第一章 宇宙的誕生與命運(yùn)

宇宙的誕生

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）尺度看起來(lái)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(lái)有很大的不同，但是物理定律對(duì)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3個(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?chē)挥谕ǔ１环Q(chēng)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(shuō)10-10米。

在人類(lèi)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(duì)性效應(yīng)。我們能夠透過(guò)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(cè)量，這些或許能夠很方便地以指數(shù)表達(dá)出來(lái)：地球的直徑是107米，地球和太陽(yáng)之間的距離是1.49億千米，或者說(shuō)是一個(gè)天文單位（AU）。同樣作為太陽(yáng)系中的一部分的水星——距離太陽(yáng)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(jí)）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(lèi)所能理解的范圍，天文學(xué)家就以光年為單位測(cè)量。1光年相當(dāng)于95萬(wàn)億千米（或63240AU）。太陽(yáng)系的外部區(qū)域被稱(chēng)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(wàn)年才能到達(dá)這顆“鄰近”的恒星。

太陽(yáng)系存在于銀河系——一個(gè)包含了超過(guò)1000億顆恒星、直徑延伸了8萬(wàn)光年到10萬(wàn)光年的巨大系統(tǒng)——中的一條旋臂上，太陽(yáng)距離銀河系中心大約2.8萬(wàn)光年。夜空中每顆可見(jiàn)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(wàn)光年。它在本星系群中的最近鄰居位于16萬(wàn)光年以外。位于230萬(wàn)光年以外的仙女座星系是在良好條件下通過(guò)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(wàn)光年。

大爆炸的自然史

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(guò)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(wèn)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(méi)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(kāi)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(guò)程。

在最開(kāi)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(shuō)的普朗克時(shí)間，它的細(xì)節(jié)可能永遠(yuǎn)無(wú)法被解釋?zhuān)驗(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1027開(kāi)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(guò)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4種自然力現(xiàn)在都被分離和區(qū)分開(kāi)來(lái)。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2個(gè)或3個(gè)一組結(jié)合了起來(lái)，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(wú)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(lái)，繼續(xù)形成現(xiàn)今宇宙中的所有物質(zhì)。在這個(gè)過(guò)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1010開(kāi)；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(kāi)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(lái)的。這時(shí)的能級(jí)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(wàn)年后，溫度下降到了足夠低的程度——約為3000開(kāi)，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(zhǎng)的距離——宇宙變得透明起來(lái)。在這個(gè)被稱(chēng)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(lái)。隨著包含在宇宙中的物質(zhì)上的輻射壓的移除，原子開(kāi)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(kāi)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(yáng)）和行星。隨著這些情況的發(fā)生，宇宙的溫度繼續(xù)下降。

暴漲的宇宙

今天我們所見(jiàn)到的能被觀測(cè)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100億到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(kāi)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，4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(guò)程與大氣中的水蒸氣在周?chē)諝獾臏囟瘸浞值偷臅r(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(guò)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(ài)因斯坦所說(shuō)，沒(méi)有東西在空間中運(yùn)動(dòng)速度能夠超過(guò)光速，但是這一限制并不適用于空間本身，所以在暴漲的過(guò)程中并沒(méi)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(lái)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(kāi)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(lèi)似于大爆炸的狀況。這一理論被稱(chēng)為火宇宙模型，名稱(chēng)來(lái)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(lái)幾年里，空間探測(cè)器對(duì)于充斥整個(gè)宇宙的微波背景輻射的更深入觀測(cè)將證實(shí)暴漲的發(fā)生。

