對(duì)天文物理學(xué)幾個(gè)前沿問(wèn)題的思考

摘要： 宇宙是怎樣誕生的、萬(wàn)有引力和萬(wàn)有斥力的問(wèn)題、原子核的放射性等之間有著內(nèi)在的必然的聯(lián)系，而這一切都是從簡(jiǎn)單的自然規(guī)律出發(fā)而推論出來(lái)的，合理地解釋了時(shí)間的不可逆性等天文物理現(xiàn)象。其中有許多的新觀點(diǎn)和新思維，對(duì)拓寬視野、推進(jìn)物理學(xué)的發(fā)展很有好處。

關(guān)鍵詞： 宇宙膨脹與收縮 萬(wàn)有引力和斥力 原子核的放射性

宇宙是廣漠空間和其中存在的各種天體及彌漫物質(zhì)的總稱(chēng)。宇宙是物質(zhì)世界，它處于不斷的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展中。科學(xué)是一種思維方式，它希望從可能是一切物質(zhì)構(gòu)成單元的原子核到生命體或者人類(lèi)社會(huì)共同體乃至整個(gè)宇宙去找出世界是怎樣運(yùn)行的，尋求可能有的規(guī)律性，洞悉事物間的聯(lián)系。我們的知覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)可能由于工具的滯后性或純粹由于我們的感覺(jué)器官的局限而被扭曲和限制，況且這些感覺(jué)器官也只能直接感知到世界的一小部分現(xiàn)象。對(duì)于宇宙中的一切問(wèn)題，到目前為止，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展限制，我們只知道很微小的一部分，對(duì)于很多的東西也只能是通過(guò)邏輯和理性的思維去進(jìn)行一些分析，也是有待于實(shí)踐檢驗(yàn)的。

一、關(guān)于幾個(gè)問(wèn)題的思考

1.宇宙縮脹過(guò)程中的時(shí)間矢

所謂旁觀者清，如果是置身于宇宙外看宇宙，那么在宇宙運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，時(shí)間的流失是不均勻的，在引力和斥力都較大的空間里時(shí)間過(guò)得較快，否則相反。而如果置身于宇宙，其自然生理周期也必然隨引力和斥力的大小而變化，當(dāng)生理周期發(fā)生了變化，用來(lái)測(cè)量時(shí)間的時(shí)鐘的運(yùn)行速度也將發(fā)生同樣的變化，所以，對(duì)于置身于宇宙的觀察者來(lái)說(shuō)并不能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)其生理周期發(fā)生了變化。

盡管現(xiàn)在還有關(guān)于宇宙是否處于收縮和膨脹階段的爭(zhēng)論，但在其階段內(nèi)生存的所有物體都不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似“破鏡重圓”的時(shí)間倒流現(xiàn)象，宇宙中的時(shí)間矢是不可逆的，對(duì)于生存在其間的生物，始終是沿著誕生—發(fā)育—衰老—死亡進(jìn)行的，這個(gè)過(guò)程永遠(yuǎn)不可逆，這就是宇宙的時(shí)間矢，宇宙中的萬(wàn)物都一樣永遠(yuǎn)不可逆。

那么宇宙運(yùn)動(dòng)的周期是多長(zhǎng)？宇宙大膨脹后的最大體積和收縮后的最小體積分別是多少？宇宙有平衡位置嗎，在哪里？在平衡位置時(shí)宇宙運(yùn)動(dòng)的速度是多少？宇宙的總的引力勢(shì)能和斥力勢(shì)能是多少，相等嗎？宇宙的中心點(diǎn)在什么地方？是黑洞嗎？黑洞有多少個(gè)？等等一切宇宙學(xué)方面的問(wèn)題有待探討。

