大爆炸-宇宙通史-第9章

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第五种力

　　　　这是怎么回事？在整个物理学史上，有四种力被认为是足以解释物质之间的所有可能的相互作用：电磁力（造成异性电荷之间的吸引力）、强核力（将原子核约束在一起）、弱核力（造成放射性衰变）和引力（在整个宇宙范围内起作用的吸引力）。引力是四种力中最弱的，但在天文学家们关心的领域里它是最重要的。因为这是唯一在很远的距离上仍起作用的力（虽然电磁力也能产生长程作用，但因为物质平均起来是电中性的，所以这种力被抵消了）。而一个加速中的宇宙需要一种先前未曾显示出效应的第五种力。
　　　　对于起这种作用的力已经有了许多理论性的假设，基本上大多数都是才一提出即遭抛弃。它把我们带入了奇异的真空力和虚粒子的世界。我们自然而然地把真空想象成不存在任何物质的地方，但是量子物理学告诉我们，这种想法过于简单了。任何真空都充满了沸腾起伏的大量的“虚粒子”。它们总是以粒子和反粒子的形式成对出现。这些带有相反电荷的虚粒子在互相碰撞湮灭之前只能存在不到10…43秒的短暂时间。这一过程可以描述为真空首先借来用以产生粒子的能量，然后在宇宙的其他部分觉察到之前，通过湮灭将能量返还。但在虚粒子短暂的存在期内对其周围却会产生影响。实际上在实验室中发现在某些情况下它们会产生斥力。这可能正是我们寻找的东西。而且，真空的体积越大，力就越强。所以我们预计随着宇宙的膨胀力会变大恰如我们观测到的。

宇宙剪切

　　　　暗能量存在的进一步证据来自意想不到的一个方面。通过观察几十万个星爱因斯坦在黑板前。1923年12月6日系的形状，天文学家能够测量出自光线从每个星系发出后宇宙的膨胀。这种方于荷兰莱顿。法被叫做宇宙剪切，它依赖于光线路经质量时产生的弯曲。这种效应最壮观的例子是爱因斯坦环。来自遥远星系的光在从近邻系统的旁边经过时被严重扭曲，扩散成一个环形。近邻的系统位于中心。星系的图像也常常被扭曲和拉伸成弧状。除了这些极端的例子，我们看到的每个星系的图像都存在某种程度的畸变，畸变的大小反映出光线在到达观测者之前经过的质量总量。对大多数星系而言这种效应很微弱，只表现为星系在天空中位置上的小小偏移。这就存在一个问题，我们只能看到星系发生偏移后的景象，而要测量出途经的质量及计算出膨胀的大小，我们需要与一个从星系发出后未经任何畸变的光线作比较。对任何特定的星系，这都是不可能的。然而通过天文学家设计的对庞大数量星系的巡查，可以对很多星系作统计平均来提取出这类信息。其结论是明白无误的：光线从星系到我们之间所走过的路径需要用一个加速的膨胀来解释。
　　　　不过这里又冒出一个漏洞。在发现宇宙加速膨胀之前，粒子物理学家们找到了一大堆理由来解释由他们的许多理论所预言的这种效应为什么在宇宙中没有表现出来。实际上我们处于这样一种境地，就是能够解释为什么要么根本没有互斥力，要么存在一种极强的排斥效应。不幸的是，我们观测到的只是一种非常弱的力（尽管在宇宙范围内累积起来这种效应非常显着），而且与预言差距甚大。实际上，天文观测结果与最好的理论模型之间的差别高达10120倍。这是有史以来在科学上理论和实验之间最大的误差。但是，这就是我们已知的最佳解释。
　　　　而情况可能更为复杂。我们曾假设互斥力是不随时间变化的，这个假设只是出于不要把事情弄复杂的愿望，而无其他确实的理由。（要知道科学家们常常引用奥卡姆的剃刀原则：当其他方面都相同时，最简单的方案就是正确的方案。）有些宇宙学家则相信，造成加速的力的强度的确随时间变化。
　　　　这些问题即将开始解决。今后20年中的进一步观测已经计划好。不过公平地说，在很大程度上我们还在黑暗中摸索。