嬰兒期的宇宙

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(kāi)來(lái)。電磁相互作用開(kāi)始在所有帶電粒子之間發(fā)生，光子開(kāi)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(duì)高能光子。這些光子很快地又衰變回粒子-反粒子對(duì)，于是碰撞-湮滅的過(guò)程又重新開(kāi)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(wàn)分之一秒內(nèi)，溫度高于10萬(wàn)億開(kāi)。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(duì)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(cè)量的趨勢(shì)，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(lái)。每10億對(duì)粒子-反粒子對(duì)中，就有1個(gè)粒子在沒(méi)有相對(duì)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(guò)程稱(chēng)為中微子的去耦，可能是大爆炸后最早的可探測(cè)事件之一：如果有足夠多的強(qiáng)力中微子探測(cè)器的話(huà)，就能以中微子流背景的形式被探測(cè)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(cè)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(méi)有證明引力子的存在。

結(jié)構(gòu)的初始

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(duì)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10億對(duì)電子—正電子湮滅時(shí)，就有一個(gè)電子留存下來(lái)，這意味著對(duì)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(guò)核聚變結(jié)合成為原子核（核合成）。這一過(guò)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(méi)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(guò)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（1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子）和氚（1個(gè)質(zhì)子加3個(gè)中子），以及氦（2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子）與它的同位素氦-3（2個(gè)質(zhì)子1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1個(gè)氫原子核（單個(gè)質(zhì)子）、1個(gè)電子和1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(guò)了好幾十萬(wàn)年。

在宇宙年齡大約30萬(wàn)到50萬(wàn)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(zhǎng)距離傳播而不與其他粒子碰撞。從某種意義上看，宇宙對(duì)其中的光子來(lái)說(shuō)變得透明了。

這個(gè)過(guò)程中發(fā)出的輻射到今天仍可以探測(cè)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3開(kāi)的溫度為表征。

物質(zhì)與能量的去耦是宇宙中可觀測(cè)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(guò)COBE衛(wèi)星對(duì)于這個(gè)輻射微小變動(dòng)——小于萬(wàn)分之一——的觀測(cè)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(duì)比較冷，但比較致密。

從COBE開(kāi)始，就有了大量的球載實(shí)驗(yàn)，諸如MAXIMA（國(guó)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(guó)際氣球觀測(cè)）實(shí)驗(yàn)，它們對(duì)于宇宙微波背景輻射的細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)地觀測(cè)。其他的地面微波望遠(yuǎn)鏡則以不同的波長(zhǎng)觀測(cè)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(xiàn)索。NASA發(fā)射了一個(gè)COBE的后續(xù)探測(cè)器，被稱(chēng)為微波各向異性探測(cè)器（MAP），并剛開(kāi)始以極高的靈敏度和精確度對(duì)整個(gè)天空進(jìn)行測(cè)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(cè)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(kāi)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(guò)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。

宇宙的成分

宇宙中所有物質(zhì)（包括恒星和行星）的基本成分都是化學(xué)元素。每種元素只由一種原子組成，原子則由質(zhì)子（帶正電荷）、電子（帶負(fù)電荷）和中子（電中性）構(gòu)成。中子存在于原子核中，但并不指示其化學(xué)性質(zhì)，但如果同種元素原子核中的中子數(shù)不同，就會(huì)產(chǎn)生不同的同位素。一種元素的中子和質(zhì)子的數(shù)量決定了原子量。

氫是最簡(jiǎn)單的一種元素，由1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子組成。它的原子量為1，是所有元素中最輕的。如果其原子核中的中子數(shù)量不一樣，就會(huì)產(chǎn)生有不同原子量的同位素。例如，氫的同位素之一——氘，它的原子核內(nèi)有1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子，因此其原子質(zhì)量為2。

物理學(xué)家注意到了宇宙中氫原子的這種簡(jiǎn)單性和豐富性，于是他們推斷：宇宙大爆炸產(chǎn)生了氫原子，而所有其他元素都起源于原始的氫原子。氫原子在高溫高壓下，經(jīng)歷適當(dāng)?shù)暮宿D(zhuǎn)變，會(huì)產(chǎn)生原子量更大的元素，這一過(guò)程包含輕的原子核聚變成較重的原子核。原子核發(fā)生聚變時(shí)會(huì)釋放大量的能量，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子等其他粒子或氫核子。

