神秘的物質世界

■ 李墨林

物質是宇宙的基本形態，是時間的盟友和空間的寵兒。在大宇宙中，物質的確稱得上是光怪陸離、千變萬化，但萬變不離其宗，不管宇宙中形形色色的星球、星云、星系和暗物質的數量有多龐大，其基本的建筑材料也十分有限，即便把它們全部加到一起，也未超過門氏周期表上那些化學元素。

和抽象的時空概念不同，物質世界幾乎全部是具體的。就拿我們熟悉的地球上的物質來說，有隨著溫度升降而隨時變成液態、固態和氣態的水；有既能成為工業原材料又可作為貨幣流通的金、銀、銅、鋁、鎳；有支撐萬物同時又為人類提供糧食的土壤；還有高山、平原、大海和森林。至于生物世界則更是豐富多彩，這里不必浪費時間一一贅述。

宇宙間居民的“民族”固然很多，但其中最主要的“民族”只有二種，那就是恒星和行星。恒星由于能夠發出強光且形體巨大，因此我們平時所說的、所見到的星空中熱鬧而漂亮的繁星基本都是它們。行星因其性質剛好與恒星相反，所以除了太陽的金、木、水、火、土等幾個與地球離得比較近的行星平時能夠看得見，且容易被人們混同為恒星以外，銀河系和其他星系中的行星不要說肉眼看不見，即便用大口徑大功率的天文望遠鏡也無法直接看到。這是因為行星的體積非但太小、距離太遠，光度也實在太暗弱了——在宇宙中，很多比太陽還要亮上千百倍的恒星都看不見，又何況那些既不會發光又微小的行星呢？

不過若按物質構成的狀況來說，恒星與行星就要徹底調換位置：宇宙中無論恒星家族的數量如何龐大，單位體積何等巨大，其基本構成的物質都極簡單，簡單到只有二種：氫和氦。它們最大的區別只在于氫與氦的比例多寡，除此以外的其他元素全部加起來，也只占到恒星總量的1%～2%。而構成行星的物質種類就要多得多了：可以說除門氏化學元素周期表末尾那幾個人造元素之外，其他自然元素幾乎全部記錄在案，差別也只在于不同行星上的成分和比例數量不同而已。當然行星上也有比較單純的物質富集現象：比如天王星就是以水為主的“水球”，月亮是以石灰巖為主的“石球”，令人驚奇的是太空中竟然還會有單純以黃金和鉆石等物質為主的單物質行星，這種情況在宇宙中也屬于稀奇罕見的特例。

在宏觀世界中，地球對于生存于其上的人們來說十分巨大，但若和宇宙中其他星球相比，則不過是個小小的“芝麻”：太陽的直徑是地球直徑的109倍，體積是地球的130萬倍，和“芝麻”相比應該算是“西瓜”了。但就是這個碩大無朋的太陽在宇宙當中，也不過僅僅是個矮個子“武大郎”：比如在銀河邊上“挑扁擔”的那個牛郎星的直徑就是太陽的1.7倍；牛郎星的“老婆”織女星的直徑是太陽的2.8倍；大角星的直徑是太陽的23倍；畢宿五的直徑是太陽的600倍；參宿四是太陽的900倍；而仙王座VV星的直徑竟然會達到太陽直徑的1600倍，足足有22億千米之巨！這一尺度完全可以把土星環繞太陽公轉的軌道囊括進它的身軀之內，幾乎頂得上半個太陽系大小。因此在現階段可觀測的宇宙中，也許只有它才稱得上是恒星之王呢！

那么22億千米究竟是個什么概念？以太陽與地球的平均距離1.5億千米計算，光線走完這段距離的時間約為8分鐘，而仙王座VV星的直徑竟是日地距離的14倍之多，就是說盡管光的速度是每秒走30萬千米，光線每秒可繞地球七圈半的話，那么光線從仙王座VV星的這一端跑到那一端就需要112分鐘，差不多要二個小時之久，如果光線用這么長的時間圍繞地球轉，則足足可以轉上504 000圈之多，其壯觀的程度簡直令人吃驚。

