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如何寻找外星生命适居带:黑洞孕育新宇宙

http://www.dayoo.com http://www.dayoo.com 2009-05-15 09:43 来源: 新浪科技 发表评论 (0)

  临时适居带

  米洛特有关大量消亡的假设阐述了适居带如何可以用空间进行测量,同时也可以用时间进行测量。根据他的假设,有关生命存在的“何时”与“何处”这两个问题同等重要。在此过程中,超新星也扮演了重要角色。在大炸弹孕育宇宙之时,新生的宇宙几乎完全由氢和氦构成。此时是形成行星的绝好时机而不是生命。

  碳、氧、铁以及其它元素不得不等待恒星——尤其是大质量恒星——通过核聚变形成更重的元素。这些已处理的元素在恒星风或者超新星爆炸中逃离,随后又被后代的恒星“捕获”。以这种方式积累形成生命所需元素需要数十亿年之久。整个宇宙已经有137亿年历史,可能在最初的几十亿年时间里,宇宙完全是一个不适合生命居住的区域。

  一旦宇宙中充斥着大量重元素,形势便会逆向发展,恒星孕育生命的能力也遭到限制。体积中等的恒星——太阳寿命为100亿年,此时的它大约已经“星到中年”。在另一个50亿年时间里,太阳将膨胀成一颗红巨星并吞噬我们的地球或者烘烤地球表面使其凝结。在最短10亿年时间里,太阳逐渐增加的发光度可能让地球变成生命无法承受的所在。亮度更高、质量更大的恒星以更快的速度消耗它们的核燃料,它们可能更快速地燃烧殆尽,允许复杂生命进化。

  庆幸的是,暗淡的红矮星能够潜在地支持类似地球的行星在很大程度上孕育临时适居带。在这些恒星中,亮度最低同时也最“节俭”的成员寿命可能达到10万亿年之久,是太阳的1000倍。当前的研究显示,宇宙的扩张可能是永久性的。如果事实果真如此,我们熟知的宇宙——充满恒星同时也可能充满生命的——在永无止境的冰冷、黑暗的虚无状态将只是一个瞬间。是否再一次感到可怕?别担心,最新物理学理论指出,另一个适居带将允许生命在最后一颗恒星死亡之后继续存在下去。

  多元宇宙适居带

  目前,最大的适居带并不是我们认为中的宇宙,而是假设中的宇宙中的宇宙,也就是宇宙学家所说的多元宇宙。在我们的宇宙变得一片昏黑之后,另一个或者多个宇宙将负责将生命之火继续传递下去。

  通常所说的宇宙是指我们能够观察到的一切,其中包括控制它的物理学定律。数量惊人的宇宙可能正如科幻小说和影片所描述的那样,而我们这个宇宙只是千千万万宇宙中的一个。现在,宇宙学家正利用一项名为“暴胀”的理论创建多元宇宙模型。

  当前有关早期宇宙的最重要模型——暴胀宇宙论认为,整个可以观测到的宇宙开始于一个小斑点。这个斑点位于一个由大爆炸产生的可能永不消逝的存在物。在大爆炸后10至30秒时间里,这个斑点经历了一个超高速扩张时期,因此才有“暴胀”之说,扩张之后的宇宙形成我们现在看到的一切。虽然听起来非常怪异,但这个模型拥有一些合理的观测上的支持。

  相比之下,一些宇宙学家的步子迈得更大一些,在他们看来,暴胀也可以在其它时间在其它地方出现,当时发生了其它创世时刻并随后经历自身的暴胀,成为单个的小型宇宙。物理学家将这种增殖现象称之为“永恒暴胀”。这种永恒性导致单个宇宙数量达到近乎无穷多的程度,每一个宇宙都拥有属于自己的物理学定律。这种现象与弦理论相当怪异的预言相吻合。弦理论是一种基础物理学模型,认为可能存在大约10500组不同的定律。

  弗瑞德·亚当斯表示:“在这些宇宙中,部分宇宙的地心引力可能比我们所在的宇宙大或者小。其它宇宙控制原子和分子的电磁力可能存在差异。其它不同类型宇宙的生命形成过程可能呈现出戏剧化。”

