确定性、不确定性与量子力学

确定性是神学和宗教的立论基础，不确定性是科学的立论基础。

宇宙万物，包括物质的和精神的，都是确定性与不确定性的辩证统一体。太阳每天从东方升起西方落下，这是确定性。人们根据确定性可以推知未来，从而可以安排未来的工作、学习和生活。但是，确定性之中有不确定性，太阳每天升起和下落的准确位置是不确定的，准确时间也是不确定的。虽然不确定性并非很强，但是，微细的不确定性累加起来，其不确定性则很大。如果你根据过去的宇宙运动变化规律推知百亿年以后的宇宙状态，也是基本上不确定的。

人们如果发明了一个寿命无限长的摄影机安装在银河系中心时时刻刻对准太阳系中的地球实时摄影，摄影百亿年然后回放镜头，你就会发现地球轨道并非人们想象的那么确定，地球实际上是在太阳周围的四面八方都出现过，只不过不同的地方出现的频率有差异，地球在太阳附近运动就像科学家心目中设想的电子云那样。你如果想推知未来在什么时间点地球会出现于什么位置，这是幼稚的。

问曰：什么是量子力学？答曰：量子力学是用宏观的眼光研究微观的世界。我们人类用眼睛和望远镜研究太阳系，这是用宏观的眼光研究宏观的世界，量子力学并不适用于这样的研究模式。我们用眼睛和显微镜研究原子，这是用宏观的眼光研究微观的世界，这是量子力学适用范围之内的。我们假设在宇宙中有一个巨神，他有多么巨大呢，银河系只是他眼前的一片树叶中的一个原子中的一个电子。那么在他的眼光中，它研究地球的运动规律时，看到的不是地球围绕太阳在很确定的黄道面上以十分准确的周期作十分准确的运动，而是象电子云中的电子那样十分地不确定。因为在他的心目中，一秒钟相当于我们人类的百万年。

木星

木星是太阳系最大行星，天文学家认为它的质量为1.9亿亿亿吨，直径为14.3万公里。与太阳相比，太阳质量为2千亿亿亿吨，直径为139万公里。木星属于气态巨行星。木星的元素组成按质量计算，氢占75%，氦占24%，其余不到百分之一的为金属。天文学家把原子序数大于2的通称为金属，跟化学家说的概念不一样。
太阳不停地把氢核聚变反应生成氦，又把氦核聚变反应生成碳氮氧，还应该会生成少量的重金属元素。这些轻、重金属元素在强烈核爆炸作用下被从太阳内不停地抛射出来一些，呈尘埃状飘散于行星际空间。尘埃缓慢地聚集成微小行星，微小行星聚集合并成大行星，大行星吸附厚厚的氢和氦就形成象木星这样的气态巨行星。太阳系有两颗气态巨行星，另一颗是土星。
其实，气态巨行星的特点就是包裹岩石球体的氢氦层非常厚，而且外层的气态氢氦层非常厚，也就是大气层非常厚。由于木星的体积占比最大的结构是氢氦，而氢氦大气层的密度是不断向外递减的，到底递减到多少应该看作是木星的边界，这是一个值得研究的问题。所以，木星的直径到底是多少，是14.3万公里呢，还是大大大于这个数值呢，需要认真研究。
木星是八大行星中自转速度最快的，自转周期为0.41天。快速自转产生一个强大的离心力，强大的离心力发挥阻止木星捕获小行星的作用。当小行星闯入木星厚厚的大气层以后，密度较低的岩石性小行星会被强大的离心力甩出去而脱离木星，密度低一些的岩石性小行星会继续内闯而进入木星，围绕木星公转，形成木星环。由于木星自转速度快，要进一步内闯而进入木星的岩石性核心球体则不容易。
木星是八大行星中密度比较低的，天文学家认为木星的平均密度为1.33克/立方厘米。如果把厚厚的大气层都算进去，木星的平均密度会大打折扣，可能会比土星的密度更低。天文学家认为土星的平均密度为0.7克/立方厘米。密度越低，在太阳风吹刮下自转速度就越快。太阳不停地吹刮强烈的太阳风，驱使密度很低的木星不停地高速自转。

