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第一章 神秘的宇宙（第3页）

另一种解释，是火山喷发喷出大量的水。在地球形成后的最初几亿年里，由于地壳较薄，加上小天体不断轰击地球表面，地幔里的熔融岩浆易于上涌喷出，因此，那时的地球到处是一片火海。对今天活火山的观察和研究，的确伴随滚滚浓烟，炽热熔浆的喷发，是有大量水蒸气释放到地球的大气中。这些水蒸气形成云层，产生降雨。经过很长时间的降雨，在原始地壳低洼处，不断积水，形成了最原始的海洋。原始的海洋海水不多，约为今天海水量的1／10。

另外，原始海洋的海水只是略带咸味，后来盐分才逐渐增多。经过水量和盐分的逐渐增加，以及地质历史的沧桑巨变，原始的海洋才逐渐形成如今的海洋。在喷出的气体中，水汽占75％，数量的确很大。如美国阿拉斯加有一座叫“万烟谷”的火山，在每年喷出的气体中，水汽就有6600万吨。

自地球诞生至今，也不知多少火山喷发过，其次数也无法统计，喷出来的水汽就更多了。有的科学家认为，至少是地球上现有水的二分之一。地球上的水一部分来自火山喷发这是肯定的。火山为什么能喷发水汽呢？

因为地下深处的岩石、岩浆里含有相当丰富的水。火山一喷发，因为熔岩温度高，把岩浆里的水很自然蒸发，逸出地球表面。这些水汽到了高空遇到冷气，凝结成水，最终落到地上。形成涓涓水流，进入海洋。据科学家研究，早期地球很热，大约在6亿年前，地球表面的温度才降到30℃。此时大气中的水汽有99％降落到地面。地球上才开始有海洋、江河湖泊。水是生命之源。只有有了水，地球上才开始有了生物，慢慢有了人类。

地球为何悬空不坠

苹果熟了，会掉到地上；树叶枯子，也会掉到地上；就连被风扬起的尘埃，最终还是落向地面。地球是一个很大很重的物体，它在宇宙中运行时，为什么能悬在空中而没有坠落呢?古时候，人们无法解释这个问题，但他们对这个问题作过各种各样的猜想。有的说，大地是由四根柱子撑着的；有的说，大地是由一只乌龟驮着的；还有的说，大地是搁在神的肩膀上的……

后来，有人提出大地是一个球体的观点，但很多人对此表示怀疑。在15世纪时，甚至有人画了一张画来嘲笑主张大地是球体的那些人们，名为《脚底相对的人》，还怀疑地说，如果地是球体的话，那么居住在地球另一面的人为什么没有从地球上掉下来呢?

地球并不是静止地悬在空中，而是在运动中。地球有两种运动：一种是自身绕轴旋转，叫自转；一种是沿着椭圆轨道绕太阳运转，叫公转。其实，宇宙间的任何物体都有引力，它是物体本身所固有的性质，这就是引力的万有性。在前人研究的基础上，万有引力定律被英国物理学家、数学家牛顿提了出来。

依据万有引力定律，地球上的万事万物都受到了地心引力的作用。因此，苹果、树叶、尘埃会落向地面。而我们通常所说的“向上”或“向下”也应该这样来解释：大地是球面，球的中心称为地心，指向着地心的方向称为“向下”，“反地心”的方向称为“向上”。这样一来，就不存在上下的问题，站在地表面各个不同地点，脚都指向地心引力的方向，头都朝反地心引力的方向。

行星之所以保持在各自的轨道上，是由于太阳的引力。这是一项重大发现。任何两个物体之间，都有一种互相吸引的力，这就是万有引力。地球是太阳系的一颗行星，也受到太阳的万有引力。正是这个力把地球拉住了，使它沿着确定的椭圆轨道，围绕太阳转动。可是问题又来了，地球既然被太阳拉着，为什么又不会掉到太阳上去呢？我们知道，人造卫星绕地球转，需要每秒钟7。9公里以上的速度。有了这个速度，人造卫星就不会掉下来。

