好讀首頁 世紀百強 | 隨身智囊 | 歷史煙雲 | 武俠小說 | 懸疑小說
言情小說 | 奇幻小說 | 小說園地 | 有聲書  | 更新預告

黃河《球繞著球旋轉的奇妙宇宙》2006/3/24

  假如你討厭物理,這篇文章可以略過,因為這篇文章全和基本物理有關。
  我從小討厭讀書,唯獨對物理有興趣。物理定理對我來說,有點像「男生喜歡女生」那樣簡單自然,不必花太多時間去背公式。也因此,即使不太用功,我的物理成績始終出類拔萃。只可惜,這天賦全被學生時代不知上進的我給浪費了。
  假如能夠重來一次,我只有一個志向──台大物理系(絕不是國文系)。甚至到了今天,有時我還是會幻想,哪天重回大學讀物理系?
  或許,有一天我發了神經病,真會如此。
  這篇文章,可以看成是我「小發神經病」的產物。

壹、原子結構與太陽系



圖一:原子結構圖

  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?


圖二:行星環繞太陽軌道圖

  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:
  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  註
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,最小像原子筆尖的鋼珠──如此鬆鬆散散的「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!

參、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。假如你了解宇宙有多大、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──越是了解這簡單的道理,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?


好讀首頁 有關好讀 讀友需知 聯絡好讀

搜尋好讀


黃河渡  網購黃河的書
首頁
寫給渡友
黃河的人
黃河說自己
什麼是好的小說
黃河的實體書
獵殺紀壯艦
甲午再起
誰綁架了總裁
死了一個少將
古墓情魂
牛郎的女人
月光光
梅蝶
黃河給青年的信
黃河話半百
黃河談禮教
黃河來時路
背著書包的猴子
熱石行動
黃河的話 2017
黃河的話 2016
黃河的話 2015
黃河的話 2014
黃河的話 2013
黃河的話 2012
黃河的話 2011
黃河的話 2010
黃河的話 2009
黃河的話 2008
黃河的話 2007
黃河的話 2006