天文知識(shí)（2）
宇宙
公元2世紀(jì)，C.托勒密提出了一個(gè)完整的地心說(shuō)。這一學(xué)說(shuō)認(rèn)為地球在宇宙的中央安然不動(dòng)，月亮、太陽(yáng)和諸行星以及最外層的恒星天都在以不同速度繞著地球旋轉(zhuǎn)。為了說(shuō)明行星運(yùn)動(dòng)的不均勻性，他還認(rèn)為行星在本輪上繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng)，而本輪中心則沿均輪繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。地心說(shuō)曾在歐洲流傳了1000多年。1543年，N.哥白尼提出科學(xué)的日心說(shuō)，認(rèn)為太陽(yáng)位于宇宙中心，而地球則是一顆沿圓軌道繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的普通行星。到16世紀(jì)哥白尼建立日心說(shuō)后才普遍認(rèn)識(shí)到：地球是繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的行星之一，而包括地球在內(nèi)的八大行星則構(gòu)成了一個(gè)圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的行星系—— 太陽(yáng)系的主要成員。1609年，J.開(kāi)普勒揭示了地球和諸行星都在橢圓軌道上繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，發(fā)展了哥白尼的日心說(shuō)，同年，伽利略·伽利雷則率先用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天空，用大量觀測(cè)事實(shí)證實(shí)了日心說(shuō)的正確性。1687年，I.牛頓提出了萬(wàn)有引力定律，深刻揭示了行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)原因，使日心說(shuō)有了牢固的力學(xué)基礎(chǔ)。在這以后，人們逐漸建立起了科學(xué)的太陽(yáng)系概念。
在哥白尼的宇宙圖像中，恒星只是位于最外層恒星天上的光點(diǎn)。1584年，喬爾丹諾·布魯諾大膽取消了這層恒星天，認(rèn)為恒星都是遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)。18世紀(jì)上半葉，由于E.哈雷對(duì)恒星自行的發(fā)展和J.布拉得雷對(duì)恒星遙遠(yuǎn)距離的科學(xué)估計(jì)，布魯諾的推測(cè)得到了越來(lái)越多人的贊同。18世紀(jì)中葉，T.賴特、I.康德和J.H.朗伯推測(cè)說(shuō)，布滿全天的恒星和銀河構(gòu)成了一個(gè)巨大的天體系統(tǒng)。弗里德里希·威廉·赫歇爾首創(chuàng)用取樣統(tǒng)計(jì)的方法，用望遠(yuǎn)鏡數(shù)出了天空中大量選定區(qū)域的星數(shù)以及亮星與暗星的比例，1785年首先獲得了一幅扁而平、輪廓參差、太陽(yáng)居中的銀河系結(jié)構(gòu)圖，從而奠定了銀河系概念的基礎(chǔ)。在此后一個(gè)半世紀(jì)中，H.沙普利發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)不在銀河系中心、J.H.奧爾特發(fā)現(xiàn)了銀河系的自轉(zhuǎn)和旋臂，以及許多人對(duì)銀河系直徑、厚度的測(cè)定，科學(xué)的銀河系概念才最終確立。
18世紀(jì)中葉，康德等人還提出，在整個(gè)宇宙中，存在著無(wú)數(shù)像我們的天體系統(tǒng)(指銀河系)那樣的天體系統(tǒng)。而當(dāng)時(shí)看去呈云霧狀的“星云”很可能正是這樣的天體系統(tǒng)。此后經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)170年的曲折的探索歷程，直到1924年，才由E.P.哈勃用造父視差法測(cè)仙女座大星云等的距離確認(rèn)了河外星系的存在。
近半個(gè)世紀(jì)，人們通過(guò)對(duì)河外星系的研究，不僅已發(fā)現(xiàn)了星系團(tuán)、超星系團(tuán)等更高層次的天體系統(tǒng)，而且已使我們的視野擴(kuò)展到遠(yuǎn)達(dá)200億光年的宇宙深處。