宇宙誕生的第一分鐘，它的溫度非常高，以至于整個(gè)宇宙就像一個(gè)巨大的核熔爐在運(yùn)作，僅僅在4分鐘內(nèi)，這個(gè)“熔爐”就將其中1/4的氫轉(zhuǎn)變成了氦。之后，環(huán)境開(kāi)始改變，這種反應(yīng)也停止了。類(lèi)似這樣的極端環(huán)境在某些恒星的內(nèi)部深處也存在，在那里會(huì)產(chǎn)生新的元素。在質(zhì)量和太陽(yáng)相當(dāng)?shù)暮阈莾?nèi)部，氫元素會(huì)“燃燒”形成氦（原子核內(nèi)有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子），這一反應(yīng)需要的溫度是1000萬(wàn)開(kāi)。由于恒星內(nèi)部的變化會(huì)在內(nèi)核產(chǎn)生更高的溫度和壓力，氦就會(huì)聚變形成碳（6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子），而這又可以結(jié)合更多的氦，形成氧（8個(gè)質(zhì)子，8個(gè)中子）等等。通過(guò)這種方式，多種化學(xué)元素就形成了。如果一顆恒星足夠大，那么它最終會(huì)變得不穩(wěn)定，以及發(fā)生巨大星體的爆炸——超新星。

很多這樣產(chǎn)生的元素結(jié)合起來(lái)形成分子和化合物，它們中有很多是極不穩(wěn)定的，被稱(chēng)為揮發(fā)性物質(zhì)。水、二氧化碳和二氧化硫是3種重要的揮發(fā)性物質(zhì)，它們?cè)跇O低的溫度下（低于300攝氏度）可以以氣態(tài)形式穩(wěn)定存在。元素的其他組合可形成礦物質(zhì)，有些礦物質(zhì)可以構(gòu)成巖石（大多數(shù)是硅酸鹽），它們?cè)诤芨叩臏囟认拢?50攝氏度～1200攝氏度）會(huì)發(fā)生組合凝固。像鋁和鈣之類(lèi)與氧結(jié)合會(huì)形成硅酸鹽的元素就叫作親石元素；鋅、鉛和銀則是親銅元素（它們易形成硫化物），而像金和鎳之類(lèi)不易形成化合物的元素就是親鐵元素。

在隕星（和在太陽(yáng)星云內(nèi)部生長(zhǎng)的最早的固態(tài)物體很相似的古老宇宙小天體）中也發(fā)現(xiàn)了揮發(fā)性物質(zhì)和硅酸鹽，這說(shuō)明在太陽(yáng)系歷史早期，有很多物質(zhì)可以用于組成行星，高溫粒子和低溫粒子在形成行星的過(guò)程中很好地結(jié)合在了一起。

宇宙的命運(yùn)

開(kāi)放、平坦還是閉合

宇宙中含有多少質(zhì)量的問(wèn)題與宇宙的最終命運(yùn)有著直接的關(guān)聯(lián)。宇宙正在膨脹的事實(shí)已經(jīng)被知道很久了：但它是否將會(huì)停止膨脹，如果不是的話(huà)，是否會(huì)一直加速下去？這些問(wèn)題的答案取決于宇宙中包含多大質(zhì)量和能量，也就是它總共有多大的引力。從最大的尺度上來(lái)說(shuō)，宇宙的曲率由它內(nèi)部物質(zhì)的平均密度決定——這也就是一定體積空間中的平均質(zhì)量。終止宇宙膨脹所需的平均密度（被稱(chēng)為臨界密度）僅為每立方米幾個(gè)氫原子。宇宙平均密度與臨界密度的比值為Ω，Ω小于1的宇宙將永遠(yuǎn)存在并且膨脹下去，被稱(chēng)為“開(kāi)放宇宙”，它的時(shí)空連續(xù)體有著天文學(xué)家稱(chēng)為的負(fù)曲率；膨脹能夠在引力的作用下終止的宇宙為“閉合宇宙”，它的時(shí)空連續(xù)體有著正曲率；第三種存在可能的被稱(chēng)為“平坦宇宙”，這發(fā)生在物質(zhì)恰好足以終止膨脹，但只能在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間以后達(dá)到這一狀態(tài)。目前的估計(jì)指出宇宙的平均密度遠(yuǎn)小于臨界密度，但也存在著大量的暗能量。這使得宇宙的膨脹加速，由此宇宙將永遠(yuǎn)存在。

