【译者之言:对于深奥的宇宙大爆炸和宇宙膨胀理论,阿西莫夫先生给出了浅显易懂的说法:“任何遥远的天体都是很久以前的天体,距离越远,时间就越早。如果我们能看到非常遥远的天体,那么,我们就会看到早期的宇宙。”】
几个月前,我参加了一个宴会,宴会结束出门时,发现外面正淅淅沥沥地下着雨。显然,这种天气难得等到出租车,于是我和另外两位参加宴会朋友,走到最近的地铁口,上了地铁,向北而行。
碰巧,我第一个到站。我向朋友们道别,下了火车。第二天我才知道,在我下车后地铁上发生了什么。
有三个年轻人走到我朋友们的座位处,直直地站在他们身旁,让我两个朋友感到一丝受威胁的恐惧。我的朋友们都很清楚,地铁里时常会发生暴力事件,他们自然很担心。
其中一个年轻人低声说了些什么,我的一个朋友鼓起勇气说:“对不起,年轻人,我没有听清楚你说什么。可以请你再重复一遍吗?”
于是,这个年轻人提高声音说道:“我想问一下:刚下火车的那个人是艾萨克·阿西莫夫吗?”
刹那间,这三个年轻人就从让人心生恐惧的流氓,变成了三个有很高品味的文化迷,我的朋友们高兴地回答说,的确是的,此后一切就成了葡萄美酒加玫瑰般的交谈。
我不知道,地铁上那些聪明的年轻人,是否会去读我的科学随笔,如果他们会读,这篇科学随笔就献给他们吧!
· · ·
在前一篇科学随笔中,我谈到了多普勒效应。多普勒效应显示,遥远的星系,无一例外地都在远离我们,星系离得越远,离开就越快。
这似乎给了我们的星系一个特殊的待遇。所有其它的星系都在远离它,离得越远,离开就越快。不知怎么的,这似乎又让人感觉不对劲。为什么在数十亿个星系中,只有我们的星系,会有这种区别呢?
早在1916年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)(1879-1955年)设计了一套“场方程”来描述整个宇宙的特征。爱因斯坦认为宇宙作为一个整体是静态的,没有明显地随着时间发生任何渐进的变化——毕竟,直到当时,在我们对宇宙的观察中,没有发现有任何东西,表现出任何的不同。也就是说,宇宙中的一些天体可能正在接近我们,而一些可能在远离我们,一些可能会朝着这个方向前行,一些可能会朝着那个方向前行,但所有这些变化往往都会被相互抵消,宇宙的整体外观保持不变。
爱因斯坦的方程并没有完全证明这一点,所以爱因斯坦任性地添加了他所谓的“宇宙常数”,并赋予该常数一个数值,以允许其方程代表静态宇宙。(他后来称,这是他犯下的“最大的错误”。)
不过,第二年,荷兰天文学家威廉姆·德·西特(Wilem de Sitter)(1872-1934年)就指出,没有宇宙常数的场方程代表了一个膨胀的宇宙,一个以恒定速度变大的宇宙。然而,这种膨胀似乎纯粹是理论上的,因为当时并没有迹象表明宇宙确实在膨胀。
然而,一旦哈勃证实遥远的星系都在远离我们,这就有了观测证据,表明德·西特提出了一个有价值的观点。宇宙正在膨胀,所有的星系(或星系团)都彼此相对在远离。这就是为什么所有星系似乎都在远离我们,而我们也并不是生活在一个特殊的星系中。如果宇宙在膨胀,那么当我们从任何星系上观察其它的星系时,所有其它星系看上去都会在远离,离得越远,离开就越快。
换句话说,爱因斯坦的场方程描述的就是宇宙现状,而不需要添加什么宇宙常数。
· · ·
如果宇宙正在膨胀,我们考虑未来,宇宙很可能会永远继续膨胀下去。它膨胀的空间大概也是没有限制的。
另一方面,如果我们考虑过去,我们就会看到,随着我们深入地回到过去,宇宙一定会越来越小。这又意味着宇宙的过去,不会像未来,不可能永远存在。在有限的过去的某个时候,宇宙一定非常小,它所有的质量和能量都被压缩成了一个小球。
1927年,比利时天文学家乔治·爱德华·莱迈特雷(Georges Edward Lemaitre)(1894-1966年)首次指出了这一点。他将这一小块物质称为“宇宙蛋”。显然是宇宙蛋爆炸形成了现在的宇宙,而俄裔美籍物理学家乔治·伽莫夫(George Gamow)(1904-1968年)则将这次爆炸称为“大爆炸(Big Bang)”。
大爆炸理论现在已被天文学家普遍接受。出现的一些争论是,最初的宇宙蛋起源于哪里,它是如何形成的,它有多大,它从怎样的最初阶段发展成我们现在的宇宙,等等。不过,这些并不是这篇科学随笔感兴趣的问题。我们只想简单地问一下:大爆炸是什么时候发生的?多久以前发生的?