行星在太阳系的轨道都是被太阳「安排」着的。太阳根据行星的质量和体积的对比关系安排着行星的轨道，也就是根据行星的密度安排的。

行星的质量大小决定着太阳对行星的引力，而行星的体积大小决定了太阳风对它的吹刮力。由于引力与吹刮力相反，因此密度决定了行星的轨道。

密度越高，离太阳越近，密度越低，离太阳越远。

离太阳越近，太阳风越强烈，那么行星周围的大气层越薄。反之亦然。

类地行星岩石球体密度高，离太阳近，于是吸附的大气层薄。类木行星岩石球体密度低，离太阳远，吸附的大气层厚。

太阳不停地抛射岩石微粒，聚集成行星，根据密度差异被安排到离太阳远近不同的轨道。最高密度的微小行星被水星金星地球火星捕获乃至合并，低密度的微小行星被木星土星天王星海王星捕获乃至合并。中间密度的被安排于小行星带。密度最低的被安排于柯伊伯带。

太阳与恒星演化

我们的太阳是一颗「黄矮星」。黄矮星是一种比较小的恒星，为太阳质量的1～1.4倍，它结束氢核聚变反应后开始氦聚变反应则成为红巨星，红巨星寿命较短，只有数亿年。当太阳结束氢核聚变反应而开始氦核聚变反应成为红巨星时，温度会大大降低，体积会大大增大，太阳边缘会达到目前的地球轨道。

科学家认为目前的太阳质量为2千亿亿亿吨，直径为139万公里。它以30公里/秒的速度围绕银河系中心公转，以周期（赤道处）为25.4天的速度自转，此处的自转线速度为2公里/秒。由于强烈的核爆炸和快速自转而向周围发出太阳风，太阳风呈类似于阿基米德螺线状向周围吹刮，推动所有的行星不停地朝同一个方向围绕太阳公转，并且除了金星之外的其它大行星都朝同一个方向自转。

科学家认为太阳已经经历的主序阶段有四十多亿年，大约五十多亿年以后太阳会演变为红巨星，此时它的核爆炸主要是氦核聚变反应。迄今为止我们人类试验过的核聚变反应只有氢原子核聚变反应，氦和比氦大的原子核聚变反应尚没有试验过。太阳自从四十多亿年前进入主序星阶段以后至今，所发生的核聚变反应主要是氢核聚变反应。其实还应该会有少量的氦和比氦更重的元素发生核聚变反应的，元素越重，核聚变反应越难。要让原子发生核聚变反应，需要有足够大的压力和足够高的温度。氢核聚变反应产生足够多的氦，然后点燃氦核聚变反应。氦核聚变反应产生足够多的碳氮氧，然后点燃碳氮氧核聚变反应。碳氮氧核聚变反应产生足够多的铁，然后又可以点燃核聚变反应。太阳由于质量小，只能进行到氦核聚变反应而演化为红巨星。质量较大的恒星会产生足够多的碳氮氧而点燃其核聚变反应而产生铁。质量再大的话，铁也会发生核聚变反应而生成更重的元素。

