神秘的物質(zhì)世界

■ 李墨林

物質(zhì)是宇宙的基本形態(tài)，是時間的盟友和空間的寵兒。在大宇宙中，物質(zhì)的確稱得上是光怪陸離、千變?nèi)f化，但萬變不離其宗，不管宇宙中形形色色的星球、星云、星系和暗物質(zhì)的數(shù)量有多龐大，其基本的建筑材料也十分有限，即便把它們?nèi)考拥揭黄?，也未超過門氏周期表上那些化學(xué)元素。

和抽象的時空概念不同，物質(zhì)世界幾乎全部是具體的。就拿我們熟悉的地球上的物質(zhì)來說，有隨著溫度升降而隨時變成液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)的水；有既能成為工業(yè)原材料又可作為貨幣流通的金、銀、銅、鋁、鎳；有支撐萬物同時又為人類提供糧食的土壤；還有高山、平原、大海和森林。至于生物世界則更是豐富多彩，這里不必浪費(fèi)時間一一贅述。

宇宙間居民的“民族”固然很多，但其中最主要的“民族”只有二種，那就是恒星和行星。恒星由于能夠發(fā)出強(qiáng)光且形體巨大，因此我們平時所說的、所見到的星空中熱鬧而漂亮的繁星基本都是它們。行星因其性質(zhì)剛好與恒星相反，所以除了太陽的金、木、水、火、土等幾個與地球離得比較近的行星平時能夠看得見，且容易被人們混同為恒星以外，銀河系和其他星系中的行星不要說肉眼看不見，即便用大口徑大功率的天文望遠(yuǎn)鏡也無法直接看到。這是因?yàn)樾行堑捏w積非但太小、距離太遠(yuǎn)，光度也實(shí)在太暗弱了——在宇宙中，很多比太陽還要亮上千百倍的恒星都看不見，又何況那些既不會發(fā)光又微小的行星呢？

不過若按物質(zhì)構(gòu)成的狀況來說，恒星與行星就要徹底調(diào)換位置：宇宙中無論恒星家族的數(shù)量如何龐大，單位體積何等巨大，其基本構(gòu)成的物質(zhì)都極簡單，簡單到只有二種：氫和氦。它們最大的區(qū)別只在于氫與氦的比例多寡，除此以外的其他元素全部加起來，也只占到恒星總量的1%～2%。而構(gòu)成行星的物質(zhì)種類就要多得多了：可以說除門氏化學(xué)元素周期表末尾那幾個人造元素之外，其他自然元素幾乎全部記錄在案，差別也只在于不同行星上的成分和比例數(shù)量不同而已。當(dāng)然行星上也有比較單純的物質(zhì)富集現(xiàn)象：比如天王星就是以水為主的“水球”，月亮是以石灰?guī)r為主的“石球”，令人驚奇的是太空中竟然還會有單純以黃金和鉆石等物質(zhì)為主的單物質(zhì)行星，這種情況在宇宙中也屬于稀奇罕見的特例。

在宏觀世界中，地球?qū)τ谏嬗谄渖系娜藗儊碚f十分巨大，但若和宇宙中其他星球相比，則不過是個小小的“芝麻”：太陽的直徑是地球直徑的109倍，體積是地球的130萬倍，和“芝麻”相比應(yīng)該算是“西瓜”了。但就是這個碩大無朋的太陽在宇宙當(dāng)中，也不過僅僅是個矮個子“武大郎”：比如在銀河邊上“挑扁擔(dān)”的那個牛郎星的直徑就是太陽的1.7倍；牛郎星的“老婆”織女星的直徑是太陽的2.8倍；大角星的直徑是太陽的23倍；畢宿五的直徑是太陽的600倍；參宿四是太陽的900倍；而仙王座VV星的直徑竟然會達(dá)到太陽直徑的1600倍，足足有22億千米之巨！這一尺度完全可以把土星環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道囊括進(jìn)它的身軀之內(nèi)，幾乎頂?shù)蒙习雮€太陽系大小。因此在現(xiàn)階段可觀測的宇宙中，也許只有它才稱得上是恒星之王呢！

那么22億千米究竟是個什么概念？以太陽與地球的平均距離1.5億千米計算，光線走完這段距離的時間約為8分鐘，而仙王座VV星的直徑竟是日地距離的14倍之多，就是說盡管光的速度是每秒走30萬千米，光線每秒可繞地球七圈半的話，那么光線從仙王座VV星的這一端跑到那一端就需要112分鐘，差不多要二個小時之久，如果光線用這么長的時間圍繞地球轉(zhuǎn)，則足足可以轉(zhuǎn)上504 000圈之多，其壯觀的程度簡直令人吃驚。

