1.宇宙诞生之谜

    人们常常会问：宇宙是永远不变的吗？宇宙有多大？宇宙是什么时候诞生的？宇宙中的物质是怎么来的？等等。

    当人类第一次把眼睛投向天空时，他就想知道这浩瀚无垠的天空以及那闪闪发光的星星是怎样产生的。所以，各个民族、各个时代都有种种关于宇宙形成的传说。不过那都是建立在想象和幻想基础上的。今天，虽然科学技术已经有了重大进步，但关于宇宙的成因，仍处在假说阶段。归纳起来，大致有以下这么几种假说。

    到目前为止，许多科学家倾向于“宇宙大爆炸”的假说。这一观点是由美国著名天体物理学家加莫夫和弗里德曼提出来的。这一假说认为，大约在200亿年以前，构成我们今天所看到的天体的物质都集中在一起。密度极高，温度高达100多亿度，被称为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和星系，只是充满了辐射。后来不知什么原因，原始火球发生了大爆炸，组成火球的物质飞散到四面八方，高温的物质冷却起来，密度也开始降低。在爆炸两秒钟之后，在100亿度高温下产生了质子和中子，在随后的自由中子衰变的11分钟之内，形成了重元素的原子核。大约又过了1万年，产生了氢原子和氦原子。在这1万年的时间里，散落在空间的物质便开始了局部的联合，星云、星系的恒星，就是由这些物质凝聚而成的。在星云的发展中，大部分气体变成了星体，其中一部分物质因受到星体引力的作用，变成了星际介质。

    1929年，哈勃对24个星系进行了全面的观测和深入的研究。他发现这些星系的谱线都存在明显的红移。根据物理学中的多普勒效应，这些星系在朝远离我们的方向奔去，即所谓的退行。而且，哈勃发现这些星系退行的速度与它们的距离成正比。也就是说，离我们越远的星系，其退行速度越大。这种观测事实表明宇宙在膨胀着。那么，宇宙从什么时候开始膨胀的？已膨胀多久了？根据哈勃常数H＝150千米/（秒·千万光年），这个意义是：距离我们1000万光年的天体，其退行的速度为每秒150千米，从而计算出宇宙的年龄为200亿年。也就是说，这个膨胀着的宇宙已存在200亿年了。

    20世纪60年代天文学中的四大发现之一的微波背景辐射认为，星空背景普遍存在着3K微波背景辐射，这种辐射在天空中是各向同性的。这似乎是当年大爆炸后遗留下的余热，从某种意义上这也是支持了大爆炸宇宙学的观点。但是，热天爆炸宇宙学也有些根本性问题没有解决。如大爆炸前的宇宙是什么样？大爆炸是怎么引起的？宇宙的膨胀未来是什么格局？

    第二种是“宇宙永恒”假说。这种假说认为，宇宙并不是像人们所说的那样动荡不定，自从开天辟地以来，宇宙中的星体、星体密度以及它们的空间运动都处在一种稳定状态，这就是宇宙永恒假说。这种假说是英国天文学家霍伊尔、邦迪和戈尔特等人提出来的。霍伊尔把宇宙中的物质分成以下几大类：恒星、小行星、陨石、宇宙尘埃，星云，射电源，脉冲星，类星体、星际介质等，认为这些物质在大尺度范围内处于一种力和物质的平衡状态。就是说，一些星体在某处湮灭了，在另一处一定会有新的星体产生。宇宙只是在局部发生变化，在整体范围内则是稳定的。

    第三种是“宇宙层次”假说。这种假说是法国天文学家沃库勒等人提出来的。他们认为宇宙的结构是分层次的，如恒星是一个层次，恒星集合组成星系是一个层次，许多星系结合在一起组成星系团是一个层次，一些星系团组成超星系才又是一个层次。

    综合起来看，以上种种假说虽然说明了模式的部分道理，但还都缺乏概括性，还有继续探讨的必要。

    2.宇宙到底有多大？

    人们常常用“不知天高地厚”这句话来批评那些无知的人。其实，天究竟有多高，至今也没有人能说得清楚，宇宙的大小和形状，也就成为天文学家争论不休的问题之一。

    宇宙到底有多大？古今中外有过许多说法，但争论的焦点集中在宇宙是有限的还是无限的这个问题上。

    大约在公元140年，古希腊著名天文学家托勒密在总结前人天文学说的基础上，提出了“地球中心说”，认为地球是宇宙的中心，太阳、月球、行星和恒星都围绕地球转动。在后来的1000多年中，托勒密的地球中心说一直在欧洲占统治地位。到16世纪，波兰天文学家哥白尼经过40多年的辛勤研究，于1543年提出了“日心说”，认为太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都围绕太阳转动。他把宇宙的中心从地球搬到了太阳，把人类居住的地球降低到了普通的行星地位，从而开始把自然科学从神学中解放出来，并且动摇了神权对于人类的统治。但是，由于受当时生产力水平和实践条件的限制，哥白尼和托勒密一样，都把宇宙局限在很小的范围内，错误地认为太阳系就是全部宇宙，把宇宙看成是有限的，即有边界的。