在一个巨大的星际云之中如果积聚了足够多足够密的氢原子就会诞生足够大的恒星。我们的太阳只是一个很小的恒星，科学家认为恒星的质量范围为0.08～265倍太阳质量。要积聚足够多足够密的氢，需要有足够多的重金属元素构成的类地大行星聚集起来形成强大的万有引力。大量致密的氢原子产生高压和高温而引爆氢核聚变反应，恒星进入主序阶段。恒星的最核心是一个重元素组成的球体，球体周围发生着氢核聚变反应而不断地产生并积累氦元素。当氦元素聚集得足够多时点燃氦核聚变反应，恒星结束主序阶段，进入红巨星或红超巨星阶段。此时氦外围的氢继续核聚变反应，重元素球体周围的氦发生核聚变反应。氦核聚变反应要求的高压和高温比氢核聚变反应的要求更高，于是氦核聚变反应的强度应该比氢核聚变反应的强度更低，释放能量更慢。所以，当恒星的氢燃料被消耗殆尽时，恒星核聚变反应以氦核聚变反应为主，而且氦核聚变反应局限于重金属球体周围一个薄层，外面隔一层很厚的无核聚变反应的氦元素层，再外面呈现一层比较薄的氢核聚变反应层。于是氢核聚变反应的爆炸使恒星的最外围大大膨胀而温度较低，导致恒星体积增大千倍万倍而表面温度大大降低，呈现为红巨星或红超巨星。当氦和氢核聚变反应皆因燃料消耗殆尽而停止时，整个恒星就演变成了一颗超大质量的岩石性巨行星。如果当初的恒星足够大，形成的岩石性巨行星足够大，则核聚变反应积聚了足够多的碳氮氧而引发核聚变反应，产生足够多的铁和铁以上的重金属元素，则在其核心的重金属元素会发生不能向外释放能量的核聚变反应，原子核简并而形成中子星。重元素发生核聚变反应要求的高压最高，乃至于它的周围堆积的高密度重元素足够厚，使其产生的能量无法向外释放，只能向内释放。向内释放能量的结果是导致原子核发生简并而形成巨大的中子，形成中子星。当多个中子星发生合并时就可以形成黑洞。

所以无论大小恒星，它死亡之后的残骸都是一颗高密度的重元素球体，是一颗岩石性巨行星或中子星。该类大质量高密度巨行星凭借强大的万有引力，又会聚集厚厚的氢元素大气层于其周围，形成新的更大的恒星而进入新的恒星生命周期。我们不妨把这种情况称为恒星循环。恒星循环使恒星不断增大。科学家认为，恒星质量越大，其寿命越短，这是因为其核反应越快的缘故。在银河系中，恒星循环从旋臂最外围开始，随着循环而产生的高密度巨行星越来越大越来越密，从而越来越接近银河系中心，最后进入银河系最中心的超大质量黑洞而被吞噬消灭。

行星的演化

我们应该对「行星」这个概念理解得宽一些。大凡没有持续核反应，而且并非围绕另一颗行星公转的星球都可以理解为行星，围绕另一颗行星公转的称为卫星。行星要么独立地围绕银河系或其它星系核心公转，要么围绕某颗恒星公转，要么干脆在宇宙中漫游。在银河系中，围绕银河系中心公转的星球并非全是恒星，也有很多行星的。在银河系和其它河外星系之外也有很多散在分布的行星，它们并非围绕某个星系公转，而是在宇宙中漫游。

由于在宇宙空间里普遍存在着氢和氦元素构成的介质，行星在介质中运动着，万有引力作用下它们会吸附着一层大气层（主要是氢，原则上占75%，还有氦，原则上占24%，还有极微量其它元素）。运动导致它们所处的环境的物理化学性质发生变化，大气层的厚度和密度随之有所变化。譬如在某个广袤的星系际宇宙空间里稀疏地分布着大大小小的行星，由于星系际介质是朝着某个方向运动着的，介质中彼此相距很远的行星沿着这个方向以不同的速度运行。当两颗行星相互靠得很近时，彼此浓密的大气层接触则会使它们的速度差距缩小。这样缩小速度差值的方式反复发生于其中所有的每个行星，最后就会导致所有行星的速度差异越来越小，直到它们的速度相等就彼此合并。这种合并是相继发生的。两个小行星合并为一个大一点的行星，再合并一个小行星而增大一些，又合并一个行星，不断合并行星，导致行星越来越大，就可以形成岩石性巨大行星。在岩石性巨大行星没有形成之前，诸多小行星分散存在，使它们所处的宇宙介质密度不能升得很高。岩石性巨行星形成后，巨大的万有引力使它吸附大气的力量大大增强，使宇宙空间的介质密度大大提高，岩石性巨行星就会演变为气态巨行星。诸多气态巨行星又相互合并，譬如很多个象木星和土星这样大的气态巨行星相互合并，就会点燃氢核聚变反应而演化为恒星，这样的恒星在广袤的星系际稀疏分散地诞生。