如果以上概念還比較抽象，還難以理解的話，我們再換一種方式來形容也許就比較容易明白了。在現(xiàn)今宇宙中，假如我們把我們這個直徑為12 000多千米的地球，一下子縮小到它的十億分之一，即直徑為1.2厘米的小球的話，那么同樣縮小十億分之一的太陽的直徑就應(yīng)該是1.09米的大球。在此基礎(chǔ)上重新計算，牛郎星就應(yīng)該是一個直徑為1.85米的更大的球，織女星又是直徑為3.05米的比牛郎星還要大的球體。再往下的距離就一下子拉開了：大角星這個球的直徑約為25米，畢宿五的直徑為49.05米，天津四的直徑為115.54米，心宿二的直徑為654米，參宿四的直徑為981米，接近于1000米了，仙王座VV星的直徑則為1744米之巨！這是一種什么概念呢？假如我們把人類居住的地球縮成玻璃球般大小的時候，仙王座VV星還是一個相當(dāng)于泰山那般雄偉高大的超巨型球體呢！至此，我想人們對宇宙間的超巨型天體，應(yīng)該有個比較明了的認(rèn)識和概念了。

在仙王座VV星這個巨無霸面前，我們的太陽只能俯首稱臣。但這只是事物的一個方面，另一方面在宏觀世界中，還有許多比太陽還要小得多的恒星，就是白矮星和中子星。白矮星只有太陽直徑的1%左右，已經(jīng)和地球差不多大小。而中子星的體積就更小了，一般中子星的體積僅有十幾到幾十千米，遠(yuǎn)不及我們太陽系中的那些行星的衛(wèi)星大，可它確確實(shí)實(shí)又是大名鼎鼎的名副其實(shí)的恒星，這是怎么回事呢？要了解它，還得從恒星演變的歷史說起。

一般說來，恒星是由低密度的星云物質(zhì)即宇宙塵埃凝聚而成。星云物質(zhì)在凝聚演化過程中，由于自身的引力而收縮，在收縮過程中內(nèi)部溫度逐漸升高，由于星云物質(zhì)的分布并不均勻，于是質(zhì)量小的云團(tuán)形成了單個恒星，質(zhì)量大的云團(tuán)便形成了恒星集團(tuán)。當(dāng)恒星中心溫度達(dá)到700萬攝氏度以上時，便開始了氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)。這段時間產(chǎn)生的熱量和向外輻射的熱量大體相當(dāng)，則成為正常的恒星而進(jìn)入主序星階段。主序星階段是恒星的青壯年時期，它要占恒星整個生命的絕大部分。隨著時間的推移，氦核周圍的氫越來越少，氦核越來越大，當(dāng)氦的質(zhì)量占恒星質(zhì)量的10%左右時，氦核就要收縮，恒星的外層就會膨脹，于是年富力強(qiáng)的恒星慢慢衰弱逐漸變成了老年期的紅巨星。

恒星演化到后期，和人到老年身體失調(diào)一樣，星體內(nèi)部的變化越來越劇烈、越來越復(fù)雜，隨著恒星內(nèi)部的溫度急劇升高，恒星外部就要拋射物質(zhì)，于是便產(chǎn)生了新星或超新星那樣的大爆發(fā)。爆發(fā)拋出的大量物質(zhì)形成了無規(guī)則的美麗而壯觀的星云，星云慢慢消散，重新化為宇宙塵埃，而原恒星則根據(jù)自身質(zhì)量和體積的大小以及爆發(fā)方式，決定在原恒星的中央殘留下一個什么樣的天體：或是白矮星，或是中子星，或者是黑洞。

由于白矮星和中子星都具有這段“光榮”史，所以別看它們個頭極小，它們的質(zhì)量可幾乎都和太陽不相上下：白矮星的單位密度約為太陽單位密度的10萬倍以上，中子星的密度就更大得離譜了：其中僅僅一立方厘米物質(zhì)的重量，就可高達(dá)幾億，甚至十幾億噸之多，要數(shù)萬艘萬噸巨輪才能載得走。

至于黑洞則是宇宙間最離奇最不可思議的天體。在黑洞中心，引力和起潮力都無限增大，因此黑洞內(nèi)除了質(zhì)量、電荷和角動量以外，物質(zhì)自身的屬性全部喪失殆盡，原子、分子也將不復(fù)存在。即便是質(zhì)量、電荷及角動量等諸因素也均失去了原物質(zhì)的物理特性，而單純變成只屬于黑洞整體所具有的極其特殊的物理屬性了：由于黑洞的引力無限大，因此外部物質(zhì)一旦接近黑洞的引力范圍，就會被迅速吸去，包括光和電磁波、紅外線及紫外線等都屈服于黑洞強(qiáng)大的引力而無法跑出來，所以天文學(xué)家才把這種用很多方法都無法直接探測到的天體命名為黑洞。

不過到了21世紀(jì)初葉的今天，科學(xué)家已經(jīng)找到一種有可能徹底揭開黑洞真相的方法，即廣義相對論早已述及的引力波理論，這是一種完全不同于傳統(tǒng)光電效應(yīng)的理論：電磁波的能量在輻射途中遭遇星球和暗物質(zhì)時會被折射、反射和吸收而衰減，引力波卻能夠不受阻攔地完全自由地通過空間，既不會被宇宙空間中的物質(zhì)所吸收也不會被反射和折射。它攜帶真相運(yùn)行，故應(yīng)稱之為宇宙考古的“活化石”。通過引力波，我們就可以比較直觀地看到黑洞：不但能夠看到黑洞如何產(chǎn)生，如何旋轉(zhuǎn)，甚至連黑洞中心的奇點(diǎn)也有可能暴露在光天化日之下。不過引力波理論現(xiàn)在還尚未進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，相信不久的將來一旦為實(shí)驗(yàn)科學(xué)所驗(yàn)證，我們也許就會萬分驚喜地看到黑洞內(nèi)部那隱藏得極深的廬山真面目了。

