不時有許多流星劃過寂靜的星空,天空中多出許多在臺灣看不到的星星。面對浩瀚的星空,特別在那銀河中看得到的微弱小星星及看不到的之間,還有更多、更遠的星系。科學家們說那些是另外的許多個銀河,我不禁讓我的思想飆到那些銀河里去了。我有許多問題:難道只因為南方緯度低而看不到天空中多出的星星嗎?這宇宙究竟有多大呢?真的一直這樣大嗎?是否還有其他宇宙呢?這宇宙是否有開始呢?若有,是何時出現的呢?是怎么開始的呢?其他星球上是否有生命呢?宇宙中是否有超級智慧的出現呢?是什么力量維系著這個宇宙呢?
在我讀高中的時候就非常喜歡科學,那時我常在圖書館看書。有一次我查到一本中文名叫《膀臂與拳頭》的書,看起來應該是軍事、武器或體育運動方面的書。我很有興趣,借出來打開一看,書本里每一頁都是黑的。原來那是教你利用膀臂與拳頭,觀察全年不同季節中每一夜的星空如何變化。從那時候起,晚上我就常常爬到我家屋頂上,我迷上了看星星。人類最初的科學,也是從看著每晚出現的星星,發現它們有一定規律性而開始。直到今天,人類不斷地探索宇宙,發現更多的規律性,利用這些規律性,如慣性定律及萬有引力定律,人類又更進一步地探索宇宙。
由萬有引力到探索宇宙
我剛才問的最后一個問題是:“到底是什么力量維系這個宇宙于不墜呢?”但是這種問法太“自大”了,把人類自我本位的意識形態表達出來。根據萬有引力定律,最客觀的說法應該是大、小星球互相吸引;較不客觀的說法是小星球被大星球吸引,像彗星或隕石一樣墜落在大星球上;最不客觀的說法就是:“是什么力量叫這些星星不墜下來?”其實,被我們所稱呼為小星星的,絕大多數是遠遠比我們太陽還要大得多的恒星。滿天都是小星星,我們卻根本沒有資格叫那些小星星墜落在地球上,我們整個太陽系不墜到別的恒星系統中,化為一道道瞬間即逝的流星雨給別人看就已經很不錯了。當人類用自己的角度去看宇宙的時候,就無可避免地會把人類自我本位的意識形態表達出來。
萬有引力是牛頓發現的。牛頓的萬有引力定律,可用在兩個質量分別為sub>1及M2的物體上,如果這兩個物體的距離是d,這個萬有引力F可以寫成:
F=G(M1×M2)/d2
其中G就是萬有引力常數。這個公式指出了兩個物體之間的吸引力和兩個物體的質量成正比,而與它們之間距離的平方成反比。
月球為何不會掉在地上呢?牛頓解釋說:如果你在一個高山上,把石子朝著水平方向扔出去,地面如果是平的,不管你扔多遠,石子總要掉落到地面上。但地表并不是平面,而是一個球形的曲面,因此當投出石子力量小的時候,石子還是會掉回地面;當拋擲力量夠大的時候,雖然石子仍然是一直往下掉,但同時地面也一直在它前面彎下去。只要石子往下掉的軌跡和地面彎下去的曲度配合,那么石子永遠不會掉回地面,而是繞著地球轉圈子,這便是所謂的繞地軌道。
一條看不見的軌道
在宇宙中有許多的軌道,我們先由人造衛星的軌道說起。記得我小的時候,人造衛星是非常少見的,報紙上還會公布某顆人造衛星在幾點幾分朝什么方向可以看到,到了晚上我真的會在天空中找那顆人造衛星。當時人造衛星的軌道不高、移動速度快,很容易和一般的星星區別,只是不要和飛機搞混,否則看衛星就變成看飛機了?,F在人造衛星滿天飛,但多為不容易辨識的高軌道同步衛星。這些衛星有軍事用、通信用、氣象用、資源探測用和廣播電視用的,你現在收看、收聽的節目,多半就是人造衛星轉播的。但是還有一些早就報廢,成了太空垃圾,卻還能一直在軌道上繼續“繞著地球跑”。
