书城童书科普知识百科全书——《时间知识篇》(下)

第15章 时间的趣话(8)

当然,这还只是一种设想。随着原子钟质量的不断提高,以及对于人造卫星运动规律的深入了解,我们相信作出这类验证的日子不久就会到来。

时间有无开头和终结时间的开头和终结是什么意思?宇宙是无限的还是有限的?你所说的宇宙又指什么?这些问题解决了,第三个问题的答案也就清楚了。

时间是物质运动和变化的一种形式。问时间有无开头和终结,相当于问物质的运动和变化有无开头和终结。事实上,许多世纪以来,这个问题一直强烈地吸引着人们,从奥古斯汀到康德,他们都曾有过论述。到了近代,随着数学、物理学和天文学的发展,这些问题又被某些自然科学家赋予了新的可说是稀奇古怪的形式。为方便起见,让我们先从“时间的终结”谈起。

在很久以前,自信解开了时间单向性之谜的玻尔兹曼又从热力学原理出发,把宇宙的终结(因而也就是时间的终结)设想成为整个宇宙达到最大熵的阶段。他推想,在将来某个不确定的时候,宇宙间将没有什么东西会比另外一些东西更冷或者更热,最慢的放射性元素都将衰变为稳定元素,恒星会辐射完它们的能量;使严寒的星际空间一部分一部分地变暖起来。

地球及其姐妹星——月球的旋转会由于宇宙尘埃的摩擦而减慢,最终将脱离其轨道而掉向太阳,人类本身也便随之毁灭。在“烧尽”了的宇宙之中便不再有赖以观测和测量时间的物质运动。在这个时候,时间将达到终结,这就是所谓的“热寂说”。

那么,“这个时候”究竟在什么时候到来呢?

玻尔兹曼本人没有给出具体期限。后来,支持他的学术观点的物理学家计算了铅”的衰变周期,得到“时间终结”到来的大概日期是:1.4×120年。他们说;铅204的半衰期是1.4×1017年,如果这个数字是正确的,假定它又是经过1000次这样衰变后成为稳定元素,那么就有1.4×1017×1000=1.4×1020年。

这是以铅在衰变中不转变为其他物质为前提推出的结论。这当然是一种非同寻常的主张。非同寻常的主张必须要有非同寻常的证据,否则难以令人置信。可惜,这些物理学家拿不出任何证据能证明铅不会转变成其他物质。因此,如其说这种计算是科学,倒不如说是一种想入非非。

到了20世纪,由于天文观测技术的进步,高能天体物理学蓬勃发展,人们对于“宇宙中的神秘岛”——黑洞有了较多的了解。于是,有些宇宙学家便由黑洞的研究成果,重新提出时间终结问题。他们说,时间的终结在于黑洞之中!

现在说到黑洞,也许大家不再觉得它新鲜了。这不是说它的问题已经完全解决,恰恰相反,关于黑洞的问题愈来愈多,旧的固然未能完全解决,新的问题亦有待科学家深入研究。

总的来说,黑洞的研究目前仍处于开始阶段。

黑洞在宇宙中,就好像地球上传闻已久的百慕大三角地带,在一般人的心目中是神秘、可怕的。从一些简短报导中,我们知道它是宇宙中体积很小的特殊天体,是由一些质量很大的天体演化而成的。它拥有一个封闭的视界(或称疆界),不停地吞噬它周围的物质,就连光辐射也难幸免,但视界以内的任何物质却跑不到外面去。科学家们推测说,一个巨大星球枯竭、坍缩时,表面重力增加,周围时空剧烈畸变,最后沦为一点,即所谓“宇宙奇点”——黑洞。时间同其他物质一样,也有一个奇点,达到这个奇点便告终结。这个奇点不是别的,正是黑洞。黑洞代表着时间的终结或时间的疆界。越过这条疆界,我们这个宇宙的时间概念便不能应用。

如果时间有终结,那么人们自然要问它有起点吗?起点又在哪里?

科学家们的简单回答是:有,这就是宇宙大爆炸。

这些科学家认为,我们的宇宙目前处于膨胀阶段。膨胀达到极大值以后,它会发生爆炸,并在宇宙奇点上陷于毁灭,剩下来的仅是一些看不见的黑洞。将剧情倒序,时间的开端就是一场巨大的爆炸——宇宙大爆炸。他们说,大爆炸并不是一次在空洞中发生的爆破,而是时间、空间和所有物质都赖以存身的一种真正的“开天辟地”,也就是时间的源流。

大爆炸已被推断为宇宙扩张的初始动力。不少科学家喜欢这一理论,认为它较好地解释了关于宇宙中物质变化和结构的许多已知事实。

但是,这里存在着一个所谓孩提式的问题。

有个小孩天真地问一位神父:“你说是上帝创造了世界,那么谁创造了上帝呢?”

