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根据现代宇宙学原理,宇宙的年龄定义为哈勃常数的倒数。因为现代宇宙学理论认为,我们的宇宙在膨胀着,宇宙诞生的初期仅仅是一个奇点,经过膨胀进化,成为现在的宇宙。宇宙的膨胀速率就是哈勃常数。在天文学,对于哈勃常数的测定一直存在着相当大的不确定性,问题出在对远方星系距离的测定上。经过天文学家几十年的努力,用尽各种方法。在1996得到的哈勃常数是20千米/(秒*百万光年),计算出的宇宙年龄是150亿年。如果用测到的最小哈勃常数计算,宇宙的年龄也就是200亿年。
现代宇宙学是以爱因斯坦1916年提出的广义相对论为理论基础的。1922年前苏联数学家费里德曼在爱因斯坦的广义相对论场方程的基础上,纠正了静态宇宙的错误,得出了动态宇宙的解。这就是著名的费里德曼宇宙模型。
1926年美国天文学家哈勃依据河外星系的光谱普遍存在红移的观测资料,应用多普勒效应来解释这些星系的红移现象,给出最初的哈勃常数。多普勒效应是:当发光物体向观测者运动时,它的光谱向紫端移动;当发光物体远离观测者运动时,它的光谱向红端移动。发光物体的运动速度与光谱的移动量成正比。用多普勒效应解释星系的红移现象,就是大多数星系都在远离我们。也就是说明我们的宇宙处在膨胀之中。
伽莫夫是现代热大爆炸宇宙学的奠基人,在哈勃发现天体的整体退行20年之后,伽莫夫从理论上提出:宇宙源于大爆炸,原初大爆炸的“火球”由于膨胀冷却,而在今天宇宙中应该留下背景光子温度。1964年5月贝尔实验室彭齐亚斯和威尔逊无意中发现了宇宙深空中各向同性的微波背景辐射。这一发现曾经轰动一时,同时也奠定了现代宇宙学在科学界的地位。
在微波背景辐射发现的同时,天文学家注意到,氦元素的丰度无论在宇宙的恒星中,还是在星际物质中,其值都是24%左右。这一数值远远超出了恒星内部热核反应所能提供的氦丰度。另外还有氘和锂等轻元素的星际丰度,也都大大地超过恒星中核反应所能产生的丰度。但是,这些轻元素的宇宙丰度与宇宙大爆炸核合成理论的丰度预言,能够非常好地得到完全吻合。
现代宇宙学把星系的整体退行、微波背景辐射和轻元素的合成称为大爆炸宇宙理论的三大基石。所以,大爆炸宇宙学是建立在可靠的天文观测基础上的一门科学,是最为成熟的庞大的理论体系。有许多人赞叹宇宙大爆炸理论的精确和无限完美。并引用爱恩斯坦的话:宇宙间最不可理解的事物是,宇宙是可以理解的。但是,这个世界给我们的印象,应该还是那句老话:宇宙间最可理解的是,宇宙中还有许多事物是不可理解的。
大爆炸理论中,出现的许多不可以理解的疑问,大多都在宇宙的年龄上。星系中与太阳同等质量的恒星年龄是100亿年,太阳一半质量的恒星在主星序上的时间竟长达2000亿年。现在的技术我们还无法确认单体恒星在主星序上的实际年龄。也就是说,在银河系中有些恒星的年龄可能远远超出了宇宙的年龄。再比如说:我们到达另外一个星球,上面居住着一些生物。经过交流我们知道它们的年龄是100年,你能根据你的经典理论,认定它们的历史就是100年或者是200年吗?