宇宙演化觀念的發(fā)展在中國(guó)，早在西漢時(shí)期，《淮南子·俶真訓(xùn)》指出：“有始者，有未始有有始者，有未始有夫未始有有始者”，認(rèn)為世界有它的開(kāi)辟之時(shí)，有它的開(kāi)辟以前的時(shí)期，也有它的開(kāi)辟以前的以前的時(shí)期?！痘茨献?#183;天文訓(xùn)》中還具體勾畫了世界從無(wú)形的物質(zhì)狀態(tài)到渾沌狀態(tài)再到天地萬(wàn)物生成演變的過(guò)程。在古希臘，也存在著類似的見(jiàn)解。例如留基伯就提出，由于原子在空虛的空間中作旋渦運(yùn)動(dòng)，結(jié)果輕的物質(zhì)逃逸到外部的虛空，而其余的物質(zhì)則構(gòu)成了球形的天體，從而形成了我們的世界。
太陽(yáng)系概念確立以后，人們開(kāi)始從科學(xué)的角度來(lái)探討太陽(yáng)系的起源。1644年，R.笛卡爾提出了太陽(yáng)系起源的旋渦說(shuō)；1745年，G.L.L.布豐提出了一個(gè)因大彗星與太陽(yáng)掠碰導(dǎo)致形成行星系統(tǒng)的太陽(yáng)系起源說(shuō)；1755年和1796年，康德和拉普拉斯則各自提出了太陽(yáng)系起源的星云說(shuō)?，F(xiàn)代探討太陽(yáng)系起源z的新星云說(shuō)正是在康德-拉普拉斯星云說(shuō)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)。
1911年，E.赫茨普龍建立了第一幅銀河星團(tuán)的顏色星等圖；1913年，伯特蘭•阿瑟•威廉•羅素則繪出了恒星的光譜-光度圖，即赫羅圖。羅素在獲得此圖后便提出了一個(gè)恒星從紅巨星開(kāi)始，先收縮進(jìn)入主序，后沿主序下滑，最終成為紅矮星的恒星演化學(xué)說(shuō)。1924年 ，亞瑟·斯坦利·愛(ài)丁頓提出了恒星的質(zhì)光關(guān)系；1937～1939年，C.F.魏茨澤克和貝特揭示了恒星的能源來(lái)自于氫聚變?yōu)楹さ脑雍朔磻?yīng)。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了羅素理論被否定，并導(dǎo)致了科學(xué)的恒星演化理論的誕生。對(duì)于星系起源的研究，起步較遲，目前普遍認(rèn)為，它是我們的宇宙開(kāi)始形成的后期由原星系演化而來(lái)的。
1917年，A.阿爾伯特·愛(ài)因斯坦運(yùn)用他剛創(chuàng)立的廣義相對(duì)論建立了一個(gè)“靜態(tài)、有限、無(wú)界”的宇宙模型，奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。1922年，G.D.弗里德曼發(fā)現(xiàn)，根據(jù)阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的場(chǎng)方程，宇宙不一定是靜態(tài)的，它可以是膨脹的，也可以是振蕩的。前者對(duì)應(yīng)于開(kāi)放的宇宙，后者對(duì)應(yīng)于閉合的宇宙。1927年，G.勒梅特也提出了一個(gè)膨脹宇宙模型.1929年 哈勃發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)是對(duì)膨脹宇宙模型的有力支持。20世紀(jì)中葉，G.伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙模型，他們還預(yù)言，根據(jù)這一模型，應(yīng)能觀測(cè)到宇宙空間目前殘存著溫度很低的背景輻射。1965年微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了伽莫夫等人的預(yù)言。從此，許多人把大爆炸宇宙模型看成標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。1980年，美國(guó)的古斯在熱大爆炸宇宙模型的 基礎(chǔ)上又進(jìn)一步提出了暴漲宇宙模型。這一模型可以解釋目前已知的大多數(shù)重要觀測(cè)事實(shí)。
宇宙圖景 當(dāng)代天文學(xué)的研究成果表明，宇宙是有層次結(jié)構(gòu)的、物質(zhì)形態(tài)多樣的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)。