    同托勒密、哥白尼的宇宙有限论相反，中国古代很早就有一些天文学家认为宇宙是无限的。尸佼在《尸子》一书中说：“天地四方曰宇，往古来今曰宙。”他把空间和时间联系起来思考，从而模糊地表示了宇宙在空间上和时间上无限的思想。《列子》一书的作者认为，大地仅仅是宇宙间一种很小的东西，而不是宇宙的中心；“上下八方”都是“无限无尽”的而不是“有极有尽”的。唐代著名的哲学家柳宗元曾在《天对》中说过，宇宙“无中无旁”，既没有中心也没有边界。

    1584年，意大利哲学家布鲁诺在伦敦出版了《论无限宇宙和世界》一书，十分明确地提出了宇宙无限的理论。他指出：“宇宙是无限大的，其中的各个世界是无数的。”他认为，在任何一个方向上，都展开着无穷无尽的空间，任何一种形状的天空都是不存在的，任何的宇宙中心都是不存在的。所有的恒星都是巨大的球体，就像太阳一样。他把太阳从宇宙的中心天体降为一个普通的恒星。

    随着天文学的发展，人们通过望远镜观测发现，太阳系的直径是120亿公里，地球同整个太阳系比较不过是沧海之一粟；银河系拥有1500亿颗恒星和大量星云，直径约10万光年，厚约1万光年，太阳系同它比较也不过是沧海之一粟；总星系已经发现的星系有10亿个以上，距离我们有几十亿光年到100多亿光年，银河系同其相比较也好比是沧海中的一颗“沙粒”。目前，大型天文望远镜已能观测到100多亿光年以外的天体，但是还远没有发现宇宙的边沿，因此，多数天文学家认为宇宙是无限的，是没有边界和没有中心的。同时，也有部分人认为，宇宙是有限的。理由是宇宙起源于大爆炸，大爆炸至今的时间是有限的，宇宙膨胀的速度是一定的，宇宙的大小也一定是有限的。还有一部分人认为，人类对宇宙的认识仅仅是初步的，对太空的观测能力还十分有限，给宇宙的大小下一个结论还为时过早。总之，目前人们对宇宙大小的种种说法，多数是一种猜测，还没有完全被天文实践所证明，宇宙到底有多大，是有限的还是无限的，的确至今还是一个谜，还有待于航天技术的发展和天文学家的进一步研究探索来加以证明。

    3.宇宙中的“太阳系”是怎样发现的？

    茫茫无际的宇宙，深藏着无数奥秘。有人曾设想，除我们的太阳系以外，还应有第二个、第三个太阳系。可是另外的“太阳系”具体在哪里？这个长期以来争论不休的问题，随着织女星周围发现行星系，有人认为已经找到了宇宙中的第二个“太阳系”，为寻找宇宙中其他许多“太阳系”提供了例证。

    宇宙中的第一个“太阳系”是怎样发现的呢？

    1983年1月，美国、荷兰、英国三个国家成功地发射了红外天文卫星。后来，天文学家们利用这颗卫星意外地发现天琴座主星——织女星的周围存在类似行星的固体环。

    这次发现在世界上还是头一回。这一发现可以说是不同凡响的划时代的发现。

    织女星周围的物质吸收了织女星的辐射热，发射出红外线。红外天文卫星正是接收到了它所放射的红外线。比较四个不同接收波段的强度便可计算出该物体的温度为90K（约-180摄氏度）。一般来说，恒星的温度下限约为500K。温度为90K，这就是说那个物体是颗行星。而且，织女星真的也有行星系的话，它便相当于外行星。这样一个温度的物体只能用波长为几十微米的红外望远镜捕获到。

    美国、荷兰、英国合作发射的卫星是世界第一颗红外天文卫星，主要用于探测全天的红外源，也就是对红外源进行登记造册。一般红外天文望远镜不能探出宇宙中的低温物体。因为大气中的水分和二氧化碳气体大量吸收了来自宇宙的红外线及地球的热，又会释放互相干扰的红外线。红外天文卫星将装置仪器用极低温的液态氦进行冷却，所以才有了这次的发现。

    探测表明，织女星行星系与太阳系行星一般大小。由于织女星发出的总能量是已知的，通过90K的物体的温度便能求出织女星和该物体之间的距离，也就是可以求出该行星系的半径。

    织女星距离地球26光年，是全天第四亮星。直径是太阳的2.5倍，质量约是太阳的3倍，表面温度约为10000摄氏度，比太阳的表面温度（约6000摄氏度）高。织女星诞生于10亿年前，太阳诞生于45亿年前，相比之下织女星要年轻得多。地球大致是与太阳同时诞生的，若认为织女星的行星也跟织女星同时诞生，那么就可以视它的行星处在演化的初期阶段。

    依据行星形成的一般假说，当恒星产生时，在它的周围散发着范围为太阳系100倍的分子气体云环，因长期相互作用而分成若干个物质团块，进而形成行星。

    东京天文台曾公布说，他们用射电望远镜在猎户座星云等地方发现“行星系的婴儿”，也可以说是原始行星系星云。

    东京天文台和红外天文卫星的发现，看来可以说是行星形成过程中的不同阶段。深入分析和研究这两个不同阶段，以及更正确地描写织女星的行星像，无疑是当前世界天文学界所面临的一大课题。