加速中的宇宙

直到最近，天文學(xué)家都相信宇宙是處在一個(gè)減速膨脹的狀態(tài)中。唯一的問(wèn)題是這一減速是否會(huì)終止宇宙的膨脹。但在1997年，兩組天文學(xué)家一系列的獨(dú)立觀測(cè)結(jié)果完全改變了這種看法。

這些天文學(xué)家當(dāng)時(shí)正在研究遙遠(yuǎn)宇宙中的超新星爆炸。這些天體爆發(fā)的短期能量閃光有著太陽(yáng)10億倍的亮度，并因此成為了天文學(xué)家在最大尺度上研究宇宙的信標(biāo)。這是因?yàn)楫?dāng)超新星的光穿越空間時(shí)，它受到了宇宙膨脹帶來(lái)的紅移的影響。測(cè)量到的紅移能夠與理論預(yù)測(cè)的紅移相比較。例如，期望中的宇宙的減速會(huì)與時(shí)空連續(xù)體在任意大尺度上的彎曲一樣，將在超新星的光中留下明顯的印記。通過(guò)這種方法，天文學(xué)家能夠利用這些測(cè)量結(jié)果確定宇宙是開(kāi)放的、平坦的，還是閉合的。1997年的數(shù)據(jù)與之前所期望的都不相符。

他們所觀測(cè)的超新星是白矮星從紅巨星伴星上累積物質(zhì)并爆發(fā)的一類(lèi)。基于對(duì)其他超新星的觀測(cè)，天文學(xué)家能夠確定這些爆炸的實(shí)際亮度。這一知識(shí)使他們能夠與它呈現(xiàn)出的亮度相比較，并由此計(jì)算它的距離，計(jì)算是基于光隨著傳輸?shù)木嚯x而減弱這一事實(shí)的。在這之后他們就能夠通過(guò)紅移檢驗(yàn)他們對(duì)距離的判定，因?yàn)樘祗w在宇宙中越遠(yuǎn)，它發(fā)生的紅移也就越大。

當(dāng)兩組天文學(xué)家都通過(guò)從多顆超新星上得到的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)超新星比期望的亮度要暗25%。這一現(xiàn)象只能通過(guò)宇宙在爆炸后加速膨脹來(lái)解釋。這些超新星位于50億光年之外，因此它們?cè)?0億光年之前爆炸，而它們發(fā)出的光從那時(shí)起就在宇宙中傳播，直到被發(fā)現(xiàn)。解釋宇宙正在加速的唯一途徑就是它包含有一種名為真空能的奇特能量：產(chǎn)生的物質(zhì)只能導(dǎo)致吸引，因此只能使宇宙減速，但真空能有著相反的效應(yīng)。宇宙學(xué)家在他們關(guān)于早期宇宙的理論中利用真空能這一概念來(lái)解釋膨脹。愛(ài)因斯坦在他的廣義相對(duì)論等式中引入了一個(gè)條件，允許了真空能的存在，它被稱(chēng)為宇宙常數(shù)，但之后又被愛(ài)因斯坦所放棄，并稱(chēng)這是自己的“最大失誤”。

