有人问:天体星辰既不喷火又不冒烟,既无转子又无轮轴,它是依赖什么动力在与宇宙中移动变化的呢?这是一个普通人的好奇心,也正是驱动人类不断探索前行,从蒙昧走向文明的动力。其实人们一旦上了小学和中学,这种问题就应该有所答案了。
因为现代物理学早就回答了这个问题,那就是引力,引力是驱动整个宇宙天体不断运动的基本动力。引力是物质存在的基本属性,只要有质量,小到一粒灰尘一个原子,大到一个星球一个星系、星系团,都有引力,是靠引力让所有物质能够聚在一起。
牛顿发现万有引力,是人类对引力认识的第一次飞跃。牛顿万有引力表达式为:引力F=GMm/r^2,就是说引力大小等于引力常数G,与引力发生相互作用的大小两个物体M和m的乘积,除以它们之间距离的平方。引力常数G是由卡文迪许在1789年通过自己发明的扭秤实验验证得出,精确值≈6.67*10^-11(N·m^2/kg^2)。
这是两个1公斤质量物体质心距离1米的引力,有了这个引力常数,卡文迪许精确的计算出了地球的质量约等于6*10^24kg,由此被世人认为是第一位称出了地球质量的人。
由于万有引力的存在,所有物质就有了相互吸引并靠拢的趋势,这样整个宇宙就“动”了起来。在物质相互吸引靠拢的过程中,由于引力大小是与距离平方成反比的,这样物质距离远近受到的引力就是不均衡的,就会导致物质相互吸引的过程不平衡,发生各种位移和旋转,最终形成相互围绕着旋转的趋势。
一颗恒星的形成就是这样的,星云尘埃在相互吸引的过程中逐步聚拢,收缩的不均衡导致整个尘埃物质发生旋转,收缩得越紧密旋转越快,角动量驱动形成了轴心,离心力导致收缩的星云形成盘状,就形成了原行星盘;最终核心部分凝聚成了恒星,行星盘的星子凝聚成了行星,其余的渣滓形成了小行星、彗星、尘埃。
一个星系也是这样渐渐形成扁平盘状的,而星系的不断合并,最终会成为巨大的椭圆星系。
爱因斯坦的广义相对论对引力的本质进行了进一步剖析,发现引力本质是由于质量对时空扰动导致。任何有质量的物体都会对周围的时空造成扰动,就像在水中丢入一颗石子,或在一床绷紧的床单上放入几颗铁球,丢入的石子或铁球会对水或床单形成压迫,导致涟漪和凹陷,这就是时空旋涡或陷阱,当两个有质量的物体靠近时,就会有相互掉进对方旋涡或陷阱的趋势,表现出相互吸引的引力现象。
而越大质量的物体所形成的旋涡或陷阱就越大越深,相对小物体就似乎是被大物体吸引而落到其旋涡或陷阱中。
爱因斯坦的场论及其公式,并没有否定牛顿的万有引力理论,只是通过修正更精确,从而解决了天体观测中一些无法解释的现象,如水星进动等问题,拨开了笼罩在物理学上空的一块大乌云,成为20世纪最伟大的科学发现。
随着天体物理学的不断深入发现和研究,人们又发现了新的问题。根据宇宙膨胀理论,观测到的宇宙现象与引力理论有差异,如果根据万有引力计算,星系团中的可见物质引力完全不具备将星系收拢的能力,根据星系运动的弥散度早就应该分崩离析,但它们依然聚拢在一起,是什么原因呢?
观测计算发现,形成星系团引力的质量远远大于可见物质加起来的总质量,因此在星系里面一定有什么人类看不到的物质存在,且这种物质占据着星系和星系团的主要质量。由此,科学家们提出了暗物质暗能量假设。
经过近百年的观测和研究,现在的主流理论认为,在我们宇宙总质能中,可观测物质只占全宇宙总质能约5%,不可观测质能总量占整个宇宙的95%。细分为恒星、星系、星云尘埃等可见物质只占宇宙总质量的4.9%,暗物质占26.8%,暗能量占68.3%。
这就是说,除去暗能量,宇宙中总物质的比重为:会发光的可见部分只占约15%,不发光的不可见部分占85%。这些不可见部分由于几乎不带电,不参与电磁相互作用,也就是不与光子发生作用,因此根本无法被观测,但它们又有具有质量,在天体和星系的形成维系中起着主要的引力作用。
科学家们一直想弄清楚这些暗物质是什么东西,当发现中微子存在时,曾经认为这或许就是暗物质。因为中微子也几乎不与光子发生作用,每时每刻都有无数中微子穿越一切物质,包括地球,每秒钟甚至有万亿个中微子穿越我们人体,人们却丝毫也没有感觉。
但尽管中微子有如此之多,在宇宙中也只占总质能的0.001%,即便它真属于暗物质的一种,也根本无法托起决定宇宙生死存亡的引力之重。科学家们又绞尽脑汁地弄出了一堆候选粒子,如轴子、WIMP等,并由此对基本粒子模型产生了挑战。但暗物质到底是什么,迄今依然没有答案。
探索在继续,现在的主流理论认为,我们宇宙的过去、现在和未来都是取决于暗物质和暗能量的较量,暗物质的力量是通过引力维系现有宇宙,暗能量则通过推力让宇宙不断膨胀,宇宙最终归宿是大撕裂还是大坍缩,就看鹿死谁手了。
这就是我们宇宙各种天体物质不断运动,风起云涌变幻多姿的主要动因。但从根本上说,还有一种更原始的推动力,这就是真空零点能,即便在宇宙没有诞生之前的绝对真空中,也充满了巨大的能量,这些能量以量子真空的方式随机扰动,以虚粒子对的方式不断地出现又相互湮灭。
但这种量子随机扰动并不完美对称,当某个虚粒子对出现偏差而没有湮灭时,平衡就被打破了,奇点就出现了,从此诞生了宇宙,成为了时空的起点。这就是量子力学对宇宙起源的一种说法。
从量子力学角度来说,微观物质从来没有静止一说,基本粒子,包括原子、电子、质子、中子、夸克都是不断运动的,且速度极快,如铯原子的共振频率约为92亿赫兹,也就是每秒振动92亿次。量子运动具有测不准、波粒二象性、量子纠缠、态叠加等奇异现象。
这是一个非常复杂的话题,在此就不展开说了。这里点一下,是为了说明不但宏观的天体星辰在不断地运动,在微观世界的每个原子和基本粒子同样在不断的运动,因此,运动是我们这个宇宙万事万物的基本属性。
在这里需要特别说明一下的是,我们在地面肉眼看到的天体星辰平静而祥和,似乎是又不喷火又不冒烟,这是由于距离太远的缘故,实际上我们看到的星辰绝大多数都是恒星,这些恒星核心温度达到千万甚至上亿度,都是一个个既喷火又冒烟的太阳,即便是行星,像我们地球,也是常常山呼海啸地震火山爆发,并非那么平静。
这样说,不知道把这个问题说清楚了没有,欢迎讨论。
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