    4.宇宙中的生命是怎样产生的？

    早在1953年，芝加哥大学化学系一位青年学生斯坦利·米勒曾产生过一个当时被人认为是荒诞的想法：世界基本物质中的矿物元素能否必然产生生命？要是米勒不去大胆地进行实验，这个一时受嘲弄的所谓“不可思议”的设想恐怕只能永远成为争论的话题。他的老师尤赖不无耻笑地叫米勒试试，并跟他打了1000美元的赌，担保他“不会成功”。

    斯坦利·米勒的设想和实验似乎过于简单，因此，尤赖教授的怀疑态度是可以理解的。米勒设想，把构成我们地球的最原始的矿物质放在一个庞大的试管里进行实验。这些矿物元素有甲烷、氨、氢和水气。米勒排除了种种干扰，勇敢地开始了探索。他在试管里把这些无机物质混合在一起，然后向试管通电，放出电火花。大家知道，40亿年前，构成地球的所谓“原汤”上空，经常发生强大的雷雨。经过一个星期的操作，米勒停止了实验。当他仔细观察试管时，发现底部有一种淡红色的奇异物质。米勒又惊又喜，立即对这种物质进行了化验分析，结果证明，那是氨基酸。大家都知道，氨基酸是生命的要素。当然，米勒从无机物质中没有创造出生命来，甚至连最基本、最原始的生命形式也没有制造出来。但是他发现了一个化学程序，可能导致生命的出现。请不要忘记，米勒的实验只用了一个星期的时间，而地球却花了40亿年的工夫才有生命的出现……

    应当说，是苏联生物化学家奥帕里涅于1924年提出的一个具有革命意义的假设，才导致了米勒的极其天才的实验。奥帕里涅对地球上出现生命的过程做过如下描绘：40亿年前，在太阳紫外线的作用下，地球表面出现了第一批氨基酸，这些生命的原始物质掉进了海洋，便形成了所谓的“原汤”。随着时间的推移，生命的原始物质不断地进行结合，其结构越来越复杂，最后就产生了生命。这位前苏联生物化学家认为他的这个描绘并非是想入非非的事。他自己曾观察到，在注入大量溶剂的浓胶状态溶液中，蛋白质很容易结合起来。米勒1953年的实验表明，科学家们的思想已有了一个飞跃。当时有许多科学家认为，生命是只产生于我们地球表面的、自发的、例外的现象。米勒的发现极大地震撼了这些科学家的心灵。米勒以实验证明，一定物质的化学结合，必然会导致生命的出现。这个理论使生命是自发和例外地出现的学说顷刻间瓦解了。

    继米勒之后，诺贝尔化学奖获得者梅尔文和卡尔文把实验推进了一步，他们用回旋加速器发射的电子来代替紫外线。后来，另一名科学家福克斯又对“原汤”的各种条件进行了模拟实验。40亿年以前，火山爆发向地球表面喷吐着大量的火焰，熊熊燃烧着的岩浆直接流入了海洋。福克斯把模拟的“原汤”同岩浆接触，然后加热，使温度升到107摄氏度，同时加进18个氨基酸分子。得到的结果表明，生命是必然出现的，因为福克斯的实验产生了类似多肽的物质。换句话说，他获得了由几百个分子组成的氨基酸链。从此就形成了一门新学科：生源说。自1953年以来，实验室的实验越来越复杂了，科学工作者人工制造出了越来越高级的氨基酸和分子。到了1970年，人们竟研制成了去氧核糖核酸分子。

    在取得这些地面新发现的同时，天体物理学家们也在宇宙空间找到了各种各样的分子。随着这些新的发现，也出现了一门新的学科：天体化学。这是一门完全崭新的学科，它产生于20世纪70年代。的确，天体物理学家们1972年在宇宙间发现了24种分子，而在1977年又找到了45种分子。

    1977年5月23日，星期一。天文学家雅克·勒凯向法兰西学院介绍了在宇宙里发现的最新的分子，即由9个原子组成的分子：C2H2CN。这个宇宙化学的新证据是默东天文台于1977年5目22日分析得出的，它表明宇宙中会产生越来越复杂的化学反应和化学结合。不过，有人曾经认为，除原子和粒子外，宇宙不会孕育出别的东西来。可是事实恰恰相反，科学家们发现了越来越多的化学成分十分复杂的物体。有人甚至认为已经发现了由83个原子组成的卟啉分子，但至今没有得到证实。业已发现的相当高级的分子在宇宙的生命发展中起着重大的作用。它们像蘑菇的孢子一样，驾着宇宙里的风或坐着冰冷的彗星迁居到各个星球上去。一些科学家认为这是十分可靠的假设。结论是：像地球上一样，化学在宇宙里似乎必然会导致一个越来越复杂的结构，这个结构又必然会导致生命的出现。

    5.宇宙有温度吗？

    从物理学角度出发，唯有物质才具有温度，那么，浩瀚的宇宙有温度吗？

    以前，科学家们认为宇宙中是没有温度的，但后来经过实验发现，宇宙也有温度——接近-273.15摄氏度的绝对零度（开尔文温度标定义的零点），其源自一种能量辐射，是宇宙大爆炸的产物。如今，科学家经长期测算得知，宇宙正处在加速膨胀之中，其温度也越来越低。并且，我们可以通过现在的宇宙温度，来探测出宇宙大爆炸的时间。

    有人问，宇宙中有最低温度和最高温度吗？

    理论上来说，宇宙中没有最高温度，因为各个星体的温度差异很大。举例来说，地球的年平均气温为15摄氏度，而太阳表面的温度为6000摄氏度，天狼星表面的温度达到了10000摄氏度以上。目前发现的最高温度的星球是“参宿七”，其表面温度能达到12000摄氏度以上。