第四章　　　恒星与行星　　大爆炸后90亿～92亿年

章序

　　　　在前面的章节中，我们看到宇宙被第一代恒星所点亮，以及星系的形成。现在，当大爆炸过去90亿年时，宇宙看上去很像我们现在所见到的周围的情况，星系中充满了第二代恒星。现在到了仔细谈论恒星演化的时候了。我们已经对第一代恒星作了一些介绍，但对它们实际的形成过程一带而过，因为当时关注那些能够延展到整个宇宙间的效应。我们知道它们会在耀眼的闪光中结束自己短暂的生命，它们的超新星爆炸将重元素撒向四方。另外，还有一个极为重要的效应，爆炸形成的冲击波将激发新恒星在周围气体云中的形成。
　　　　很长时间里类星体都是最显着的天体。它们中心的黑洞吞噬着其所能够得到的巨量的气体和尘埃，释放出庞大的能量。当这些尘埃和气体消耗殆尽后，类星体暗淡下去，宇宙里剩下大量的“正常”星系。50亿年前，气体转化成恒星的速率加快了，宇宙变得更加明亮。后来，40亿到50亿年期间，燃料开始耗尽，垂死的恒星超过了正在诞生的恒星。同时，就在这一时段，在一个不起眼的旋涡星系中，我们的太阳开始形成。下面让我们仔细地探查一下恒星形成的过程。

恒星的诞生

　　　　恒星在星系中的形成并不是均匀地发生的，周围物质的条件会对收缩产生影响。像我们自己的星系的旋臂就是一个很好的例子。对任何旋涡星系的光学照片一眼看去就能发现，旋臂上的恒星趋向于蓝色，而核球处的则呈黄色。以宇宙标准来看，旋臂上的炽热大质量蓝星寿命是较短的，只能维持几千万年。这意味着无论我们在何处看到了蓝色恒星，就可以确定这片区域内的恒星是在相对较近的时期内形成的。所以可以得出结论，在旋涡星系中恒星的形成集中在旋臂上。
　　　　包括太阳在内的所有恒星都是在巨大的恒星孕育区内形成的，我们称之为星云，可看作是气体和尘埃的仓库。在星云之内，充满宇宙其他地方的强烈辐射被挡在外面，故而物质能够冷却到非常低的温度，而如何达到这点对于整个恒星形成过程是非常关键的。最初，冷却是由于氢分子能够向外辐射出能量，能量的流失冷却了云气，温度降了下来。其后这项工作由碳或氧原子更加高效地完成了。在这一气体区域中，由引力作用造成的收缩与粒子的随机运动相对抗，如果这些粒子运动很快，就可以克服引力带来的紧缩，这个气团就永远不会收缩到形成恒星的程度。对恒星生成区的现代观测表明，这是一个持续进行的过程，气团不断地形成和消散着。
　　　　不过请记住，粒子的速度由温度决定。温度越低，粒子运动得就越慢。如果气体能足够冷却，引力就会赢得这场较量，冷却的气体团会趋于收缩。
　　　　一旦收缩达到某一程度就不可能逆转，一个原恒星的核心就会形成。这样的核心包含大量的、天文学家称之为“尘埃”的小粒子。它们像沙粒一般大小，主要是碳和硅的化合物。正是这些尘埃使得对恒星形成的研究非常困难，尤其是在光学波段。因为可见光几乎完全被尘埃所阻挡。对于稍热的尘埃区域，红外观测非常有用。但是，在恒星形成的早期阶段，温度可能低至10K，这时甚至红外波也无能为力。要观测这种宇宙间最冷的地方，我们必须转到亚毫米波。
　　　　星云内的温度是如此之低，以至气体凝固在尘埃上。气体主要是氢，也有简单的化合物，例如一氧化碳。每类分子都形成一个冰层。不过最近的研究表明这种层次结构可能过于简化了，冰是由不同分子混合而成。
　　　　气体在很低的温度下运动很慢，再加上难以想象的低密度，分子之间的碰撞相当稀少，即便发生，能量也很低。值得注意的是，天文学家所称的“比较致密的云团”，若是在地球上的实验室中我们会认为那是极好的真空。所以，相对只有很少的化学反应发生。
　　　　而当分子凝结在尘埃颗粒的表面后，情况就大不相同。分子被紧靠在一起，而且有人猜测分子或原子（特别是像氢一样的轻原子）可能会自然而然地沿着颗粒表面四处移动。这样当分子相遇时，化学反应就会迅速发生。所以包含十个甚至更多原子的相当复杂的分子就可以构成。但所有这些对天文学家而言是不可见的。这个过程很重要，因为这意味着复杂分子的产生是恒星形成过程的自然结果，而当行星从剩余的残块中产生时，这些物质已经存在了。
　　　　与此同时，收缩还在继续，中央核心的温度也持续地升高。这一阶段，气团的尺度有几个光日，是我们太阳系大小的几十倍。最后，密度大到氢原子能够以足够的能量碰撞生成氦，在相对黑暗的气团块的深处，恒星已经点亮。不过这时还无法看见它，因为被四周的尘埃遮蔽着。
　　　　这种情况一发生，周围的气体尘埃团块就迅速被加热，变成了我们所称的“热核心”。这有些名不副实，所谓的热不过是300K，就像在9月份Selsey地区（作者帕特里克位于英格兰南部西苏塞克斯的家）的温度。不过冰已经溶化，并将新形成的化合物释放到气体中。在那里形成了复杂分子的混合浆液，这能够被对亚毫米波敏感的望远镜探测到。这一阶段持续不超过1万年，以宇宙的标准看仅是一瞬间。

