第二章

宇宙起源的“大爆炸”理论
尽管有许多科学家持不同意见，但现在被大多数人接受的宇宙起源理论是“大爆炸”理论。让我们认识一下这个理论的形成、发展和现状。根据大爆炸理论，宇宙是由一个致密致热的奇点膨胀到现在的状态的。大爆炸理论是宇宙物理学关于宇宙起源的理论。根据大爆炸理论，宇宙是在大约一百四十亿年前由一个密度极大且温度极高的状态演变而来的。本理论产生于观测到的哈勃定律下星系远离的速度，同时根据广义相对论的弗里德曼模型，宇宙空间可能膨胀。延伸到过去，这些观测结果显示宇宙是从一个起始状态膨胀而来。在这个起始状态中，宇宙的物质和能量的温度和密度极高。至于在此之前发生了什么，广义相对论认为有一个引力奇点，但物理学家对此意见并不统一。宇宙大爆炸
大爆炸一词在狭义上是指宇宙形成最初一段时间所经历的剧烈变化，这段时间通过计算大概在距今一百三十七亿年前；但在广义上指当今流行的揭示宇宙起源和膨胀的理论。这一理论的直接推论是我们今天所处的宇宙同昨天或者明天的宇宙不同。根据这一理论，乔治·盖莫夫在1948年预测了宇宙微波背景辐射的存在。1960年，这一辐射被探测到，有力地支持了大爆炸理论，从而否定了另一个比较流行的稳恒态宇宙理论。   大爆炸理论是通过实验观测和理论推导发展的。在实验观测方面，1910年，维斯特·斯里弗尔和卡尔·韦海姆·怀兹证实了大多数旋涡星云正在退离地球，不过他们并没有因此联想到这对宇宙学意味着什么，也不认为发现的星云其实是银河系外的其他星系。同时在理论上，爱因斯坦的广义相对论成功建立并推出了没有稳恒态宇宙的结论。通过度量张量描述的宇宙不是膨胀就是收缩，爱因斯坦认为他自己解错了，并加入了一个宇宙学常数来进行改正。第一个不使用宇宙学常数，而真正认真将广义相对论运用到宇宙学中的是亚历山大·弗里德曼，他的方程所描述的宇宙称为Friedmann-Lematre-Robertson-Walker宇宙，时间是1922年。1927年，比利时天主教牧师Georges Lema tre独立推导出Friedmann-Lematre-Robertson-Walker方程，并在螺旋星云后退现象的基础上提出了宇宙是从一个“初级原子”“爆炸”而来的——这就是后来所谓的大爆炸。1929年，爱德文·哈勃为Lematre的理论提供了实验条件。哈勃证明这些旋涡星云其实是星系，并通过观测仙王座δ的星体测算出了它们之间的距离。他发现，星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比，这就是所谓哈勃定律。根据宇宙学的原理，当观测足够大的空间时，没有特殊方向和特殊点，因此哈勃定律说明宇宙在膨胀。这一观点存在两种互相对立的可能性：一种是由Lematre提出，乔治·盖莫夫支持和完善的大爆炸理论；另一种则是霍伊尔（Fred Hoyle）的稳恒态宇宙模型。在稳恒态宇宙模型里，新物质在星系远离留下的空间中不断产生，从而宇宙基本不变化。其实这个理论的提出是出于讽刺Lematre的大爆炸理论的，最开始是在1949年通过BBC广播节目形式传播的，论文《物质的自然》发表于1950年。之后的许多年，这两种理论并立，但观测事实开始支持一个演变了热密状态的宇宙。1965年宇宙微波背景辐射的发现使人们认为大爆炸理论是宇宙起源和演变最好的理论。1970年以前，很多宇宙学家认为宇宙可能在膨胀以前先收缩，这样可以避免从弗里德曼模型推出一个无限致密的“荒谬”的奇点。比较有代表性的是Richard Tolman的脉动宇宙模型。20世纪60年代末，史蒂芬·霍金等人证明这个假设行不通，因为奇点是爱因斯坦引力理论的直接和重要推论。之后大多数宇宙物理学家开始接受广义相对论所描述的宇宙在时间上是有限的。但是，由于对于量子引力规律缺乏认识，现在还不能断定这个奇点到底是真正集合意义上的无限小点，还是物理收缩过程可以无限进行下去，从而间接达到宇宙在时间上的无限。宇宙大爆炸的模拟图现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关，或者是它的延伸，或者是进一步解释。例如大爆炸理论下星系如何产生，大爆炸时发生的物理过程，以及用大爆炸理论解释新观测结果等。20世纪90年代后期和21世纪初，由于望远镜技术的发展和人造探测器收集到大量数据，大爆炸理论又有了新的巨大突破。