一个在地球轨道上绕太阳转的物体，要有每秒24。3公里以上的速度，才能不掉到太阳上去。而地球，正是以每秒30公里的速度绕太阳转动，所以，地球不会掉到太阳上去。

再用个比方来说。用一根绳子，一头拴住一块石子，然后用手抓住绳子另一头，把绳子抡起来。你使的力通过绳子传到石子上，石子就以你的手为中心转圈子。

这时候，你的手必须用力拉紧绳子，石子才不会掉下来，也不会向远处飞去。如果你的手不用力了，石子不转了，就会掉下来。如果你突然撒手放开绳子，拉力没有了，石子就会向远方飞去。地球好比石子，太阳的引力作用就好比你用力拉紧绳子。地球以每秒钟三十公里的速度绕着太阳转；太阳以它强大的吸引力拉着地球。所以，地球能够在空中沿着确定的轨道，千秋万代不停地绕着太阳转动，而不会坠落。

宇宙中的岛屿——星系

在茫茫的宇宙中，居住着无数颗各种天体，它们星罗棋布，千姿百态，它们是宇宙海洋中的“岛屿”，天文学上称之为星系。

人类居住的地球就在一个巨大的星系——银河系之中。在没有灯光干扰的晴朗夜晚，如果天空足够黑，你可以看到在天空中有一条弥漫的光带。这条光带就是我们置身其内而侧视银河系时所看到的它布满恒星的圆面——银盘。银河系内有约两千多亿颗恒星，只是由于距离太远而无法用肉眼辩认出来。由于星光与星际尘埃气体混合在一起，因此看起来就像一条烟雾笼罩着的光带。银河系的中心位于人马座附近。

银河系是一个中型恒星系，它的银盘直径约为十二万光年。它的银盘内含有大量的星际尘埃和气体云，聚集成了颜色偏红的恒星形成区域，从而不断地给星系的旋臂补充炽热的年轻蓝星，组成了许多疏散星团或称银河星团。已知的这类疏散星团约有一千两百多个。银盘四周包围着很大的银晕，银晕中散布着恒星和主要由老年恒星组成的球状星团。

在银河系之外，像银河系这样的太空巨岛还有上亿个，它们被统称为河外星系。河外星系是与银河系类似的天体系统，距离都超出了银河系的范围，因此称它们为“河外星系”。其中最著名的要数仙女座大星系了。仙女座星系就是位于仙女座的一个河外星系，它距离地球大约200万光年。它的相貌几乎和银河系一模一样，体积大约比银河系大60%。用肉眼看去，也只不过像星星那样大的一个光斑。河外星系与银河系一样，也是由大量的恒星、星团、星云和星际物质组成。目前我们观测到的河外星系有100亿个之多。

星系虽然有很多，但能用肉眼看到的却只有银河系及几个近邻。用大型天文望远镜观测夜空时，会发现众多的星系犹如宝石般闪着光芒。它们相貌各异：有的像旋涡，称为旋涡星系；有的像圆宝石，称为椭圆星系；有的像甩着两根小辫的短棒，称为棒旋涡星系；还有奇形怪状的，称为不规则星系。目前已被天文学家发现的星系总数有10亿个以上。

那么，星系是如何形成的呢？按照宇宙大爆炸理论，第一代星系大概形成于大爆炸发生后的十亿年。在宇宙诞生的最初瞬间，有一次原始能量的爆发。随着宇宙的膨胀和冷却，引力开始发挥作用，然后，幼年宇宙进入一个称为“暴涨”的短暂阶段。原始能量分布中的微小涨落随着宇宙的暴涨也从微观尺度急剧放大，从而形成了一些“沟”，星系团就是沿着这些“沟”形成的。

每个太空岛屿都是某个群岛中的一员。这些群岛，小一些的（包含几十个星系）叫星系群；大一些的（包含100个以上的星系）叫星系团。它们都归属于一个更大的太空集团——星系团集团，也叫超星系团。银河系所在的超星系团称为本超星系团，它的核心是室女座星系团。无数超星系团组成了辽阔无边的宇宙——总星系。

大爆炸理论可靠么

宇宙大爆炸，简称大爆炸（英文：BigBang）是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的（根据2010年所得到的最佳的观测结果，这些初始状态大约存在发生于133亿年至139亿年前），并经过不断的膨胀到达今天的状态。

大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔所采用的。霍伊尔是与大爆炸对立的宇宙学模型——稳恒态理论的倡导者，他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。虽然有很多通俗轶事记录霍伊尔这样讲是出于讽刺，但霍伊尔本人明确否认了这一点，他声称这只是为了着重说明这两个模型的显著不同之处。霍伊尔后来为恒星核合成的研究作出了重要贡献，这是恒星内部通过核反应从轻元素制造出某些重元素的途径。1964年宇宙微波背景辐射的发现是支持大爆炸确实曾经发生的重要证据，特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后，大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。

