天文物理学 对天文物理学几个前沿问题的思考
时间：2018-12-26 03:34:43 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要： 宇宙是怎样诞生的、万有引力和万有斥力的问题、原子核的放射性等之间有着内在的必然的联系，而这一切都是从简单的自然规律出发而推论出来的，合理地解释了时间的不可逆性等天文物理现象。其中有许多的新观点和新思维，对拓宽视野、推进物理学的发展很有好处。
关键词： 宇宙膨胀与收缩 万有引力和斥力 原子核的放射性
宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体及弥漫物质的总称。宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。科学是一种思维方式，它希望从可能是一切物质构成单元的原子核到生命体或者人类社会共同体乃至整个宇宙去找出世界是怎样运行的，寻求可能有的规律性，洞悉事物间的联系。我们的知觉和经验可能由于工具的滞后性或纯粹由于我们的感觉器官的局限而被扭曲和限制，况且这些感觉器官也只能直接感知到世界的一小部分现象。对于宇宙中的一切问题，到目前为止，由于科学技术的发展限制，我们只知道很微小的一部分，对于很多的东西也只能是通过逻辑和理性的思维去进行一些分析，也是有待于实践检验的。
一、关于几个问题的思考
1.宇宙缩胀过程中的时间矢
所谓旁观者清，如果是置身于宇宙外看宇宙，那么在宇宙运动过程中，时间的流失是不均匀的，在引力和斥力都较大的空间里时间过得较快，否则相反。而如果置身于宇宙，其自然生理周期也必然随引力和斥力的大小而变化，当生理周期发生了变化，用来测量时间的时钟的运行速度也将发生同样的变化，所以，对于置身于宇宙的观察者来说并不能准确地发现其生理周期发生了变化。
尽管现在还有关于宇宙是否处于收缩和膨胀阶段的争论，但在其阶段内生存的所有物体都不会出现类似“破镜重圆”的时间倒流现象，宇宙中的时间矢是不可逆的，对于生存在其间的生物，始终是沿着诞生―发育―衰老―死亡进行的，这个过程永远不可逆，这就是宇宙的时间矢，宇宙中的万物都一样永远不可逆。
那么宇宙运动的周期是多长？宇宙大膨胀后的最大体积和收缩后的最小体积分别是多少？宇宙有平衡位置吗，在哪里？在平衡位置时宇宙运动的速度是多少？宇宙的总的引力势能和斥力势能是多少，相等吗？宇宙的中心点在什么地方？是黑洞吗？黑洞有多少个？等等一切宇宙学方面的问题有待探讨。
如果人们能计算出目前宇宙总的势能和宇宙的膨胀速度，就可以计算出宇宙的总的机械势能。宇宙中不同位置的物质具有不同的动能和势能，另外，人类现在所能探测到的宇宙空间仅是宇宙总的空间的很小的一部分，所以，人类在现代科学技术水平下，还很难进行这样的计算。既使计算出了宇宙的机械能，宇宙还具有宇宙内能和场能等一系列问题在等待着我们去解决。
2.万有引力和万有斥力的问题
我们在观察弹簧振子作往复振动的时候发现：压缩时，弹簧产生一个向外伸展的弹力；拉长时，产生一个向内拉伸的弹力；平衡位置时，弹簧不产生弹力。如同弹簧振子，宇宙也具有类似的力学特性，这是牛顿的经典理论。现代科学发现，当今宇宙正好处在“拉伸”的状态（并不是所有的科学家都认同），但是有收缩的趋势。也就是说，即使宇宙今天仍在膨胀，总有一天，整个宇宙将会膨胀到终极点后再向内收缩。这也是万有引力的一个基本判断。
根据对称原理，宇宙在特定的条件下会产生万有斥力，当宇宙收缩到通过其平衡位置（即万有引力和万有斥力的临界点）时，宇宙中的物体就出现相互的排斥力，但仍将在其巨大惯性的作用下克服物质间的万有斥力继续收缩，直到所有宇宙动能转换为物质间的万有斥力为止。这时宇宙成了原始宇宙蛋，这时宇宙的体积最小，也类似于宇宙大爆炸之前的原始状态。
在宇宙的整个运动过程中，宇宙的运动动能和势能（即引力势和斥力势）是处于相互转换的动态过程的。当宇宙收缩到极点时，宇宙的引力势能将会完全释放，这时宇宙的万有斥力势能积蓄到最大值，物质间的万有排斥力达到顶峰，宇宙会变得瞬时静止。紧接着宇宙又开始反方向将宇宙万有斥力势能逐步释放转变为宇宙动能，同样当通过平衡位置时，其斥力势能释放完毕，引力势能开始形成并发挥作用。如此往复，以至无穷。
假如这个判断是正确的话，可以得出以下两个结论：
A.当在引力势和斥力势的临界点（即平衡位置）的一瞬间宇宙中的物质将不受斥力和引力的作用，这时宇宙的膨胀速度将达到最大值，通过平衡位置后，宇宙引力势能的逐渐增强会导致宇宙的膨胀速度缓慢降低。
B.在惯性作用下，将继续膨胀，宇宙动能慢慢转变为宇宙引力势能。当宇宙动能完全转变为引力势能时，宇宙将停止膨胀，这时宇宙膨胀体积达到最大。其引力势能的积累也达到最大，宇宙将有一个瞬间的静止。接下来，宇宙又在强大的引力势能的作用下开始收缩，又将其积累的引力势能转变为宇宙动能。