大爆炸时期宇宙的情况和数据可以计算得更加精确，并产生了很多意想不到的结果，比如宇宙的膨胀在加速。大爆炸理论测算出宇宙的年龄是137±2亿年，这一计算是通过对Ia型超新星的观测，对宇宙背景辐射强度的测量，以及对星系相关函数的测量得出的。这三个独立测算所得到的结果一致，从而被认为是所谓更详细描述宇宙中星系性质的Lambda-CDM model的强有力证据。早期的宇宙充满了同源同性的物质，其温度压强能量都极高。随着膨胀和冷却，宇宙物质经历了相变，这种相变与蒸气冷却时的凝结过程和水的凝固过程相似，不同之处在于前者发生在更基本的粒子层面上。普朗克时期之后大约10~35秒，相转变引起宇宙产生指数级增长，称为暴胀。之后暴胀停止，此时宇宙的物质形式是夸克-胶子等离子体，这些物质的运动都符合相对论。宇宙继续在空间上膨胀，温度继续下降。在某一温度下，一种至今未知的所谓重子相变的相变产生，夸克和胶子组成重子，就是质子和中子，同时还在物质和反质之间产生了不对称性，这种不对称性已经被实验证实。随着温度进一步降低，更多无对称的相变发生，形成了现在的基本粒子和基本相互作用。之后，一些质子和中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做大爆炸核合成。随着宇宙的冷却，物质不再依照相对论理论运动，而静止质量的能量密度以引力形式存在，并超过辐射形式的能量密度。在大约30万年之后，电子和原子核结合成为原子（主要是氢原子），而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由地传播，这就是今天的宇宙微波背景辐射。随着时间的前进，在几乎是均匀分布的物质空间中，密度稍微大一点儿的区域通过引力作用吸引附近的物质，从而变得密度更大，并形成今天的气体云、恒星、星系和其他天文学观测到的结构。具体过程决定于宇宙物质的形式和数量，其中形式可能有三种：冷暗物质、热暗物质和重子物质。在发现暗能量之前，宇宙学家认为宇宙有两种未来。如果宇宙物质密度超过临界密度，宇宙会在膨胀到最大体积之后收缩，在收缩过程中，宇宙的密度和温度都会再次升高，最后终结于同爆炸开始相似的状态——一个致密致热的小球。或者如果宇宙物质密度等于或者小于临界密度，膨胀会逐渐减速，但永远不会停止。造星运动会随着宇宙密度减小而逐渐停止，而宇宙的温度会趋近于绝对零度。黑洞被气化，宇宙的熵会增加到极点，再也不会有有组织的能量形式产生，这叫做热寂说。如果质子衰变存在，宇宙最后甚至连氢原子这种最基本最多的重子物质都会消失，而只剩下辐射。但现在在发现加速膨胀宇宙之后，人们有了新的推测：现今可观测的宇宙将离开我们的视野而同我们失去联系，最终结果还不清楚。Lambda-CDM model宇宙模型认为宇宙的暗能量以宇宙常数形式存在，并提出只有诸如星系等重力支配系统的物质会聚集，从而同样推出宇宙膨胀和冷却到最后将是热寂说。对暗能量的其他解释，例如幻影能量理论则认为星系群甚至星系都会在大分离过程中被“撕”开。宇宙有多少岁了？
我们正在探索我们现在的宇宙——这是一个奇怪的话题。因为我们正在探求这个宇宙的年龄。这也是人类尽自己的所能认识宇宙的尝试。宇宙年龄几何？2007年，天文学家们利用“哈勃”太空望远镜观测到了迄今所发现的银河系中最古老的白矮星，这为确定宇宙年龄提供了一种全新的途径。新推算出的宇宙年龄约为130亿~140亿年。天文学家们在美国宇航局的新闻发布会上介绍说，这些古老白矮星是在位于天蝎星座、距地球7000光年的一个名为M4的球状星团中发现的。分析表明，这些白矮星的年龄约为120亿~130亿年。白矮星是宇宙中早期恒星燃尽后的产物，它会随着年龄的增长而逐渐冷却，因而被视为测量宇宙年龄的理想“时钟”。天文学家们比喻说，借助白矮星来估算宇宙的年龄，就好似通过余烬去推测一团炭火是何时熄灭的，原理上比较简单。但问题是白矮星会由于不断冷却而越来越黯淡，这是实际观测中需要克服的困难。在观测M4球状星团的过程中，“哈勃”太空望远镜的观测能力发挥到了极限。望远镜上的照相机在六十七天中累计用了八天的曝光时间，才拍摄下迄今最黯淡、温度最低的白矮星照片。这些白矮星光线极其微弱，亮度不及人的肉眼所能看到的最暗星体的十亿分之一。新发现的白矮星前身是宇宙中的第一批恒星。“哈勃”太空望远镜早先的观测结果显示，宇宙中的首批恒星，最早可能是在诞生宇宙的“大爆炸”后不到 10亿年间形成的。因此，将这10亿年考虑进去，结合最新的白矮星观测结果，推算出宇宙的年龄应该为130亿年~140亿年之间，这与早先的一些结果基本相符。此前关于宇宙年龄的推断，主要基于对宇宙膨胀速率的测算。天文学家们指出，白矮星观测提供的是一种完全不同的独立手段，将有助于验证和核对用其他方法得出的结果。宇宙大爆炸的模拟图宇宙大爆炸前是什么样子？