如果人們能計(jì)算出目前宇宙總的勢(shì)能和宇宙的膨脹速度，就可以計(jì)算出宇宙的總的機(jī)械勢(shì)能。宇宙中不同位置的物質(zhì)具有不同的動(dòng)能和勢(shì)能，另外，人類(lèi)現(xiàn)在所能探測(cè)到的宇宙空間僅是宇宙總的空間的很小的一部分，所以，人類(lèi)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平下，還很難進(jìn)行這樣的計(jì)算。既使計(jì)算出了宇宙的機(jī)械能，宇宙還具有宇宙內(nèi)能和場(chǎng)能等一系列問(wèn)題在等待著我們?nèi)ソ鉀Q。

2.萬(wàn)有引力和萬(wàn)有斥力的問(wèn)題

我們?cè)谟^察彈簧振子作往復(fù)振動(dòng)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)：壓縮時(shí)，彈簧產(chǎn)生一個(gè)向外伸展的彈力；拉長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)拉伸的彈力；平衡位置時(shí)，彈簧不產(chǎn)生彈力。如同彈簧振子，宇宙也具有類(lèi)似的力學(xué)特性，這是牛頓的經(jīng)典理論。現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今宇宙正好處在“拉伸”的狀態(tài)（并不是所有的科學(xué)家都認(rèn)同），但是有收縮的趨勢(shì)。也就是說(shuō)，即使宇宙今天仍在膨脹，總有一天，整個(gè)宇宙將會(huì)膨脹到終極點(diǎn)后再向內(nèi)收縮。這也是萬(wàn)有引力的一個(gè)基本判斷。

根據(jù)對(duì)稱(chēng)原理，宇宙在特定的條件下會(huì)產(chǎn)生萬(wàn)有斥力，當(dāng)宇宙收縮到通過(guò)其平衡位置（即萬(wàn)有引力和萬(wàn)有斥力的臨界點(diǎn)）時(shí)，宇宙中的物體就出現(xiàn)相互的排斥力，但仍將在其巨大慣性的作用下克服物質(zhì)間的萬(wàn)有斥力繼續(xù)收縮，直到所有宇宙動(dòng)能轉(zhuǎn)換為物質(zhì)間的萬(wàn)有斥力為止。這時(shí)宇宙成了原始宇宙蛋，這時(shí)宇宙的體積最小，也類(lèi)似于宇宙大爆炸之前的原始狀態(tài)。

在宇宙的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，宇宙的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和勢(shì)能（即引力勢(shì)和斥力勢(shì)）是處于相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程的。當(dāng)宇宙收縮到極點(diǎn)時(shí)，宇宙的引力勢(shì)能將會(huì)完全釋放，這時(shí)宇宙的萬(wàn)有斥力勢(shì)能積蓄到最大值，物質(zhì)間的萬(wàn)有排斥力達(dá)到頂峰，宇宙會(huì)變得瞬時(shí)靜止。緊接著宇宙又開(kāi)始反方向?qū)⒂钪嫒f(wàn)有斥力勢(shì)能逐步釋放轉(zhuǎn)變?yōu)橛钪鎰?dòng)能，同樣當(dāng)通過(guò)平衡位置時(shí)，其斥力勢(shì)能釋放完畢，引力勢(shì)能開(kāi)始形成并發(fā)揮作用。如此往復(fù)，以至無(wú)窮。

假如這個(gè)判斷是正確的話，可以得出以下兩個(gè)結(jié)論：

A.當(dāng)在引力勢(shì)和斥力勢(shì)的臨界點(diǎn)（即平衡位置）的一瞬間宇宙中的物質(zhì)將不受斥力和引力的作用，這時(shí)宇宙的膨脹速度將達(dá)到最大值，通過(guò)平衡位置后，宇宙引力勢(shì)能的逐漸增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致宇宙的膨脹速度緩慢降低。

B.在慣性作用下，將繼續(xù)膨脹，宇宙動(dòng)能慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橛钪嬉?shì)能。當(dāng)宇宙動(dòng)能完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐?shì)能時(shí)，宇宙將停止膨脹，這時(shí)宇宙膨脹體積達(dá)到最大。其引力勢(shì)能的積累也達(dá)到最大，宇宙將有一個(gè)瞬間的靜止。接下來(lái)，宇宙又在強(qiáng)大的引力勢(shì)能的作用下開(kāi)始收縮，又將其積累的引力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)橛钪鎰?dòng)能。