現代人的生活雖然和人造衛星關系越來越密切,但一般人還是不了解人造衛星。我可以解釋人造衛星的運作原理,一點都不難。人造衛星是用火箭載具送到太空軌道中的,火箭升空到達一定高度及軌道速度時把衛星放出,那顆衛星就會乖乖地在軌道上一直“繞著地球跑”,不需要任何的燃料。不用燃料怎么運行呢?答案就在萬有引力定律及慣性定律。慣性定律是牛頓第一定律,簡單地說就是“在沒有外力的作用之下,動者恒動、靜者恒靜”。
開車如果不繼續踩油門,汽車會漸漸慢下來,因為開車時重力(即萬有引力)一直在作用,又因為汽車與空氣、車輪與路面產生的摩擦力使車子變慢。這重力、摩擦力就是外力的作用。在太空中的人造衛星,除了有極小的空氣阻力外,幾乎沒有什么摩擦力,但地球的重力卻一直在牽制它,這重力使衛星維持在軌道上運行。衛星在軌道上運行和我們在公路上開車不同,如果速度突然增快,在軌道上運轉的物體會升到更高的軌道上,以比原來更慢的速度繞圈子,不會留在同一條軌道上。在高速公路上,你可以盡量加速而維持在同一條路面上,直到被交通警察逮到為止,但在太空中隨便加速,會改變原來運行的軌道。
這種現象很特別,NASA在前一陣子發射航天飛機與俄羅斯的太空站會合,如果航天飛機駕駛員不了解軌道物理就麻煩了。假如太空站和航天飛機在同一軌道上運行,太空站在前方30千水處,而你是航天飛機的駕駛員,你如何和太空站會合?如果你在陸地開車,既然在同一軌道,只要加速就接上了,但在太空中你一加速,航天飛機就升到高軌道中,一到高軌道航天飛機會以更慢速度運行,結果你就離太空站越來越遠。那么正確的操作方法是什么呢?首先你應該減速,使航天飛機降低到較低的軌道上。根據軌道力學,低軌道的運轉快,你就會發現航天飛機和太空站的距離越來越近,雖然太空站是在你上方軌道中,你只要在最后階段稍一加速就接上了。好玩嗎?宇宙中星球雖然多,卻不是滿天亂飛的,在宇宙中所有星球都有一定的運行軌道、速度及方向。了解軌道運作的原理之后。你現在可以進一步探索宇宙了。宇宙是什么?
“上下四方日宇,古往今來日宙”,所以宇宙就是空間與時間的組合。中國古代的思想家很早就已經把時空觀念聯系起來,他們稱宇宙是時空的組合,非常符合現代物理學家的看法。20世紀愛因斯坦發表相對論之后,才把時空統一起來,提出四維時空的理論,把三度的空間與第四度的時間統一,用四維空間觀念,來表明一個“運行中的宇宙”。
宇宙的大小
對一個人來說,地球已經是非常大了,但在宇宙中,地球只不過是太陽系里面的一個普通的行星而已。如果太陽是一個空心的球體,那么它可以裝130萬個地球,而我們的太陽只不過是銀河系中一個最普通的中小型恒星,許多別的恒星都比太陽不知大多少倍。
地球與太陽平均的距離是1.5億千米,這個距離被定為一個天文單位(astronomy unit,AU)。一架波音747的噴氣客機以全速飛行,從地球到太陽大約需要20年,來回一趟就需要40年(當然飛機在太空中飛行是不可能的,太空中缺乏燃料燃燒時所需要的氧)。太陽系中離太陽最遠的是冥王星,距離太陽約40AU,以全速前進的波音747不停地直飛,來回一趟要1600年之久,16個世紀。
在晴朗的夜晚,銀河特別燦爛時看天上那些發光的星球,除了幾顆太陽系里的行星之外,其他全都是太陽系之外的恒星。太陽是銀河系1000億顆會發光的恒星中最平凡的一顆,如果要數數看銀河系中究竟有多少顆恒星,每秒數一顆,從孔子的時代數起,到今天都還數不到一半。
光的速度每秒是30萬千米。光在一年里大約走過10萬億千米的距離,這距離稱為光年。恒星與恒星之間的距離實在太大,在天文學上計算天體問的距離,已經不能再用千米為單位了,因此使用光年為單位。
光從太陽走到地球,一個天文單位大約要8分鐘。到最接近太陽系的恒星,半人馬座,大約是4.3光年,半人馬座其實是三顆受引力吸引而互相繞行的多星系統。在20光年距離的范圍內,太陽系共有20個最近的“鄰居”恒星系統。銀河系直徑大約10萬光年,厚度大約1萬光年,其中最古老的恒星,年齡約100億一150億年,由此可知我們銀河系的龐大與悠久。
