宇宙永遠(yuǎn)是人類永恒的話題。就像孩子總是愛問媽媽他是怎么來到這個(gè)世界上一樣，人類總是希望知道創(chuàng)造了自己的宇宙是怎么誕生的。對宇宙演化的探索是人類對自己生存環(huán)境的終極探索。
宇宙是如此浩瀚，以至于用人類常用的距離單位是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法度量的。宇宙中最常用的距離單位是光年，1光年就是光在真空中行進(jìn)一年走過的距離——94600億km。目前觀測宇宙學(xué)告訴我們，宇宙中可觀測的天體可分為行星、恒星、星系、星系團(tuán)、超星系團(tuán)、觀測所及的宇宙（總星系）等層次，但宇宙中大量的暗物質(zhì)和暗能量對人類還是一個(gè)未解之謎。從大尺度來講（大于1億光年的尺度），宇宙中物質(zhì)是均勻分布和各向同性的，據(jù)此可推斷宇宙中所有位置都是等價(jià)的，不存在宇宙中心，也沒有邊界。
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宇宙的一個(gè)重要特征是，它在不斷地膨脹，因此，人們建立了以大爆炸為主要特征的宇宙模型來解釋宇宙及物質(zhì)的起源。
21.1 膨脹的宇宙
1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒指出，如果光源和觀察者之間有相對運(yùn)動，會使觀察者接收到的光源波長發(fā)生變化。如果光源離我們而去，我們接收到的波長變長，如果光源朝我們而來，我們接收到的波長變短，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。對于可見光來說，波長變長，就是往紅光方向移動，所以光源離我們而去時(shí)叫做紅移。反之，光源朝我們而來波長往藍(lán)光方向移動，就叫藍(lán)移。
從1912 年開始，美國天文學(xué)家斯里弗開始觀察星云的光譜，經(jīng)過幾年的觀察，他發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)星云的光譜線與正常元素的光譜線相比，整體向長波一端移動了一段距離，也就是發(fā)生了紅移。根據(jù)波長紅移的移動量，就可以計(jì)算出星系與我們的距離，也可以計(jì)算星系的退行速度。
后來美國天文學(xué)家哈勃開始進(jìn)行這方面研究。哈勃首先確認(rèn)了星云是和銀河系一樣的另外的星系，然后對星系光譜紅移的規(guī)律進(jìn)行研究。1929 年，他總結(jié)出一個(gè)規(guī)律：星系的退行速度與它離我們的距離成正比，后來被稱為哈勃定律。
現(xiàn)在人們已經(jīng)觀測到1250 億個(gè)星系，除了幾個(gè)離銀河系最近的星系外，其他星系都在紅移。紅移現(xiàn)象表明，星系都飛快地遠(yuǎn)離我們而去，距離越遠(yuǎn)的星系退行速度越快，星系間的距離在不斷變大，也就是宇宙正在膨脹！這個(gè)結(jié)論被認(rèn)為是20 世紀(jì)最偉大的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。
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幾個(gè)離銀河系最近的星系顯示出很小的藍(lán)移現(xiàn)象，例如仙女座星系的光譜與我們相比發(fā)生藍(lán)移。其原因是因?yàn)樘栂翟诶@銀河系中心運(yùn)動，正好朝著仙女座星系運(yùn)動，仙女座星系離我們近，退行速度慢，所以抵消了仙女座星系的退行。
有人問了，為什么所有星系都離我們遠(yuǎn)去呢？難道我們處于宇宙的中心嗎？
