創(chuàng)世紀(jì)：宇宙演化編年史

我永遠(yuǎn)、直到生命的最后時(shí)刻，

翻遍塵封的、讀破了的書冊，
去尋找她神秘的故事。

——阿·勃洛克

這個(gè)宇宙是怎樣演變成現(xiàn)在這個(gè)樣子的？有一個(gè)以廣義相對論為基礎(chǔ)的理論能夠解答我們的問題，這個(gè)理論叫做大爆炸宇宙學(xué)，也叫熱大爆炸宇宙論。根據(jù)這個(gè)理論，宇宙的演化過程實(shí)際上是一個(gè)從高溫高密狀態(tài)下不斷膨脹，與此同時(shí)不斷冷卻的過程。

最先提出這個(gè)學(xué)說是基于一個(gè)天文觀測事實(shí)。

1917年，純粹為了檢驗(yàn)廣義相對論的正確性，愛因斯坦提出了歷史上第一個(gè)基于物理學(xué)理論的科學(xué)的宇宙模型。這個(gè)模型假設(shè)宇宙在整體上是均勻的和靜態(tài)的。但是，當(dāng)愛因斯坦求解基于廣義相對論的這個(gè)宇宙模型的數(shù)學(xué)方程時(shí)，卻得到了一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的解，換句話說，宇宙在整體上是隨時(shí)間變化的。這個(gè)結(jié)果明顯地與靜止不變的宇宙的觀念矛盾。為了緩解這個(gè)矛盾，愛因斯坦修改了廣義相對論的方程式，加入了一項(xiàng)包含“宇宙常數(shù)”的斥力項(xiàng)。

就在愛因斯坦修改他的方程式的同時(shí)，天文學(xué)家正在對遙遠(yuǎn)的星系進(jìn)行觀測。他們發(fā)現(xiàn)，這些星系的光譜線的波長比正常情況長，這種現(xiàn)象叫做光譜的紅移。物理學(xué)對這種現(xiàn)象有這樣的解釋：發(fā)光體在遠(yuǎn)離我們。遙遠(yuǎn)的星系在遠(yuǎn)離我們，這意味著宇宙并不是靜止不變的。當(dāng)愛因斯坦得知這個(gè)結(jié)果后，立刻表示要“把宇宙常數(shù)項(xiàng)去掉”，并表示加入這一項(xiàng)是他一生中最大的失誤。

在此后的許多年，美國天文學(xué)家哈勃對遙遠(yuǎn)星系的光譜紅移現(xiàn)象做了系統(tǒng)的觀測研究，明確地給出了星系的退行速率與該星系離開我們的距離之間的關(guān)系

比例常數(shù)叫做哈勃常數(shù)。這個(gè)關(guān)系式顯示出，星系距離我們越遠(yuǎn)，它離開我們的速率就越大，這意味著整個(gè)宇宙在均勻地膨脹。我們怎么會得出這樣一個(gè)結(jié)論呢？

只要做一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，就能夠弄明白為什么遙遠(yuǎn)的星系按照哈勃定律遠(yuǎn)離就意味著宇宙整體在均勻地膨脹。你可以到任何一個(gè)玩具商店買一個(gè)給小孩子玩的那種玩具氣球，把這個(gè)氣球吹脹到，比如說，直徑10厘米大小。然后在這個(gè)被吹脹了的氣球上用筆畫三個(gè)以上的圓點(diǎn)，在其中一個(gè)圓點(diǎn)的旁邊標(biāo)上“地球”字樣，另外的圓點(diǎn)就代表遙遠(yuǎn)的星系。為了方便演示，這些點(diǎn)要畫成這樣，其中一個(gè)“星系”離開“地球”1厘米（要沿著球面計(jì)算距離），還有一個(gè)“星系”離開“地球”2厘米，其他的星系可以隨便畫。接著把這個(gè)“宇宙”吹脹至直徑20厘米大小。這時(shí)，如果你再去量上面特別標(biāo)示的兩個(gè)“星系”與“地球”之間的距離，就會發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)距離都增加了一倍。這就是說，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，“星系”遠(yuǎn)離“地球”的量正比于它們與“地球”之間的距離。這就是哈劫定律。