如果宇宙有年龄，那么在它诞生之前这空间又该是个什么样子，又该称为什么？请看科学家的描绘吧。宇宙宇宙大爆炸之前是一个奇点。当今学术界对于宇宙的观念，最基本最多获得认可的便是大爆炸理论，该理论为我们勾画出宇宙的轮郭，从而成为学术界的经典理论。然而，宇宙似乎永远都是一个最深奥的难题，它的演化过程是科学研究的永恒主题，其中最引人注目的课题就是宇宙的诞生了。大爆炸理论对此是这样描绘的：宇宙是由“奇点”诞生而来。“奇点”是一个温度和密度奇高的神奇小点，在约一百四十亿年前，“奇点”突然爆发，从而形成了现在这个宇宙。但是，这个“奇点”被描绘成体积为零、时间停顿的“点”，似乎是一个不可想象、不可思议的点，其本身是一个无限大与无限小相结合的矛盾体，它的形成由来成了一个万古之谜。黑洞是目前理论中星体的最高级存在形式。它的质量、密度奇大，温度奇高。按常规，这样的星体是发光的，可黑洞的引力奇强，非但本身不发光，就连外界的光也吸收了。它不断地吞噬着周围的物质，质量在不停地增加，但同时体积却因物质向中心塌陷而缩小，这种激烈塌缩的最终结果，使其中心部位形成一个“点”。如果我们把一切天体的组合视为大宇宙，而把众多的黑洞看做是一个个小宇宙，那么宇宙便有了这样的轮廓：我们所处的这个宇宙只是大宇宙中的一个宇宙而己，宇宙中心部位形成的点其实就是一个“奇点”，小宇宙在“奇点”之前曾经有过另外一番存在形式，曾经是一个巨大的黑洞。“奇点”是黑洞力量平衡后的存在形式。当黑洞收缩到相当的程度后，外围物质向内的收缩力的质向外的膨胀力相平衡时便不再收缩，处于一种相对稳定状态，星体此时的状态就是“奇点”。“奇点”的温度、密度、质量奇高，但体积不可能会无限的小，而且时间是永恒的，并不以物质的存在形态来决定。该状态存在的时间较短，一旦“奇点”内的膨胀力反超过收缩力后，外层物质会被内层的高压猛烈地抛向四周的深渊，形成大爆炸，同时迸发出强大的能量和光芒，此时物质只进不出，这种状态就是“白洞”。黑洞与白洞是同一星体在不同时期的表现形式，是物质力量变化的结果。黑洞的最终结果又必将是黑洞。它们之间是相互循环的，如同《周易》中的阴鱼和阳鱼相互更迭一样，这个循环过程如下：奇点——洞（大爆炸）——星系的演变——黑洞——奇点，这个过程是物质力量变化的结果，故而也可看做：膨胀——收缩——膨胀。该过程是小宇宙的一个循环，是个小循环，每个小宇宙都进行着这样的小循环。我们所处的这个小宇宙同样要经历这样的小循环。在未来某个时期，这个小宇宙将停止膨胀，继而开始收缩，速度逐步加快，最后小宇宙内的各种物质都将聚集在一起，形成一个黑洞，经过“奇点”之后，又将是新一轮的大爆炸，开始小宇宙新一轮的演化。宇宙中还有一种奇怪的星体叫类星体，距离我们十分遥远，其体积不大，但其质量、密度、温度奇高，发光强度是太阳的一千亿倍以上，它的存在时间在二百亿光年以上。其实，这就是白洞，是不同于我们这个小宇宙的另一小宇宙某一轮循环的初期表现形式。如此看来，我们这个宇宙只是在一个共同存在的无数小宇宙中的一员，所有小宇宙的组合才构成大宇宙，每个小宇宙进行着小循环，而大宇宙亦同样经历着膨胀——收缩——膨胀的循环，这是超级大循环，规模和周期远在小循环之上。大宇宙的原始大黑洞才是众多小宇宙的宇宙之母，大宇宙的历史远在小宇宙之上。各个小宇宙统一在大宇宙之中，相互之间并不是孤立的。从小循环来看，小宇宙之间是各自演化的；从全过程的大循环来看，众多小宇宙的质量大小不同，故而它们小循环的周期亦将不同，所以，它们的演化过程并不是同步的。另外，当大宇宙处于膨胀时期时，较大的小宇宙会分裂成若干个更小的小宇宙；而当大宇宙处于收缩时期时，小宇宙之间又会相互兼并。当众多小宇宙在进行着小循环的同时，也组成了大宇宙大循环的演化过程，大循环过程如下：大宇宙原始大黑洞——原始大爆炸——各个小宇宙的小循环（奇点——白洞——星系的演变——黑洞——奇点）——大宇宙大黑洞。大循环与小循环一起，周而复始。物质是永恒不灭的，只要物质存在，大宇宙循环将不停地轮回下去，永无止境。注：这里小宇宙指的是银河系一类的星系。直径10万光年左右。宇宙有终结的一天吗？