層次結(jié)構(gòu) 行星是最基本的天體系統(tǒng)。太陽(yáng)系中共有八顆行星：水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星。 （冥王星目前以被從行星里開(kāi)除，降為矮行星）。除水星和金星外，其他行星都有衛(wèi)星繞其運(yùn)轉(zhuǎn)，地球有一個(gè)衛(wèi)星 月球，土星的衛(wèi)星最多，已確認(rèn)的有26顆。行星 小行星 彗星和流星體都圍繞中心天體太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，構(gòu)成太陽(yáng)系。太陽(yáng)占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86％，其直徑約140萬(wàn)千米，最大的行星木星的直徑約14萬(wàn)千米。太陽(yáng)系的大小約120億千米（以冥王星作邊界）。有證據(jù)表明，太陽(yáng)系外也存在其他行星系統(tǒng)。2500億顆類似太陽(yáng)的恒星和星際物質(zhì)構(gòu)成更巨大的天體系統(tǒng)——銀河系。銀河系中大部分恒星和星際物質(zhì)集中在一個(gè)扁球狀的空間內(nèi)，從側(cè)面看很像一個(gè)“鐵餅”，正面看去則呈旋渦狀。銀河系的直徑約10萬(wàn)光年，太陽(yáng)位于銀河系的一個(gè)旋臂中，距銀心約3萬(wàn)光年。銀河系外還有許多類似的天體系統(tǒng)，稱為河外星系，常簡(jiǎn)稱星系?，F(xiàn)已觀測(cè)到大約有10億個(gè)。星系也聚集成大大小小的集團(tuán)，叫星系團(tuán)。平均而言，每個(gè)星系團(tuán)約有百余個(gè)星系，直徑達(dá)上千萬(wàn)光年?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上萬(wàn)個(gè)星系團(tuán)。包括銀河系在內(nèi)約40個(gè)星系構(gòu)成的一個(gè)小星系團(tuán)叫本星系群。若干星系團(tuán)集聚在一起構(gòu)成更大、更高一層次的天體系統(tǒng)叫超星系團(tuán)。超星系團(tuán)往往具有扁長(zhǎng)的外形，其長(zhǎng)徑可達(dá)數(shù)億光年。通常超星系團(tuán)內(nèi)只含有幾個(gè)星系團(tuán)，只有少數(shù)超星系團(tuán)擁有幾十個(gè)星系團(tuán)。本星系群和其附近的約50個(gè)星系團(tuán)構(gòu)成的超星系團(tuán)叫做本超星系團(tuán)。目前天文觀測(cè)范圍已經(jīng)擴(kuò)展到200億光年的廣闊空間，它稱為總星系。
運(yùn)動(dòng)和發(fā)展 宇宙天體處于永恒的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展之中，天體的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣，例如自轉(zhuǎn)、各自的空間運(yùn)動(dòng)(本動(dòng))、繞系統(tǒng)中心的公轉(zhuǎn)以及參與整個(gè)天體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)等。月球一方面自轉(zhuǎn)一方面圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)又跟隨地球一起圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。太陽(yáng)一方面自轉(zhuǎn)，一方面又向著武仙座方向以20千米／秒的速度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又帶著整個(gè)太陽(yáng)系以250千米／秒的速度繞銀河系中心運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)一周約需2.2億年。銀河系也在自轉(zhuǎn)，同時(shí)也有相對(duì)于鄰近的星系的運(yùn)動(dòng)。本超星系團(tuán)也可能在膨脹和自轉(zhuǎn)?？傂窍狄苍谂蛎?。
現(xiàn)代天文學(xué)已經(jīng)揭示了天體的起源和演化的歷程。當(dāng)代關(guān)于太陽(yáng)系起源學(xué)說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)系很可能是50億年前銀河系中的一團(tuán)塵埃氣體云(原始太陽(yáng)星云)由于引力收縮而逐漸形成的（見(jiàn)太陽(yáng)系起源）。恒星是由星云產(chǎn)生的，它的一生經(jīng)歷了引力收縮階段、主序階段、紅巨星階段、晚期階段和臨終階段。星系的起源和宇宙起源密切相關(guān)，流行的看法是：在宇宙發(fā)生熱大爆炸后40萬(wàn)年，溫度降到4000K，宇宙從輻射為主時(shí)期轉(zhuǎn)化為物質(zhì)為主時(shí)期，這時(shí)或由于密度漲落形成的引力不穩(wěn)定性，或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系，然后再演化為星系團(tuán)和星系。熱大爆炸宇宙模型描繪了我們的宇宙的起源和演化史：我們的宇宙起源于200億年前的一次大爆炸，當(dāng)時(shí)溫度極高、密度極大。隨著宇宙的膨脹，它經(jīng)歷了從熱到冷、從密到稀、從輻射為主時(shí)期到物質(zhì)為主時(shí)期的演變過(guò)程，直至10～20億年前，才進(jìn)入大規(guī)模形成星系的階段，此后逐漸形成了我們當(dāng)今看到的宇宙。1980年提出的暴漲宇宙模型則是熱大爆炸宇宙模型的補(bǔ)充。它認(rèn)為在宇宙極早期，在我們的宇宙誕生后約10-36秒的時(shí)候，它曾經(jīng)歷了一個(gè)暴漲階段。