對(duì)超新星爆炸的觀測(cè)結(jié)果暗示了宇宙正在加速這一事實(shí)，使得對(duì)于宇宙常數(shù)的關(guān)注再次出現(xiàn)。但看起來(lái)在整個(gè)時(shí)間和整個(gè)宇宙中應(yīng)用一個(gè)簡(jiǎn)單的常量來(lái)表示并不是解釋所發(fā)生一切的最好方式。真空的能量看起來(lái)已經(jīng)通過(guò)這一方式隨時(shí)間發(fā)生了變化：開(kāi)始膨脹后，宇宙處在減速膨脹的過(guò)程中，但在大約60億或70億年前，宇宙發(fā)生了改變，真空能成為導(dǎo)致宇宙加速的主要因素。天文學(xué)家稱(chēng)真空能的這一時(shí)間變量為“第五元素”。在天文學(xué)家真正確定宇宙的膨脹是否正在加速并理解加速是怎么產(chǎn)生的之前，在觀測(cè)和理論上都還有著很多的工作要做。

長(zhǎng)期未來(lái)

如果宇宙是“平坦的”、“開(kāi)放的”或者是正在加速的，它將存在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，但這并不意味著行星、恒星和星系也將永遠(yuǎn)存在。宇宙受到物理定律支配，這些定律之一——熱力學(xué)第二定律指出：熱從高溫物體向低溫物體流動(dòng)。因此當(dāng)兩個(gè)物體具有相同溫度時(shí)，熱的流動(dòng)停止；熱也不可能從低溫物體流向高溫物體。宇宙中發(fā)生的每個(gè)化學(xué)過(guò)程都遵從這個(gè)指導(dǎo)性原則。因此，恒星和星系緩慢地將熱流失到周?chē)挠钪嬷校缓笏劳觥?/p>

在這發(fā)生之前，星系中越來(lái)越多的恒星將會(huì)互相靠近，這將會(huì)導(dǎo)致其他恒星投向星系的中心區(qū)域時(shí)一顆恒星被拋出星系。星系中心的物質(zhì)將變得越來(lái)越緊密，并且最終具有星系質(zhì)量的黑洞將形成。相同的過(guò)程將在星系團(tuán)中重復(fù)，因?yàn)橐恍┬窍祵⒈粧伋觯硪恍┬窍祵⒙湎蛑行膮^(qū)域。于是宇宙中將充滿(mǎn)具有與星系團(tuán)相同質(zhì)量的黑洞。

這些黑洞中所含的物質(zhì)將被再處理，并通過(guò)霍金輻射過(guò)程返回宇宙，這是一對(duì)虛粒子恰好在黑洞的視界上產(chǎn)生的過(guò)程：其中一個(gè)粒子逃逸出去，而另一個(gè)落下，抵消黑洞的一部分質(zhì)量，這看起來(lái)像是逃逸的粒子來(lái)自黑洞本身，而黑洞逐漸“蒸發(fā)”到宇宙中。黑洞越小，它蒸發(fā)得也就越快，這一蒸發(fā)可以作為熱量被測(cè)量到。隨著粒子的逃逸和黑洞質(zhì)量的減小，它的溫度上升，上升的溫度使得更多的粒子逃逸出來(lái)，進(jìn)一步地減少了質(zhì)量并且提高了溫度。最終，在最后幾秒，黑洞在能量等同于百萬(wàn)噸級(jí)氫彈爆炸的劇烈爆發(fā)中釋放出剩余的所有質(zhì)量。通過(guò)這一過(guò)程——恒星融入黑洞中然后再蒸發(fā)，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，宇宙中的所有物質(zhì)將達(dá)到熱平衡。當(dāng)這一狀況發(fā)生時(shí)，將不再有恒星、行星或星系，只有由亞原子粒子構(gòu)成的稀薄“海洋”。所有的粒子將會(huì)有相同的溫度，并且不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)。如果化學(xué)反應(yīng)不再在宇宙中發(fā)生，也就不再有判斷時(shí)間流逝的參照，宇宙將死亡，這一概念稱(chēng)為熱寂。