想要得到答案,方法是确定宇宙现在膨胀的速度。那么,如果膨胀速度不随时间发生变化,由此就可能直接确定出原点,这非常简单。
哈勃在1929年的测量表明,远离的速度确实是恒定的,而宇宙膨胀得非常之快,回顾过去,宇宙蛋大概在20亿年前就已经存在了。
但这明显是错误的,因为地质学家已确认,地球本身就比这更古老,地球不可能比它所在的宇宙的年龄还要大。根据地壳、月球和陨石中放射性物质的衰变,我们现在知道地球和太阳系一般有45亿年的历史,所以宇宙必须至少也有45亿岁的年龄,并且可能比这还要大得多。
幸运的是,用来确定较近星系距离的标准,相应又可以作为确定所有更远星系距离的依据,结果证明,这是一个比人们想象的要复杂得多的事情。当标准被修正后,宇宙明显比人们想象的要大得多,因此一定已经膨胀了更长时间,它的年龄相应就更大了。
大爆炸的时间一定在过去至少100亿年,而且很可能更早。事实上,现在最常用的数字是过去的150亿年。
如果宇宙已有上百亿年的历史,那么我们应该在天空中看到上百亿光年之外的物体,如果是这样,我们就应该能看到遥远的过去。毕竟,如果一颗恒星距离我们10光年,那么这颗恒星发出的光需要10年才能到达我们,我们看到的是10年前的它。如果一个星系距离我们1000万光年,光需要1000万年才能到达我们,我们看到的则是1000万年前的它。
换句话说,任何遥远的天体都是很久以前的天体,距离越远,时间就越早。如果我们能看到非常遥远的天体,那么,我们就会看到早期的宇宙。如果我们看到150亿光年之外的宇宙,我们看到的就是150亿年前的宇宙,也就是一开始时的宇宙。
然而,天体越远,就越暗,也就越难被发现。1960年的天文学家,在望远镜里看到早期的宇宙的机会,不可能比我们现在更多。
1960年,他们能看到的最遥远的星系是,根据红移和新的标准来看,可能距离我们8亿光年。这意味着,他们只能看到8亿年前的过去/而如果宇宙有150亿年的历史,他们看到的只有这一历程的大约二十分之一。
他们到底应该怎么做,才能做得更好呢?
· · ·
到了1960年,天文学家们已经开始使用射电望远镜,它探测无线电波,而不是光。起初,人们没有任何理由相信,无线电波会比光波告诉我们更多的宇宙信息。例如,太阳发出无线电波,但这些无线电波不像光一样,能告诉我们有关太阳的,诸如热量、化学成分和其他特性等等,那么有用的信息。
此外,光可以来自我们自己的星系和其他星系中的无数恒星,但无线电波源的数量就要少得多。遥远的恒星可以发出足够的光,即使人们肉眼看起来也相当明亮,而它们却不会发出数量可探测到的无线电波。我们探测来自太阳的无线电波的唯一原因,不是因为它是一颗不寻常的恒星,而是因为它离我们很近。
不过,有些无线电波源似乎来自天空中某一限定的部分,它们在过去被称为“射电星”。而另一方面,人们也并不一定就会认为,射电星是真正的恒星。它们可能源于非常遥远的星系,因此在天空中没有占据太多的视空间。即使没有探测到有单个恒星发射无线电波,整个星系也可能会发射足够的,可以被探测到的无线电波。
有些射电星非常密集,人们会认为,它们可能是恒星。在这些非常密集的无线电波源中,有几个被称为3C48、3C147、3C196、3C273和3C286。[“3C”代表《剑桥射电星目录第三类》,这是由英国天文学家马丁·莱尔(Martin Ryle)(1918-1984年)和他的同事们共同编撰的]。