岩石性行星的来源有两个：
一、恒星持续地抛射出来的。任何一个恒星，尤其是质量较大的恒星都会不停地向四周抛射出来各种重元素，它们化合成岩石微粒而在宇宙空间里运动，在万有引力作用下相互合并而形成小行星，小行星合并为大行星，大行星合并为巨行星。
二、超新星爆发。超新星爆发是大质量恒星终结生命时发生的强烈失控核爆炸，此时会大量集中地产生重金属元素，抛射于广袤的宇宙空间里，以前述的方式形成大大小小的岩石性行星。

这两种来源的岩石性大行星都会吸附着一层厚厚的大气层，从而演变为气态巨行星。气态巨行星再演变为恒星。

在星系际宇宙空间里，乃至在星系边缘的宇宙空间里，氢元素是「无中生有」的方式产生的。这样的宇宙空间里的介质密度十分稀薄，几千几万乃至几十万立方厘米空间里只有一个氢原子质量，几乎不存在完整的质子、中子和电子这样的费米子，只有许多亚费米子粒子稀疏地分布着。在这样的宇宙空间里，如果闯入了一个岩石性巨行星，它的高质量和高密度产生一个强大的万有引力，把稀疏分布的亚费米子粒子吸附到一起，就会促使亚费米子粒子自动地形成费米子，费米子自动地形成质子、中子和电子，从而使氢原子无中生有。新形成的氢原子被强大的万有引力吸附到岩石性巨行星周围，使它的大气层越来越增厚，演变为气态巨行星。

黑洞的结构

我们应该想到的是，黑洞一定不是裸露的，而是处于一个超大质量恒星中心的一个天体。黑洞是宇宙中密度高到极限的一种特殊物体。我们知道中子星的密度非常高，每立方厘米体积容纳了3.7～5.9亿吨的质量。这还不是物体密度的极限，黑洞的密度比这更高，到底高多少还没有搞清楚，但是知道黑洞的密度是密度的极限，因为它会吞灭质量。

黑洞的密度高到极限，乃至于它不停地吞灭物质，也就是消灭物体的质量。黑洞周围被一层相当于中子星密度的物体结构包裹着，我们可以把它称为中子星壳。中子星壳周围又被一层密度低一些的物体结构包裹着，它的密度相当于白矮星的密度，每立方厘米的体积容纳几吨质量，我们不妨把它称为白矮星壳。这也是超高密度的天体，这样高的密度不会发生向外释放能量的核聚变反应，这是因为白矮星都会冷下来。白矮星壳的周围又被一层密度更低的物体结构包裹着，这层物体的密度为普通恒星的密度，它持续地发生着氢核聚变反应，象太阳这样产生着强烈的恒星风，我们可以观察到的是这一层结构。不过，这不是一颗普通的恒星，而是一颗超大质量恒星。不仅如此，它还特殊在中心含有一颗超大质量黑洞不停地吞灭物质。

科学家认为银河系中心有一颗超大质量黑洞，其质量大约为四百万颗太阳质量，位于射手座A星之内，有很多大质量和超大质量恒星围绕它公转。这些大质量恒星围绕射手座A星公转，形成一个星系，称为射手座A星系。其中有一颗巨大的恒星，即G2星，它以每秒5千公里的速度围绕射手座A星公转。我们太阳的公转速度只有每秒30公里。不排除这些围绕射手座A星公转的巨大恒星都是黑洞的可能。射手座A星一极高的速度自转着，科学家认为它的自转周期只有11分钟。其实这只是它的最外层外壳的自转速度，而其中心超大质量黑洞的自转速度应该更快得多，起码比中子星的自转速度更快。有科学家认为中子星的自转频率达每秒一千多转，赤道处线速度达每秒几万公里。那么，黑洞中心的自转线速度可能超过或达到光速，这就导致光波无法传导出来。当光源的背离方向的运动速度达到或超过光速时，光就不可能向外传播。所以，黑洞是黑的。