如果以上概念還比較抽象，還難以理解的話，我們再換一種方式來形容也許就比較容易明白了。在現今宇宙中，假如我們把我們這個直徑為12 000多千米的地球，一下子縮小到它的十億分之一，即直徑為1.2厘米的小球的話，那么同樣縮小十億分之一的太陽的直徑就應該是1.09米的大球。在此基礎上重新計算，牛郎星就應該是一個直徑為1.85米的更大的球，織女星又是直徑為3.05米的比牛郎星還要大的球體。再往下的距離就一下子拉開了：大角星這個球的直徑約為25米，畢宿五的直徑為49.05米，天津四的直徑為115.54米，心宿二的直徑為654米，參宿四的直徑為981米，接近于1000米了，仙王座VV星的直徑則為1744米之巨！這是一種什么概念呢？假如我們把人類居住的地球縮成玻璃球般大小的時候，仙王座VV星還是一個相當于泰山那般雄偉高大的超巨型球體呢！至此，我想人們對宇宙間的超巨型天體，應該有個比較明了的認識和概念了。

在仙王座VV星這個巨無霸面前，我們的太陽只能俯首稱臣。但這只是事物的一個方面，另一方面在宏觀世界中，還有許多比太陽還要小得多的恒星，就是白矮星和中子星。白矮星只有太陽直徑的1%左右，已經和地球差不多大小。而中子星的體積就更小了，一般中子星的體積僅有十幾到幾十千米，遠不及我們太陽系中的那些行星的衛星大，可它確確實實又是大名鼎鼎的名副其實的恒星，這是怎么回事呢？要了解它，還得從恒星演變的歷史說起。

一般說來，恒星是由低密度的星云物質即宇宙塵埃凝聚而成。星云物質在凝聚演化過程中，由于自身的引力而收縮，在收縮過程中內部溫度逐漸升高，由于星云物質的分布并不均勻，于是質量小的云團形成了單個恒星，質量大的云團便形成了恒星集團。當恒星中心溫度達到700萬攝氏度以上時，便開始了氫聚變為氦的熱核反應。這段時間產生的熱量和向外輻射的熱量大體相當，則成為正常的恒星而進入主序星階段。主序星階段是恒星的青壯年時期，它要占恒星整個生命的絕大部分。隨著時間的推移，氦核周圍的氫越來越少，氦核越來越大，當氦的質量占恒星質量的10%左右時，氦核就要收縮，恒星的外層就會膨脹，于是年富力強的恒星慢慢衰弱逐漸變成了老年期的紅巨星。

恒星演化到后期，和人到老年身體失調一樣，星體內部的變化越來越劇烈、越來越復雜，隨著恒星內部的溫度急劇升高，恒星外部就要拋射物質，于是便產生了新星或超新星那樣的大爆發。爆發拋出的大量物質形成了無規則的美麗而壯觀的星云，星云慢慢消散，重新化為宇宙塵埃，而原恒星則根據自身質量和體積的大小以及爆發方式，決定在原恒星的中央殘留下一個什么樣的天體：或是白矮星，或是中子星，或者是黑洞。

由于白矮星和中子星都具有這段“光榮”史，所以別看它們個頭極小，它們的質量可幾乎都和太陽不相上下：白矮星的單位密度約為太陽單位密度的10萬倍以上，中子星的密度就更大得離譜了：其中僅僅一立方厘米物質的重量，就可高達幾億，甚至十幾億噸之多，要數萬艘萬噸巨輪才能載得走。

至于黑洞則是宇宙間最離奇最不可思議的天體。在黑洞中心，引力和起潮力都無限增大，因此黑洞內除了質量、電荷和角動量以外，物質自身的屬性全部喪失殆盡，原子、分子也將不復存在。即便是質量、電荷及角動量等諸因素也均失去了原物質的物理特性，而單純變成只屬于黑洞整體所具有的極其特殊的物理屬性了：由于黑洞的引力無限大，因此外部物質一旦接近黑洞的引力范圍，就會被迅速吸去，包括光和電磁波、紅外線及紫外線等都屈服于黑洞強大的引力而無法跑出來，所以天文學家才把這種用很多方法都無法直接探測到的天體命名為黑洞。

