2 宇宙大爆炸

宇宙正在膨脹這個(gè)事實(shí)于20世紀(jì)20年代由美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)。在研究由遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光里所含的特定元素的譜線特征時(shí)，哈勃發(fā)現(xiàn)每條線都向光譜末端——更長波長的紅端移動(dòng)，這說明這些光波被拉伸了。

這可能意味著所有星系都正在離我們遠(yuǎn)去。實(shí)際上這些星系并不移動(dòng)，而是時(shí)空連續(xù)體本身在膨脹——盡管膨脹的效應(yīng)可能會(huì)在局部地區(qū)內(nèi)被引力所抵消。空間在地球上、太陽系內(nèi)部乃至整個(gè)銀河系內(nèi)部都沒有膨脹，但星系組之間的空間確實(shí)在膨脹著。星系被分開就像蛋糕中的葡萄干在生面團(tuán)發(fā)酵膨脹時(shí)分離開來一樣。

隨著宇宙的膨脹，從這些星系發(fā)出的光波被拉伸了，使它們向光譜的紅端移動(dòng)。距離最遠(yuǎn)的星系，光譜移動(dòng)得也最多。這種現(xiàn)象被稱為紅移。

據(jù)此推測，宇宙曾經(jīng)比現(xiàn)在小得多。這種邏輯引出了大爆炸理論，宇宙以及其內(nèi)部的所有事物——空間、時(shí)間、物質(zhì)、能量，甚至所有的物理定律和自然基本力——誕生的初始事件。

宇宙的尺度

天體物理學(xué)包含了宇宙中應(yīng)有的所有可想象的尺度。其中的一些尺度與我們最為熟知的那些（從微米到數(shù)千千米）的尺度看起來大不相同。在這一極限范圍之外，就更需要使用我們的想象力。宇宙在這些不同的尺度上看起來有很大的不同，但是物理定律對它們都適用。

在現(xiàn)代科學(xué)所能達(dá)到的最小尺度——約10-16米——上，物質(zhì)由名為夸克的基礎(chǔ)粒子構(gòu)成。它們?nèi)齻€(gè)一組，形成基本粒子——質(zhì)子和中子。原子的大部分質(zhì)量都集中在它的原子核內(nèi)，原子核直徑為10-13米。事實(shí)上原子的所有體積都由電子占據(jù)，它們存在于原子核周圍，位于通常被稱為電子云的區(qū)域中。電子云的直徑大約是原子核的1000倍，或者說10-10米。

在人類的尺度上缺乏亞原子尺度上的量子現(xiàn)象以及大尺度上的相對性效應(yīng)。我們能夠透過放大鏡觀察并且未意識(shí)到量子相互作用導(dǎo)致光子從物體上反射，到達(dá)我們的眼睛，讓我們能夠在更大尺度上看到一個(gè)較小的物體。在更大的尺度上，我們以十、百乃至千米為單位測量，這些或許能夠很方便地以指數(shù)表達(dá)出來：地球的直徑是107米，地球和太陽之間的距離是1.49億千米，或者說是一個(gè)天文單位（AU）。同樣作為太陽系中的一部分的水星——距離太陽最近的行星——到地球的平均距離為0.39AU；地球到達(dá)最遙遠(yuǎn)的冥王星（現(xiàn)已被降級）的平均距離為39.44AU。

當(dāng)千米數(shù)或是天文單位數(shù)超出了人類所能理解的范圍，天文學(xué)家就以光年為單位測量。1光年相當(dāng)于95萬億千米（或63240AU）。太陽系的外部區(qū)域被稱為奧特星云，可能延伸了到半人馬座比鄰星——距離我們最近的恒星——4.3光年之外的距離的1/4。以10千米/秒行進(jìn)的火箭將需要10萬年才能到達(dá)這顆“鄰近”的恒星。

太陽系存在于銀河系——一個(gè)包含了超過1000億顆恒星、直徑延伸了8萬光年到10萬光年的巨大系統(tǒng)——中的一條旋臂上，太陽距離銀河系中心大約2.8萬光年。夜空中每顆可見的恒星都位于銀河系中。