但宇宙中并非只有一個銀河系,我們的銀河系只是1920年以前人類所認識的宇宙范圍。除了我們太陽系所在的銀河系之外,目前已經發現了10億個銀河系的恒星系統,稱為河外星系。與我們最接近的一個河外星系,叫做仙女座星系,距離地球大約有200萬光年。這些河外星系正以極大的速度離我們遠去,也就是說,宇宙還在不斷地擴張之中。
銀河系和所有已發現的河外星系統稱為總星系,那是我們已知宇宙的大小。目前最大的無線電望遠鏡,能觀測到100億光年以外的天體,但還沒有到達宇宙的邊緣??茖W家相信,宇宙間還有無數個如此龐大的天體系統。除了我們這個銀河系之外,銀河深處有許多銀河系叫我們著迷。幻想一下,小叮當使用時光隧道、飛行屋或任意門,發現一個新的天體系統,甚至一個新的宇宙吧。
宇宙的起源
天文學家認為距今160億一150億年前,有一次大爆炸產生了宇宙,表示宇宙有一個開始。目前至少有兩項重要事實指出宇宙有個開始的起點。
熱力學第二定律是19世紀最偉大的科學發現之一,說明在自然狀況下,任何系統均會趨向最大的亂度,并趨向最低的能量,即一個封閉系統中的狀態。系統會是逐漸傾向于無秩序、越來越憑概率、越來越隨機,亂度只會不斷增加,有規律而可用的能量則不斷減少。
現在的宇宙系統并不是處于完全混亂無條理的狀態。宇宙的密度、溫度、成分,其實都處于非常特定的不均勻狀態,有大量的能量可資運用。若不是日益混亂的過程在時間上是有限的,就是宇宙的大小是無限的。但宇宙并非無限大,如果宇宙存在的年月是可推算的,則宇宙必有一個開始,這開始是個有條理的過程或事件,和我們現在觀察到的過程有所不同。
哈勃發現從遙遠星系傳來的星光會顯現出紅位移,越遠則越大。他推算距離時假設:越微小、越模糊的星系越遙遠。到目前為止,關于紅位移唯一合理的解釋是“多普勒擺動”,指出遠方星系正以一定的速度,一直離我們遠去。這結論就是說:宇宙正在不斷地膨脹中,遠方星系是漸離漸遠。
1915年,愛因斯坦發表廣義相對論,宇宙并非靜止不動,也不是永恒的,宇宙有一個開始,始于很久以前的遠古,但這遠古卻非無限遠。設定一段距離和時間就可以計算出時光的流動,但以此計算星系間的距離還有些誤差,且速度隨時間遞減,因此宇宙膨脹開始的時間,只能粗略估計在100億~200億年之間。
還有其他證據告訴我們宇宙的年齡,星團各有自己的年齡,有的100億年,有的不到。利用地殼中鉛的放射性同位素含量分析,地球年齡約是46億年,而太陽年齡約是50億年。計算木星的冷卻率,推算約有45億年之久。在太陽系中,每個行星的固體表面都有撞擊口,顯示出漫長而復雜的碰撞期至少已進行了數十億年。地球巖層顯示長期以來的侵蝕至少有數十億年之久。宇宙在空間、時間上并非無限,我們若看見距我們1億光年的星星,這星光旅行了1億年才到我們這兒。若有任何星系現在毀滅了或不發光了,我們要等到另外1億年之后才會知道。星星的種類很多,有些是從一團不斷壓縮的氣,經過幾十億年漸漸形成的。星系彼此不斷碰撞、結合,過程耗時10億年之久。
宇宙始于一兩百億年前,是個很重要的結論。唯物論最早所謂“物質和能量的存在是永恒的”,并沒有科學根據,與我們所觀察到的事實相違背。
圣經與宇宙
宇宙的浩大出乎人的想象,放在廣闊的宇宙中一比,地球不過是一顆微小的沙粒。人的生命短暫,放在恒長的宇宙時空中衡量,人類歷史實在短暫,但在人類歷史中卻有不少自大的人?!对娖返?篇說:“我觀看你指頭造的天和你所陳設的月亮星宿,便說人算什么你竟顧念他?世人算什么你竟眷顧他?”