也許你會問，所有的星系都遠(yuǎn)離我們，這是不是就意味著我們處于宇宙的中心呢？這豈不又回到中世紀(jì)人類是宇宙的中心這種觀念上嗎？讓我們再來看一看上面的實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中你可以看出，氣球上并沒有任何一個(gè)點(diǎn)是特殊的，不存在一個(gè)中心點(diǎn)。你可以將另一個(gè)點(diǎn)標(biāo)志為“地球”，你同樣會發(fā)現(xiàn)，所有其他的“星系”都按照哈勃定律離這個(gè)新的“地球”而去，離開的快慢程度正比于它與“地球”之間的距離。因此，宇宙的膨脹并不意味著它有一個(gè)中心，相反，宇宙沒有任何中心，所有的位置都是平權(quán)的。

既然整個(gè)宇宙在均勻地膨脹，那么，它在過去肯定比現(xiàn)在稠密。這會有什么結(jié)果呢？今天，在我們這個(gè)宇宙的各處，散布著無數(shù)星系，星系之間的距離是巨大的。但是，由于宇宙在整個(gè)地膨脹，因此，在早些時(shí)候，宇宙沒有現(xiàn)在那么大，里面的星系自然就挨得近一些。如果想象有那么一個(gè)時(shí)刻，宇宙的尺度是如此之小，以致所有的星系全都挨個(gè)地緊緊靠在一起，那時(shí)候也就無所謂星系了，組成星系的物質(zhì)全都被攪在一塊兒。于是，由膨脹宇宙得出的第一個(gè)推論就是：星系是在宇宙演化的過程中產(chǎn)生出來的。實(shí)際上，不僅星系如此，連星星也是在演化中產(chǎn)生的。

宇宙膨脹必然帶來這樣的結(jié)果：宇宙的溫度在不斷下降。如果宇宙的溫度隨著它的膨脹在不斷地下降，那么，它在過去肯定比現(xiàn)在酷熱，溫度要更高?；貞浺幌聹囟冗@個(gè)概念，你就能夠明白這到底意味著什么。宇宙的溫度在過去比現(xiàn)在更高，宇宙中的物質(zhì)粒子就運(yùn)動得更快。設(shè)想有那么一個(gè)時(shí)刻，宇宙的溫度如此之高，以致粒子之間的碰撞足以使原子核瓦解。因此，在那個(gè)時(shí)刻之前，宇宙中根本不存在原子核，更不要說原子和分子了。于是，由膨脹宇宙得出的第二個(gè)推論就是：原子、分子甚至原子核等物質(zhì)粒子是在宇宙演化的過程中產(chǎn)生出來的。

20世紀(jì)40年代，蓋莫夫(George Gamov，1904~1968)根據(jù)宇宙膨脹的上述兩個(gè)推論，提出了宇宙早期的演化從極大的密度和極高的溫度開始的想法。但是，由于當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界對宇宙膨脹理論本身還未能接受，因此，人們拒絕接受蓋莫夫的這些想法。宇宙膨脹的一個(gè)自然結(jié)果是宇宙的演化必然有一個(gè)起始時(shí)刻，宇宙是在這個(gè)時(shí)刻被創(chuàng)生出來的，這被看作是科學(xué)與宗教的妥協(xié)，人們無法接受這樣的思想?；谶@樣一個(gè)原因，蓋莫夫關(guān)于早期宇宙演化的理論被斥之為偽科學(xué)，并被譏諷地稱為宇宙的“大爆炸”理論。不過，后來的天文觀測已經(jīng)證實(shí)，蓋莫夫的想法是對的，當(dāng)初用來譏諷他的理論的名稱也被人們正面地沿用下來了。

大爆炸宇宙理論為我們勾畫出一幅宇宙演化的圖景。下面就讓我們來看一看這是一幅怎樣的圖景。

在宇宙的年齡大約等于10^-43秒到約萬分之一秒之前這段時(shí)期內(nèi)，宇宙由夸克和輕子組成。在這段時(shí)期，由于宇宙的溫度高達(dá)一萬億度以上，有關(guān)的物理規(guī)律還不十分確切，因此，演化的歷史難以說得很清楚。目前，對這段時(shí)期的宇宙有一些帶有試探性的研究工作，但是都沒有比較確切的結(jié)果。當(dāng)宇宙的溫度下降至一萬億度時(shí)，夸克就能夠相互結(jié)合，形成質(zhì)子和中子等構(gòu)成普通物質(zhì)的基元粒子。

當(dāng)宇宙的溫度進(jìn)一步下降到100億度以下時(shí)，質(zhì)子和中子就有可能相互結(jié)合產(chǎn)生出最簡單的原子核，即氘核：