  适居带存在拥有更大可能性

  虽然尚未发现存在这些多元宇宙的证据,但这并不能阻止理论学家对此进行各种各样的推测。在我们生存的宇宙,物理学定律似乎经过恰到好处的校准,以允许拥有稳定轨道的长寿恒星、行星以及允许复杂化学过程发生的分子存在。所有这些似乎都是形成生命的前提条件。亚当斯说:“人们经常问的一件事情是其它宇宙的恒星习性。如果是一些无法形成恒星的宇宙,它们可能就是一个个不毛之地。”

  亚当斯严肃对待这个问题,并开始一项有关“另类”物理学以及影响恒星形成的研究。他说:“我决定进行一次实实在在的计算,看看能否将所有这些推测归结为一个适当的问题。4个基本力(重力、电磁力以及强弱核力)的每一个均拥有一种类型的理论按钮,这个按钮可以调大和调小以改变强度。我决定对一系列理论上的恒星模型进行计算,以确定多大的力孕育了工作恒星。”

  计算结果令很多人惊讶不已。亚当斯说:“很多人认为只有数量极少的气泡宇宙拥有支持生命存在的条件。”亚当斯的计算结果发现,功能恒星在物理学变异方面较任何人认为的更具弹性。由于恒星是生命形成的前提条件,这些发现暗示生命适居带的存在拥有更大可能性。

  亚当斯的四分之一模型能够孕育出长寿恒星,但同时也提出一个非常重要的告诫。亚当斯并未指出在一个随机选中的小型宇宙中,任何给定强度的重力或者电磁力拥有多大形成恒星的可能性。他说:“你需要的是将我所做的工作与一个多元宇宙的可能性分布结合在一起。”换句话说,我们需要了解有关小型宇宙物理学定律变异的统计学,在暴胀宇宙论中,并不存在指导科学家选择有关小型宇宙物理学的原则。

  黑洞孕育新宇宙

  加拿大安大略省沃特卢的普里美特理论物理学研究所理论物理学家李·斯莫林(Lee Smolin)提出一个富有争议的想法,即对其它宇宙进行可以测试的预测。在此过程中,斯莫林让有关适居性的研究较亚当斯的推断相比更为理想。

  上世纪90年代初,斯莫林提出了一个多元宇宙模型,这个模型在很大程度上有别于暴胀宇宙论的小型宇宙。他的模型关注的是黑洞歪曲时间和空间的方式。自上世纪60年代以来,一些理论学家便开始传播这一想法,当时一颗大质量恒星塌陷成一个黑洞,黑洞可能孕育出一个新的宇宙。斯莫林的研究一直建立在这一想法基础之上。

  黑洞产生的宇宙在很大程度上有别于与永恒暴胀有关的宇宙。在暴胀这种情况下,有关一个宇宙与另一个宇宙的物理学之间没有任何联系。斯莫林指出,这个黑洞模型在很大程度上趋向于确定类型的物理学。他说:“任何产生更多黑洞的宇宙都将形成更为危险的宇宙。它的物理学将遗传给自己的女儿。”作为结果,应该存在一个类似于自然选择的过程,这一过程更青睐在物理学方面能够形成更多黑洞的宇宙。类似这样的宇宙成为多元宇宙的统治者。

  斯莫林的模型拥有两大重要优势。首先,它解释了我们的宇宙为何拥有当前的物理学定律,类似我们的宇宙形成可产生黑洞的大质量恒星,这些宇宙在很大程度上被选中。其次,它解释了为什么我们的物理学定律允许生命存在,原因在于:允许恒星存在的元素恰好与允许地球生命生物学存在的元素一致。

  实际上,斯莫林的模型还拥有第三个优势。斯莫林指出,他的黑洞多元宇宙假设能够进行检验。能够孕育最多数量黑洞的宇宙也拥有最多后代,我们的宇宙应该是形成黑洞的最理想选择。斯莫林的假设——包括有关宇宙暴胀以及最重稳定中子星质量的想法——一直获得相关支持。他说:“这一理论是可以验证的。如果观测结果与我的预测相矛盾,这一理论就是错误的。”如果斯莫林是正确的,便说明我们不仅仅生存于一个宇宙,而是一个完整的可能充满生命的多元宇宙,即一个不受束缚的适居带。(孝文)

(编辑: newsroom)

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