哲學(xué)分析 宇宙概念 有些宇宙學(xué)家認(rèn)為，我們的宇宙是唯一的宇宙；大爆炸不是在宇宙空間的哪一點(diǎn)爆炸，而是整個(gè)宇宙自身的爆炸。但是，新提出的暴漲模型表明，我們的宇宙僅是整個(gè)暴漲區(qū)域的非常小的一部分，暴漲后的區(qū)域尺度要大于1026厘米，而那時(shí)我們的宇宙只有10厘米。還有可能這個(gè)暴漲區(qū)域是一個(gè)更大的始于無(wú)規(guī)則混沌狀態(tài)的物質(zhì)體系的一部分。這種情況恰如科學(xué)史上人類的認(rèn)識(shí)從太陽(yáng)系宇宙擴(kuò)展到星系宇宙，再擴(kuò)展到大尺度宇宙那樣，今天的科學(xué)又正在努力把人類的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步向某種探索中的“暴漲宇宙”、“無(wú)規(guī)則的混沌宇宙”推移。我們的宇宙不是唯一的宇宙，而是某種更大的物質(zhì)體系的一部分，大爆炸不是整個(gè)宇宙自身的爆炸，而是那個(gè)更大物質(zhì)體系的一部分的爆炸。因此，有必要區(qū)分哲學(xué)和自然科學(xué)兩個(gè)不同層次的宇宙概念。哲學(xué)宇宙概念所反映的是無(wú)限多樣、永恒發(fā)展的物質(zhì)世界；自然科學(xué)宇宙概念所涉及的則是人類在一定時(shí)代觀測(cè)所及的最大天體系統(tǒng)。兩種宇宙概念之間的關(guān)系是一般和個(gè)別的關(guān)系。隨著自然科學(xué)宇宙概念的發(fā)展，人們將逐步深化和接近對(duì)無(wú)限宇宙的認(rèn)識(shí)。弄清兩種宇宙概念的區(qū)別和聯(lián)系，對(duì)于堅(jiān)持馬克思主義的宇宙無(wú)限論，反對(duì)宇宙有限論、神創(chuàng)論、機(jī)械論、不可知論、哲學(xué)代替論和取消論，都有積極意義。
【宇宙的創(chuàng)生】
有些宇宙學(xué)家認(rèn)為，暴漲模型最徹底的改革也許是觀測(cè)宇宙中所有的物質(zhì)和能量從無(wú)中產(chǎn)生的觀點(diǎn)，這種觀點(diǎn)之所以在以前不能為人們接受，是因?yàn)榇嬖谥S多守恒定律，特別是重子數(shù)守恒和能量守恒。但隨著大統(tǒng)一理論的發(fā)展，重子數(shù)有可能是不守恒的，而宇宙中的引力能可粗略地說(shuō)是負(fù)的，并精確地抵消非引力能，總能量為零。因此就不存在已知的守恒律阻止觀測(cè)宇宙從無(wú)中演化出來(lái)的問(wèn)題。這種“無(wú)中生有”的觀點(diǎn)在哲學(xué)上包括兩個(gè)方面：①本體論方面。如果認(rèn)為“無(wú)”是絕對(duì)的虛無(wú)，則是錯(cuò)誤的。這不僅違反了人類已知的科學(xué)實(shí)踐，而且也違反了暴漲模型本身。按照該模型，我們所研究的觀測(cè)宇宙僅僅是整個(gè)暴漲區(qū)域的很小的一部分，在觀測(cè)宇宙之外并不是絕對(duì)的“無(wú)”?，F(xiàn)在觀測(cè)宇宙的物質(zhì)是從假真空狀態(tài)釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的，這種真空能恰恰是一種特殊的物質(zhì)和能量形式，并不是創(chuàng)生于絕對(duì)的“無(wú)”。如果進(jìn)一步說(shuō)這種真空能起源于“無(wú)”，因而整個(gè)觀測(cè)宇宙歸根到底起源于“無(wú)”，那么這個(gè)“無(wú)”也只能是一種未知的物質(zhì)和能量形式。②認(rèn)識(shí)論和方法論方面。暴漲模型所涉及的宇宙概念是自然科學(xué)的宇宙概念。這個(gè)宇宙不論多么巨大，作為一個(gè)有限的物質(zhì)體系 ，也有其產(chǎn)生、發(fā)展和滅亡的歷史。暴漲模型把傳統(tǒng)的大爆炸宇宙學(xué)與大統(tǒng)一理論結(jié)合起來(lái)，認(rèn)為觀測(cè)宇宙中的物質(zhì)與能量形式不是永恒的，應(yīng)研究它們的起源。它把“無(wú)”作為一種未知的物質(zhì)和能量形式，把“無(wú)”和“有”作為一對(duì)邏輯范疇，探討我們的宇宙如何從“無(wú)”——未知的物質(zhì)和能量形式，轉(zhuǎn)化為“有”——已知的物質(zhì)和能量形式，這在認(rèn)識(shí)論和方法論上有一定意義。