1960年,美国天文学家阿兰·雷克斯·桑德奇(Allan Rex Sandage)(1926年生)使用200英寸的帕洛玛望远镜,对包含这些密集射电源的区域进行了梳理。在每一种情况下,它似乎确实是一颗发射无线电波的恒星,而它们看上去就像是我们自己星系中,不起眼的暗星。
然而,也存在一些令人不安的情况。为什么这些少的恒星,会发出可探测强度的无线电波,而其他离我们更近,更明亮的恒星,却不能发射可探测强度的无线电波呢?后来,当这些射电星被仔细检查时,发现其中一些与微弱的星云状物有关。至于其中最亮的3C273,则有微弱的物质喷出迹象。
这些射电星,虽然看起来像恒星,但似乎又有所不同。它们被称为“准恒星射电源”,“准恒星(quasi-stellar)”的意思是“类似恒星”。随着这个词变得对天文学家们越来越重要,它就变得太不方便了,于是被缩写为“quasi-stellar”的第一个和最后一个音节——“quasar(类星体)”。
显然,这些类星体非常有趣,需要用大量的天文学技术进行研究,这意味着需要获得它们的光谱。获得暗天体的光谱并不容易,但美国天文学家杰西·莱昂纳德·格林斯坦(Jesse
Leonard Greenstein)(1909年生)和他的荷兰裔美籍同事马尔滕·施密特(Bartender Schmidt)(1929年生),努力完成了这项任务,并获得了光谱。
刚获得光谱时,似乎并没有起到什么帮助。他们发现这些类星体带有无法识别的奇怪谱线。此外,有一个类星体的谱线与其他所有的都不同,而所有这些谱线都无法识别——这至少增加了人们对这些天体的奇怪感。
1963年,施密特注意到,在3C273光谱中存在的六条线中,有四条的间隔类似于一系列的氢谱线——只是在它们被发现的位置,不应该存在这样的谱线。然而,如果这些谱线只是因为被移到了光谱的红色一端,而出现在它们现在被发现的地方,又会是什么情况呢?如果是这样的话,那必须是一个很大的位移,表明它以每秒4万公里的速度在离开,这个速度超过了光速的八分之一。
这似乎令人难以置信,但如果存在这样的位移,另外两条线的识别也就迎刃而解了;一条代表双电荷的氧,另一条代表双电荷的镁。
那么,这些类星体根本就不是我们自己星系中的恒星,而是距离我们很远的天体,其中离我们最近也至少有10亿光年。(如果没有射电望远镜,它们就不会被发现,而不知道红移,它们的意义也不会被理解,这就是我在前一篇随笔中讨论过的“音高的重要性”。)
显然,在这样的距离上,即便是在我们最好的望远镜里,它们也必须非常明亮,才能被看到。事实上,它们的亮度必须是我们星系亮度的一百倍。自然,它们内部一定存在一些非同寻常的东西,才会产生所有这些光和所有这些无线电波。
此外,到了1963年,人们发现类星体亮度变化的速度,有时令人惊讶,而且光和无线电波会同时变化。这些变化很大,在一年左右的时间内都能被观察到。
这意味着,类星体在尺寸上一定非常小。小的变化可以是由于天体限定区域的变亮和变暗引起的,但大的变化一定涉及到整体天体。如果天体作为一个整体参与进来,那么在变化的时间内,我们一定会感觉到某种效应,贯穿了天体的整个宽度。由于没有什么效应比光更快,一年的空间内显著的变化,就表明类星体的宽度不会超过一光年。有些类星体似乎甚至比这更小。
这种高亮度和小体积的组合,确实令人费解。
· · ·
对于这一点,可能的答案来自于,通过射电天文学对一般星系进行的研究。