如果宇宙是“閉合的”，那么膨脹將最終減慢并停止，然后它將開(kāi)始崩塌。星系團(tuán)和單獨(dú)的星系將合并到一起，宇宙微波背景輻射將增加它的溫度，最終空間將變得異常灼熱從而恒星蒸發(fā)。宇宙將回到與大爆炸期間十分相似的狀態(tài)。但宇宙不再膨脹，而是開(kāi)始收縮并向大坍縮的方向轉(zhuǎn)變。

一些人提出大坍縮與大爆炸前的狀態(tài)非常符合，從而宇宙將再生：但新生的宇宙可能與我們所在的很不相同，因?yàn)槲锢矶煽赡茉谟钪媾蛎浀淖畛鯐r(shí)刻整個(gè)被混在一起。

地外生命

人類(lèi)常常會(huì)問(wèn)自己：地球是不是宇宙中唯一產(chǎn)生了生命的地方？如果對(duì)巨分子云的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)那里有有機(jī)（含碳）分子存在，那么新形成的太陽(yáng)系將會(huì)有生命形成所需的化學(xué)元素。生命在地球上是如何產(chǎn)生的仍然是未知的，但很多人認(rèn)為它產(chǎn)生于海底的熱液噴口周?chē)Ｒ坏┪覀冎懒诉@些，我們將能夠估計(jì)到底有多少能夠擁有生命的星球。

為了產(chǎn)生類(lèi)似于我們的生命體，行星必須有著與地球一樣的物理特征，例如溫度、大氣和陽(yáng)光，這只能發(fā)生在位于環(huán)繞類(lèi)似太陽(yáng)的恒星軌道上的行星上。太陽(yáng)是一個(gè)G型的恒星，但溫度稍低的K型恒星在行星更靠近一點(diǎn)的情況下也可能足以產(chǎn)生生命。高溫恒星，如A型和F型恒星在行星到恒星的距離大于地球到太陽(yáng)距離的情況下，也可能成為孕育生命的家園。

從地球上探測(cè)任何一顆存在生命的行星都是十分困難的。地球每天向宇宙“泄漏”出無(wú)線(xiàn)電廣播，可能在其他行星上也存在相同的情況——天文學(xué)家在被稱(chēng)為“水洞”的微波波段監(jiān)聽(tīng)著這些廣播信號(hào)，在這個(gè)波段上，電磁波的星際吸收和大氣層對(duì)它的吸收都最小。“水洞”這一名稱(chēng)來(lái)自于這一區(qū)域上的兩條譜線(xiàn)，一條是氫（H）線(xiàn)，另一條是羧（OH）線(xiàn)。如果把它們放在一起，就有了兩個(gè)氫和一個(gè)氧——H2O，也就是水。基于此，這一微波波段也就被稱(chēng)為水洞。

計(jì)算機(jī)用戶(hù)可以下載一個(gè)名為SETI@home的屏幕保護(hù)，它將在計(jì)算機(jī)不作他用時(shí)搜尋信號(hào)數(shù)據(jù)。但是到目前為止，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一個(gè)看起來(lái)可能是從其他行星發(fā)來(lái)的有目的的或是偶然信號(hào)——盡管已經(jīng)觀測(cè)到一兩個(gè)無(wú)法解釋的信號(hào)。

地球上的天文學(xué)家在“泄漏”無(wú)線(xiàn)電輻射之外也發(fā)出了一些有目的的廣播。最早的廣播對(duì)準(zhǔn)了球狀星團(tuán)M13，是天文學(xué)家通過(guò)波多黎各阿雷西博的305米射電望遠(yuǎn)鏡盤(pán)在1974年發(fā)射的。然而，盡管信息以光速傳播，它仍需要2.4萬(wàn)年才能到達(dá)M13，如果這個(gè)信號(hào)被接收并且被回復(fù)，這還將需要2.4萬(wàn)年才能到達(dá)我們。很多天文學(xué)家和工程師相信在這4.8萬(wàn)年中人類(lèi)能夠發(fā)展出使我們?cè)谛行情g旅行并且發(fā)送個(gè)人訊息的方法。