【時(shí)空起源】
有些人認(rèn)為，時(shí)間和空間不是永恒的，而是從沒(méi)有時(shí)間和沒(méi)有空間的狀態(tài)產(chǎn)生的。根據(jù)現(xiàn)有的物理理論，在小于10-43秒和10-33厘米的范圍內(nèi)，就沒(méi)有一個(gè)“鐘”和一把“尺子”能加以測(cè)量，因此時(shí)間和空間概念失效了，是一個(gè)沒(méi)有時(shí)間和空間的物理世界。這種觀點(diǎn)提出已知的時(shí)空形式有其適用的界限是完全正確的。正像歷史上的牛頓時(shí)空觀發(fā)展到相對(duì)論時(shí)空觀那樣，今天隨著科學(xué)實(shí)踐的發(fā)展也必然要求建立新的時(shí)空觀。由于在大爆炸后10-43秒以內(nèi)，廣義相對(duì)論失效，必須考慮引力的量子效應(yīng)，因此有些人試圖通過(guò)時(shí)空的量子化的途徑來(lái)探討已知的時(shí)空形式的起源。這些工作都是有益的，但我們決不能因?yàn)槿祟悤r(shí)空觀念的發(fā)展或者在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平上無(wú)法度量新的時(shí)空形式，而否定作為物質(zhì)存在形式的時(shí)間、空間的客觀存在。
人和宇宙 從本世紀(jì)60年代開(kāi)始，由于人擇原理的提出和討論，出現(xiàn)了人類存在和宇宙產(chǎn)生的關(guān)系問(wèn)題。人擇原理認(rèn)為 ，可能存在許多具有不同物理參數(shù)和初始條件的宇宙，但只有物理參數(shù)和初始條件取特定值的宇宙才能演化出人類，因此我們只能看到一種允許人類存在的宇宙。人擇原理用人類的存在去約束過(guò)去可能有的初始條件和物理定律，減少它們的任意性，使一些宇宙學(xué)現(xiàn)象得到解釋，這在科學(xué)方法論上有一定的意義。但有人提出，宇宙的產(chǎn)生依賴于作為觀測(cè)者的人類的存在。這種觀點(diǎn)值得商榷?，F(xiàn)在根據(jù)暴漲模型，那些被傳統(tǒng)大爆炸模型作為初始條件的狀態(tài)，有可能從極早期宇宙的演化中產(chǎn)生出來(lái)，而且宇宙的演化幾乎變得與初始條件的一些細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)。這樣就使上述那種利用初始條件的困難來(lái)否定宇宙客觀實(shí)在性的觀點(diǎn)失去了基礎(chǔ)。但有些人認(rèn)為，由于暴漲引起的巨大距離尺度，使得從整體上去觀測(cè)宇宙的結(jié)構(gòu)成為不可能。這種擔(dān)心有其理由，但如果暴漲模型正確的話，隨著科學(xué)實(shí)踐的發(fā)展，一定有可能突破人類認(rèn)識(shí)上的困難。
【宇宙物質(zhì)多樣性】
太陽(yáng)系天體中，水星、金星表面溫度約達(dá)700K，遙遠(yuǎn)的冥王星向日面的溫度最高時(shí)也只有50K；金星表面籠罩著濃密的二氧化碳大氣和硫酸云霧，氣壓約50個(gè)大氣壓，水星、火星表面大氣卻極其稀薄，水星的大氣壓甚至小于2×10-9毫巴；類地行星(水星、金星、火星)都有一個(gè)固體表面，類木行星卻是一個(gè)流體行星；土星的平均密度為0.70克／厘米3，比水的密度還小，木星、天王星、海王星的平均密 度略大于水的密度，而水星、金星、地球等的密度則達(dá)到水的密度的5倍以上；多數(shù)行星都是順向自轉(zhuǎn)，而金星是逆向自轉(zhuǎn)；地球表面生機(jī)盎然，其他行星則是空寂荒涼的世界。
太陽(yáng)在恒星世界中是顆普遍而又典型的恒星。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有些紅巨星的直徑為太陽(yáng)直徑的幾千倍。中子星直徑只有太陽(yáng)的幾萬(wàn)分之一；超巨星的光度高達(dá)太陽(yáng)光度的數(shù)百萬(wàn)倍，白矮星光度卻不到太陽(yáng)的幾十萬(wàn)分之一。紅超巨星的物質(zhì)密度小到只有水的密度的百萬(wàn)分之一，而白矮星、中子星的密度分別可高達(dá)水的密度的十萬(wàn)倍和百萬(wàn)億倍。太陽(yáng)的表面溫度約為6000K，O型星表面溫度達(dá)30000K，而紅外星的表面溫度只有約600K。太陽(yáng)的普遍磁場(chǎng)強(qiáng)度平均為1×10-4特斯拉，有些磁白矮星的磁場(chǎng)通常為幾千、幾萬(wàn)高斯（1高斯＝10-4特斯拉），而脈沖星的磁場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)十萬(wàn)億高斯。有些恒星光度基本不變，有些恒星光度在不斷變化，稱變星。有的變星光度變化是有周期的，周期從1小時(shí)到幾百天不等。有些變星的光度變化是突發(fā)性的，其中變化最劇烈的是新星和超新星，在幾天內(nèi)，其光度可增加幾萬(wàn)倍甚至上億倍。