不過到了21世紀初葉的今天，科學家已經找到一種有可能徹底揭開黑洞真相的方法，即廣義相對論早已述及的引力波理論，這是一種完全不同于傳統光電效應的理論：電磁波的能量在輻射途中遭遇星球和暗物質時會被折射、反射和吸收而衰減，引力波卻能夠不受阻攔地完全自由地通過空間，既不會被宇宙空間中的物質所吸收也不會被反射和折射。它攜帶真相運行，故應稱之為宇宙考古的“活化石”。通過引力波，我們就可以比較直觀地看到黑洞：不但能夠看到黑洞如何產生，如何旋轉，甚至連黑洞中心的奇點也有可能暴露在光天化日之下。不過引力波理論現在還尚未進入實驗階段，相信不久的將來一旦為實驗科學所驗證，我們也許就會萬分驚喜地看到黑洞內部那隱藏得極深的廬山真面目了。

在宇宙中，更多的是與上述密集物質完全相反的地方，即超真空狀態的廣闊的宇宙空間。那里物質的密度低到每立方厘米只有一個氫原子或碳原子：比地球上的人造真空還要低幾個數量級，這幾乎已接近絕對真空即物理真空的極限。然而盡管如此，若把銀河系整個空間中的星際物質全部加起來，也還要占到銀河系有形物質總質量的10%，僅此一點就可看到銀河系的龐大。

星際物質包括星際氣體和星際塵埃。星際氣體包括：氣態原子、分子、電子和離子等；星際塵埃是指直徑為1/100 000厘米大小的固態物質。它們彌散在星際氣體中，大約也要占到星際氣體總量的10%左右。星際氣體中氫占絕大多數，其次是氦，這說明星際氣體中元素的構成部分，和太陽及其他恒星上主要化學元素的構成比例是完全一致的，是宇宙存在的切實的物質基礎。星際塵埃則包括石墨、冰狀物質、磷、硅酸鹽等其他物質，這類物質的種類多，數量少，是形成行星和生命的主要材料。因此，從星際氣體和星際塵埃的數量對比的結果來看，宇宙間恒星和行星的總質量與總數量之比，似乎也應該10∶1。不過在太陽系中，恒星與行星的質量比例卻要比宇宙的平均數值低得多：太陽本身要占太陽系總質量的99.8%，其他九大行星和彗星及數以萬計的小行星的全部之和，加起來也僅相當于太陽質量的0.2%，據此推算即使去掉一個數量級，宇宙間的行星大約也要比我們太陽系的行星多出近10倍，因此可以說宇宙空間中生命存在的概率，也將要比以前所估計的數值要大出10倍左右，這一結果若成定論，則應該是值得我們人類無比欣慰和慶幸的好事。

宏觀世界的另一極是微觀世界。在微觀世界中，所有物質都是由分子所組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質子和中子組成。這乃是物質內部深層的物理結構。

別看微觀世界極其微小，它們和宏觀世界的結構卻很相似：宏觀世界是行星繞著恒星旋轉，微觀世界則是電子繞著原子核轉；在宏觀世界中有引力與反引力，在微觀世界則是粒子與反粒子。不過在宏觀世界中，引力能夠促使星系凝聚；反引力也叫斥力，斥力導致宇宙膨脹。微觀世界的粒子和反粒子則不屬于同一物理范疇：粒子與我們共存于同一世界，反粒子則完全屬于另一時空。它與我們的距離，比人類生死間的距離還要相差十萬八千里。至于反粒子也叫反物質，反物質世界是個奇怪的世界，如果宇宙中開始就存在反粒子，那么它們就會自發地組成反原子、反分子、反星球和反星系。但現在除反粒子尚屬有據可查以外，其他成分皆在理論或假說階段——現在宇宙中到底有沒有反星系誰也說不準。因為由粒子和反粒子所輻射出來的光子完全相同，所以我們即便看到了反星球或反星系也不會發現，發現了也不希望遭遇，因為據說正反物質一旦遭遇就會毀滅。因此我相信，大概不會有人因獵奇而甘冒自身毀滅的風險。

國際天文學最新研究結果表明：大宇宙中，人類通過各種方式可以觀測得到的顯物質，大體只占物質總量的4%，其他96%的隱蔽部分全部為暗物質和暗能量。這其中如果說23%的暗物質在現代科學中還算初露端倪的話，那么73%的暗能量到底為何物，以何種方式存在，起到何種作用都還是一個不解的謎。這都是全人類所共同面對的難題，相信如果有一天此類難題一旦得以攻破，人類對于偉大的宇宙的認識一定會產生一個質的飛躍。