1983年武术比赛:地球的直径有多长

地球的直径约12700多千米,

我们的宇宙
2004年11月29日

一.我们的宇宙有多大

人类栖息的地球,只是太阳系九大行星中一颗中等大小的行星,而太阳在银河系中最多是沧海一粟而已。

要说明银河系有多大,我们先要弄清楚太阳系究竟有多大。要说明太阳系有多大,让我们还是从地球说起。如果你住在北京城,到西边的昌平卫星城有几十千米,坐汽车、火车,个把小时就可以到达,火箭飞行只需要几秒钟,你也许觉得还不太远。如果你继续向西走,到兰州和乌鲁木齐,铁路线的距离约为1800千米和3800千米,坐火车需要30多个小时和60多个小时,火箭飞行这样的距离需要4分钟和8分钟,你一定觉得很遥远。可是,地球的直径约12700多千米,周长约40000千米,坐火车绕地球一圈约需要670小时,大约是28天,坐火箭飞船绕地球一圈也需要80多分钟。你看,地球是多么大啊!
可是,当你走出地球,从太阳系来看地球时,它又很小很小。地球的质量只占整个太阳系质量的几十万分之一。离地球最近的天体,即地球的卫星——月球,与地球的平均距离约38万千米,是地球直径的30倍;地球与最近行星——金星的最近距离约4000万千米,与太阳的平均距离约为14960万千米,与最远行星——冥王星的最近距离达40多亿千米。

这样的数字太大了,记忆和使用起来很不方便。于是,科学家们建立了另外一把量距离的尺子,叫“天文单位”。这把尺子取地球到太阳的平均距离为1，即1天文单位。这样,地球到冥王星的平均距离为38.4天文单位。以现在的火箭速度飞行,到冥王星需要10多年的时间。而冥王星的轨道还远远不是太阳系的边界。以太阳风能到达的范围计算,太阳系的半径可达100天文单位;如以太阳和太阳系的引力范围计算,太阳系的半径可达4500天文单位;如以围绕太阳系的稳定带计算,太阳系的半径可达10万天文单位;如按彗星的活动范围计算,太阳系的半径达23万天文单位!我们的太阳系该有多大啊!
可是,在银河系约有2000亿颗“太阳”(恒星)。离太阳最近的恒星是半人马座阿尔法星,它与太阳的距离为43万亿千米，约30万天文单位。这个数字还是太大了。于是,科学家们又建立了一把更长的尺子——光年,就是以光飞行一年的距离为1个单位。光的飞行速度为每秒钟30万千米,1光年约为10万亿千米。这样,太阳到半人马座阿尔法星的距离为4.3光年。而银河系的主体——银盘直径达30万光年!

银河系巳经够大的了,可是,在宇宙中,像银河系这样的星系,仅观测所及的数量多达千百亿个,我们叫它河外星系。星系有成团的倾向,如银河系和仙女座星系等40多个星系组成本星系群;一般的星系集团叫星系团。星系群和星系团又结合成超星系团。如本星系群属于以室女座星系团为中心的本超星系团。超星系团还不是最大的群体,在距银河系约2亿光年的地方有一个巨大的重力源,它牵引着本超星系团,这个“大牵引者”可能是许多超星系团组成的超星系团集团。除星系外,宇宙中还有星云、类星体和暗物质等。我们现在探测到的星系、星系云或类星体,离我们最远的,已远远超过150亿光年的距离,但那里仍然不是宇宙的尽头。我们的宇宙广袤无垠!

二.星球的一生和星球的大小是怎样的

在大爆炸形成的宇宙中,除了星球以外,是高度真空的宇宙空间。但是,在这种地面上无法制造出来的高度真空中,也有氢原子和氢分子等物质存在,这就是星际气体,它们是由死亡的星球散布在宇宙空间的。随着温度的逐渐降低,它们聚集成氢分子云,科学家称它们是星际分子云或暗星云。由于密度不断增大,它们在重力的作用下慢慢地收缩,大约经过100万年的时间,在星际分子云的中心就形成一个气体圆盘,圆盘中央的气体密度最大,温度最高,从那里开始放射出红外线。这就是原始星球。它是孕育星球的卵。在有的原始星球周围,气体和尘埃形成原始行星系圆盘,它们是孕育行星的卵。

大约经过100万年的时间,原始星球中心的温度升高到1000万摄氏度以上,使氢核发生核聚变反应,它像被点燃的火球一样放射出光芒。这样,一颗真正的星球诞生了。科学家把这类星球叫做主序星。

质量与我们的太阳差不多的主序星,大约有100亿年的寿命,而质量是太阳10倍的主序星,则只能存在3000万年左右。

老年主序星会逐渐膨胀。质量与太阳差不多大小的星球膨胀成红巨星。红巨星继续膨胀,到最后,大部分变成星际气体扩散到字宙空间中去,而只在中心留下一颗白矮星。白矮星又逐渐变为红矮星、黑矮星。这时就再也观察不到了。质量是太阳6倍以上的星球膨胀成红超巨星,最后发生爆炸,天文学上叫超新星爆发。爆发后形成中子星和黑洞(或黑矮星),而气体则在爆炸时扩散到宇宙空间中去,成为星际气体。