生命的化学

　　　　在这些温热的区域内，目前已探测到100多种分子，许多因出现在我们地球上的生命中而被人熟知，例如甲醇和乙醇。甚至还有希望探测到一些基本的氨基酸，这是构成所有蛋白质进而组成我们所知晓的所有生命的基础。如果复杂化合物是伴随恒星产生而自然形成的，并保持在形成行星系统的物质中，那么就为更加复杂的生命化学提供了一个跳跃的高起点。
　　　　另外还有其他次要的证据证明，构成地球上生命的化学物质是在太空中开始它们的存在的。就我们所知，地球和其他行星上的生命都完全基于一种原子：碳。每个碳原子能和类型广泛的其他分子形成至多4个稳定的键，而正好能与4个分子结合成键的能力带来了一种叫做手性的属性。没有其他的分子具备如此的灵活性。硅比较接近，但是除了在科幻小说中，其他地方还没有发现任何基于硅的生物存在的证据。
　　　　想象一下碳原子和4个不同类型的分子的结合，其排列有两种可能性，每个都是另一个的镜像，分别称为“左手”和“右手”形式的。它们两个都有同样的分子式，并包括相同的5个单元部分。除此之外，这两种排列的物理和化学属性有稍许差别。所有简单的化学过程都会产生同样数量的左手性和右手性分子。
　　　　然而，那些在生命体中进行的复杂的化学过程的确具有选择性。引人注目的是，我们所看到的生命都做出了同样的选择所有地球上的生物都只使用左手性的分子。为什么会这样？如何从一个两方相等的混合体中形成仅由左手性分子构成的生命？在孕育恒星的星云中，被尘埃所散射的光线由于圆偏振的特性有可能会破坏右手性分子而保留下左手性分子不受损伤。这种有利于左手性分子的模式在恒星开始形成时可能就已决定了。
　　　　关于在原恒星内保留的物质的情况