科学家真是不容易当，描绘了宇宙的诞生，自然也要推测它的死亡——终结。好在我们生命有限，活不过宇宙，否则，真不敢想世界末日会是什么样。宇宙终结宇宙有没有终结的一天?宇宙将会如何终结?是“砰”的一声大爆炸，还是逐渐消亡?当地球人在无数个夜晚，悄悄地仰望灿烂星空，对生命、对宇宙浮想联翩的时候，总会从内心深处发出这样的疑问。根据科学家利用天文望远镜获得的最新观测结果，宇宙最终不会变成一团熊熊燃烧的烈火，而是会逐渐衰变成永恒的、冰冷的黑暗。这听起来似乎太骇人听闻了。然而地球人或许没有必要杞人忧天。因为地球人暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。根据科学家的推测，宇宙很可能至少将目前这种适于生命存在的状态再维持一千亿年。这个庞大的数字相当于地球历史的二十倍，或者，相当于智人（现代人的学名）历史的 五百万倍。既然它将发生在如此遥远的未来，对地球人今天的生活就不会有丝毫影响。与此同时，科学家又指出：没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会突然消失。但是，随着时间的推移，它可能会让人觉得越来越不舒服，并且最终变得不再适于生命存在。这种情况将会在什么时候出现呢?又会以怎样的方式出现呢?自从20世纪20年代，天文学家哈勃发现宇宙正在膨胀以来，“大爆炸”理论一直没有摆脱被修改的命运。根据这一理论，科学家指出，宇宙的最终命运取决于两种相反力量长时间“拔河比赛”的结果：一种力量是宇宙的膨胀，在过去的 一百多亿年里，宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大。另一种力量则是这些星系和宇宙中所有其它物质之间的万有引力，它会使宇宙扩张的速度逐渐放慢。如果万有引力足以使扩张最终停止，宇宙注定将会坍塌，最终变成一个大火球——“大崩坠”；如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀，它将最终变成一个漆黑的寒冷的世界。显而易见，任何一种结局都在预示着生命的消亡。不过，人类的最终命运还无法确定。因为目前，人们尚不能对扩张和万有引力作出精确的估测，更不知道谁将是最后的胜利者，天文学家的观测结果仍然存在着许多不确定的因素。这种不确定因素又是什么呢?科学家指出，这一不确定的因素涉及到膨胀理论。根据这一理论，宇宙始于一个像气泡一样的虚无空间，在这个空间里，最初的膨胀速度要比光速快得多。然而，在膨胀结束之后，最终推动宇宙高速膨胀的力量也许并没有完全消退。它可能仍然存在于宇宙之中，潜伏在虚无的空间里，并在冥冥中不断推动宇宙的持续扩张。为了证实这种推测，科学家又对遥远的星系中正在爆发的恒星进行了多次观察。通过观察，他们认为这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。倘若真是这样的话，决定宇宙未来命运的就不仅仅是宇宙的扩张和万有引力，还与在宇宙中久久徘徊的膨胀推动力所产生的涡轮增压作用有关，而它可以使宇宙无限扩张下去。但是，人们最关心的或许是智慧生命本身。人类将在宇宙中扮演什么角色呢?难道人类注定要灭亡吗?人类已经在越来越快地改变着地球，操纵着自己的生存环境，也许到那时，人类会以自己的聪明智慧获胜。谁知道呢?且让未来的地球人和地外一切生命拭目以待吧。人类对宇宙的认识永远没有终极，认识穷尽的那一天也许就是人类或宇宙毁灭的那一天。正如爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说：“至于谈到世界末日的问题，我的意见是：等着瞧吧!”宇宙的扩张时空之谜在一般人正常的思维里，宇宙的时间和空间是不容易理解的，也是很难探索的，古往今来，多少人为了这个问题绞尽了脑汁，得到了无数更不被人理解的结论。在科学技术高度发达的今天，人们又是怎样解释这个问题的呢？