球繞著球旋轉的奇妙宇宙

作者:黃河 發表:2006-09-20 07:40
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  壹、原子結構與太陽系

  當我們看到"電子"繞著"原子核"旋轉的原子結構圖(圖一),以及行星繞著太陽旋轉的軌道圖(圖二),不知有多少人好奇:這兩個圖形怎麼有點類似?

 
  (圖一:原子結構圖)

  假如再進一步研究,更令人訝異。因為,它們至少存在三個相似點:


(圖二:行星環繞太陽軌道圖)

  一、都是球體繞著球體旋轉(為簡化稱謂,文後"被環繞"的球體稱"母球",環繞母球旋轉的是"子球";母球和子球組成"旋轉體系")

  二、母球質量佔旋轉體系總質量的九十九%以上。原子結構中的母球是原子核,它的質量至少是子球總重量的一千八百四十倍。至於太陽系,九大行星的"質量總和"還不到太陽質量的○‧二%。
  三、旋轉體系所佔據的總體積極大,"平均密度"稀薄到幾近真空。無論是原子結構或太陽系,母球體積都不過是旋轉體系總體積的幾千億分之一。"幾千億分之一"不是我們所熟悉的數字。假如把旋轉體系所佔據的空域想像成一間屋子(也就是,把太陽系縮小成一間屋子,或是把單一原子放大成一間屋子),那麼,母球在這間屋子的正中心,體積比針尖還要小;幾個小得像微生物的子球繞著它旋轉——這種組合的平均密度,不是和真空一樣稀薄?

  貳、宇宙墳場——黑洞

  前述"屋子、針尖、微生物"的比喻是個"看不見"的範例。現在我們不妨把模型放大,想像一些"看得見"的實物。
  如果把太陽縮小成直徑一公尺的大汽球,九大行星與太陽的距離、直徑,以及與行星相近似的球體如表一:

名 稱 距離(公尺) 直徑(公分) 近 似 球 體 備  注
太 陽 0 100.00 大汽球 母球
水 星 39 0.33 綠豆
金 星 72 0.82 碗豆
地 球 100 0.87 柏青哥小鋼珠
火 星 150 0.46 BB槍的子彈
木 星 520 9.74 壘球 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 原子筆尖鋼珠 最小的行星

表一:九大行星與太陽關係表

  依據表一的模型,太陽系所佔據的總體積是以太陽為圓心,冥王星的距離︵三千九百五十公尺︶為半徑所畫出的"球形空域"。試著想像一下這個巨大的球形空域,正中央存在一個直徑一公尺的圓球,九個體積最大不過如壘球,最小象原子筆尖的鋼珠——如此松鬆散散的"子/母球"組合,卻霸佔著一個"直徑接近八公里"的球形空域,此旋轉體系的吸引力是何等的巨大!
  太陽系是如此,原子結構也是如此。每個原子超過九九‧九%的結構都是空的;縱然結合成固體分子,也有如被壓在一起的泡沫塑膠球,體積只能被有限度的壓縮。因而微觀地看,所有物體的密度都很低,即使是固體金屬也不例外。
  旋轉體系佔據空域之廣、球體之小、彼此吸引力之強,讓初次接觸的人很難想像。
  說到這,我們應能體會宇宙間旋轉體系吸引力之巨大;同時也該好奇
:若是把所有球體全部壓縮到中心(例如前述模型中,把壘球、棒球、乒乓球、荔枝、小鋼珠等向中心推擠,讓它們緊緊貼著中央的圓球;或再進一步壓縮,連中央的圓球也可能被壓碎),又會產生什麼結果?
  首先,毫無疑議的,旋轉體系所霸佔的總體積將巨幅縮小——球形空域的半徑從原本的三千九百五十公尺縮小到○‧五五公尺。
  其次,原本球體間的距離是那麼的遙遠,如今全部壓縮到一塊,想必吸引力會大幅增強。
  的確如此,而宇宙也確實存在這種現象。當質量巨大的恆星(太陽質量的三倍以上)能源耗盡,外部會出現一股巨大的壓力,其壓力大到足以壓碎星球內部原子與分子的結構,逼它們釋放出原本霸佔的空間。
  星球被壓縮的過程是慢慢形成的。當它的體積被壓縮得越來越小,內部的熱度和密度就越來越高,所發出的吸引力也就越來越強。等吸引力大到能"抓住"宇宙間最會逃逸的光子,原本熾亮的球體在剎那間就變成"漆黑一片"(不再迸射光子就無光線可言,因而漆黑一片),成為科學界所說的"黑洞"。
  黑洞是宇宙的墳場,吸引力大到能夠吞噬靠近它的所有物質。管他是什麼東西,原子結構瞬間被摧毀,所有基本粒子被黑洞牢牢吸附而無法脫離(基本粒子是被分割到"不可再分割"的粒子,也是組成宇宙萬事萬物最基本的元素)。
  地球被壓縮以後所形成的黑洞,會濃縮成半徑只有幾公尺的球體。再試著想像一下我們生活的地球——那麼多的水、陸地、山脈、生物——濃縮成半徑幾公尺的球體,那將會是多麼大的密度!又會發出多麼可怕的吸引力!