生命、精神和宇宙

盡管天文學(xué)家在了解發(fā)生在宇宙中的某些過(guò)程上有著一定的成就，但他們了解得越多，就表明有越多的問(wèn)題出現(xiàn)。這些問(wèn)題是關(guān)于自然界本質(zhì)的，科學(xué)并不能獨(dú)立地給出答案。人類(lèi)是不是宇宙中唯一的智慧生命？宇宙和人類(lèi)是偶然形成的還是作為某些寵大設(shè)計(jì)的一部分？

現(xiàn)代天文學(xué)家常常被問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題是：宇宙有很多可能的存在方式，但為什么宇宙是現(xiàn)在這樣的？在大爆炸的最初一點(diǎn)時(shí)間內(nèi)，物理定律和宇宙常量處于變遷中，它們也只是在以后才固定為現(xiàn)在人們所熟悉的形態(tài)和數(shù)值。這些物理定律（如光速等常數(shù)）描述了宇宙是如何運(yùn)行的。如果宇宙有著不同的電子電荷常數(shù)，恒星可能變得不能燃燒氫；如果在大爆炸的第1秒中，物質(zhì)超出反物質(zhì)的比例不同，可能就不再有物質(zhì)，或者不再有這么多的物質(zhì)將在很久以前就發(fā)生崩塌。

即使這種常數(shù)上的差異也可能讓宇宙出現(xiàn)，甚至允許各種生命的演化，生命存在的形式可能會(huì)有極大的不同。如果在量子尺度上支配相互作用的普朗克常數(shù)比目前的值大得多的話(huà)，甚至與人一樣大的物體都能夠表現(xiàn)出波粒二象性，并且能夠像電子衍射穿過(guò)狹縫一樣“衍射”穿過(guò)門(mén)縫。

哲學(xué)家可能會(huì)問(wèn)：為什么宇宙如此適應(yīng)我們這樣形態(tài)的生命產(chǎn)生，這僅僅是偶然，還是宇宙為人類(lèi)能夠在其內(nèi)部發(fā)展鋪平了道路？這些問(wèn)題在名為“人擇宇宙”原理的具有高度爭(zhēng)議的理論中被提到。它提出宇宙之所以存在是因?yàn)槿绻钪娌淮嬖冢覀兙筒荒軌蛟谶@里觀察它。它的一個(gè)變體理論將它更推進(jìn)了一步：宇宙的存在是為了給人類(lèi)提供生存的場(chǎng)所。很多支持這一理論的人提出人類(lèi)在某種程度上是特殊的，并且指向生命在它們所存在的地球上尋找相應(yīng)小生境的堅(jiān)韌方式。這表明只要有最微小的可能，生命就會(huì)出現(xiàn)，這一觀念適用于整體的宇宙。有的人則認(rèn)為宇宙可能并不是獨(dú)一無(wú)二的，在大爆炸之前可能存在著更早的宇宙，甚至我們所知的物理定律也是之前的多次循環(huán)的演化過(guò)程的一個(gè)結(jié)果。

隨著時(shí)間的流逝，宇宙演化出越來(lái)越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在最簡(jiǎn)單的一層是基本粒子或夸克——在大爆炸后最早產(chǎn)生的事物。最為復(fù)雜的就是智慧生命，以及它們的概念性架構(gòu)（可能包括了科學(xué)本身，以及藝術(shù)和文明）。這些復(fù)雜的事物離不開(kāi)中間層面結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，從簡(jiǎn)單的原子、星系和恒星、較重元素、分子、蛋白質(zhì)、簡(jiǎn)單生命形式到更加系統(tǒng)的生命形式。一些人認(rèn)為智慧生命的產(chǎn)生因此也與原子和分子的產(chǎn)生一樣自然。這因此可能就是智慧生命有目的地改造宇宙的形態(tài)以作為永久的居所。通過(guò)這種方式，智慧生命能夠給自己全部的時(shí)間用以探索和理解。即便我們的文明衰落，未來(lái)的文明將會(huì)找到足夠的時(shí)間探索和理解這種終極目標(biāo)--如果它在確實(shí)存在。