    虽然宇宙中没有最高温度，但却有最低温度，也就是-273.15摄氏度的绝对零度，其为自然界温度的临界状态，当温度达到绝对零度时，原子就会停止运动。

    气象部门所说的地面气温是如何测量的？气象部门用来测量近地面空气温度的主要仪器是装有水银或酒精的玻璃管温度计。因温度计本身吸收的太阳热量要比空气所吸收的太阳热量大，如果将温度计放在阳光直射的地方，其测出的温度往往要高于它周围空气的实际温度，所以气象人员在测量近地面温度时，通常会将温度计放在距离地表约1.5米处的四面通风的百叶箱中。气象部门所说的地面气温，其实指的是距离地面高度约为1.5米处的百叶箱中的温度。

    如果宇宙之中的暗能量越来越多会怎么样？

    广阔的宇宙之中，暗能量占据了约70%的空间，暗能量是一种未知的能量形态，它就如同一只看不见的手，控制着整个宇宙。

    暗能量无处不在，它与万有引力正好相反，具有很强的反引力性质，可以在很远的距离就将物体推开，令星系间的距离扩大。宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来推动的。

    有关科学家预测，如果宇宙之中的暗能量越来越多，在其影响下，太阳系周边的“邻居”将逐渐减少，最终，太阳系会成为宇宙之中的一只孤舟。到了那个时候，当我们在地球上仰望天空时，除了我们自己银河系中的星星，再也没有其他的星星出现在我们的视线之中，就算是用望远镜来观察，看到的也只是一片漆黑。更为糟糕的是，随着宇宙的不断膨胀，暗能量会将所有的星系都撕裂，地球也会被扯离太阳，地球上的一切生物都将被毁灭。但是，就算这个预测是真的，世界末日也要在遥远的167亿年之后才会出现，人们不必为此担忧。

    6.宇宙何时会死亡？

    宇宙有没有终结的一天？宇宙将会如何终结？是“砰”的一声大爆炸，还是逐渐消亡？当地球人在无数个夜晚，悄悄地仰望灿烂夜空，对生命、对宇宙浮想联翩的时候，总会从内心深处发出这样的疑问。

    根据科学家利用天文望远镜获得的最新观测结果，宇宙最终不会变成一团熊熊燃烧的烈火，而是会逐渐衰变成永恒的、冰冷的黑暗。这听起来似乎太骇人听闻了。然而地球人或许没有必要杞人忧天，因为地球人暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。根据科学家的推测，宇宙很可能至少将目前这种适于生命存在的状态再维持1000亿年。这个庞大的数字相当于地球历史的20倍，或者，相当于智人（现代人的学名）历史的500万倍。既然它将发生在如此遥远的未来，对地球人今天的生活就不会有丝毫影响。

    与此同时，科学家又指出：没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会突然消失。但是，随着时间的推移，它可能会让人觉得越来越不舒服，并且最终变得不再适合生命存在。

    这种情况将会在什么时候出现呢？又会以怎样的方式出现呢？这的确是一个令人沮丧的问题。但是，我们又不得不承认，对于我们这些生活在地球上的凡夫俗子来说，这些问题却有另一种冷酷的魅力。

    自从20世纪20年代，天文学家哈勃发现宇宙正在膨胀以来，“大爆炸”理论一直没有摆脱被修改的命运。根据这一理论，科学家指出，宇宙的最终命运取决于两种相反力量长时间“拔河比赛”的结果：一种力量是宇宙的膨胀，在过去的100多亿年里，宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大；另一种力量则是这些星系和宇宙中所有其他物质之间的万有引力，它会使宇宙扩张的速度逐渐放慢。如果万有引力足以使扩张最终停止，宇宙注定将会坍塌，最终变成一个大火球——“大崩坠”，如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀，它将最终变成一个漆黑的寒冷的世界。

    显而易见，任何一种结局都在预示着生命的消亡。不过，人类的最终命运还无法确定。因为目前，人们尚不能对扩张和万有引力作出精确的估测，更不知道谁将是最后的胜利者，天文学家的观测结果仍然存在着许多不确定的因素。

    这种不确定因素又是什么呢？科学家指出，这一不确定因素涉及到膨胀理论。根据这一理论宇宙始于一个像气泡一样的虚无空间，在这个空间里，最初的膨胀速度要比光速快得多。然而，在膨胀结束之后，最终推动宇宙高速膨胀的力量也许并没有完全消退。它可能仍然存在于宇宙之中，潜伏在虚无的空间里，并在冥冥中不断推动宇宙的持续扩张。为了证实这种推测，科学家又对遥远的星系中正在爆发的恒星进行了多次观察。

    通过观察，他们认为这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。

    倘若真是这样的话，决定宇宙未来命运的就不仅仅是宇宙的扩张和万有引力，还与在宇宙中久久徘徊的膨胀推动力所产生的涡轮增压作用有关，而它可以使宇宙无限扩张下去。

    但是，人们最关心的或许是智慧生命本身。人类将在宇宙中扮演什么角色呢？难道人类注定要灭亡吗？人类已经在越来越快地改变着地球，操纵着自己的生存环境，也许到那时，人类将会以高度发展的智慧在宇宙中立于不败之地。谁知道呢？且让未来的地球人和地球外一切生命拭目以待吧。人类对宇宙的认识永远没有终极，认识穷尽的那天也许就是人类或宇宙毁灭的那一天。正如爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说：“至于谈到世界末日的问题，我的意见是：等着瞧吧！”