  叁、宇宙的毀滅與誕生

  黑洞會吞噬所有接近它的物質。而當它吞噬的物質愈多,所發出的吸引力就愈強,因而能吞噬距離更遠的物質。
  更麻煩的是,宇宙中所有星球無時無刻不在旋轉——月亮繞著地球轉,地球繞著太陽轉,太陽繞著銀河系的中心轉,銀河系繞著"本星系群"的中心旋轉,本星系群繞著"超星系群"的中心旋轉……。大家轉過來轉過去,遲早會"擦身而過"。又因為黑洞"只進不出",漸次吸收與它擦身而過的星體,吸引力的範圍越來越大,有沒有可能某天會大到吞噬宇宙中所有的星體?
  如果有這麼一天,那就是宇宙毀滅的一天。那時候,宇宙只剩下一個超級巨大的黑洞。
  有毀滅才有誕生,有誕生就一定有毀滅。宇宙一旦毀滅,接著就準備誕生。
  由於宇宙所有的物質全部集中在一點(科學家說這點是"奇異點")
,它擁有令人無法想像的吸力、熱力,以及密度。又由於粒子相互吸引的作用,奇異點的體積會持續壓縮,造成壓力與密度的持續增大。等大到某個程度,奇異點再也無法忍受內部的壓力而爆炸,瞬間所有物質向四面八方飛散,形成宇宙的誕生(即大爆炸,或大霹靂)。
  依據科學家的計算,上次大爆炸發生在大約一百五十億年以前。

  肆、球形對稱的宇宙

  大爆炸發生之初,所有物質都因高熱而處於氣態或液態。這時,它們擁有兩股力量:一股是自身所擁有的吸引力(所有物質都有引力,也就是"萬有引力"),另一股是大爆炸所賦予的爆炸力。當物質向四面八方飛散之時,彼此的吸引力如果大於爆炸力,最終會吸附在一起;又因為它們不是處於氣態就是液態,在引力相互作用下,為了達到力量的均衡,必會形成球形。假如不是球形,某一區的引力就會大過另一區;"強引力區"拉扯"弱引力區",力量平衡以後兩個區域會"一樣大"。
  什麼樣的形狀能夠讓"所有區域"都"一樣大"?
  除了球形,還有其他選擇嗎?
  對同質量的物體來說,球形擁有最小的表面積。"最小的表面積"代表和外界進行"最小的交流"。單位時間內和外界的交流愈小,本身所形成的體系就愈穩定,生命週期因而愈長。
  球形是自然界既合理又微妙的選擇。
  大爆炸以後,宇宙慢慢形成無以計數的球體。距離近的球體與球體之間仍然有吸引力,只是這股吸引力無法克服爆炸力,以致不能結合成單一球體。可是,如果兩個球體之間的引力夠強,即使無法讓兩個球體結合,也會改變球體原本從奇異點向外擴張的直線運動,使得兩個球體好像"想抱在一起"的相互旋轉。
  旋轉的原因是吸引力和爆炸力之間的"不平行"(假如兩力平行,兩個球體最終若不能結合成單一球體,便會分散成兩個旋轉體系)。不平行會產生"角分力",角分力又會讓球體側向運動。這時,若兩個球體的質量概略相等,它們便會互旋;若一球體的質量遠遠大於另一球體,便會造成"子球"繞著"母球"旋轉的假象
(不管兩個球體的質量差異有多大,母球的運動或多或少都會受到子球的影響)。
  旋轉體系形成之初,球體之間的距離會慢慢改變,等到向心力(球體相互發出的吸引力)與離心力(圓周運動產生的垂直分力)達到平衡,兩球之間的距離才維持不變,自此形成穩定的旋轉體系。
  當然,對宇宙而言,"穩定"是不存在的。把時間拉長到幾十億或幾百億年,宇宙之中沒有一個系統能夠維持穩定;太陽、銀河終究會毀滅,整個宇宙也有被黑洞吞噬的一天。只不過,就人類短暫的生命來看,我們仍然可以說:這是一個穩定的球形對稱宇宙。