关于大爆炸模型中极早期宇宙的相态问题，至今人们仍充满了猜测。在大多数常见的模型中，宇宙诞生初期是由均匀且各向同性的高密高温高压物质构成的，并在极早期发生了非常快速的膨胀和冷却。大约在膨胀进行到10^-37秒时，产生了一种相变使宇宙发生暴涨，在此期间宇宙的膨胀是呈指数增长的。当暴涨结束后，构成宇宙的物质包括夸克－胶子等离子体，以及其他所有基本粒子。此时的宇宙仍然非常炽热，以至于粒子都在做着相对论性的高速随机运动，而粒子－反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭，从而宇宙中粒子和反粒子的数量是相等的（宇宙中的总重子数为零）。直到其后的某个时刻，一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现，它使夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量——超出范围大约在三千万分之一的量级上，这一过程被称作重子数产生。这一机制导致了当今宇宙中物质相对于反物质的主导地位。

随着宇宙的膨胀和温度进一步的降低，粒子所具有的能量也普遍逐渐下降。当能量降低到1太电子伏特（1012eV）时产生了对称破缺，这一相变使基本粒子和基本相互作用形成了当今我们看到的样子。宇宙诞生的10^-11秒之后，大爆炸模型中猜测的成分就进一步减少了，因为此时的粒子能量已经降低到了高能物理实验所能企及的范围。10^-6秒之后，夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族，由于夸克的数量要略高于反夸克，重子的数量也要略高于反重子。此时宇宙的温度已经降低到不足以产生新的质子－反质子对（类似地，也不能产生新的中子－反中子对），从而即刻导致了粒子和反粒子之间的质量湮灭，这使得原有的质子和中子仅有十亿分之一的数量保留下来，而对应的所有反粒子则全部湮灭。大约在1秒之后，电子和正电子之间也发生了类似的过程。经过这一系列的湮灭，剩余的质子、中子和电子的速度降低到相对论性以下，而此时的宇宙能量密度的主要贡献来自湮灭产生的大量光子（少部分来自中微子）。

在大爆炸发生的几分钟后，宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级，密度降低到大约空气密度的水平。少数质子和所有中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做太初核合成。而大多数质子没有与中子结合，形成了氢的原子核。随着宇宙的冷却，宇宙能量密度的主要来自静止质量产生的引力的贡献，并超过原先光子以辐射形式的能量密度。在大约37。9万年之后，电子和原子核结合成为原子（主要是氢原子），而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由的传播，这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。

虽然宇宙在大尺度上物质几乎均一分布，但仍存在某些密度稍大的区域，因而在此后相当长的一段时间内这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质，从而变得密度更大，并形成了气体云、恒星、星系等其他在今天的天文学上可观测的结构。这一过程的具体细节取决于宇宙中物质的形式和数量，其中形式可能有三种：冷暗物质、热暗物质和重子物质。来自WMAP的目前最佳观测结果表明，宇宙中占主导地位的物质形式是冷暗物质，而其他两种物质形式在宇宙中所占比例不超过18%。另一方面，对Ia型超新星和宇宙微波背景辐射的独立观测表明，当今的宇宙被一种被称作暗能量的未知能量形式主导着，暗能量被认为渗透到空间中的每一个角落。观测显示，当今宇宙的总能量密度中有72%的部分是以暗能量这一形式存在的。根据推测，在宇宙非常年轻时暗能量就已经存在，但此时的宇宙尺度很小而物质间彼此距离很近，因而在那时引力的效果显著从而减缓了宇宙的膨胀。但经过了几十上百亿年的膨胀，不断增长的暗能量开始让宇宙膨胀缓慢加速。表述暗能量的最简洁方法是在爱因斯坦引力场方程中添加所谓宇宙常数项，但这仍然无法回答暗能量的构成、形成机制等问题，以及与此伴随的一些更基础问题：例如关于它状态方程的细节，以及它与粒子物理学中标准模型的内在联系，这些未解决的问题仍然有待理论和实验观测的进一步研究。

所有在暴涨时期以后的宇宙演化，都可以用宇宙学中的ΛCDM模型来非常精确地描述，这一模型来自广义相对论和量子力学各自独立的框架。如前所述，目前还没有广泛支持的模型能够描述大爆炸后大约10-15秒之内的宇宙，一般认为需要一个统合广义相对论和量子力学的量子引力理论来突破这一难题。如何才能理解这一极早期宇宙的物理图景是当今物理学的最大未解决问题之一。