红巨星和红超巨星产生的气体,又成为形成新的星球的材料。星球就是这样一代一代地产生又“死亡”着。

请注意,这里介绍的星球的演变过程,仅是一家之言,争论还多着哩!宇宙中恒星的质量和体积差别很大。在风华正茂的主序星阶段,质量最小的不到太阳质量的百分之一,而质量最大的则超过太阳质量的60倍。体积最小的当数中子星,直径只有10千米,而体积大的,直径可达太阳的好几百倍,甚至还要大得多。

对同一个星球来说,在各个不同的发展阶段,它的体积差别也是很大的。如太阳,在原始恒星阶段和在发展后期的红巨星阶段,它的体积比现在(即主序星阶段)要大得多得多(直径大10倍以上),而在死亡的白矮星阶段,它的体积又将比现在小得多得多(直径不到现在的百分之一)。比太阳大数倍的恒星,它在各个不同发展阶段的体积差别更大。在红超巨星阶段的体积最大,红超巨星爆发后产生的中子星最小,直径在20千米以下,只有红超巨星直径的好几百万分之一。

让我们不区分各类星球的各个发展阶段,眉毛胡子一把抓,将年轻的、年老的各种星球的体积做个比较(就像把不同种族的男女老幼放在一起来比个头一样有趣)。

在宇宙中,最大的星球是红超巨星,它的直径超过太阳直径的100倍到上千倍以上。太阳的直径约为140万千米,可以排得下110个地球。能够在自己的直径上排得下成千上万个地球的红超巨星,该是多么巨大啊,真不愧为星球个头的冠军。

其次是红巨星,它的直径如果是太阳的倍,可以排得下1100多个地球。这星球个头的亚军也是非常巨大的。

白矮星直径平均只有太阳直径的百分之一,约1万千米,与地球不相上下。而中子星则更小,它的直径只有地球直径的千分之一。

更有趣的是,有的星球,它的体积虽然比太阳小得多,但它的质量却比太阳大得多。如黑洞就是这样,直径10千米(太阳直径的14万分之一)的小黑洞,质量可达太阳质量的5倍以上,而体积比太阳小得多的大型黑洞,它的质量譬如说可达太阳质量的9亿倍。

由上可知,体积最大的是诞生不久的原始星和走向死亡的老年星,质量最大、体积最小的是死亡星。

三.宇宙的结构、形状如何?宇宙也会死亡吗

宇宙中的天体不是均匀分布的,各超星系团形成泡沫结构。泡沫之间是星系密集的“宇宙长城”,距地球3亿光年的地方就有长约5亿光年,高约2亿光年的宇宙长城;而在1000万到1亿光年直径的泡沫中间则星系很少,叫做“宇宙空洞”。

根据现在比较公认的理论,宇宙是由大爆炸产生的,即从“天”逐渐扩大。大约在150亿年前,刚刚诞生的宇宙是一个温度极高、压力极大的混沌火球,物质密度极高。所谓物质只不过是一些光子而已,然后逐渐形成各种基本粒子,成为现在各种物质的构成材料。巨大的压力使宇宙急剧地膨胀(即大爆炸),宇宙温度则因膨胀而逐渐降低,物质凝聚成一团团星系云,星系云又一步步分裂凝聚成一个个恒星,逐渐发展成现在这个样子。

如果宇宙确实是由大爆炸从“无”膨胀起来的,它不可能是无限的,它只能是一个有限的三维空间。就像威力巨大的氢弹爆炸,总有一个可算出的影响范围,而不断膨胀的气球,总有一个一定的体积一样。但是,科学家也认为,宇宙没有尽头,我们无法说明哪里是宇宙的天涯海角,即我们找不到宇宙的边缘。

这怎么理解呢?让我们先来看看地球的情形。从地球上的任何一点一直向前走,我们找不到任何地球的边缘,但最后可以回到原来的出发点。这说明地球没有尽头,但二维空间的地球表面却是有限的。以此类推到三维空间的宇宙,不管从上下左右前后哪个方向前进,我们找不到宇宙的任何边缘,但可以回到原来的出发点。这说明宇宙是有限的,但没有尽头。当然,还没有人从宇宙中一点出发,又回到了原来的地方。这就靠未来的科学技术去实践了。

根据“有限,但无尽头”的理论,宇宙是个什么形状呢?最简单、最容易想象的形状是球形;其次是轮胎形,或叫甜面包圈形、环形;再就是一个瓶嘴弯过来插在瓶身上的形状,即克莱因瓶形。目前科学家的探讨认为宇苗的形状,可能是这三种形状之一。当然,宇宙的实际形状也可能是与以上三种形状截然不同的形状。