20世纪天文学最卓越的成就之一,是我们能详细地描绘恒星的诞生、发展、死亡的一生。许多研究告诉我们恒星是一种生命体,银河系就是由这些生命体和可能演化成生命体的星际物质所组成的庞大系统。如果没有宇宙年龄的制约,银河系的年龄不可能是仅仅等于组成它的恒星的年龄。
自从哈勃以有力的证据,断定仙女座大星云远在银河系之外,进而确立了河外星系的存在。到今天,在我们的视界中可以看到万亿个各种大小的星系。现代科学技术的发展使我们能够在地球之外,用全电磁波段、高分辨率地观察我们的宇宙。但是,我们对星系的研究已经快八十年了,类星体的发现也都有三十多年了。除了当年哈勃对各种星系的分类之外,我们对星系本质上的认识几乎没有什么进展。是什么束缚了我们的思想,也许就是宇宙的年龄吧。
历史是可以借鉴的,从人类认识周围世界的思想史看,可以将其分为四个阶段:1、地球及周围环境认识阶段。2、太阳系全面认识阶段。3、银河系认识阶段。4、星系及宇宙认识阶段。在这四个阶段中最具革命性思想的理论应该是托勒密的天文学之大成,我们现在把它叫做“地心说”。该理论仔细观察月亮、太阳和大地之间的关系后,在没有解决地球引力的情况下,大胆地提出了我们脚底下的大地是一个球体。而且,它的行星运行理论中的“本轮”、“均轮”构思亦非常精巧。在没有量化的天空中,各大行星的运行轨迹可以全面奠定“地心说”的基础。也就是因为“地心说”的巨大成功和人们头脑中长期的固有观念,使人们在提出新的学说时变得非常困难和难以接受。
现代宇宙学也许非常成功。但是,在宇宙中应该还有许多我们所不理解的东西。如果我们对所有问题都有所了解,现代宇宙学就不会有那么多的困难和补充理论出现了。对于现在这种情况,我们是否可以先把现代宇宙学理论放在一边。撇开宇宙年龄问题的束缚,全面地去探讨星系的演化过程呢?
在银河系中,已确认的年龄最大的恒星是远离银核,在银晕边缘的球状星团中的恒星。它们的年龄最大已超过160亿年。但是它们的金属(天文学中除氢氦以外的所有物质统称为金属)丰度仅有太阳的1%。从恒星演化的过程可以知道,金属都是恒星在核反应时产生的。当恒星经历完它的生命历程,以新星或超新星的爆发,把剩余的氢氦和金属抛向星际空间。就金属丰度而言,在银核附近的丰度最高。这说明在那里曾经经历过大质量、多代甚至几十代的恒星演化。而银晕边缘只是经历过一至二代的恒星演化。总之,银核的演化时间肯定要超过银晕的演化时间,银河系的年龄肯定超过160亿年。就星系的整体情况看,星系的金属丰度应该是星系演化年龄的函数。像银河系这样大质量的星系演化时间,至少也要超过1000亿年。
为了能更好地说明银河系的演化年龄,以下试着描述一下星系的演化过程。用以证明银河系年龄确实比宇宙的年龄大。
在宇宙中,恒星的演化使宇宙的“白矮星”、“中子星”和“黑洞”不断增加,这就出现了宇宙演化中的不可逆性疑问。这个问题应该在星系演化过程当中得到解决。
星系的演化也应该是一种生命过程,在探讨这个过程之前,我们先根据对星系的观测经验,总结几点星系演化的普遍性质。
1、 星系演化的过程具有聚集性。我们可以普遍观测到两个星系的碰撞聚集和旋涡星系的向心聚集。
2、 星系中恒星形成的成团性。
3、 金属丰度与星系演化年代的相关性。
4、 活动星系核的大质量、高能量和有物质喷发的现实性。
星系可分为正常星系和活动星系二大类。哈勃将正常星系又分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系。活动星系有赛弗特星系、N星系和类星体等分类。