如果我们通过普通的光来看星系,它们看起来会非常美丽、安静。中心比外围更明亮,因为恒星在中心的分布比在外围更密集。
然而,射电天文学向我们展示,从许多星系的最核心处开始,有大量的能量稳定地外流。在某种程度上,的确是这样的,甚至我们自己的星系也是如此。我们无法通过光线看到自己星系的核心,因为尘埃云阻挡了我们的视线。然而,无线电波可直接穿过云层,而我们的射电望远镜告诉我们,核心的的体积非常小,但却是真正的无线电波泛滥。
越来越多的天文学家认为,许多(也许是所有)星系的中心都有个大黑洞,能量是由中心的黑洞吞噬物质,甚至是吞噬整个恒星,而产生的。
由于某种原因,有些中央黑洞特别巨大,特别活跃,会产生特别泛滥的无线电波——比起我们自己那安静而受人尊敬的星系,要多很多。在黑洞吵翻天的地方,我们就有了一个“活动星系”的称呼。
自然,一个活动星系的核心也应该发出强度异常高的光,而且这样的核心会比星系的其他部分明亮得多。
早在1943年,美国天文学家卡尔·塞非(Carl Seyfert)观察了一个带有非常小的核,且非常明亮的奇怪星系。从那时起,也发现了其他此类星系,它们现在被称为“赛非星系”。一些天文学家认为,这些星系可能占到了所有星系的1%。
那么,类星体就可能是非常大或非常极端的塞非星系,它们非常遥远,只能看到令人难以置信的明亮中心,这使得整个天体看起来像一颗恒星。事实上,在最近的照片中,类星体周围的暗星云显示得更加清晰,我们对付的很可能就是明亮的塞非星系。
类星体距离我们都很远,没有一个会少于10亿光年的距离。一般来说,它们还要远得多。人们很容易认为,类星体是我们宇宙中充满活力的年轻人的产物,它们挥霍能量,很快就会将其耗尽。宇宙变老时,越来越多的类星体变暗,并平静下来。新诞生的类星体越来越少,直到在过去的十亿年里,一个也不存在了,也许未来也不会再出现了。
通过现代的探测技术,我们可以在很远的距离上看到类星体。但是,一定会存在一个,不再能看到它们的极限。
假设大爆炸发生在150亿年前。在宇宙年轻的时候,可能有一些阶段,能量主导着空间。而考虑到存在的光子的密集混合,空间是不透明的。随着宇宙的膨胀和冷却,能量凝聚成物质,空间变得透明,最终形成了包括类星体在内的星系。
如果我们透过光学、射电或其他任何形式的望远镜凝视太空,我们最终会穿透到非常遥远的,也就是很久以前地方,除了那些不透明的雾霾(标志着恒星和星系形成之前的宇宙),什么都看不见。我们会看到四面八方的雾霾,这标志着“宇宙的尽头”。
但超越雾霾之外,一定还有大爆炸本身,而我们应该探测到来自爆炸的辐射。你可能会认为,我们看到的应该一种令人难以置信的,灿烂的辐射爆发。但它是如此之遥远,巨大的红移把它全部都推入了无线电波区域。
1949年,加莫提出,来自大爆炸的无线电波辐射,应该以同样强度在太空的各个地方被探测到。美国物理学家罗伯特·亨利·迪克(Robert Henry Dicke)(1916年出生)接受了这个观念,并将其进一步推进。
1964年,在迪克的帮助下,德裔美籍物理学家阿诺·艾伦·潘齐亚斯(Arno Allan Penzias)(1933年出生)和美国射电天文学家罗伯特·伍德罗·威尔逊(Robert Woodrow Wilson)(1936年出生)实际探测到了太空中的这种无线电波背景。这最有力地显示出,确实发生过大爆炸。
· · ·
考虑到大爆炸的截止区域加上它周围不透明的辐射雾霾,在极限范围内,我们能看到的最远的东西是什么呢?