恒星在空間常常聚集成雙星或三五成群的聚星，它們可能占恒星總數(shù)的1／3。也有由幾十、幾百乃至幾十萬(wàn)個(gè)恒星聚在一起的星團(tuán)。宇宙物質(zhì)除了以密集形式形成恒星、行星等之外，還以彌漫的形式形成星際物質(zhì)。星際物質(zhì)包括星際氣體和塵埃，平均每立方厘米只有一個(gè)原子，其中高度密集的地方形成形狀各異的各種星云。宇宙中除發(fā)出可見(jiàn)光的恒星、星云等天體外，還存在紫外天體、紅外天體、X射線源、γ射線源以及射電源。
星系按形態(tài)可分為橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系、透鏡星系和不規(guī)則星系等類型。60年代又發(fā)現(xiàn)許多正在經(jīng)歷著爆炸過(guò)程或正在拋射巨量物質(zhì)的河外天體，統(tǒng)稱為活動(dòng)星系，其中包括各種射電星系、塞佛特星系、N型星系、馬卡良星系、蝎虎座BL型天體，以及類星體等等。許多星系核有規(guī)模巨大的活動(dòng)：速度達(dá)幾千千米／秒的氣流，總能量達(dá)1055焦耳的能量輸出，規(guī)模巨大的物質(zhì)和粒子拋射，強(qiáng)烈的光變等等。在宇宙中有種種極端物理狀態(tài)：超高溫、超高壓、超高密、超真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超高速運(yùn)動(dòng)、超高速自轉(zhuǎn)、超大尺度時(shí)間和空間、超流、超導(dǎo)等。為我們認(rèn)識(shí)客觀物質(zhì)世界提供了理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
現(xiàn)代天文學(xué)已經(jīng)揭示了天體的起源和演化的歷程。當(dāng)代關(guān)于太陽(yáng)系起源學(xué)說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)系很可能是50億年前銀河系中的一團(tuán)塵埃氣體云(原始太陽(yáng)星云)由于引力收縮而逐漸形成的（見(jiàn) 太陽(yáng)系起源 ）。恒星是由星云產(chǎn)生的，它的一生經(jīng)歷了引力收縮階段、主序階段、紅巨星階段、晚期階段和臨終階段。星系的起源和宇宙起源密切相關(guān)，流行的看法是：在宇宙發(fā)生熱大爆炸后40萬(wàn)年，溫度降到4000K，宇宙從輻射為主時(shí)期轉(zhuǎn)化為物質(zhì)為主時(shí)期，這時(shí)或由于密度漲落形成的引力不穩(wěn)定性，或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系，然后再演化為星系團(tuán)和星系。熱大爆炸宇宙模型描繪了我們的宇宙的起源和演化史：我們的宇宙起源于200億年前的一次大爆炸，當(dāng)時(shí)溫度極高、密度極大。隨著宇宙的膨脹，它經(jīng)歷了從熱到冷、從密到稀、從輻射為主時(shí)期到物質(zhì)為主時(shí)期的演變過(guò)程，直至10～20億年前，才進(jìn)入大規(guī)模形成星系的階段，此后逐漸形成了我們當(dāng)今看到的宇宙。1980年提出的暴漲宇宙模型則是熱大爆炸宇宙模型的補(bǔ)充。它認(rèn)為在宇宙極早期，在我們的宇宙誕生后約10 -36 秒的時(shí)候，它曾經(jīng)歷了一個(gè)暴漲階段。
時(shí)空起源 有些人認(rèn)為，時(shí)間和空間不是永恒的，而是從沒(méi)有時(shí)間和沒(méi)有空間的狀態(tài)產(chǎn)生的。根據(jù)現(xiàn)有的物理理論，在小于10 -43 秒和10 -33 厘米的范圍內(nèi)，就沒(méi)有一個(gè)“鐘”和一把“尺子”能加以測(cè)量，因此時(shí)間和空間概念失效了，是一個(gè)沒(méi)有時(shí)間和空間的物理世界。這種觀點(diǎn)提出已知的時(shí)空形式有其適用的界限是完全正確的。正像歷史上的牛頓時(shí)空觀發(fā)展到相對(duì)論時(shí)空觀那樣，今天隨著科學(xué)實(shí)踐的發(fā)展也必然要求建立新的時(shí)空觀。由于在大爆炸后10 -43 秒以內(nèi)，廣義相對(duì)論失效，必須考慮引力的量子效應(yīng)，因此有些人試圖通過(guò)時(shí)空的量子化的途徑來(lái)探討已知的時(shí)空形式的起源。這些工作都是有益的，但我們決不能因?yàn)槿祟悤r(shí)空觀念的發(fā)展或者在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平上無(wú)法度量新的時(shí)空形式，而否定作為物質(zhì)存在形式的時(shí)間、空間的客觀存在。