星系的演化应该起源于不规则星系,因为不规则星系的金属丰度最小。经过一段时间的演化聚集,星系演变成为矮椭圆星系。宇宙中存在许多暗物质和星云,这些暗物质的运动状态与星系的运动状态不尽相同。当椭圆星系运动到暗物质当中时,矮椭圆星系的自旋带动暗物质运动,并在椭圆星系周围生成新的恒星团块,这样形成的是旋涡星系。当椭圆星系没有完全收缩完成时,椭圆星系就运行到暗物质之中。这时形成的就是棒旋星系。
星系在演化过程中,椭圆星系和暗物质相互作用可以向旋涡星系过渡,这时星系质量会显著增加。再经过漫长的时间,由于旋涡星系的向心聚集,旋涡星系又向椭圆星系演化。因为角动量守恒,此过程可以解释星系的转动起源,而大爆炸理论无法解释星系的旋转难题。
在宇宙中不仅有椭圆星系和暗物质的相互作用,而且还可以有椭圆星系和不规则星系的相互作用、旋涡星系和不规则星系的相互作用、旋涡星系和旋涡星系的相互作用等等。这些相互作用是产生恒星团块的主要原因。50亿年前银河系就发生过一次这样的相互作用,这次相互作用产生了银河系周围大量的恒星团块,太阳系也在其中。像银河系这样大质量的星系,大的相互作用要发生3~4次。相互作用时间为100亿年,间歇时间要300亿年(该时间与旋涡星系和椭圆星系在大区域的密度之比相关),合计演化时间要超过1000亿年。
旋涡星系的向心聚集性,使恒星完结时产生的“白矮星”、“中子星”和“黑洞”不断地向星系核聚集。星系的长期演化,使星系核的质量在不断增加。当星系核质量演变得足够大时,星系的核将演化成为活动星系核。活动星系核的寄主星系是旋涡星系的天文学称为赛弗特星系,寄主星系是椭圆星系的被称为N星系,我们不能看到寄主星系的是类星体。
因为活动星系核的质量特别巨大,星系核内的引力压力将物质压碎为亚夸克状态。我们可以称这种物质状态为普朗克态。对于普朗克态的物理性质,人类没有经验,原因是人们在地球上还找不到能够击碎夸克的能量。普朗克态是否是粒子状态、是否遵循已知的物理定理亦未可知。但是,它在类星体上存在的巨大的能量显示和光变特性,使人们为之惊讶。
普朗克态物质在活动星系核的压力下,从压力薄弱处喷发出来,其喷射速度高达1000千米/秒以上。这使普朗克态物质合成氢氦物质的时间极短。根据粒子物理学,这个物质演变时间与氘的含量相关。有许多活动星系核氢氦的合成时间甚至短于大爆炸宇宙理论的合成时间,所以有的类星体的喷射物质中氘的丰度特别高,这让大爆炸宇宙理论无法给出解释。
活动星系核的喷射物的温度下降极快,因为这种喷射要吸收大量的能量。该喷射物很快可以降温到几K温度,它们奔向宇宙深处,成为演化新星系的原料—宇宙暗物质。活动星系不可能完全喷发干净,当活动星系核的质量降低到一定量时,星系脱离活动星系阶段,它们又会成为正常星系继续演化。
以上星系演化理论,可以总结如下:宇宙暗物质演化为星系,正常星系相互作用,当核增长到一定质量时成为活动星系,活动星系喷射出氢氦物质后又会成为正常星系。这个演化过程需要漫长的时间,大爆炸宇宙理论的宇宙年龄显然不能满足这个时间要求。而且,星系演化理论可以解释宇宙间星系层面的大部分天文现象,大爆炸宇宙理论对这些观测现象却是无能为力。
当然,银河系的年龄不可能比宇宙的年龄大,不过上文所提及的时间矛盾却是显而易见的。就我们现在对宇宙的认识,我们对宇宙整体的起源现在就下结论,尚属为时太早。现在天文学应该做的是把星系的问题先探讨清楚。宇宙大尺度结构的研究刚刚开始,有许多观测结果也对现代宇宙学不利,我们应该把现代宇宙学放放再说。
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