在宇宙縮脹的不同時(shí)期，萬(wàn)有引力（或斥力）的大小是呈周期性變化的，宇宙的縮脹周期對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)大得驚人。區(qū)區(qū)幾千年的人類(lèi)歷史與上億年的宇宙運(yùn)動(dòng)周期相比，僅是滄海一粟，所以人類(lèi)無(wú)法用實(shí)驗(yàn)或觀察的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.原子核的放射性

宇宙中到處都存在原子核的放射性，從原子核的內(nèi)部不斷發(fā)射出各種粒子和能量。宇宙在其大爆炸的最初時(shí)期，所有物質(zhì)都聚集在一個(gè)相當(dāng)小的球體內(nèi)，成為一個(gè)巨大的唯一的原始原子核，也是宇宙中最大的原子核。

由于能量的高度集中產(chǎn)生了核內(nèi)強(qiáng)大的萬(wàn)有斥力，巨大的原子核無(wú)法保持穩(wěn)定，在極短的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生了宇宙大爆炸，這時(shí)原子核成幾何等級(jí)裂變，就這樣一直分裂下去。在剛開(kāi)始裂變的極短的時(shí)間內(nèi)核子的鏈?zhǔn)搅炎儤O為迅速，并隨著原子核的不斷裂變而變小，極為強(qiáng)大的斥力勢(shì)能通過(guò)宇宙的體積的不斷膨脹而不斷得到釋放，裂變的劇烈程度也隨之慢慢的降低，逐漸演變成各種不同的原子核。

由于原子核的持續(xù)變小，宇宙的體積不斷增大而斥力勢(shì)能進(jìn)一步降低，在這個(gè)較短的時(shí)間過(guò)去后，有少部分破裂后體積較小的原子核其斥力勢(shì)能與其核子的結(jié)合能大小相似或更小時(shí)，于是停止了自發(fā)分裂而暫時(shí)處于相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期，但是，大部分原子核內(nèi)的斥力勢(shì)仍十分巨大，原子核的結(jié)合依然抵擋不了斥力能的作用而自發(fā)裂變。再過(guò)一段漫長(zhǎng)的時(shí)間之后，隨著原子核體積的進(jìn)一步變小，斥力能的進(jìn)一步釋放，越來(lái)越多原子核的斥力能小于原子核的結(jié)合能而進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期，暫時(shí)不再分裂，因而就失去了放射性。但有些原子核仍具有多次分裂的潛在能力，是有潛在的放射性的。

放射性隨著時(shí)間的推移而逐漸減弱，從而能繼續(xù)分裂的原子核也越來(lái)越少，最后宇宙膨脹到最大，但仍有極少潛在的原子數(shù)核具有放射性。這就是為什么現(xiàn)在宇宙中仍有數(shù)量可觀的具有放射性的原子核的原因。

但是必須認(rèn)識(shí)到，原子核的放射性是相對(duì)的，在不同的時(shí)期具有不同的放射性。隨著宇宙的持續(xù)不斷膨脹，帶來(lái)兩個(gè)結(jié)果：物質(zhì)密度的減小和溫度的降低。那么以往某一時(shí)期失去了放射性的原子核這時(shí)又會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的不穩(wěn)定時(shí)期，原子核又重新活躍起來(lái)產(chǎn)生新的放射性。這是因?yàn)樵诓煌臅r(shí)期原子核的溫度和原子核周?chē)镔|(zhì)的密度下降，原子核外部的抗放射背壓在降低，使得原子核又能克服抗放射背壓重新具有放射性。隨著宇宙的進(jìn)一步膨脹，宇宙的密度和溫度的下降，宇宙背景輻射壓力的降低，在某階段沒(méi)有放射性的核子過(guò)一段時(shí)間后由于原子核內(nèi)部的結(jié)合力抵抗不住外界背景壓力的降低而產(chǎn)生放射性。隨后經(jīng)過(guò)一次或多次放射后原子核又進(jìn)入一個(gè)新的相對(duì)穩(wěn)定期。當(dāng)再經(jīng)一段時(shí)間的相對(duì)穩(wěn)定期后待外界放射背景壓力再一次下降的時(shí)候，又可以重新活躍起來(lái)產(chǎn)生新的放射性。在宇宙的整個(gè)膨脹過(guò)程中，宇宙中的核子相對(duì)越變?cè)叫。侵钡接钪媾蛎浀阶畲笄议_(kāi)始收縮時(shí)一些原子核仍具有放射性，而只有等到宇宙收縮到一定程度，待抗放射背景壓力上升到原子核不能放射出粒子為止。隨著宇宙的不斷膨脹，抗放射背壓的不斷降低，核的裂變也將不斷地重復(fù)下去，這是宇宙中到處都是原子核輻射的理由之一。