銀河系是名為本星系群的星系團(tuán)中的一部分，其半徑大約為250萬光年。它在本星系群中的最近鄰居位于16萬光年以外。位于230萬光年以外的仙女座星系是在良好條件下通過裸眼能夠觀察到的最遠(yuǎn)的天體。本星系群屬于本超星系團(tuán)，本超星系團(tuán)半徑為5000萬光年。

大爆炸

天文學(xué)家們相信，宇宙及其內(nèi)部的物質(zhì)和空間，都是在大爆炸以及大爆炸后極短的一瞬這個(gè)關(guān)鍵過程中產(chǎn)生的——那時(shí)的溫度要遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的宇宙。

人們常常問到，大爆炸之前存在著什么？宇宙最終會(huì)膨脹成什么樣子？然而“大爆炸之前”這個(gè)概念幾乎是沒有意義的，因?yàn)闀r(shí)間本身是在大爆炸之后產(chǎn)生的。如果空間就如時(shí)間一樣，是在大爆炸中產(chǎn)生的，而且如果空間本身就處在膨脹中，那它并不需要膨脹形成任何東西。

宇宙從產(chǎn)生的那一刻開始就處在不斷演化中，而理論物理學(xué)家和宇宙學(xué)家已經(jīng)給出了關(guān)于這些事件可能次序的描述，這也就是我們所知的宇宙的形成過程。

在最開始的一段時(shí)間，空間和時(shí)間仍在形成中，自然力組成了一種單一的、原始的超力。這就是我們所說的普朗克時(shí)間，它的細(xì)節(jié)可能永遠(yuǎn)無法被解釋，因?yàn)槲锢矶扇栽诙x中。

到了第10-35秒時(shí)，空間已經(jīng)膨脹到足以使溫度降到1027K的程度，由具有極端能量的光子攜帶。引力已經(jīng)成為了一種分離的力，大統(tǒng)一理論（GUT）力這時(shí)分離為強(qiáng)核力和弱電作用，伴隨著夸克、輕子以及它們的反物質(zhì)的迅速產(chǎn)生。這個(gè)過程在宇宙恢復(fù)它原先的膨脹速率前，經(jīng)歷了一個(gè)短暫卻十分劇烈的膨脹階段（持續(xù)了10-32秒）。

在第10-12秒時(shí)，弱電作用分裂成電磁力和弱核力，于是所有的四種自然力現(xiàn)在都被分離和區(qū)分開來。宇宙里的粒子及其反粒子處在了穩(wěn)定地形成與湮滅的狀態(tài)，輕子分離成了中微子與電子。夸克依然獨(dú)立存在，因?yàn)橛钪娈?dāng)時(shí)的溫度阻礙了它們結(jié)合形成更重的粒子。

到第10-6秒時(shí)，夸克兩個(gè)或三個(gè)一組結(jié)合了起來，形成了介子和重子（包括質(zhì)子和中子）——因?yàn)樵谀莻€(gè)時(shí)刻夸克無法獨(dú)立存在。它們的反粒子也發(fā)生了同樣的情況，并且在那以后與物質(zhì)發(fā)生湮滅，但是極少數(shù)的殘余（每10億個(gè)里有1個(gè)粒子）被遺留了下來，繼續(xù)形成現(xiàn)今宇宙中的所有物質(zhì)。在這個(gè)過程中也產(chǎn)生了大量的光子。

到第1秒結(jié)束時(shí)，溫度已經(jīng)降到了1010K；5秒以后，中微子與反中微子不再與其他形式的物質(zhì)發(fā)生相互作用。宇宙到達(dá)第10秒后，質(zhì)子與中子開始結(jié)合形成氘核。

在第1到第5分鐘之間，強(qiáng)核力發(fā)揮主導(dǎo)作用，使中子和質(zhì)子結(jié)合在一起形成氦核，并阻止中子衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子。宇宙中的氫和氦的比例就是這個(gè)時(shí)候確定下來的。這時(shí)的能級依舊很高，使得原子完全離子化，并且以原子核的形式存在于電子的海洋。