人和宇宙 從本世紀(jì)60年代開(kāi)始，由于人擇原理的提出和討論，出現(xiàn)了人類存在和宇宙產(chǎn)生的關(guān)系問(wèn)題。人擇原理認(rèn)為，可能存在許多具有不同物理參數(shù)和初始條件的宇宙，但只有物理參數(shù)和初始條件取特定值的宇宙才能演化出人類，因此我們只能看到一種允許人類存在的宇宙。人擇原理用人類的存在去約束過(guò)去可能有的初始條件和物理定律，減少它們的任意性，使一些宇宙學(xué)現(xiàn)象得到解釋，這在科學(xué)方法論上有一定的意義。但有人提出，宇宙的產(chǎn)生依賴于作為觀測(cè)者的人類的存在。這種觀點(diǎn)值得商榷?，F(xiàn)在根據(jù)暴漲模型，那些被傳統(tǒng)大爆炸模型作為初始條件的狀態(tài)，有可能從極早期宇宙的演化中產(chǎn)生出來(lái)，而且宇宙的演化幾乎變得與初始條件的一些細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)。這樣就使上述那種利用初始條件的困難來(lái)否定宇宙客觀實(shí)在性的觀點(diǎn)失去了基礎(chǔ)。但有些人認(rèn)為，由于暴漲引起的巨大距離尺度，使得從整體上去觀測(cè)宇宙的結(jié)構(gòu)成為不可能。這種擔(dān)心有其理由，但如果暴漲模型正確的話，隨著科學(xué)實(shí)踐的發(fā)展，一定有可能突破人類認(rèn)識(shí)上的困難。
未來(lái)宇宙科學(xué)
宇宙科學(xué)大大深化了人們對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)、起源和演化的認(rèn)識(shí)，為了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)和相互作用提供了新的統(tǒng)一圖景。在地外生命等重大問(wèn)題的研究中，天文學(xué)將更進(jìn)一步與物理學(xué)交叉，并與許多領(lǐng)域緊密地聯(lián)系在一起。
中國(guó)的載人飛船和空間站何時(shí)能夠遨游太空？在新千年即將來(lái)臨之際，67歲的飛船總設(shè)計(jì)師戚發(fā)軔教授發(fā)表了談話。
試驗(yàn)飛船發(fā)射入軌并圓滿返回到預(yù)定區(qū)域，為我國(guó)在21世紀(jì)前十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)把宇航員送上太空并安全返回打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
21世紀(jì)，人類開(kāi)發(fā)利用豐富的空間資源將成為必然?？臻g資源主要有軌道資源、環(huán)境資源和物質(zhì)資源。開(kāi)發(fā)利用空間資源，人必須要較長(zhǎng)時(shí)間在空間環(huán)境工作，并要往返于地球和空間站之間。載人飛船只是往返天地之間的運(yùn)輸工具，最終必須依賴長(zhǎng)期在空間工作的空間站。建立空間站，一要解決太空人出艙，二要解決飛船與空間站的相互交會(huì)對(duì)接等技術(shù)難題。下個(gè)世紀(jì)，我國(guó)掌握空間站的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該不成問(wèn)題。
“宇宙”一詞，最早大概出自我國(guó)古代著名哲學(xué)家墨子（約公元前468-376）。他用“宇”來(lái)指東、西、南、北，四面八方的空間，用“宙”來(lái)指古往今來(lái)的時(shí)間，合在一起便是指天地萬(wàn)物，不管它是大是小，是遠(yuǎn)是近；是過(guò)去的，現(xiàn)在的，還是將來(lái)的；是認(rèn)識(shí)到的，還是未認(rèn)識(shí)到的……總之是一切的一切。
從哲學(xué)的觀點(diǎn)看。人們認(rèn)為宇宙是無(wú)始無(wú)終，無(wú)邊無(wú)際的。不過(guò)，對(duì)這個(gè)深?yuàn)W的概念我們不打算做深入的探討，還是留給哲學(xué)家們?nèi)パ芯俊Ｎ覀儾环涟蜒酃饪s小一些，講一講利用我們現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)所能了解和觀測(cè)的宇宙，人們把它稱為“我們的宇宙”或“總星系”。