1965年,马尔滕·施密特(Maarten Schmidt)发现,类星体3C9有巨大的红移,它必定距离我们105亿光年,并以每秒24万公里的速度远离我们。这是光速的80%,似乎不太可能有比这更远的天体了。
1973年,类星体OQ172的红移得到了确定,发现它离我们115亿光年。(顺便说一下,这意味着宇宙不可能只有100亿年的历史,除非红移被解释为,根据哈勃公式计算的距离以外的其他东西——一些天文学家怀疑可能是这样的。然而,他们只是少数派,即使有时声音很高,仍然还是少数派。)
1973年之后,发现了大约1500个以上的类星体,但没有一个明显超过OQ172的记录。
天文学家现在已经养成了一种习惯,在发射天体静止时,根据谱线位移与原来位置的百分比来衡量红移。将百分比除以一百,因此如果一条谱线位移为百分之100,红移为1;如果有百分之200的位移,红移为2;以此类推。
OQ172的红移大约是3,但在1987年,记录被打破了。天文学家们利用新技术扫描了天空,并选择靠近南银极的地方。这些区域尽可能远离银河系,这样不会被灰尘遮挡,装置可以穿透到非常深的空间。通过这种方式,又发现了14个红移大于3,2个红移大于4的类星体。事实上,现在已知的红移高达4.43。
天文学家不知道是否还会发现更高的红移,如果能,天文学家会发现自己处于一个尴尬的境地,因为最新的星系形成理论表明,它们最初形成的时间相当于数值为5的红移。如果发现更高的红移,天文学家将不得不建立星系形成的新理论。(译者之言:2020年,中国台湾的天文学家观察到了红移高达6.62的类星体。天文学家发现,类星体有超光速现象,而有人认为这只是一种宇宙假象。如果真有超光速的现象,我们现在的很多理论都会被颠覆。借用阿西莫夫先生在《宇宙的奥秘》中的一段话“宇宙中任何未被了解的部分,和科学研究中任何尚未被解决的部分,与已被了解和已被解决的部分相比,无论多小,它们都包含着原始的复杂性。因此,我们永远都无法将其穷尽。无论我们走多远,前方的路还是会和开始的一样长,这就是宇宙的奥秘”,人类对宇宙的认知过程看来是无穷尽的。)
事实上,由于另一个不涉及类星体的遥远的发现,无论在什么情况下,我们都可能会遇到麻烦。毕竟,类星体是一种非常特殊的星系,可能并不能代表整体。我们能看到多远的普通星系呢?
这里遇到的问题是,普通的星系比类星体要暗得多,因而更难被发现。不过,现在有了一些新的技术,可以识别出非常暗的天体,可以让我们看到那些,仅仅几年前我们还无法看到的东西。
美国天文学家J·安东尼·泰森(J.Anthony Tyson)领导的一个团队,利用智利的一个大型射电望远镜和一种叫做“电荷耦合装置”的东西,记录了这些图像。
他们选择了天空中的12个区域,每个区域的尺寸大约为3弧分乘5弧分,这样每个区域大约是满月尺寸的1/200,所有12个区域加在一起,是满月尺寸的1/17。这12个区域的天空远离银河系,其中没有任何明亮的恒星或星系。它们看上去基本上是空白空间。
然而,新技术在这些“空白空间”的每个样本中,发现了多达1000个模糊的天体。在所有12个样本中,大约有25000个天体。
这些模糊的天体不像恒星那样是点光源,它们也不够明亮,不足以成为类星体。给人的感觉是,它们就是普通的星系,或者至少是“原始星系”。由于在所有12个区域都有这些原始星系的聚集,所以它们也应聚集在各个地方,天空中可能有200亿个这样的原始星系。
这些天体处于“混乱的极限”。也就是说,如果还有更远的天体(或者我们还能看到更暗的天体)的话,它们就会重叠,根本不会作为单独的天体被看到。
这些原始星系中较亮的红移范围在0.7到3之间,可以得到它们的距离在70到114亿光年之间。也许其中有些天体的红移会达到4以上,这可以追溯到大爆炸后仅10亿年左右的时间。
为什么它们如此紧密地聚集在一起呢?如果我们朝任何方向看出去100亿光年的距离,我们看到的可能是一个,体积只有当前宇宙4%的宇宙。这个时期的宇宙中,星系的平均距离只有今天的1/25,所以它们自然会紧密地聚集在一起。
当我们在不同的方向向外看时,我们看到的是,巨大的原始星系外壳,围绕着我们宇宙。而我们实际上是从不同的角度,看到同样的一个小宇宙。
然而,如果遥远的原始星系真的存在——如果它们不是仪器或解释中,出现的一些难以置信的错误造成的话——它们就告诉我们,在大爆炸后仅十亿年,星系就开始了其形成过程,并在此后大约50亿或60亿的时间,以渐进的速度最终形成。
由于目前关于早期宇宙发展的理论,倾向于设想星系稍晚形成,是在一次大爆炸中开始和形成的,所以我们对宇宙的看法似乎必须改变。这可能是非常令人兴奋的,因为我们最终应该得到一幅更好、更令人满意的宇宙画面,以及一幅更接近真实的画面。(译者之言:关于宇宙的年龄,最新的估算为137.7亿光年,误差不超过4000万年)
(作者:艾萨克.阿西莫夫(Isaac Asimov),译者:劲松)