大爆炸后大約30萬年后，溫度下降到了足夠低的程度——約為3000K，從而電磁力使得電子被原子核所捕獲。隨著空間不再由自由電子的海洋所充斥，光子終于可以第一次在不與物質(zhì)相互作用的情況下行進(jìn)很長的距離——宇宙變得透明起來。在這個(gè)被稱作是物質(zhì)與能量去耦的時(shí)期，宇宙背景輻射被釋放了出來。隨著包含在宇宙中的物質(zhì)上的輻射壓的移除，原子開始受到引力的控制并集結(jié)形成巨大云團(tuán)，宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)開始演化。

在宇宙背景微波輻射被釋放到150億年后的今天之間，宇宙膨脹了1000倍，而物質(zhì)聚積并且濃縮形成了星系、恒星（包括我們的太陽）和行星。隨著這些情況的發(fā)生，宇宙的溫度繼續(xù)下降。

宇宙膨脹

今天我們所見到的能被觀測的宇宙起源于一個(gè)比原子還要小的區(qū)域空間。大爆炸事件被廣泛認(rèn)為是創(chuàng)造了宇宙的事件，它發(fā)生在100到150億年以前，導(dǎo)致其產(chǎn)生的原因仍然是未知的，但天體物理學(xué)家已經(jīng)整理出了一套關(guān)于大爆炸后的異常詳盡的知識(shí)體系——開始于大爆炸后極短的時(shí)間。此時(shí)傳統(tǒng)的物理定律被認(rèn)為已經(jīng)產(chǎn)生了。在極早期的宇宙中，四種自然力——引力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力——被合并成單一的超力。物質(zhì)與能量并非今天這樣明顯分離。即使是空間也因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候宇宙所占據(jù)的小得難以置信的體積而持續(xù)被打破和折疊。隨著時(shí)間的推移，宇宙不斷膨脹，而在它膨脹時(shí)，超力分成了引力與大統(tǒng)一力。關(guān)鍵的下一步發(fā)生在宇宙的第10-35秒時(shí)。此時(shí)，宇宙已經(jīng)膨脹并且冷卻到足夠使大統(tǒng)一力進(jìn)一步分離成強(qiáng)核力和弱電作用。伴隨這一分離的是夸克與輕子的突然產(chǎn)生，這個(gè)過程與大氣中的水蒸氣在周圍空氣的溫度充分低的時(shí)候凝結(jié)成云是一樣的道理。正如水蒸氣凝結(jié)成水釋放熱能一樣，物質(zhì)粒子的自發(fā)形成導(dǎo)致了宇宙內(nèi)的變化，這產(chǎn)生了巨大的壓力，使得宇宙以一個(gè)極大的加速度速率膨脹——比光速還快。這一過程就是暴漲，它將宇宙擴(kuò)大了1050的指數(shù)，而這一切僅僅發(fā)生在10-32秒之內(nèi)。盡管如愛因斯坦所說，沒有東西在空間中運(yùn)動(dòng)速度能夠超過光速，但是這一限制并不適用于空間本身，所以在暴漲的過程中并沒有違背任何物理定律。

暴漲理論并未被證明，并且人們還提出了許多其他的想法。最近的一個(gè)是由普林斯頓大學(xué)的保羅·斯坦哈特和英格蘭劍橋大學(xué)的尼爾·圖洛克提出的循環(huán)宇宙理論。它以M理論為基礎(chǔ)，指出我們的宇宙只是在更高維度上連接起來的多個(gè)宇宙中的一個(gè)。這可以被想象作兩張二維的紙被分開放置在一個(gè)三維的房間里，這兩個(gè)宇宙毫不相關(guān)，除非它們發(fā)生偶然的碰撞，此時(shí)它們產(chǎn)生出類似于大爆炸的狀況。這一理論被稱為火宇宙模型，名稱來自于希臘斯多葛學(xué)派哲學(xué)家，他們相信“大火”——宇宙將周期性地被火毀滅的想法。

其他天文學(xué)家則相信，在未來幾年里，空間探測器對于充斥整個(gè)宇宙的微波背景輻射的更深入觀測將證實(shí)暴漲的發(fā)生。

宇宙的嬰兒期

宇宙在第10-12秒時(shí)，弱電作用分解為電磁力與弱核力。在此之前，所有輕子——電子、中微子等不由夸克組成的基本粒子——行為方式相同。但是現(xiàn)在，隨著這兩種力（支配輕子的反應(yīng)）的相互分離，電子和中微子獨(dú)立開來。電磁相互作用開始在所有帶電粒子之間發(fā)生，光子開始大量地生成。