星際旅行

到達(dá)遙遠(yuǎn)恒星的能力將使天文學(xué)從一門(mén)觀測(cè)科學(xué)轉(zhuǎn)變成一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。但到達(dá)恒星所涉及的問(wèn)題大多是異常困難的。科學(xué)家已經(jīng)向太陽(yáng)系中的八顆行星發(fā)射了探測(cè)器，并且在這一過(guò)程中發(fā)展出最高速的人造物體。如果與它們一樣的探測(cè)器被發(fā)射向恒星，它們需要幾千年才能到達(dá)它們。到達(dá)恒星的距離極大，以至于從離太陽(yáng)最近的恒星（名為半人馬座α星A和B以及比鄰星的三星系統(tǒng)）發(fā)出的光也需要4.25年才能到達(dá)地球。因?yàn)橛钪嬷袥](méi)有任何東西的速度能夠超過(guò)光速，所以即使是使用最先進(jìn)的星際飛船所需的旅行時(shí)間也是極漫長(zhǎng)的。

因?yàn)檫@些原因，未來(lái)的航天員可能必須處于假死狀態(tài)，他們身體的新陳代謝將被減慢從而變得失去知覺(jué)，計(jì)算機(jī)將監(jiān)控他們并且維持他們的生命，并使他們的身體極緩慢地老化。在星際飛船自動(dòng)控制下到達(dá)目的地之前可能將經(jīng)過(guò)許多年。在到達(dá)后，船員將被喚醒。這樣的旅行方式稱(chēng)為睡眠船。

另一種可能的方式是船員在船上正常生活，也就是所謂的跨世代星艦。隨著原來(lái)的宇航員的衰老和死亡，他們的后代將從他們那里接過(guò)操縱星艦的任務(wù)。

適用于到達(dá)恒星的推進(jìn)系統(tǒng)至今仍未建造成功。化學(xué)火箭——例如用于宇宙飛船上的——不具有足夠的動(dòng)力以提供星際旅行所需的推進(jìn)力。一些科學(xué)家提議通過(guò)令核彈在星際飛船后部爆炸以推動(dòng)飛船，另一種想法是使用強(qiáng)大的激光和巨型的聚光鏡。通過(guò)與帆船使用船帆聚集風(fēng)力一樣的方式，這些星際飛船將通過(guò)聚光鏡收集光線(xiàn)中的光子，光子的輻射壓將推動(dòng)星際飛船。最后，核聚變推動(dòng)的火箭將指數(shù)倍地提高它們?cè)谟钪嬷械倪\(yùn)動(dòng)速度——從光速的1/20000到光速的1/10。

此外也還有著很多基于現(xiàn)代理論物理的奇思妙想。如果宇宙是由多維構(gòu)成的，而人類(lèi)只能感受到其中的三維或四維，可能在其他的維度上就存在著可以被發(fā)現(xiàn)的捷徑。關(guān)于這類(lèi)“蟲(chóng)洞”的數(shù)學(xué)計(jì)算正在進(jìn)行中。如果蟲(chóng)洞存在并且能夠連接，并且能夠被用于旅行，那么整個(gè)宇宙將可能都變?yōu)榭蛇_(dá)的。

存在高度爭(zhēng)議的關(guān)于穿越時(shí)間的可能性同樣正在研究中。一些天體物理學(xué)家相信黑洞周?chē)鷱澢臅r(shí)間連續(xù)體是一個(gè)潛在的時(shí)間旅行機(jī)，但開(kāi)發(fā)它的可行性——并不考慮危險(xiǎn)性——排除了它被人類(lèi)所利用的可能。