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球绕着球旋转的奇妙宇宙

2006-09-20 07:40 作者:黄河 桌面版 正體 0
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  壹、原子结构与太阳系

  当我们看到"电子"绕着"原子核"旋转的原子结构图(图一),以及行星绕着太阳旋转的轨道图(图二),不知有多少人好奇:这两个图形怎么有点类似?

 
  (图一:原子结构图)

  假如再进一步研究,更令人讶异。因为,它们至少存在三个相似点:


(图二:行星环绕太阳轨道图)

  一、都是球体绕着球体旋转(为简化称谓,文后"被环绕"的球体称"母球",环绕母球旋转的是"子球";母球和子球组成"旋转体系")

  二、母球质量占旋转体系总质量的九十九%以上。原子结构中的母球是原子核,它的质量至少是子球总重量的一千八百四十倍。至于太阳系,九大行星的"质量总和"还不到太阳质量的○‧二%。
  三、旋转体系所占据的总体积极大,"平均密度"稀薄到几近真空。无论是原子结构或太阳系,母球体积都不过是旋转体系总体积的几千亿分之一。"几千亿分之一"不是我们所熟悉的数字。假如把旋转体系所占据的空域想象成一间屋子(也就是,把太阳系缩小成一间屋子,或是把单一原子放大成一间屋子),那么,母球在这间屋子的正中心,体积比针尖还要小;几个小得像微生物的子球绕着它旋转——这种组合的平均密度,不是和真空一样稀薄?

  贰、宇宙坟场——黑洞

  前述"屋子、针尖、微生物"的比喻是个"看不见"的范例。现在我们不妨把模型放大,想象一些"看得见"的实物。
  如果把太阳缩小成直径一公尺的大汽球,九大行星与太阳的距离、直径,以及与行星相近似的球体如表一:

名 称 距离(公尺) 直径(公分) 近 似 球 体 备  注
太 阳 0 100.00 大汽球 母球
水 星 39 0.33 绿豆
金 星 72 0.82 碗豆
地 球 100 0.87 柏青哥小钢珠
火 星 150 0.46 BB枪的子弹
木 星 520 9.74 垒球 最大的行星
土 星 950 8.23 棒球
天王星 1,920 3.48 乒乓球
海王星 3,000 3.38 荔枝
冥王星 3,950 0.16 原子笔尖钢珠 最小的行星

表一:九大行星与太阳关系表

  依据表一的模型,太阳系所占据的总体积是以太阳为圆心,冥王星的距离︵三千九百五十公尺︶为半径所画出的"球形空域"。试着想象一下这个巨大的球形空域,正中央存在一个直径一公尺的圆球,九个体积最大不过如垒球,最小像原子笔尖的钢珠——如此松松散散的"子/母球"组合,却霸占着一个"直径接近八公里"的球形空域,此旋转体系的吸引力是何等的巨大!
  太阳系是如此,原子结构也是如此。每个原子超过九九‧九%的结构都是空的;纵然结合成固体分子,也有如被压在一起的泡沫塑胶球,体积只能被有限度的压缩。因而微观地看,所有物体的密度都很低,即使是固体金属也不例外。
  旋转体系占据空域之广、球体之小、彼此吸引力之强,让初次接触的人很难想象。
  说到这,我们应能体会宇宙间旋转体系吸引力之巨大;同时也该好奇
:若是把所有球体全部压缩到中心(例如前述模型中,把垒球、棒球、乒乓球、荔枝、小钢珠等向中心推挤,让它们紧紧贴着中央的圆球;或再进一步压缩,连中央的圆球也可能被压碎),又会产生什么结果?
  首先,毫无疑议的,旋转体系所霸占的总体积将巨幅缩小——球形空域的半径从原本的三千九百五十公尺缩小到○‧五五公尺。
  其次,原本球体间的距离是那么的遥远,如今全部压缩到一块,想必吸引力会大幅增强。
  的确如此,而宇宙也确实存在这种现象。当质量巨大的恒星(太阳质量的三倍以上)能源耗尽,外部会出现一股巨大的压力,其压力大到足以压碎星球内部原子与分子的结构,逼它们释放出原本霸占的空间。
  星球被压缩的过程是慢慢形成的。当它的体积被压缩得越来越小,内部的热度和密度就越来越高,所发出的吸引力也就越来越强。等吸引力大到能"抓住"宇宙间最会逃逸的光子,原本炽亮的球体在剎那间就变成"漆黑一片"(不再迸射光子就无光线可言,因而漆黑一片),成为科学界所说的"黑洞"。
  黑洞是宇宙的坟场,吸引力大到能够吞噬靠近它的所有物质。管他是什么东西,原子结构瞬间被摧毁,所有基本粒子被黑洞牢牢吸附而无法脱离(基本粒子是被分割到"不可再分割"的粒子,也是组成宇宙万事万物最基本的元素)。
  地球被压缩以后所形成的黑洞,会浓缩成半径只有几公尺的球体。再试着想象一下我们生活的地球——那么多的水、陆地、山脉、生物——浓缩成半径几公尺的球体,那将会是多么大的密度!又会发出多么可怕的吸引力!

