對天文物理學幾個前沿問題的思考

摘要： 宇宙是怎樣誕生的、萬有引力和萬有斥力的問題、原子核的放射性等之間有著內在的必然的聯系，而這一切都是從簡單的自然規律出發而推論出來的，合理地解釋了時間的不可逆性等天文物理現象。其中有許多的新觀點和新思維，對拓寬視野、推進物理學的發展很有好處。

關鍵詞： 宇宙膨脹與收縮 萬有引力和斥力 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的總稱。宇宙是物質世界，它處于不斷的運動和發展中。科學是一種思維方式，它希望從可能是一切物質構成單元的原子核到生命體或者人類社會共同體乃至整個宇宙去找出世界是怎樣運行的，尋求可能有的規律性，洞悉事物間的聯系。我們的知覺和經驗可能由于工具的滯后性或純粹由于我們的感覺器官的局限而被扭曲和限制，況且這些感覺器官也只能直接感知到世界的一小部分現象。對于宇宙中的一切問題，到目前為止，由于科學技術的發展限制，我們只知道很微小的一部分，對于很多的東西也只能是通過邏輯和理性的思維去進行一些分析，也是有待于實踐檢驗的。

一、關于幾個問題的思考

1.宇宙縮脹過程中的時間矢

所謂旁觀者清，如果是置身于宇宙外看宇宙，那么在宇宙運動過程中，時間的流失是不均勻的，在引力和斥力都較大的空間里時間過得較快，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，當生理周期發生了變化，用來測量時間的時鐘的運行速度也將發生同樣的變化，所以，對于置身于宇宙的觀察者來說并不能準確地發現其生理周期發生了變化。

盡管現在還有關于宇宙是否處于收縮和膨脹階段的爭論，但在其階段內生存的所有物體都不會出現類似“破鏡重圓”的時間倒流現象，宇宙中的時間矢是不可逆的，對于生存在其間的生物，始終是沿著誕生—發育—衰老—死亡進行的，這個過程永遠不可逆，這就是宇宙的時間矢，宇宙中的萬物都一樣永遠不可逆。

那么宇宙運動的周期是多長？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？在平衡位置時宇宙運動的速度是多少？宇宙的總的引力勢能和斥力勢能是多少，相等嗎？宇宙的中心點在什么地方？是黑洞嗎？黑洞有多少個？等等一切宇宙學方面的問題有待探討。

如果人們能計算出目前宇宙總的勢能和宇宙的膨脹速度，就可以計算出宇宙的總的機械勢能。宇宙中不同位置的物質具有不同的動能和勢能，另外，人類現在所能探測到的宇宙空間僅是宇宙總的空間的很小的一部分，所以，人類在現代科學技術水平下，還很難進行這樣的計算。既使計算出了宇宙的機械能，宇宙還具有宇宙內能和場能等一系列問題在等待著我們去解決。

2.萬有引力和萬有斥力的問題

我們在觀察彈簧振子作往復振動的時候發現：壓縮時，彈簧產生一個向外伸展的彈力；拉長時，產生一個向內拉伸的彈力；平衡位置時，彈簧不產生彈力。如同彈簧振子，宇宙也具有類似的力學特性，這是牛頓的經典理論。現代科學發現，當今宇宙正好處在“拉伸”的狀態（并不是所有的科學家都認同），但是有收縮的趨勢。也就是說，即使宇宙今天仍在膨脹，總有一天，整個宇宙將會膨脹到終極點后再向內收縮。這也是萬有引力的一個基本判斷。

根據對稱原理，宇宙在特定的條件下會產生萬有斥力，當宇宙收縮到通過其平衡位置（即萬有引力和萬有斥力的臨界點）時，宇宙中的物體就出現相互的排斥力，但仍將在其巨大慣性的作用下克服物質間的萬有斥力繼續收縮，直到所有宇宙動能轉換為物質間的萬有斥力為止。這時宇宙成了原始宇宙蛋，這時宇宙的體積最小，也類似于宇宙大爆炸之前的原始狀態。

在宇宙的整個運動過程中，宇宙的運動動能和勢能（即引力勢和斥力勢）是處于相互轉換的動態過程的。當宇宙收縮到極點時，宇宙的引力勢能將會完全釋放，這時宇宙的萬有斥力勢能積蓄到最大值，物質間的萬有排斥力達到頂峰，宇宙會變得瞬時靜止。緊接著宇宙又開始反方向將宇宙萬有斥力勢能逐步釋放轉變為宇宙動能，同樣當通過平衡位置時，其斥力勢能釋放完畢，引力勢能開始形成并發揮作用。如此往復，以至無窮。

假如這個判斷是正確的話，可以得出以下兩個結論：

A.當在引力勢和斥力勢的臨界點（即平衡位置）的一瞬間宇宙中的物質將不受斥力和引力的作用，這時宇宙的膨脹速度將達到最大值，通過平衡位置后，宇宙引力勢能的逐漸增強會導致宇宙的膨脹速度緩慢降低。