    7.银河系之谜

    银河系的年龄

    长期以来，天文界对银河系年龄的说法不一。有的认为只有70亿岁，有的认为有200亿岁。1983年，美国教授纳斯·詹姆士和彼雷·迪马库，使用一种新的测量技术对银河系的年龄进行了反复的计算，结果最后测定银河系的年龄接近120亿岁。发明宇宙天文钟的荷兰天文学家经测量认为，1990年宇宙年龄的上限为120亿年。

    银河系的结构

    很久以来，天文学家一直认为银河系是一个旋涡星系。但1991年，美国科学家认为银河系是棒旋星系，为此提出了种种线索。例如，银心附近的星际云的不规则运动是以一个棒为中心的。

    对银河系核心附近的恒星的近红外光观测，为棒状结构发现提供了直接证据。棒略微倾斜，它的东端向南倾斜穿出银道面，如它在天空中的大角厚度所揭示的那样，那部分离地球也比较近。经贝尔实验室的科学家计算，证明棒的重力将使附近的大质量星际气体云迅速地旋进核心，其结果很可能是激烈的中心恒星爆发。在爆发中，大量的非常亮的大质量恒星形成。

    银河系的分子云

    1982年美国科学家发现，在银河系外缘部有新的分子云。太阳系距离银河系中心大约3万光年。新近发现的分子云大约位于太阳系外侧3万至5万光年处，其主要成分是氢和一氧化碳；分子云的范围大约为3万光年。

    银河系的中子星爆发消亡

    1996年，美国天文学家在靠近银河系中心的位置发现了一个天体。该天体被认为是一颗正在消亡的“中子星”。这是X射线天文学35年来的首次发现，引起了科学家们极大的兴趣，争先恐后地投入研究，以赶在该星体消亡前获得尽可能多的数据。

    该星体的直径仅16千米，但却有巨大的质量——相当于太阳的质量；有巨大的重力场——相当于地球的1亿倍。该星体的密度极高，仅一手指尖大小的物质就有1亿吨。该星体从一个比它更大的伴星上吸取气体，获得能量，其抽取气体的力量之大可把这些气体加温至1亿度，并由此引发每半秒钟一次X射线长时间的爆发。该星体的独特之处还在于在X光波长上同时具有脉冲和爆发两种现象，还存在X射线长爆发现象，一天达二十余次。有的科学家说该发现“是一个奇迹之巅的奇迹”。

    银河系的新星诞生

    1989年，日本科学家在世界上首次记录了一颗银河系新星的诞生过程。他们借助微波干涉仪完成了系列摄影，根据这些相片可以观察到作为一颗新星形成过程的初始阶段怎样向银河中部的一个点集中。研究已确定，即将从中产生恒星的气体星云直径总计为一光年；气体围绕“云雾”中心旋转的速度，边缘为一秒钟一公里，靠近中心为一秒钟三公里。

    银河系存在巨大黑洞

    天文学中“黑洞”是指演变到最后阶段的恒星，由中子星进一步收缩而形成的。黑洞有巨大的引力场，使它所发射的任何电磁波都无法向外传播，从而变成看不见的孤立天体。我们只能通过引力作用来确定它的存在，所以叫做“黑洞”，也叫“坍缩星”。

    由于天河中心释放出X光和电波，所以科学界认为银河中心存在着黑洞。但是，多年来科学界一直未找到证明黑洞确实存在的证据。

    在1997年8月于日本京都市举行的第23届国际天文学联系总会上，美国及德国的两个科研小组同时报告：在银河系中心的确存在巨大的黑洞，他们的研究已找到了这种证据。两个小组的研究均得出几乎相同的结果，足可使银河系中心存在巨大黑洞成为定论。

    找到这种证据的是德国麦克斯普兰克研究所的研究小组，另一个是美国加利福尼亚大学的研究小组。

    德国的研究小组在以往的6年间，利用智利的3.5米口径望远镜，对处于天马星座银河系中心附近的星体活动进行了详细观测。发现在从银河中心到光行进一周时间的距离内的星体正以每秒约二千米的迅猛速度绕银河中心周围旋转。从这一速度计算得出，星体旋转轨道内侧的质量约为太阳质量的250万倍。将如此巨大的质量集中于如此狭小的范围内，除了黑洞没有其他可能。

    加利福尼亚大学研究小组开始观测的时间比德国的研究小组晚。他们用口径10米的望远镜，通过两年的猛追细察，准确地掌握了银河系中心附近近百个星体的运动速度。以这些速度计算出的中心质量与德国研究小组的基本相同，大约也是太阳质量的250万倍。

    德国和美国的科研小组在不同的地方、利用不同的器械分别进行观测得到了相同的结论，这可以证明黑洞确实存在。

    8.河外星系探谜

    在广袤无垠、浩瀚辽阔的宇宙海洋中，肉眼所见的天体，绝大多数是银河系的成员，那么，银河系就是通常所说的宇宙吗？远远不是！在宇宙中存在着数以亿计的星系，我们的银河系只是一个普通的星系，银河系以外的星系称为河外星系，简称星系，因此，银河系并不是宇宙，它只是宇宙海洋中的一个小岛，是无限宇宙中的很小的一部分。