  叁、宇宙的毁灭与诞生

  黑洞会吞噬所有接近它的物质。而当它吞噬的物质愈多,所发出的吸引力就愈强,因而能吞噬距离更远的物质。
  更麻烦的是,宇宙中所有星球无时无刻不在旋转——月亮绕着地球转,地球绕着太阳转,太阳绕着银河系的中心转,银河系绕着"本星系群"的中心旋转,本星系群绕着"超星系群"的中心旋转……。大家转过来转过去,迟早会"擦身而过"。又因为黑洞"只进不出",渐次吸收与它擦身而过的星体,吸引力的范围越来越大,有没有可能某天会大到吞噬宇宙中所有的星体?
  如果有这么一天,那就是宇宙毁灭的一天。那时候,宇宙只剩下一个超级巨大的黑洞。
  有毁灭才有诞生,有诞生就一定有毁灭。宇宙一旦毁灭,接着就准备诞生。
  由于宇宙所有的物质全部集中在一点(科学家说这点是"奇异点")
,它拥有令人无法想象的吸力、热力,以及密度。又由于粒子相互吸引的作用,奇异点的体积会持续压缩,造成压力与密度的持续增大。等大到某个程度,奇异点再也无法忍受内部的压力而爆炸,瞬间所有物质向四面八方飞散,形成宇宙的诞生(即大爆炸,或大霹雳)。
  依据科学家的计算,上次大爆炸发生在大约一百五十亿年以前。

  肆、球形对称的宇宙

  大爆炸发生之初,所有物质都因高热而处于气态或液态。这时,它们拥有两股力量:一股是自身所拥有的吸引力(所有物质都有引力,也就是"万有引力"),另一股是大爆炸所赋予的爆炸力。当物质向四面八方飞散之时,彼此的吸引力如果大于爆炸力,最终会吸附在一起;又因为它们不是处于气态就是液态,在引力相互作用下,为了达到力量的均衡,必会形成球形。假如不是球形,某一区的引力就会大过另一区;"强引力区"拉扯"弱引力区",力量平衡以后两个区域会"一样大"。
  什么样的形状能够让"所有区域"都"一样大"?
  除了球形,还有其他选择吗?
  对同质量的物体来说,球形拥有最小的表面积。"最小的表面积"代表和外界进行"最小的交流"。单位时间内和外界的交流愈小,本身所形成的体系就愈稳定,生命周期因而愈长。
  球形是自然界既合理又微妙的选择。
  大爆炸以后,宇宙慢慢形成无以计数的球体。距离近的球体与球体之间仍然有吸引力,只是这股吸引力无法克服爆炸力,以致不能结合成单一球体。可是,如果两个球体之间的引力够强,即使无法让两个球体结合,也会改变球体原本从奇异点向外扩张的直线运动,使得两个球体好像"想抱在一起"的相互旋转。
  旋转的原因是吸引力和爆炸力之间的"不平行"(假如两力平行,两个球体最终若不能结合成单一球体,便会分散成两个旋转体系)。不平行会产生"角分力",角分力又会让球体侧向运动。这时,若两个球体的质量概略相等,它们便会互旋;若一球体的质量远远大于另一球体,便会造成"子球"绕着"母球"旋转的假象
(不管两个球体的质量差异有多大,母球的运动或多或少都会受到子球的影响)。
  旋转体系形成之初,球体之间的距离会慢慢改变,等到向心力(球体相互发出的吸引力)与离心力(圆周运动产生的垂直分力)达到平衡,两球之间的距离才维持不变,自此形成稳定的旋转体系。
  当然,对宇宙而言,"稳定"是不存在的。把时间拉长到几十亿或几百亿年,宇宙之中没有一个系统能够维持稳定;太阳、银河终究会毁灭,整个宇宙也有被黑洞吞噬的一天。只不过,就人类短暂的生命来看,我们仍然可以说:这是一个稳定的球形对称宇宙。