在宇宙缩胀的不同时期，万有引力（或斥力）的大小是呈周期性变化的，宇宙的缩胀周期对人类来说大得惊人。区区几千年的人类历史与上亿年的宇宙运动周期相比，仅是沧海一粟，所以人类无法用实验或观察的方法进行验证。
3.原子核的放射性
宇宙中到处都存在原子核的放射性，从原子核的内部不断发射出各种粒子和能量。宇宙在其大爆炸的最初时期，所有物质都聚集在一个相当小的球体内，成为一个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产生了核内强大的万有斥力，巨大的原子核无法保持稳定，在极短的时间内，发生了宇宙大爆炸，这时原子核成几何等级裂变，就这样一直分裂下去。在刚开始裂变的极短的时间内核子的链式裂变极为迅速，并随着原子核的不断裂变而变小，极为强大的斥力势能通过宇宙的体积的不断膨胀而不断得到释放，裂变的剧烈程度也随之慢慢的降低，逐渐演变成各种不同的原子核。
由于原子核的持续变小，宇宙的体积不断增大而斥力势能进一步降低，在这个较短的时间过去后，有少部分破裂后体积较小的原子核其斥力势能与其核子的结合能大小相似或更小时，于是停止了自发分裂而暂时处于相对稳定时期，但是，大部分原子核内的斥力势仍十分巨大，原子核的结合依然抵挡不了斥力能的作用而自发裂变。再过一段漫长的时间之后，随着原子核体积的进一步变小，斥力能的进一步释放，越来越多原子核的斥力能小于原子核的结合能而进入相对稳定时期，暂时不再分裂，因而就失去了放射性。但有些原子核仍具有多次分裂的潜在能力，是有潜在的放射性的。
放射性随着时间的推移而逐渐减弱，从而能继续分裂的原子核也越来越少，最后宇宙膨胀到最大，但仍有极少潜在的原子数核具有放射性。这就是为什么现在宇宙中仍有数量可观的具有放射性的原子核的原因。
但是必须认识到，原子核的放射性是相对的，在不同的时期具有不同的放射性。随着宇宙的持续不断膨胀，带来两个结果：物质密度的减小和温度的降低。那么以往某一时期失去了放射性的原子核这时又会进入一个新的不稳定时期，原子核又重新活跃起来产生新的放射性。这是因为在不同的时期原子核的温度和原子核周围物质的密度下降，原子核外部的抗放射背压在降低，使得原子核又能克服抗放射背压重新具有放射性。随着宇宙的进一步膨胀，宇宙的密度和温度的下降，宇宙背景辐射压力的降低，在某阶段没有放射性的核子过一段时间后由于原子核内部的结合力抵抗不住外界背景压力的降低而产生放射性。随后经过一次或多次放射后原子核又进入一个新的相对稳定期。当再经一段时间的相对稳定期后待外界放射背景压力再一次下降的时候，又可以重新活跃起来产生新的放射性。在宇宙的整个膨胀过程中，宇宙中的核子相对越变越小，但是直到宇宙膨胀到最大且开始收缩时一些原子核仍具有放射性，而只有等到宇宙收缩到一定程度，待抗放射背景压力上升到原子核不能放射出粒子为止。随着宇宙的不断膨胀，抗放射背压的不断降低，核的裂变也将不断地重复下去，这是宇宙中到处都是原子核辐射的理由之一。
而由于对称性原理，既然原子核在一定时期具有放射性，在其相对应的另一时期原子核必定具有结合性。当宇宙膨胀到极限最大体积的时候，宇宙的引力势也积蓄到极限，这时在引力势的作用下宇宙开始收缩，核外的抗放射性背压开始增加，随着抗放射背压的增加，部分较小的原子核开始具有结合性，慢慢的，随着宇宙的进一步收缩和原子核的不断收缩，宇宙中的核子数会逐渐减少，相反，核子的单个体积增大，直到最后形成一个巨大的原子核。这就又产生一个假设：这时宇宙的所有动能全都转换为宇宙势能，宇宙的斥力势能达到最大，一个新的宇宙大爆炸的条件又已具备，将进入新一轮的宇宙周期。
值得一提的是，原子核的放射性和结合性是矛盾的统一体，这取决于宇宙的同一区域内和在同一个放射背景压力的情况下，部分较大的原子核具有放射性，即此时的背压低于该核放射性终止的背压，不足以阻止该核停止放射。而部分较小的原子核，由于其背压高得足以使其发生核的结合，所以在当今世界上核的裂变和聚变反应同时存在。所以，通过测量原子核的裂变和聚变能力以及核子体积的大小，就可以计算出我们所在宇宙空间的抗放射性背景压力的高低，可这是需要很长时间的科技进步才能做到的事情。
二、结语
天文学讲的就是宇宙的“故事”。这个故事很大很大，因为宇宙包括所有的东西，我们已经了解的和还不知道的；这个故事很长很长，从无边无际的过去到无穷无尽的未来。人类一直在探索着宇宙的奥秘。太阳系的发现，开阔了人们的眼界；恒星世界的发现，使人类认识到自身在宇宙中的渺小，使人类的目光更加深远；银河系的发现，使人类的触角深入到遥远的星系。但是我们所生活的这个宇宙还有许许多多我们所不知道的奥秘，都是未来需要去探索的地方。随着科技的进步，我们探索脚步的一步一步走远，我相信，这些问题都会得到最完美的答复。
参考文献：
［1］李士金等.走向学习自由王国――献给中国青少年一代.北京：中国文联出版社，2000.
［2］佩克尔・赫茨曼合.普通天文物理学.北京：科学出版社，1964.
［3］［法］Pierre Léna著.国立编译馆主译.观测天文物理学.台北：五南图书出版股份有限公司，2004.