    据天文学家估计，在银河系以外约有上千亿个河外星系，每个星系都由数万乃至数千万颗恒星组成。河外星系有的是两个结成一对，多的则几百以至几千个星系聚成一团。现在观测到的星系团已有一万多个，最远的星系团距离银河系约70亿光年。

    河外星系的外形和结构多种多样。1926年，哈勃按星系的形态，把星系分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类。后来又细分为椭圆、透镜、旋涡、棒旋和不规则星系五个类型。各类星系中，距离银河系较近的星系有麦哲伦云星系和仙女座星系。

    麦哲伦云星系

    包括大麦哲伦云和小麦哲伦云两个星系，它们是银河系的两个伴星，也是离银河系最近的星系，距离银河系为16万和19万光年。它们在北纬20度以南的地区升出地平面，是南大银河附近两个肉眼清晰可见的云雾状天体。

    麦哲伦云星系是由阿拉伯人和葡萄牙人首先发现的。1521年，葡萄牙著名航海家麦哲伦在环球航行时，第一次对它们作了精确描述，后来就以他的名字命名。1912年，美国天文学家勒维特发现小麦哲伦云的造父变星的周光关系，赫茨普龙和沙普利随即测定了小麦哲伦云的距离，成为最早确定的河外星系。

    两星云之间虽存在着微弱的联系，但它们自成一个系统。大哲伦云星系从前离我们可能更近一些，大约在五亿年前，它也许恰好挨着我们的银河系，距离银心只有6.5万光年。

    大麦哲伦云星系属棒旋星系或不规则星系，质量为银河星系的1/20。小麦哲伦云星系属不规则星系或不规则棒旋星系，质量只及银河系的1/100。麦哲伦云星系中的气体含量丰富，中性氢质量分别占它们总质量的9%和32%，都比银河系大得多。但它们的星际尘埃含量却比银河系少，而年轻的星族I的天体则很多，有大量的高光度O-B型星；此外，还观测到新星、超新星遗迹，X射线双星等天体。射电资料表明，大小麦哲伦云星系有一个共同的氢云包层；两云之间的中性氢纤维状结构，一直伸展到南银极天区，横跨半个天球，称为麦哲伦气流。它们和银河系有物理联系，三者构成一个三重星系。

    由于麦哲伦云星系距离我们太遥远，对它们的范围现在还没有一个精确的数字。估计大麦哲伦云星系的直径可能达到4万光年，接近银河系的一半。麦哲伦云星系的恒星分布密度比银河系低得多。大麦哲伦云星系的恒星总数可能不超过50—100亿个；小麦哲伦云星系则只10—20亿个。两星系的恒星数量加在一起，只及银河系的1/10。因此，有人把它们说成是银河系的两个卫星。

    仙女座星系

    又称仙女座大星云。它用肉眼可以看见，亮度为4度，看上去像是一颗暗弱、模糊的星系。

    仙女座星系是位于仙女星座的巨型旋涡星系，肉眼看去状如暗弱的椭圆小光斑。1786年确认为银河系之外的恒星系统。现在测定它的距离为220万光年（670千秒差距）。直径是16万光年（50秒差距），为银河系的一倍，是本星系群中最大的一个。近年来发现，仙女座星系成员的重元素含量从外围向中心逐渐增加。1914年探知它有自转运动。

    仙女星系中心有一个类星核心，直径只有25光年（8秒差距），质量相当于107个太阳，即一立方秒差距内聚集1500个恒星。类星核心的红外辐射很强，约等于银河系整个核心区的辐射。但那里的射电却只有银河射电的1/20。仙女星系有两个矮伴星系——NGC221（M32）和NGC205，按形态分类分别为E2和E5。在本星系群中，仙女星系还和其他星系构成所谓仙女星系次群。

    旋涡星系

    又叫旋涡星云，是旋涡形状的河外星系。旋涡星系的中心区为透镜状，周围围绕着扁平的圆盘。从隆起的核心球两端延伸出若干条螺线状旋臂，迭回在星系盘上。旋涡星系可以分正常旋涡星系和棒旋星系两种。按哈勃分类，正常旋涡星系又分为a、b、c三种次型；S型中心区大，稀疏地分布着紧卷旋臂；S型中心区较小，旋臂较大并较伸展；S型中心区为小亮核，旋臂大而松弛。除了旋臂上集聚高光度O、B型星和超巨星、电离氢区外，同时还有大量的尘埃和气体分布在星盘上，从侧面看去，在主平面上呈现为一条窄的尘埃带，有明显的消光现象。旋涡星系通常有一个笼罩整体的、结构稀疏的晕，叫做星系晕。其中主要的星族Ⅱ天体，其典型代表是球状星团。

    一个中等质量的旋涡星系往往有100—300个球星团，不均匀地散布在星系盘周围空间。再往外，可能还有更稀疏的气体球，称为星系冕。

    其他星系

    河外星系除上述几种星系外，还发现有大量各种类型的星系。天文学家估计，在最先进的仪器所观测到的这一部分宇宙里，星系的总数可能高达一千亿个之多。不久以前，美国天文学家宣布发现了迄今为止最大的发光结构——一道由星系组成的长至少有5亿光年、宽约2亿光年、厚约1500光年、距地球2—3亿光年的“宇宙长城”。这座巨大的“宇宙长城”实际是一个巨大的河外星系。