在宇宙中，更多的是與上述密集物質(zhì)完全相反的地方，即超真空狀態(tài)的廣闊的宇宙空間。那里物質(zhì)的密度低到每立方厘米只有一個氫原子或碳原子：比地球上的人造真空還要低幾個數(shù)量級，這幾乎已接近絕對真空即物理真空的極限。然而盡管如此，若把銀河系整個空間中的星際物質(zhì)全部加起來，也還要占到銀河系有形物質(zhì)總質(zhì)量的10%，僅此一點(diǎn)就可看到銀河系的龐大。

星際物質(zhì)包括星際氣體和星際塵埃。星際氣體包括：氣態(tài)原子、分子、電子和離子等；星際塵埃是指直徑為1/100 000厘米大小的固態(tài)物質(zhì)。它們彌散在星際氣體中，大約也要占到星際氣體總量的10%左右。星際氣體中氫占絕大多數(shù)，其次是氦，這說明星際氣體中元素的構(gòu)成部分，和太陽及其他恒星上主要化學(xué)元素的構(gòu)成比例是完全一致的，是宇宙存在的切實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。星際塵埃則包括石墨、冰狀物質(zhì)、磷、硅酸鹽等其他物質(zhì)，這類物質(zhì)的種類多，數(shù)量少，是形成行星和生命的主要材料。因此，從星際氣體和星際塵埃的數(shù)量對比的結(jié)果來看，宇宙間恒星和行星的總質(zhì)量與總數(shù)量之比，似乎也應(yīng)該10∶1。不過在太陽系中，恒星與行星的質(zhì)量比例卻要比宇宙的平均數(shù)值低得多：太陽本身要占太陽系總質(zhì)量的99.8%，其他九大行星和彗星及數(shù)以萬計的小行星的全部之和，加起來也僅相當(dāng)于太陽質(zhì)量的0.2%，據(jù)此推算即使去掉一個數(shù)量級，宇宙間的行星大約也要比我們太陽系的行星多出近10倍，因此可以說宇宙空間中生命存在的概率，也將要比以前所估計的數(shù)值要大出10倍左右，這一結(jié)果若成定論，則應(yīng)該是值得我們?nèi)祟悷o比欣慰和慶幸的好事。

宏觀世界的另一極是微觀世界。在微觀世界中，所有物質(zhì)都是由分子所組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成。這乃是物質(zhì)內(nèi)部深層的物理結(jié)構(gòu)。

別看微觀世界極其微小，它們和宏觀世界的結(jié)構(gòu)卻很相似：宏觀世界是行星繞著恒星旋轉(zhuǎn)，微觀世界則是電子繞著原子核轉(zhuǎn)；在宏觀世界中有引力與反引力，在微觀世界則是粒子與反粒子。不過在宏觀世界中，引力能夠促使星系凝聚；反引力也叫斥力，斥力導(dǎo)致宇宙膨脹。微觀世界的粒子和反粒子則不屬于同一物理范疇：粒子與我們共存于同一世界，反粒子則完全屬于另一時空。它與我們的距離，比人類生死間的距離還要相差十萬八千里。至于反粒子也叫反物質(zhì)，反物質(zhì)世界是個奇怪的世界，如果宇宙中開始就存在反粒子，那么它們就會自發(fā)地組成反原子、反分子、反星球和反星系。但現(xiàn)在除反粒子尚屬有據(jù)可查以外，其他成分皆在理論或假說階段——現(xiàn)在宇宙中到底有沒有反星系誰也說不準(zhǔn)。因?yàn)橛闪Ｗ雍头戳Ｗ铀椛涑鰜淼墓庾油耆嗤?，所以我們即便看到了反星球或反星系也不會發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了也不希望遭遇，因?yàn)閾?jù)說正反物質(zhì)一旦遭遇就會毀滅。因此我相信，大概不會有人因獵奇而甘冒自身毀滅的風(fēng)險。

國際天文學(xué)最新研究結(jié)果表明：大宇宙中，人類通過各種方式可以觀測得到的顯物質(zhì)，大體只占物質(zhì)總量的4%，其他96%的隱蔽部分全部為暗物質(zhì)和暗能量。這其中如果說23%的暗物質(zhì)在現(xiàn)代科學(xué)中還算初露端倪的話，那么73%的暗能量到底為何物，以何種方式存在，起到何種作用都還是一個不解的謎。這都是全人類所共同面對的難題，相信如果有一天此類難題一旦得以攻破，人類對于偉大的宇宙的認(rèn)識一定會產(chǎn)生一個質(zhì)的飛躍。