這個(gè)時(shí)期宇宙的年齡大約等于1秒。不過，在這個(gè)時(shí)期，由于宇宙的溫度還相當(dāng)高，存在著大量能量極高的光子，它們的碰撞足以令氘核瓦解，因此，這個(gè)過程是可以向相反的方向進(jìn)行的。當(dāng)正反過程達(dá)到平衡時(shí)，氘核的數(shù)量是微不足道的。

當(dāng)宇宙的溫度再下降一個(gè)數(shù)量級時(shí)，令氘核瓦解的高能光子已經(jīng)相當(dāng)少了，這時(shí)，上述核反應(yīng)式的逆過程實(shí)際上已經(jīng)沒有什么效果了。于是，氘核被大量地合成出來。這個(gè)時(shí)期宇宙的年齡大約等于3分鐘。因此，一直要等到宇宙的年齡大約等于3分鐘時(shí)，我們這個(gè)宇宙才冷卻到能夠讓質(zhì)子和中子相互結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生出宇宙中的第一種原子核。氘一旦被合成出來，隨后的合成過程也就能夠接著發(fā)生了。于是，宇宙中隨即有了氚和氦，以及微量的鋰、鈹和硼等較輕的元素的原子核。在這些輕原子核被合成出來的過程中，宇宙繼續(xù)膨脹，溫度繼續(xù)下降。由于中子和質(zhì)子的質(zhì)量有微小的差別，在氘開始被大量合成出來的時(shí)刻，宇宙中的中子的數(shù)量要比質(zhì)子的數(shù)量少好幾倍。因此，當(dāng)宇宙的溫度下降到約1億度時(shí)，供合成用的中子基本上已經(jīng)用完，較輕的原子核就不再產(chǎn)生了。

由這樣一幅演化圖景可以計(jì)算出幾種輕原子核在宇宙中的含量（也叫做豐度）。其中氫原子核（也就是質(zhì)子）大約占75%，氦原子核大約占25%，其他原子核所占的比例極小。在這里，氦的含量特別引人注意，因?yàn)樗p而易舉地解釋了天體物理學(xué)中一個(gè)長期困擾著人們的難題：盡管恒星的性質(zhì)千差萬別，處于不同演化階段的恒星的性質(zhì)也各有千秋，但是，恒星中氦的含量都大致等于25%。大爆炸宇宙理論對這個(gè)現(xiàn)象的解釋是：恒星中的氦絕大部分來自宇宙早期的核合成階段，在恒星的演化過程中產(chǎn)生出來的氦所占的比例是極小的。

這樣一幅圖象有多大的可靠性呢？20世紀(jì)70年代以來，天文學(xué)家和物理學(xué)家從各個(gè)方面對這個(gè)預(yù)言進(jìn)行了驗(yàn)證，得出的結(jié)果是肯定的，不過，要認(rèn)真檢驗(yàn)這個(gè)理論預(yù)言，還需要等待一些時(shí)日。

原則上說，有了氦原子核，較重的原子核就能夠產(chǎn)生。但是，由較輕的原子核結(jié)合起來產(chǎn)生更重的原子核，需要更高的環(huán)境溫度，以便使帶正電的粒子能夠克服它們之間的庫侖排斥力而相互靠近到核力起作用的距離內(nèi)。但是，宇宙不斷地膨脹，宇宙的溫度不斷地下降。當(dāng)宇宙中有了較輕的原子核時(shí)，宇宙的溫度已經(jīng)下降到不足以使這些原子核結(jié)合起來了。因此，宇宙早期只產(chǎn)生出較輕的幾種元素的原子核，較重的原子核則要等到宇宙物質(zhì)凝聚成恒星之后才能夠被制造出來。

隨著宇宙的膨脹，它的溫度進(jìn)一步下降。當(dāng)溫度下降到約1萬度時(shí)，宇宙的演化開始進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)期，這時(shí)，宇宙的年齡大約等于10萬年。在這個(gè)時(shí)期之前，宇宙物質(zhì)的主要成分是氫核、氦核、自由電子和光子。在這個(gè)時(shí)期的前后，原子核已經(jīng)有可能與自由電子結(jié)合成中性原子了。不過，由于溫度仍然比較高，能量較高的光子仍然很多，當(dāng)這些光子與原子碰撞時(shí)，就會使原子瓦解，因此，原子核和電子還不能順利地結(jié)合成中性原子。當(dāng)溫度進(jìn)一步下降時(shí)，高能光子的數(shù)目將減少到不能有效地瓦解原子的程度，宇宙物質(zhì)開始從電離狀態(tài)向中性原子狀態(tài)轉(zhuǎn)化。當(dāng)宇宙的溫度下降到約3000K時(shí)，中性原子在宇宙物質(zhì)中的比例已經(jīng)占有絕對的優(yōu)勢，這時(shí)，宇宙的年齡大約等于40萬年。隨后的演化將使中性原子所占的比例進(jìn)一步提高，一直到未被合成的電子只占10萬分之一的比例，這時(shí)，自由電子已經(jīng)沒有機(jī)會與原子核發(fā)生碰撞了，中性原子的合成過程宣告結(jié)束。