B.在慣性作用下，將繼續膨脹，宇宙動能慢慢轉變為宇宙引力勢能。當宇宙動能完全轉變為引力勢能時，宇宙將停止膨脹，這時宇宙膨脹體積達到最大。其引力勢能的積累也達到最大，宇宙將有一個瞬間的靜止。接下來，宇宙又在強大的引力勢能的作用下開始收縮，又將其積累的引力勢能轉變為宇宙動能。

在宇宙縮脹的不同時期，萬有引力（或斥力）的大小是呈周期性變化的，宇宙的縮脹周期對人類來說大得驚人。區區幾千年的人類歷史與上億年的宇宙運動周期相比，僅是滄海一粟，所以人類無法用實驗或觀察的方法進行驗證。

3.原子核的放射性

宇宙中到處都存在原子核的放射性，從原子核的內部不斷發射出各種粒子和能量。宇宙在其大爆炸的最初時期，所有物質都聚集在一個相當小的球體內，成為一個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生了核內強大的萬有斥力，巨大的原子核無法保持穩定，在極短的時間內，發生了宇宙大爆炸，這時原子核成幾何等級裂變，就這樣一直分裂下去。在剛開始裂變的極短的時間內核子的鏈式裂變極為迅速，并隨著原子核的不斷裂變而變小，極為強大的斥力勢能通過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。

由于原子核的持續變小，宇宙的體積不斷增大而斥力勢能進一步降低，在這個較短的時間過去后，有少部分破裂后體積較小的原子核其斥力勢能與其核子的結合能大小相似或更小時，于是停止了自發分裂而暫時處于相對穩定時期，但是，大部分原子核內的斥力勢仍十分巨大，原子核的結合依然抵擋不了斥力能的作用而自發裂變。再過一段漫長的時間之后，隨著原子核體積的進一步變小，斥力能的進一步釋放，越來越多原子核的斥力能小于原子核的結合能而進入相對穩定時期，暫時不再分裂，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。

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

但是必須認識到，原子核的放射性是相對的，在不同的時期具有不同的放射性。隨著宇宙的持續不斷膨脹，帶來兩個結果：物質密度的減小和溫度的降低。那么以往某一時期失去了放射性的原子核這時又會進入一個新的不穩定時期，原子核又重新活躍起來產生新的放射性。這是因為在不同的時期原子核的溫度和原子核周圍物質的密度下降，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，在某階段沒有放射性的核子過一段時間后由于原子核內部的結合力抵抗不住外界背景壓力的降低而產生放射性。隨后經過一次或多次放射后原子核又進入一個新的相對穩定期。當再經一段時間的相對穩定期后待外界放射背景壓力再一次下降的時候，又可以重新活躍起來產生新的放射性。在宇宙的整個膨脹過程中，宇宙中的核子相對越變越小，但是直到宇宙膨脹到最大且開始收縮時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。

而由于對稱性原理，既然原子核在一定時期具有放射性，在其相對應的另一時期原子核必定具有結合性。當宇宙膨脹到極限最大體積的時候，宇宙的引力勢也積蓄到極限，這時在引力勢的作用下宇宙開始收縮，核外的抗放射性背壓開始增加，隨著抗放射背壓的增加，部分較小的原子核開始具有結合性，慢慢的，隨著宇宙的進一步收縮和原子核的不斷收縮，宇宙中的核子數會逐漸減少，相反，核子的單個體積增大，直到最后形成一個巨大的原子核。這就又產生一個假設：這時宇宙的所有動能全都轉換為宇宙勢能，宇宙的斥力勢能達到最大，一個新的宇宙大爆炸的條件又已具備，將進入新一輪的宇宙周期。

值得一提的是，原子核的放射性和結合性是矛盾的統一體，這取決于宇宙的同一區域內和在同一個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生核的結合，所以在當今世界上核的裂變和聚變反應同時存在。所以，通過測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，可這是需要很長時間的科技進步才能做到的事情。

二、結語

天文學講的就是宇宙的“故事”。這個故事很大很大，因為宇宙包括所有的東西，我們已經了解的和還不知道的；這個故事很長很長，從無邊無際的過去到無窮無盡的未來。人類一直在探索著宇宙的奧秘。太陽系的發現，開闊了人們的眼界；恒星世界的發現，使人類認識到自身在宇宙中的渺小，使人類的目光更加深遠；銀河系的發現，使人類的觸角深入到遙遠的星系。但是我們所生活的這個宇宙還有許許多多我們所不知道的奧秘，都是未來需要去探索的地方。隨著科技的進步，我們探索腳步的一步一步走遠，我相信，這些問題都會得到最完美的答復。

參考文獻：

［1］李士金等.走向學習自由王國——獻給中國青少年一代.北京：中國文聯出版社，2000.

［2］佩克爾·赫茨曼合.普通天文物理學.北京：科學出版社，1964.

［3］［法］Pierre Léna著.國立編譯館主譯.觀測天文物理學.臺北：五南圖書出版股份有限公司，2004.