而由于對(duì)稱(chēng)性原理，既然原子核在一定時(shí)期具有放射性，在其相對(duì)應(yīng)的另一時(shí)期原子核必定具有結(jié)合性。當(dāng)宇宙膨脹到極限最大體積的時(shí)候，宇宙的引力勢(shì)也積蓄到極限，這時(shí)在引力勢(shì)的作用下宇宙開(kāi)始收縮，核外的抗放射性背壓開(kāi)始增加，隨著抗放射背壓的增加，部分較小的原子核開(kāi)始具有結(jié)合性，慢慢的，隨著宇宙的進(jìn)一步收縮和原子核的不斷收縮，宇宙中的核子數(shù)會(huì)逐漸減少，相反，核子的單個(gè)體積增大，直到最后形成一個(gè)巨大的原子核。這就又產(chǎn)生一個(gè)假設(shè)：這時(shí)宇宙的所有動(dòng)能全都轉(zhuǎn)換為宇宙勢(shì)能，宇宙的斥力勢(shì)能達(dá)到最大，一個(gè)新的宇宙大爆炸的條件又已具備，將進(jìn)入新一輪的宇宙周期。

值得一提的是，原子核的放射性和結(jié)合性是矛盾的統(tǒng)一體，這取決于宇宙的同一區(qū)域內(nèi)和在同一個(gè)放射背景壓力的情況下，部分較大的原子核具有放射性，即此時(shí)的背壓低于該核放射性終止的背壓，不足以阻止該核停止放射。而部分較小的原子核，由于其背壓高得足以使其發(fā)生核的結(jié)合，所以在當(dāng)今世界上核的裂變和聚變反應(yīng)同時(shí)存在。所以，通過(guò)測(cè)量原子核的裂變和聚變能力以及核子體積的大小，就可以計(jì)算出我們所在宇宙空間的抗放射性背景壓力的高低，可這是需要很長(zhǎng)時(shí)間的科技進(jìn)步才能做到的事情。

二、結(jié)語(yǔ)

天文學(xué)講的就是宇宙的“故事”。這個(gè)故事很大很大，因?yàn)橛钪姘ㄋ械臇|西，我們已經(jīng)了解的和還不知道的；這個(gè)故事很長(zhǎng)很長(zhǎng)，從無(wú)邊無(wú)際的過(guò)去到無(wú)窮無(wú)盡的未來(lái)。人類(lèi)一直在探索著宇宙的奧秘。太陽(yáng)系的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)闊了人們的眼界；恒星世界的發(fā)現(xiàn)，使人類(lèi)認(rèn)識(shí)到自身在宇宙中的渺小，使人類(lèi)的目光更加深遠(yuǎn)；銀河系的發(fā)現(xiàn)，使人類(lèi)的觸角深入到遙遠(yuǎn)的星系。但是我們所生活的這個(gè)宇宙還有許許多多我們所不知道的奧秘，都是未來(lái)需要去探索的地方。隨著科技的進(jìn)步，我們探索腳步的一步一步走遠(yuǎn)，我相信，這些問(wèn)題都會(huì)得到最完美的答復(fù)。

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