  伍、人體也是群聚的星系?

  最後,我們可以做一個有趣又大膽的假設——人體也是群聚的星系!
  試著把你的左手掌舉起來,仔細看著它,它會是一個群聚的星系嗎?
  這問題似乎很荒謬、很可笑,但冷靜想想,為什麼不可能?
  微觀地看,所有物體的密度都很低——固體金屬如此,人類的手掌更是如此,它的密度稀薄到近乎真空。
  其次,誠如眾人所知,手掌由無以計數的原子所組成,而每個原子又都擁有為數不等的電子繞著原子核旋轉。這些小小的電子,會不會是一種"極微小"的"電子星球"?某些電子星球上面又住著"極極微小"的生物?
  先別對這假設嗤之以鼻。假如你瞭解宇宙有多大、基本粒子有多小,可能你會有不同的想法。
  人類生活在地球。地球屬於太陽系。太陽系又屬於銀河系。
  銀河系擁有一千億個類似太陽系的"恆星系"。
  一千億是多大的數字?把銀河系的恆星系平均分配給全人類,每個人——不管他是美國總統或烏干達剛出生的小孩——可以分得十五個恆星系!
  銀河系的外觀像一顆荷包蛋,直徑大約十萬光年。倘若能乘坐以光速飛行的太空船,從銀河的一端向另一端前進;那麼,從黃帝軒轅氏誕生持續飛行到今天……,一分一秒不停息地以光速飛行到今天,也不過飛越銀河系的二十分之一。
  銀河系實在浩大。但是,當我們把目光放大到宇宙,銀河系又顯得那麼微不足道。
  宇宙擁有一千億個(又是這可怕的數字)類似銀河系的"星系"。星系與星系之間的距離以"百萬光年"計算。例如,距離銀河系最近的星系是M31"仙女座大星雲",它擁有兩千億個恆星系,距離銀河系約兩百二十萬光年。
  一千億個星系散佈在宇宙,彼此之間的距離都是幾百萬光年——想像一下那個規模,是何等的浩瀚無垠!然而,這還是受限於現今觀測儀器所得到的結果。每當科學家製造出能看得更遠的天文望遠鏡,他們就發現宇宙比原先"認定"來得更大。
  宇宙到底有多大,至今還沒有一個定論。
  當一群科學家在研究宇宙到底有多大的同時,另一群科學家在研究宇宙的"基本粒子"到底有多小。這問題,同樣受限於觀測的儀器。每當科學家製造出能看得更小的"超級電子顯微鏡",他們就發現一些"更小"的粒子。從最開始的分子、原子、質子、中子、電子,到後來的光子、夸克、膠子、微中子、緲子、濤子、μ 子、τ子……,今天物理學界發現的基本粒子大約有一百多種。
  或許,電子繞著原子核旋轉,一如行星繞著太陽旋轉——電子不是相同的大小,也繞著不同半徑的軌道,每個電子又有"微電子"像衛星一般繞著它旋轉;而部分"電子星球"上面住著極其微小的生物,牠們的生命固然短暫,但是人類的生命和地球的壽命相比,何嘗又不短暫?
  宇宙雖然浩瀚,整個世界卻遵循著"球繞著球旋轉"的規律在運作——越是瞭解這簡單的道理,越是驚訝造物主的偉大、人類的渺小!
  渺小的人類有什麼資格說:人體不是一個群聚的星系?

2006年3月24日



来源:好讀

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