  伍、人体也是群聚的星系?

  最后,我们可以做一个有趣又大胆的假设——人体也是群聚的星系!
  试着把你的左手掌举起来,仔细看着它,它会是一个群聚的星系吗?
  这问题似乎很荒谬、很可笑,但冷静想想,为什么不可能?
  微观地看,所有物体的密度都很低——固体金属如此,人类的手掌更是如此,它的密度稀薄到近乎真空。
  其次,诚如众人所知,手掌由无以计数的原子所组成,而每个原子又都拥有为数不等的电子绕着原子核旋转。这些小小的电子,会不会是一种"极微小"的"电子星球"?某些电子星球上面又住着"极极微小"的生物?
  先别对这假设嗤之以鼻。假如你了解宇宙有多大、基本粒子有多小,可能你会有不同的想法。
  人类生活在地球。地球属于太阳系。太阳系又属于银河系。
  银河系拥有一千亿个类似太阳系的"恒星系"。
  一千亿是多大的数字?把银河系的恒星系平均分配给全人类,每个人——不管他是美国总统或乌干达刚出生的小孩——可以分得十五个恒星系!
  银河系的外观像一颗荷包蛋,直径大约十万光年。倘若能乘坐以光速飞行的太空船,从银河的一端向另一端前进;那么,从黄帝轩辕氏诞生持续飞行到今天……,一分一秒不停息地以光速飞行到今天,也不过飞越银河系的二十分之一。
  银河系实在浩大。但是,当我们把目光放大到宇宙,银河系又显得那么微不足道。
  宇宙拥有一千亿个(又是这可怕的数字)类似银河系的"星系"。星系与星系之间的距离以"百万光年"计算。例如,距离银河系最近的星系是M31"仙女座大星云",它拥有两千亿个恒星系,距离银河系约两百二十万光年。
  一千亿个星系散布在宇宙,彼此之间的距离都是几百万光年——想象一下那个规模,是何等的浩瀚无垠!然而,这还是受限于现今观测仪器所得到的结果。每当科学家制造出能看得更远的天文望远镜,他们就发现宇宙比原先"认定"来得更大。
  宇宙到底有多大,至今还没有一个定论。
  当一群科学家在研究宇宙到底有多大的同时,另一群科学家在研究宇宙的"基本粒子"到底有多小。这问题,同样受限于观测的仪器。每当科学家制造出能看得更小的"超级电子显微镜",他们就发现一些"更小"的粒子。从最开始的分子、原子、质子、中子、电子,到后来的光子、夸克、胶子、微中子、缈子、涛子、μ 子、τ子……,今天物理学界发现的基本粒子大约有一百多种。
  或许,电子绕着原子核旋转,一如行星绕着太阳旋转——电子不是相同的大小,也绕着不同半径的轨道,每个电子又有"微电子"像卫星一般绕着它旋转;而部分"电子星球"上面住着极其微小的生物,牠们的生命固然短暂,但是人类的生命和地球的寿命相比,何尝又不短暂?
  宇宙虽然浩瀚,整个世界却遵循着"球绕着球旋转"的规律在运作——越是了解这简单的道理,越是惊讶造物主的伟大、人类的渺小!
  渺小的人类有什么资格说:人体不是一个群聚的星系?

2006年3月24日

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