從最新的觀測(cè)資料看，人們已觀測(cè)到的離我們最遠(yuǎn)的星系是130億光年。也就是說(shuō)，如果有一束光以每秒30萬(wàn)千米的速度從該星系發(fā)出，那么要經(jīng)過(guò)130億年才能到達(dá)地球。這130億光年的距離便是我們今天所知道的宇宙的范圍。再說(shuō)得明確一些，我們今天所知道的宇宙范圍，或者說(shuō)大小，是一個(gè)以地球?yàn)橹行?，?30億光年的距離為半徑的球形空間。當(dāng)然，地球并不真的是什么宇宙的中心，宇宙也未必是一個(gè)球體，只是限于我們目前的觀測(cè)能力，我們只能了解到這一程度。
在這個(gè)以130億光年為半徑的球形空間里，目前已被人們發(fā)現(xiàn)和觀測(cè)到的星系大約有1250億個(gè)，而每個(gè)星系又擁有像太陽(yáng)這樣的恒星幾百到幾萬(wàn)億顆。因此只要做一道簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)題，你就不難了解到，在我們已經(jīng)觀測(cè)到的宇宙中擁在多少星星。地球在如此浩瀚的宇宙中，真如滄海一粟，渺小得微不足道。
一直以來(lái)， 天文學(xué)家和我們一樣，想知道宇宙究竟有多大。最近，美國(guó)的太空網(wǎng)報(bào)道，經(jīng)過(guò)艱苦的計(jì)算工作，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙超乎尋常的大，其長(zhǎng)度至少為1560億光年。“這樣一個(gè)有關(guān)宇宙大小的發(fā)現(xiàn)，顯然是以‘宇宙是球形的，是有限無(wú)邊的’為前提條件的。”中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)的研究員陳大明在接受記者專訪時(shí)說(shuō)，“長(zhǎng)期以來(lái)，宇宙學(xué)研究領(lǐng)域一直有這樣一個(gè)爭(zhēng)論，宇宙究竟是球形的、馬鞍形的、還是平坦的。”北京師范大學(xué)副教授張同杰說(shuō)：“國(guó)際主流宇宙學(xué)普遍認(rèn)為宇宙是平坦的，是無(wú)限的。”那么，圍繞宇宙的爭(zhēng)論從何而來(lái)？理?yè)?jù)何在？一種最為普遍的觀點(diǎn)：在大爆炸之后，宇宙誕生了。“根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的大爆炸學(xué)說(shuō)，我們的宇宙是大約137億年前由一個(gè)非常小的點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的，目前宇宙仍在膨脹。”陳大明研究員說(shuō)，“這一學(xué)說(shuō)得到大量天文觀測(cè)的證實(shí)。”這一學(xué)說(shuō)認(rèn)為，宇宙誕生初期，溫度非常高，隨著宇宙的膨脹，溫度開(kāi)始降低，中子、質(zhì)子、電子產(chǎn)生了。此后，這些基本粒子就形成了各種元素，這些物質(zhì)微粒相互吸引、融合，形成越來(lái)越大的團(tuán)塊，這些團(tuán)塊又逐漸演化成星系，恒星、行星，在個(gè)別的天體上還出現(xiàn)了生命現(xiàn)象，能夠認(rèn)識(shí)宇宙的人類最終誕生了。宇宙是球形的、有限無(wú)邊的？“認(rèn)為宇宙是球形的觀點(diǎn)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)存在著，盡管不是國(guó)際宇宙學(xué)界的主流。”陳大明介紹說(shuō)，“它的每一次提出，都會(huì)引起人們的關(guān)注，就是因?yàn)檫@一觀點(diǎn)很奇特。”一個(gè)最為明顯的例子就是不久前，由美國(guó)數(shù)學(xué)家杰弗里·威克斯構(gòu)建的宇宙模型：一個(gè)大小有限、形狀如同足球的鏡子迷宮。“形如足球”的模型令科學(xué)界震驚，因?yàn)檫@一學(xué)說(shuō)宣稱，宇宙之所以令人產(chǎn)生無(wú)邊無(wú)界的“錯(cuò)覺(jué)”，是因?yàn)檫@個(gè)有限空間通過(guò)“返轉(zhuǎn)”效應(yīng)無(wú)限重復(fù)映現(xiàn)自身。威克斯認(rèn)為，人們之所以感覺(jué)宇宙是無(wú)限的，是因?yàn)橛钪婢拖褚粋€(gè)鏡子迷宮，光線傳過(guò)來(lái)又傳過(guò)去，讓人們發(fā)生錯(cuò)覺(jué)，誤以為宇宙在無(wú)限伸展。這一驚人推斷后來(lái)被《新科學(xué)家》雜志收錄，同時(shí)作為一種“奇談”在民間廣為流傳著。
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