宇宙到底是什么形状,这要靠未来的科学技术去揭晓。不过有一点是清楚的,宇宙的形状只能从理论上去确定,因为我们不可能跑到宇宙之外去观测宇宙。

有生便有死,这是宇宙中的一切物质都遵循的规律。那么,宇宙本身又如何呢?我们的宇宙既然是由大爆炸从“无”诞生的,它就必然会以某种方式走向死亡。不过,要确切地回答宇宙如何发展,如何走向死亡?那还是未来的事情。

关于宇宙如何发展,现代科学家们提出两种可能,一种是宇宙会继续膨胀下去,另一种是膨胀到一定程度后,就会转而逐渐收缩。科学家们已探知,宇宙自大爆炸形成后,至今已有100亿到200亿年,取平均值,我们可以说宇宙已有150亿年的历史了。但是,科学家们不知道宇宙什么时候死亡,也就是说,不能确定宇宙的寿命有多长。当然,这会是一个很长很长的时间,数字大得不可想象,或许是几兆、几百兆、几千兆年吧!如果宇宙不停顿地继续膨胀下去,在这个过程中,各个星球将耗尽内部的核燃料,逐渐成为白矮星、中子星和黑洞。再后,黑洞遍布宇宙。黑洞吞食着包括光线在内的所有物质,整个宇宙成为没有光线的黑暗世界。最后,黑洞也会蒸发,组成物质的基本粒子也会衰变,宇宙又成为一个混沌世界。

那么,如果宇宙膨胀到一定程度后转而逐渐收缩,又将是怎样一种情形呢?首先,科学家们并不知道宇宙到什么时候才由膨胀转为收缩。其次,收缩以后的情况也只能从理论上去推论。它的大致情形有可能是这样:如果宇宙开始收缩,宇宙空间的物质密度会逐渐增大,星球之间的距离会缩短,这当然会给星球带来种种影响。不过,对星球影响最大的因素,可能是温度的变化。随着宇宙的逐渐收缩,整个宇宙的温度将逐渐升高。首先,地球上的生物将因温度的升高而不能存在下去。接着,地球也将毁灭。随后,当整个宇宙的温度升高到超过太阳这样的恒星的温度时,恒星也将化成气体,消失在宇宙中。而黑洞则可以趁机饱食一顿,使自己逐渐变“胖”、变重,同时,它们还不断地火拼,最后形成一个大黑洞。宇宙又沿着大爆炸后不断膨胀的逆反过程,回到原来的状态。

到那时,会不会再来一次爆炸,产生第二代宇宙,我们还不得而知。或许宇宙也是按照周而复始的规律,一代一代地衍生下去吧。不过,那是过于遥远的事情。对过于遥远的事情妄加推测,就近乎巫术了。

四.有没有另外的宇宙

有没有另外的宇宙?如果有,又如何从这个宇宙到达另一个宇宙?要回答有没有另外的宇宙的问题,我们也得从宇宙的形成说起。如果我们的宇宙是由高温、高压、高密度的火球(不妨叫做“宇宙蛋”)爆炸而成的,那么,回答是肯定的。因为既然一个“宇宙蛋”可以爆炸成一个宇宙,怎么就不会有另外的“宇宙蛋”爆炸成另外一个宇宙呢?!或者一个“宇宙蛋”爆炸后形成一个大宇宙,剩下的小火球再次爆炸而产生另外一个小宇宙。

我们可以把不同“宇宙蛋”爆炸而成的不同宇宙称为“兄弟宇宙”。天数个“宇宙蛋”爆炸,可产生出众多的“兄弟宇宙”来。科学家认为,各“兄弟宇宙”之间有一条隧道互相连接着,人们把这条连接隧道叫做“虫洞”。

我们也可以把一个“宇宙蛋”爆炸后形成的大宇宙叫做“母宇宙”而爆炸后产生的小火球的再次爆炸形成的小宇宙,叫做“子宇宙”,“子宇宙”也可再生下一个“孙宇宙”。这样也可繁衍出无数个宇宙来。在“母宇宙”和“子宇宙”、“子宇宙”和“孙宇宙”之间也有一条“虫洞”相互连接着,就像脐带连着母子一样。

由于各宇宙不是独立的,在宇宙群之间有虫洞串通着,科学家们设想,或许可以通过虫洞进入其他宇宙。科学幻想小说作家已走在科学家的前面,对如何通过虫洞进入其他宇宙有许多生动有趣的描述。

那么,到底有没有虫洞?虫洞在哪里?它是什么模样呢?这些都是未来科学技术要解决的问题。不过,现代科学家们设想,虫洞很可能是一条单行通道,它的进口专管吸入,就像黑洞吸入物质一样;而它的出口专管吐出,就像白洞喷出物质一样。

天文学家们已在宇宙中找到像黑洞那样的天体,但到底是不是黑洞,还需要进一步认证。同时,如果最后确认为黑洞,它是不是连着虫洞,即是不是虫洞的入口,也是很难预言的。至于可能是虫洞出口的白洞,更是理论上存在的天体。

约12700km