今天,同样有许多科学家,他们并非天真而是严肃地问:“谁创造了大爆炸?大爆炸之前又是什么样子?”

对于这些问题的回答,或许可以为我们提供一幅更加壮丽的宇宙演化图像。

时间的最初三分钟继续追溯下去,在宇宙诞生的最初几分钟里是怎样的景象?

这是天文学家和物理学家们多年来热烈争论的问题。诺贝尔奖金获得者史蒂文·温伯格为此写过厚厚的一本书——《最初三分钟》,详细描述了大爆炸之后仅仅180秒之内的有趣景象。

拿1秒和宇宙150亿年历史相比,犹如拿一只蚊子同银河系的直径去比大小!

1秒,稍纵即逝。科学家如何能够重现150亿年前那一短暂时刻所发生的种种现象呢?他们所依据的仍旧是“现在”。

现在是通晓过去的钥匙。可以预言未来的定律同样也应该能够重现过去。

科学家们凭借现代有关宇宙物质的物理定律,不仅揭示了宇宙生命还不到1秒时所发生的一切,而且令人惊讶的是,他们竟能追溯卜百亿年,再现宇宙形成之初10-43秒时的种种现象!

在大爆炸1秒时,宇宙中的质子和中子结合成原子。先是2个质子和2个中子结合成氦原子核,以后进而合成像锂那样稍重一些的元素的原子核。这个时期很短,温度迅速下降,来不及合成较重的元素。

时间稍微后推,在不到1秒时,宇宙温度高达100亿度,光辐射能量极大,称为宇宙的辐射时代。

在宇宙时为10-2秒(1/100)时,参与相互作用的主要粒子不是光子,而是电子、U粒子和中微子。这些粒子都是轻子,所以这个时期叫轻子时代。

在轻子时代,宇宙中占统治地位的力是弱相互作用,大量电子和正电子相遇而湮没,变成光子。

再向后推,在10-6秒即百万分之一秒时,宇宙温度为10万亿度,一些质量比电子大的粒子很活跃,宇宙中有大量的质子和中子,还有丌粒子。它们之间的作用是强相互作用,所以叫强子。这个时代也就叫强子时代。

在强子时代,物质的密度很高,处于超密态。超密态物质随温度下降发生相变,放出大量热量。整个宇宙宛如一个小小的燃烧着的火球。

时间越往后推,宇宙越热。在宇宙时为10-36秒时,温度高达开氏1028度。这时候正粒子和反粒子相互湮没而形成光子。

在10-43秒,宇宙温度为开氏1032度,现在所知道的轻子以及组成强子的夸克大概就是在这时创生的。

在10-43秒之后,宇宙的温度更高,强烈的辐射会破坏原子,使原子核衰变。在这样的条件下,我们现在所知的物质是无法存在的,基本粒子本身也会破裂为更基本的组成部分。

再往后去,例如宇宙时为10-44秒的情况,我们就一点也不知道了。

以上是科学家对宇宙大爆炸的最初瞬间直至目前所发生的种种现象的解释。他们依据的是热力学原理(即宇宙的半径每增加一倍,它的绝对温度便降低到原来的1/2),并通过监测形成宇宙时抛出的微波辐射。他们描绘的这幅图画,看来向我们揭示了一条不可抗拒的人类的进化历程。

宇宙大爆炸产生了形成星系的气体,星系中的恒星散布出富含各种元素的碎片,然后形成行星,接着就开始了我们人类的进化史。

大爆炸之前是什么样子?说实在的,科学家们目前还回答不了这个问题。

当然,有关的猜测很多,而且众说纷纭,莫衷一是。

其中有一种诱人的说法认为,目前宇宙正在向外扩张,但后退星系的相互作用将使扩张的速度减慢,有可能在最后某一天使它停止,然后便开始一个相反的过程——收缩。收缩伸延下去,又会使宇宙缩聚为一点,出现另一次大爆炸,一切又重新开始。

这意味着,开始了我们这个宇宙的爆炸,是前一次爆炸后的爆炸,我们这个宇宙的结束也将是另一个宇宙的开始。宇宙,看来就像寓言故事中的长生岛一样,它周期性地在燃烧中毁灭,又同时在自己的废墟中诞生。因此,时间的终结也是开始,宇宙本身就是一具最基本的时钟,它嘀嘀嗒嗒地记录着自己扩张和收缩的壮丽周期。

宇宙的这种周期究竟有多长?这又是一个难以想象和难以计算的问题。