宇宙在這一階段的組成部分都處于穩(wěn)定地產(chǎn)生并相撞的狀態(tài)中。物質(zhì)粒子與它們的反粒子碰撞，隨即湮滅并產(chǎn)生一對高能光子。這些光子很快地又衰變回粒子-反粒子對，于是碰撞-湮滅的過程又重新開始。

這種物質(zhì)與能量間的循環(huán)轉(zhuǎn)換是可能發(fā)生的，因?yàn)檫@時(shí)的宇宙十分致密且灼熱：大爆炸后不到一百萬分之一秒內(nèi)，溫度高于10萬億K。在這種環(huán)境下，夸克可以作為獨(dú)立粒子而存在，因?yàn)樗鼈兣c其他夸克之間建立的任何連接不久就會(huì)被碰撞所破壞。

當(dāng)宇宙年齡到達(dá)1微秒時(shí)，情況又變了：這時(shí)，它已經(jīng)充分地膨脹與冷卻，以至于像以前一樣在那么大范圍內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生新物質(zhì)不再可能。此時(shí)，粒子與它們的反粒子相碰撞所產(chǎn)生的光子不再重新轉(zhuǎn)變成物質(zhì)。

隨著宇宙的冷卻，強(qiáng)核力把夸克拉在一起組成質(zhì)子與中子。其中的大部分粒子都在與它們相對的反物質(zhì)的碰撞中湮滅了。然而，由于宇宙中有著雖然小但仍可測量的趨勢，并且創(chuàng)造出反物質(zhì)更多的物質(zhì)，一些基本粒子殘留了下來。每10億對粒子-反粒子對中，就有1個(gè)粒子在沒有相對的反物質(zhì)的條件下產(chǎn)生。這些殘余的物質(zhì)粒子就構(gòu)成了我們今天所發(fā)現(xiàn)的每一個(gè)原子核。

到那時(shí)為止，中微子和反中微子就一直處于一個(gè)恒定地與宇宙其他物質(zhì)相碰撞的狀態(tài)中。隨著宇宙到達(dá)誕生后第1秒，它們都停止了與其他粒子的反應(yīng)。這個(gè)過程稱為中微子的去耦，可能是大爆炸后最早的可探測事件之一：如果有足夠多的強(qiáng)力中微子探測器的話，就能以中微子流背景的形式被探測到，使得天文學(xué)家們可以研究宇宙在其第1秒時(shí)候的狀態(tài)。

更早的唯一可能被探測到的事件是引力子的去耦，這被認(rèn)為發(fā)生在大爆炸后的第10-12秒。然而，引力子的去耦比中微子去耦更為不確定：與中微子不同，人們至今仍然沒有證明引力子的存在。

混沌之初

隨著宇宙的膨脹，大爆炸后幾秒，宇宙的溫度一直持續(xù)下降。當(dāng)宇宙到達(dá)第15秒時(shí)，溫度已經(jīng)降到足以阻止電子-正電子對的自發(fā)形成。同樣地，中子和質(zhì)子，以及它們相應(yīng)的反物質(zhì)，相互碰撞湮滅并留下少量的物質(zhì)剩余，而電子和正電子也一樣。再一次，產(chǎn)生物質(zhì)的微小偏向使得每10億電子-正電子湮滅時(shí)，就有一個(gè)電子留存下來，這意味著對應(yīng)于一個(gè)物質(zhì)粒子就有幾十億個(gè)光子同時(shí)存在。

盡管這時(shí)的宇宙仍被光子與中微子所支配，但是原子的組成成分（質(zhì)子、中子和電子）的條件已經(jīng)具備。宇宙中基本粒子的總比例已經(jīng)確定，它們處于一種恒定的碰撞狀態(tài)中。