在大量中性原子形成之前，宇宙物質(zhì)中含有大量的自由電子，這就使得光子有足夠的機(jī)會與自由電子發(fā)生碰撞而處于熱平衡狀態(tài)。在這個(gè)時(shí)期，自由電子的運(yùn)動速率極高，其性質(zhì)與光子的性質(zhì)幾乎是一樣的。但是，當(dāng)中性原子大量形成的時(shí)候，自由電子的數(shù)目迅速減少，運(yùn)動速率也降到很低，光子就沒有多少機(jī)會與它們發(fā)生碰撞了。隨著中性原子合成過程的結(jié)束，宇宙中的自由電子基本上消耗盡了，光子完全失去與它們碰撞的機(jī)會。在此之前，除自由電子之外的其他實(shí)物粒子的運(yùn)動速率早就降到很低，光子沒有機(jī)會與它們發(fā)生碰撞?，F(xiàn)在，連自由電子都不與光子發(fā)生碰撞了，于是，光子與實(shí)物粒子就幾乎沒有任何相互作用了。退出與實(shí)物粒子相互作用的光子叫做背景光子，也叫做背景輻射。光子退出與實(shí)物粒子的相互作用后，在宇宙中一直存在下去，獨(dú)立地演化，直到今天，它的溫度已經(jīng)降到3K左右，它的能量主要分布在微波波段，所以，也叫做微波背景輻射。

在極早期的宇宙中，實(shí)物粒子的分布是均勻的，這種均勻性導(dǎo)致微波背景輻射的溫度的分布也是均勻的。在早期宇宙的這種均勻分布的氣體粒子中，必定會出現(xiàn)一些小的擾動，使得物質(zhì)的密度產(chǎn)生小的起伏，這就好像平靜的水面上泛起的漣漪。物質(zhì)密度的起伏也會導(dǎo)致微波背景輻射的溫度的起伏，兩者之間有明確的關(guān)系。

微波背景輻射于1965年由彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)在一個(gè)偶然的機(jī)會下發(fā)現(xiàn)，這是宇宙學(xué)發(fā)展中的一件重大事件。在隨后的10年里，天文學(xué)家在無線電波的若干個(gè)不同波長上對天空進(jìn)行了觀測，初步證實(shí)了背景輻射的預(yù)言。1989年，一個(gè)叫做宇宙背景探測器(COBE)的衛(wèi)星發(fā)射升空，在30多個(gè)波長上對背景輻射的強(qiáng)度做了精密的測量，推算出的背景溫度等于2.728K，測量的誤差只有正負(fù)0.004K，這個(gè)結(jié)果與理論預(yù)言符合得相當(dāng)好。

我們看到，大爆炸宇宙學(xué)為我們勾畫出一幅宇宙演化的優(yōu)美的圖景。這是一個(gè)基于廣義相對論的宇宙演化理論，它的兩個(gè)最重要的證據(jù)，即輕元素的豐度和微波背景輻射，都已經(jīng)得到了天文觀測的檢驗(yàn)。

繼早期演化階段之后，隨之而來的就是結(jié)構(gòu)的形成階段。在這個(gè)階段，早期演化形成的密度起伏會進(jìn)一步演化，起伏區(qū)中密度較大的區(qū)域內(nèi)的氣體粒子會在自身引力的作用下逐漸凝聚，最終形成密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均密度的氣團(tuán)。這個(gè)時(shí)期，宇宙的年齡大約是10億歲。隨后，這些氣團(tuán)的進(jìn)一步演化將形成我們今天所看到的星系。而像太陽那樣的恒星則是在星系內(nèi)的物質(zhì)粒子進(jìn)一步結(jié)團(tuán)、凝聚和收縮后形成的。這將是我們的宇宙旅行的下一站將要訪問的地方。