【原】宇宙的演化：大爆炸
我永遠(yuǎn)、直到生命的最后時(shí)刻，在1917年之前，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)還局限在銀河系內(nèi)。1917年，天文學(xué)家在一個(gè)星云中發(fā)現(xiàn)了一顆新星，這表明原先被認(rèn)為是星云的這個(gè)天體實(shí)際上由大量的恒星組成，應(yīng)該不處于銀河系內(nèi)。1924年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃測(cè)定了仙女座大星云的距離，確認(rèn)了它是一個(gè)銀河系外的星系。在確認(rèn)了存在河外星系之后，天文學(xué)家對(duì)已知的星系進(jìn)行仔細(xì)的觀測(cè)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些星系的光譜線的波長(zhǎng)比正常情況長(zhǎng)，這種現(xiàn)象叫做光譜的紅移。物理學(xué)對(duì)這種現(xiàn)象有這樣的解釋：遙遠(yuǎn)的星系在遠(yuǎn)離我們。在此后的許多年，哈勃對(duì)遙遠(yuǎn)星系的光譜紅移現(xiàn)象做了系統(tǒng)的觀測(cè)研究，明確地給出了星系的退行速率與該星系離開(kāi)我們的距離之間的關(guān)系稱之為哈勃定律，公式中的比例常數(shù)叫做哈勃常數(shù)。這個(gè)關(guān)系式顯示出，星系距離我們?cè)竭h(yuǎn)，它離開(kāi)我們的速率就越大，這意味著整個(gè)宇宙在均勻地膨脹。只要做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，就不難明白為什么遙遠(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(shuō)，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(kāi)“地球”1厘米（要沿著球面計(jì)算距離），還有一個(gè)“星系”離開(kāi)“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(huì)發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)距離都增加了一倍。這就是說(shuō)，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(huì)問(wèn)，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?cè)賮?lái)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(méi)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(huì)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(kāi)的快慢程度正比于它與這個(gè)新的“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，它恰好能夠說(shuō)明，宇宙沒(méi)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(guò)去肯定比現(xiàn)在稠密。這會(huì)有什么結(jié)果呢？今天，在我們這個(gè)宇宙的各處，散布著無(wú)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(méi)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(wú)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(guò)程中產(chǎn)生出來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)去比現(xiàn)在更高，宇宙中的物質(zhì)粒子就運(yùn)動(dòng)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(shuō)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(guò)程中產(chǎn)生出來(lái)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，提出了宇宙的演化從極大的密度和極高的溫度開(kāi)始的想法。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的觀測(cè)檢驗(yàn)，這個(gè)假說(shuō)成為描寫宇宙演化的標(biāo)準(zhǔn)模型，被稱為熱大爆炸宇宙理論。這個(gè)理論為我們勾畫出一幅宇宙演化的圖景。根據(jù)這幅圖景，當(dāng)宇宙的年齡大約等于10??3秒到約萬(wàn)分之一秒這段時(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(wàn)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(shuō)得很清楚。目前，對(duì)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(méi)有比較確切的結(jié)果。當(dāng)宇宙的溫度下降至一萬(wàn)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。在這個(gè)時(shí)期之后，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律已經(jīng)十分清楚，因此，有可能根據(jù)基本物理規(guī)律對(duì)宇宙的演化歷史做出預(yù)言。
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