當(dāng)宇宙年齡到達(dá)1分鐘時(shí)，條件變得適宜中子與質(zhì)子通過核聚變結(jié)合成為原子核（核合成）。這一過程是可能的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)發(fā)生的碰撞——尤其是發(fā)生在重子（中子與質(zhì)子）間的碰撞——已經(jīng)因?yàn)橛钪娴睦鋮s以及粒子不再以那么高的速度運(yùn)動(dòng)而變得沒那么激烈了，這就使得強(qiáng)核力能夠在粒子接觸時(shí)發(fā)生作用。

經(jīng)過了大約4分鐘的核合成之后，宇宙充分地膨脹，其溫度也相應(yīng)地降低，以停止這一進(jìn)程。宇宙這時(shí)包含了氫原子核（單個(gè)質(zhì)子）以及它的同位素——氘（一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子）和氚（一個(gè)質(zhì)子加三個(gè)中子），以及氦（兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子）與它的同位素氦-3（兩個(gè)質(zhì)子一個(gè)中子）。

因?yàn)橹凶右３址€(wěn)定必須有其他重子的存在，那些在原子核之外的中子就衰變成一個(gè)氫原子核（單個(gè)質(zhì)子）、一個(gè)電子和一個(gè)中微子。

這時(shí)的宇宙仍然處于非常高能的狀態(tài)，以使電磁力將電子束縛在原子核邊上。任何被原子核捕獲的電子很快就在與光子的碰撞中又獲得了足夠多的能量，從而再度逃離原子核。宇宙在這種恒定的離子化狀態(tài)中度過了好幾十萬年。

在宇宙年齡大約30萬到50萬歲間，宇宙中發(fā)生的一個(gè)最重要的變化——所謂的物質(zhì)和能量的去耦。隨著宇宙的膨脹，溫度降低，光子要把電子從原子核邊撞離變得更加困難了。隨著電子被原子核所吸引，光子變得能夠在宇宙中長距離傳播而不與其他粒子碰撞。從某種意義上看，宇宙對其中的光子來說變得透明了。

這個(gè)過程中發(fā)出的輻射到今天仍可以探測到，這就是宇宙微波背景輻射，這些輻射由于宇宙的膨脹發(fā)生了巨大的紅移。這一現(xiàn)象在整個(gè)天空中十分一致，以3K的溫度為表征。

物質(zhì)與能量的去耦是宇宙中可觀測到的最早的事件。1965年宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)，為大爆炸理論提供了第一個(gè)決定性的證據(jù)。

20世紀(jì)80年代末，通過COBE衛(wèi)星對于這個(gè)輻射微小變動(dòng)——小于萬分之一——的觀測提供了更多更重要的證據(jù)。證據(jù)顯示，這個(gè)時(shí)候的宇宙并不是均勻的，有的區(qū)域比較熱但比較稀薄，有些區(qū)域相對比較冷，但比較致密。

從COBE開始，就有了大量的球載實(shí)驗(yàn)，諸如MAXIMA（國際毫米波各向異性實(shí)驗(yàn)成像陣列）實(shí)驗(yàn)與回飛棒（河外星系毫米波射電和地球物理國際氣球觀測）實(shí)驗(yàn)，它們對于宇宙微波背景輻射的細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)地觀測。其他的地面微波望遠(yuǎn)鏡則以不同的波長觀測天空。它們一起為研究單個(gè)星系團(tuán)的形成提供了非常重要的線索。NASA發(fā)射了一個(gè)COBE的后續(xù)探測器，被稱為微波各向異性探測器（MAP），并剛開始以極高的靈敏度和精確度對整個(gè)天空進(jìn)行測繪。，歐洲航天局（ESA）已啟動(dòng)普朗克計(jì)劃，這是在更高精度下測繪微波背景的另一項(xiàng)任務(wù)。

一旦物質(zhì)間的碰撞以及輻射停止，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他力的引力就能把原子拉到一起，這就意味著宇宙大尺度上的結(jié)構(gòu)開始了演化進(jìn)程。盡管天文學(xué)家還不能完全解釋這個(gè)過程中的細(xì)節(jié)，但很可能就是因?yàn)樵釉凭奂判纬闪宋覀兯吹降挠钪娴牟煌窍担⑶易罱K云團(tuán)內(nèi)部進(jìn)一步崩塌，形成在其核內(nèi)發(fā)生核聚變的恒星。