《圣經》雖然不是為科學寫的,但卻是我們建立正確宇宙觀、人生觀最重要的一本書。《詩篇》19篇說上帝給人兩本書:一本寫在大自然里,就是上帝對人的一般啟示;另一本就是《圣經》,那是神對人的特殊啟示。
科學有其局限,目前科學還無法解釋宇宙的起因,但《創世紀》開宗明義說:“起初上帝創造天地?!碑斂茖W家還在研究宇宙是何時開始的時候,《圣經》已經告訴我們是誰創造的了?!秳撌兰o》說起初上帝創造天地,那“起初”是后面的那六天嗎?還是在《圣經》所記載的“第一日”以前?創造的那六天,每天是24小時嗎?這幾十億、幾百億年的宇宙是否與《圣經》沖突呢?有人以為《圣經·創世紀》似乎說,神在不到1萬年前,花了六天,每天24小時,創造了整個宇宙。《圣經》如果真的這樣說,那么在科學與《圣經》之間的確是有沖突的。
由大爆炸產生宇宙,表示宇宙不是自有永有,而是有一個開始。我不認為《圣經》告訴我們,在多久以前上帝造了天地,是在最初的那六天呢?還是在那“頭一日”以前呢?那六天的“天”是24小時的“天”呢?還是一段漫長的歲月呢?有的問題就是在基督徒中間也有不同的看法??茖W肯定了宇宙有個開始,《圣經》說明了有一個起初。
宇宙如此浩瀚又有秩序,難道是巧合嗎?若說是巧合,那就是無神論者所說的,“宇宙純粹是用碰撞原理形成的”,即“用亂度產生秩序”。我不認為唯物論說“物質和能量的存在是永恒的”正確,我更不認為無神論說“宇宙是由碰撞形成的”正確,那是不負責任、也不合科學的說法。
宇宙的存在是不可否認的事實,但宇宙靠什么存在?什么力量維系它的存在?宇宙又為什么而存在?科學沒辦法回答這些問題,科學也沒有給我們任何理由懷疑神的創造。我們所生存的這個太陽一地球一月球系統有許多特性,而且使我們得以存活的特性,例如:地球表面的溫度、重力、一天的長度、一年的長度、地軸的傾斜度、月球的引力、周期、大氣的質量、成分、地表的成分、陸地及水域的分布。至少有30種特性是絕對不允許出差錯的,否則我們就不可能存活。這30種特性同時發生的幾率非常小。因此,想要在宇宙中找到適宜生存的星球并不太容易。我認為宇宙不是由碰撞偶然形成的,而是經過極有智能的創造者設計的。宇宙的存在經過特別的設計,這精密的設計顯示有一位上帝,就是造物主,其設計這個宇宙也有目的。
我相信宇宙是由一位創造者的創造而開始的,宇宙星系都靠它的維系而運行在軌道上。假如這是真的,知道誰是這位創造者,以及它為何創造了包括你、我的這個宇宙,對你而言就非常重要了。因為在這浩瀚的宇宙中,渺小的你、我的獨特性竟然是唯一的,許多發生在你身上的事情,是絕不可能發生在任何別人身上的。那么,你的存在也是有意義的,而且是有獨特意義的。
和宇宙的廣闊相比,人是何等渺小,在這恒久的宇宙中,人的壽命是何等微不足道。《羅馬書》第一章中說:“神的事情,人所能知道的,顯明在人心里,因為神已經給他們顯明。自從造天地以來,神的永能和神性,是明明可知的。雖是眼不能見,但借著所造之物就可以曉得,叫人無可推諉?!?/p>