膨胀将停止,并开始收缩,时空逆转,于是一切发生过的事都会像倒带一般重来一遍。

黑洞理论。根据相对论,宇宙中应有一种天体,连最高速的光线也无法自它的重力场逃脱。黑洞的超高重力导致了空间扭曲,它的出口可能是“白洞”,之间以“虫洞”连系,而出口之外可能是宇宙的另一处,也可能是另一个“子宇宙”。电影《接触未来》便是利用虫洞进行宇宙旅行。

量子理论。爱因斯坦的量子理论认为,粒子有可能在有限机率下发生“穿隧效应”或称“量子跳跃”,因而穿透不可渗透的障碍物。利用这个理论,影视剧就让主角“穿隧”,进行时间旅行。

虫洞理论。旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞,你可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的连接组合叫做虫洞。白洞有可能离黑洞十分远;实际上它甚至有可能在一个“不同的宇宙”。一个位置方便的虫洞会给我们一个方便和快捷的方法去旅行到另一个宇宙。或许虫洞的出口停在过去,你可以通过它而逆着时间旅行回到清朝。总的来说,它们听起来很酷。

时空穿越的理论与故事

最吸引人的是“因果律”,一旦时间旅行发生,因果律必定被扰乱。例如你回到太古时代,杀了一尾鱼,而它正好在演化树上是人类祖先,于是,现代社会中有一整批人消失了。时间旅行对因果会发生什么影响呢?理论有四:

循环因果。你企图回到过去拯救一个人的命,却发觉那人仍是无可避免的死了,甚至更糟的是,你回到过去的此一行为正是导致他死亡的原因!这个理论是四个理论中较合理的。

平行宇宙。回到过去,去救了一个人的命,结果回到现代时,发现其实一切都没改变!“量子理论”中,每一个可能的机率都可能产生另一个含有那个机率的宇宙,于是有许多“平行宇宙”。当你回到过去救了那人的命,你只不过创造了另一个平行宇宙,在那个宇宙中那人是活下来了,可是在你的宇宙中他本来就还是死的。

成功理论。回到过去,而且杀了你的曾祖父。你真的成功杀了他吗?如果你成功了,你就不可能出生,因此也不可能回去杀了他,因此他就不会死,因此你才会出生。这是一个矛盾的理论,也是其中最不合理的。

观察者效应理论。回到过去,并且成功改变了历史,但只有时间旅行者本身知道历史改变前后有什么不同。这个矛盾是在于,旅行者本身为什么不受影响?在这种情形下,当他回到已经改变后的现代,他可能成了一个陌生人。

宇宙的年龄

宇宙的年龄是指自大爆炸开始至今所流逝的时间,宇宙的年龄到底有多大,至今尚未确定。世界各国的科学家们对此作出了多种推算,并得出了不同的答案。

通过球状星团推算宇宙年龄

一般认为球状星团是十分古老的星体的集合,它们是在宇宙诞生后不久产生的天体。如果知道了球状星团的年龄,就等于了解了宇宙年龄的大致标准。根据推算,最古老的球状星云的年龄约为115亿年。也就是说,宇宙的年龄为115亿年。

利用哈勃常数推算宇宙年龄

推断宇宙年龄的第二种方法是利用哈勃常数进行推算。根据美国天体物理学家爱德华·哈勃的观测,星系以更快的速度远离我们,而银河系远离我们的速度,即退行速度,与到银河系的距离大致成正比。这种比例常数称之为哈勃常数。知道了哈勃常数,我们就可推算出宇宙发展到现在的样子所需要的时间,也就是宇宙的年龄。根据造父变星测定的哈勃常数推断出的宇宙年龄约为90亿年。

通过类星体推算宇宙年龄

1998年12月,日本宇宙研究所和澳大利亚的联合研究小组,宣布了它们根据对类星体的观测推断出的宇宙年龄。用于推算宇宙年龄的天体被称为PKS1830-211类星体。由于该类星体潜藏于银河系之后,因此我们无法对其进行直接观测。但是,类星体的光会由于银河的重力而发生弯曲,这就是重力透镜效应。因此能够观测到类星体的两个像。通过对这两个像进行精确地观测发现,光到达的时间相差26天。根据这种时间上的偏差可计算出到达该类星体的距离为140亿光年。而退行速度则与利用造父变星的情形一样,可从光谱来获得结果,大约有150亿年。这就是根据地球到PKS1830-211类星体的距离和其退行速度测定的哈勃常数推算出的宇宙年龄。