    随着太空时代的到来，人们对太空星系越来越感兴趣。如今世界各地已有数百种天文杂志和数千个大大小小的天文学会社团，仅西欧就有数十万业余天文爱好者。世界各国为使自己在开发利用宇宙空间的宏伟事业中处于有利地位，更是加紧探索宇宙中的奥秘。

    9.宇宙中还有别的智慧生物吗？

    20世纪的地球居民，并不是宇宙中唯一的智慧生物——这个说法能令人信服吗？

    毫无疑问，和地球类似的行星是存在的。有类似的混合大气，有类似的引力，有类似的植物，甚至可能有类似的动物。然而，其他的行星非要有类似地球的条件才能维持生命吗？

    实际上，生命只能在类似地球的行星上存在和发展的假设是站不住脚的。以往人们认为被放射物污染的水中是不会有任何微生物的，但是实际上有几种细菌可以在核反应堆周围的足以让多种微生物致死的水中存活。

    有两位科学家把一种蠓在高温下烤了几个小时后，马上放进液氦中（液氦的温度低得和太空中一样）。经过强辐照后，他们把这些试验品再放回到正常的生活环境中。这些昆虫又恢复了活力，并且繁殖出了完全“健康”的后代。

    这无非是举出了极端的例子。也许我们的后代将会在宇宙中发现连做梦也没有想到过的各种生命，发现我们在宇宙中不是唯一的，也不是历史最悠久的智慧生物。

    最近，日本著名的宇航学教授佐贯亦男与地外生命学专家大岛太郎发表了有关地外生命的对话，论点新颖，妙趣横生。

    科学家能够提出地球外有生命，甚至推测存在着比我们更聪明的外星人，是很了不起的。因为有些人会用地球上生命形成与存在的传统理论来衡量外星球，忘却了他们之间在地理条件和自然环境上的不同。

    科学家希柯勒教授在实验室里创造了一种与地球环境截然不同的木星环境，在这样的环境条件下成功地培养了细菌与蛾类，从而证明生命并不是地球的“专利品”。我们地球上的所有生物也不是按照同一个模式生活的。氧是生物进行新陈代谢的重要条件，但是有一种厌氧细菌，就不需要氧，有了一定的氧反而会中毒死亡。

    高温可以消毒，会使生命死亡，但海底有一种栖息在MOT条件下的细菌，温度不髙反而会死亡。据估计，地球上不遵守生命理论而存在的生物有好几千种，只是我们没有全部发现而已。

    有些人妄断地球的环境是完美无缺的，什么只有一个大气压，温度、湿度正常……其实，这些标准是地球人自定的。事实上，地球上的各种生命不一定都生活在“自由王国”之中，它们必须受到各种限制。我们不应该以地球上生命存在的条件去硬套外星球，各个星球有自己的具体条件。

    于是，在生命理论的研究领域中，行星生物学应运而生了。它主要研究地外各种行星的自然条件，是否存在适宜于这些环境条件的生物，地球生物是否可以移居到地外行星上去，以及发现行星生物的新方法。因为生物往往具有一种隐蔽的本能，即使存在也不一定能轻易被发现。例如地球空间中存在着许多微生物，但又有谁能用眼睛去发现它们呢？目前，对火星、金星、木星等的探查工作刚刚开始，断言这些星球上不存在任何生命，似乎为时过早。

    随着人类对自然界认识的深化及当代科学技术的飞速发展，人们提出在地球以外的星体上存在生命甚至高级文明社会的问题不足为怪。科学家们为好奇心所驱使，极力想探索出个究竟来，于是在二十多年前就产生了寻找“地外文明”的科学探讨方向。

    外星人的传闻日益增多，不管男女老幼，对此都很感兴趣。除了我们地球的人类之外，其他天体上到底有无类似人的生命？这个问题已成为当代科学的第一大谜。

    为解开此谜，1987年10月，世界上有69位著名科学家联合发出呼吁，要求对外星智慧生物进行世界性的探索。

    10.宇宙到底有限还是无限？

    人们常常用“不知天高地厚”这句话来批评那些无知的人。其实，天究竟有多高，至今也没有人能说得清楚，宇宙的大小和形状，也就成为天文学家争论不休的问题之一。争论的焦点集中在宇宙是有限的还是无限的这个问题上。

    均匀的宇宙？

    长期以来，人们相信地球是宇宙的中心。哥白尼把这个观点颠倒了过来，他认为太阳才是宇宙的中心。地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则镶嵌在天球的最外层上。布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的太阳。

    无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。教会支持宇宙有限的论点。但是，布鲁诺居然敢说宇宙是无限的，从而挑起了宇宙究竟有限还是无限的长期论战。这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢？”这个问题确实不容易说清楚。主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢？”这个问题同样也不好回答。

    随着天文观测技术的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒星是遥远的太阳。人们还进一步认识到，银河是由无数个太阳系组成的大星系，我们的太阳系处在银河系的边缘，围绕着银河系的中心旋转，转速大约为每秒250公里，围绕银心转一圈约需2.5亿年。太阳系的直径充其量约1光年，而银河系的直径则高达10万光年。银河系由100多亿颗恒星组成，太阳系在银河系中的地位，真像一粒沙子处在北京城中。