我们知道，物体运动速度加快时质量会转变为能量。一个物体，譬如一颗恒星不断地朝向银河系中心大质量黑洞运动并不断地加快速度，从太阳系这样的每秒30公里的低速度，不停地加速，不停地消耗质量，最后运动到银河系中心处，线速度达到每秒几千公里时，它的质量已经被大大消耗了。在到达银河系中心超大质量黑洞之中时达到或超过光速，则它的质量几乎消耗殆尽，可能只剩下一颗米粒的质量了。然后继续加速，继续消耗质量，自然而然地就会萎缩为相当于一个电子的质量。再继续加速，最后成为比光子更小的粒子，以超光速无数倍的速度被抛射出银河系。这样的粒子运动是我们探测不到的，它对我们可以感知的物理世界丝毫没有影响。这或许就是科学家说的中微子吧。

本星系群

本星系群是一个由大约50个大小不等的星系聚集起来形成的直径十倍于银河系直径的一个天体结构，它包含有三个大星系，即银河系、仙女座星系和三角座星系，还包含大、小麦哲伦星系等诸多矮星系。银河系直径约十万光年，本星系群的直径约千万光年。

本星系群是一个典型的疏散性星系团。疏散性星系团是指没有产生向中心聚集靠拢趋势的诸多星系形成的团块状天体结构。相比之下，另一类星系团形成了向中心聚集靠拢的明显趋势，称为球状星系团。疏散性星系团类似于疏散性恒星团，它们都是年青的天体，而球状恒星团和球状星系团都是比较年老的天体。所以，本星际群属于比较年轻的星系团。随着本星系群所有星系成员的逐渐衰老，它们就会形成一个密度越来越升高的核心区结构。最衰老的星系由于密度越来越提高而越来越被压缩于星系群的中心区域，形成一个致密中心，比较年轻而疏松的星系围绕该致密中心分布并产生公转运动，该星系团就演变为球状星系团。疏散性星系团由于没有形成致密中心结构，它不能产生主动的自转运动，因此它的形状都是不规则的。当它老化而演变为球状星系团后，中心的致密结构会向外释放能量而驱动自转，促使所有星系成员围绕致密中心公转。

就像恒星会老化那样，星系也会老化。恒星老化的原因是恒星内部氢燃料消耗，星系老化的原因是星际云缺氢。当一块星际云与空虚的星系际宇宙空间广泛接触时，氢原子无中生有过程活跃，可以让恒星消耗的氢及时获得补充，星际云暂时就不会缺氢。星际云不缺氢，那么它就会象年轻的育龄妇女那样可以大量孕育新的恒星，新的恒星核聚变反应强烈，恒星风强盛，导致恒星不能相互靠拢。随着年龄增长，星际云慢慢地越来越缺氢，这是因为有新生的星际云从周边诞生，把它与星系际虚空分隔开来。缺氢导致新的恒星不能诞生，原有的恒星随年龄增长而自然老化，于是恒星的分布密度越来越提高，形成衰老的球状星团向星系中心聚集，使中心的致密区越来越增大。

一个星系，当它年幼时，它呈现为不规则矮星系，譬如大小麦哲伦星系。当它年富力强时，它具有丰富的不缺氢的星际云形成丰富的漩涡臂结构，使星系呈现为漩涡星系。当它老化之后，致密区越来越扩张而疏松旋臂结构越来越萎缩，并且星系体积随之越来越缩小，这就演化为椭圆星系。一个星系团，当它年富力强时，它含有丰富的年轻力壮的漩涡星系和不规则矮星系，年老体衰的椭圆星系就会被它们分隔开而不能越聚越拢，使它呈现为疏散性星系团。当漩涡星系都衰老之后，致密的椭圆星系就会越聚越拢而形成一个致密中心结构，使星系团演变为球状星系团。