    科学家们后来又发现，我们的银河系还与其他银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为107光年（1000万光年）。目前，望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团存在，这些星系团不再组成更大的团，而是均匀各向同性地分布着。这就是说，在107光年的尺度以下，物质是成团分布的。卫星绕着行星转动，行星、彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成。有两个太阳的称为双星系，有三个以上太阳的称为聚星系。成千上亿个太阳系聚集在一起，形成银河系，组成银河系的恒星（太阳系）都围绕着共同的重心——银心转动。无数的银河系组成星系团，团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。但是，星系团之间，不再有成团结构。各个星系团均匀地分布着，无规则地运动着。从我们地球上往四面八方看，情况都差不多。粗略地说，星系团有点像容器中的气体分子，均匀分布着，做着无规则运动。这就是说，在108光年（一亿光年）的尺度以上，宇宙中物质的分布不再是成团的，而是均匀分布的。

    由于光的传播需要时间，我们看到的距离我们一亿光年的星系，实际上是那个星系一亿光年以前的样子。所以，我们用望远镜看到的，不仅是空间距离遥远的星系，而且是它们的过去。从望远镜看来，不管多远距离的星系团，都均匀各向同性地分布着。因而我们可以认为，宇观尺度上（105光年以上）物质分布的均匀状态，不是现在才有的，而是早已如此。

    于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。这条原理说，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。现在看来，宇宙学原理是对的。所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。

    有限而无边的宇宙？

    爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响，因而他把注意力放在了天体物理上。他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。

    爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个人们完全意想不到的模型。在这个模型中，宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。以往人们认为，有限就是有边，无限就是无边。爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。

    一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是有限的。同时它有明显的四条边，因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面爬，无论朝哪个方向爬，都会很快到达桌面的边缘。所以桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四面八方无限伸展，成为欧氏几何中的平面，那么，这个欧氏平面是无限无边的二维空间。

    我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为r，那么球面的面积是4πr²，大小是有限的。但是，这个二维球面是无边的。假如有一个小甲虫在它上面爬，永远也不会走到尽头。所以，篮球面是一个有限无边的二维空间。按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是均匀各向同性的。爱因斯坦认为，这样的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度应该相同，即应该有相同的曲率。由于有物质存在，四维时空应该是弯曲的。三维空间也应是弯的而不应是平的。爱因斯坦觉得，这样的宇宙很可能是三维超球面。三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。通常的球体是有限有边的，体积是4/3πr³，它的边就是二维球面。三维超球面是有限无边的，生活在其中的三维生物（例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物），无论朝哪个方向前进均碰不到边。假如它一直朝北走，最终会从南边走回来。

    宇宙学原理还认为，三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。爱因斯坦觉得其中最简单的情况就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇宙。这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性，就永远保持均匀各向同性。

    爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下，求解广义相对论的场方程。场方程非常复杂，而且需要知道初始条件（宇宙最初的情况）和边界条件（宇宙边缘处的情况）才能求解。本来，解这样的方程是十分困难的事情，但是爱因斯坦非常聪明，他设想宇宙是有限无边的，没有边自然就不需要边界条件。他又设想宇宙是静态的，现在和过去都一样，初始条件也就不需要了。再加上对称性的限制（要求三维空间均匀各向同性），场方程就变得好解多了。但还是得不出结果。反复思考后，爱因斯坦终于明白了求不出解的原因：广义相对论可以看做万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”，不包含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。要想得出静态宇宙，必须修改场方程。于是他在方程中增加了一个“排斥项”，叫做宇宙项。这样，爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。一时间大家非常兴奋，科学终于告诉我们，宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。看来，关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。

    宇宙的“模型”之说

    几年之后，一个名不见经传的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀各向同性的，但是，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化分三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。后来，西欧一些数学家、物理学家得到类似的宇宙模型。爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后，十分兴奋。他认为自己的模型不好，应该放弃，弗利德曼模型才是正确的宇宙模型。

    同时，爱因斯坦宣称，自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的，场方程不应该含有宇宙项，而应该是原来的老样子。但是，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼再也收不回去了。后人没有理睬爱因斯坦的意见，继续讨论宇宙项的意义。今天，广义相对论的场方程有两种，一种不含宇宙项，另一种含宇宙项，都在专家们的应用和研究中。

    早在1910年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多普勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，即光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。许多人都有过这样的感受：迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳，远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是声波的多普勒效应，迎面而来的声源发出的声波，我们感到其频率升高，远离我们而去的声源发出的声波，我们则感到其频率降低。

    如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应，那么大多数星系都在远离我们，只有个别星系向我们靠近。随之进行的研究发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中（我们银河系所在的星系团称本星系团）。本星系团中的星系，多数红移，少数紫移；而其他星系团中的星系就全是红移了。

    1929年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出一条经验规律，河外星系（即我们银河系之外的其他银河系）的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比，所以，上述定律又表述为：河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比，即V＝HD，式中V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。

    这个定律称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。按照哈勃定律，所有的河外星系都在远离我们，而且，离我们越远的河外星系，逃离得越快。

    哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以这样解释，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动，因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。

    哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不过，如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢？一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节。另一个可能是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，所以大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律终于被大量实验观测所确认。

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