事實(shí)上，宇宙并不存在中心，在膨脹的宇宙中，所有星系都在互相退行。在任何一個(gè)星系中觀測，都能看到其他星系在離它遠(yuǎn)去。宇宙膨脹絕不是一個(gè)像炸彈爆炸似的有一個(gè)中心爆炸點(diǎn)的過程，它是一個(gè)三維空間的膨脹過程，你只有站在四維空間中才能完整地觀察到三維空間的膨脹，這對我們來說是很難直觀想象的，我們只能以類比的方式用二維空間的膨脹來做個(gè)說明。
下面我們從三維空間中觀察一個(gè)二維空間的膨脹，這個(gè)二維空間是一個(gè)正在膨脹著的氣球表面，宇宙中的星系就像點(diǎn)綴在氣球表面上的一些點(diǎn)（見圖21-1（a））。氣球膨脹時(shí)，從任何一點(diǎn)來看，其他點(diǎn)都在遠(yuǎn)離，兩個(gè)點(diǎn)遠(yuǎn)離對方的速度與它們之間的距離成正比（見圖21-1（b））。要認(rèn)識到，并不是這些點(diǎn)在運(yùn)動，而是這個(gè)二維平面空間在膨脹，所以空間各點(diǎn)相互遠(yuǎn)離，這些點(diǎn)的空間相對位置并沒有變化。同理，我們的宇宙空間就是一個(gè)三維閉合球面。愛因斯坦在其著作《狹義與廣義相對論淺說》中第31 節(jié)《一個(gè)“有限”而又“無界”的宇宙的可能性》中寫道：
“對于這個(gè)二維球面宇宙，我們有一個(gè)類似的三維比擬，這就是黎曼發(fā)現(xiàn)的三維球面空間。它的點(diǎn)同樣也都是等效的……不難看出，這個(gè)三維球面空間與二維球面十分相似。這個(gè)球面空間是有限的（亦即體積是有限的），同時(shí)又是無界的?！?/p>
圖21-1 當(dāng)氣球膨脹時(shí)，表面各點(diǎn)相互遠(yuǎn)離，不存在膨脹中心
我們與其他星系的遠(yuǎn)離是由于空間在膨脹，而并非由于每個(gè)星系自身的運(yùn)動。比如距離我們幾十億光年遠(yuǎn)的星系，其退行速度高達(dá)每秒十萬公里（光速的1/3），星系自身是根本不可能有如此速度的，這是空間的膨脹才導(dǎo)致處于空間各處的星系能以如此驚人的速度相互遠(yuǎn)離。
此外，我們由氣球表面上各點(diǎn)一致的地位，可以看到在這個(gè)氣球的表面不存在膨脹的中心，也不存在任何邊緣，所以在這個(gè)氣球表面的人不會掉出去。同理，如果有人要尋找宇宙的邊緣，那是永遠(yuǎn)也找不到的，因?yàn)橛钪婵臻g并非平直空間。宇宙是一個(gè)封閉的四維時(shí)空，雖然體積有限，但不存在邊緣。
假如你能坐著宇宙飛船沿著你在三維空間中感覺到的直線在宇宙中一直走下去，那么你最后還會回到出發(fā)點(diǎn)。就像二維球面世界里的人沿直線一直走最后會回到起點(diǎn)一樣，他認(rèn)為他一直在向前，實(shí)際上三維空間的觀察者會看到他繞了一個(gè)大圈子。同理，你在宇宙中沿著你認(rèn)為的直線方向一直向前，實(shí)際上四維空間的觀察者會發(fā)現(xiàn)你正在三維空間里繞一個(gè)大圈子。但是，三維空間里的大圈子是什么樣的，只能感知三維的人類是無法知曉的，就像二維球面里的人只有跳到三維才能看到他的二維閉合球面一樣，我們只有站在四維空間里才能看清三維閉合球面的結(jié)構(gòu)，這是不可能辦到的。
21.2 廣義相對論與宇宙學(xué)
現(xiàn)代宇宙學(xué)是建立在愛因斯坦廣義相對論基礎(chǔ)上的。1916 年，愛因斯坦將狹義相對論推廣為廣義相對論，把萬有引力納入相對論的框架，提出了物質(zhì)會使時(shí)空發(fā)生彎曲，而引力場實(shí)質(zhì)上就是彎曲時(shí)空的觀點(diǎn)。也就是說，引力實(shí)際上就是物體在彎曲時(shí)空中運(yùn)動的表現(xiàn)。物理學(xué)家惠勒曾用一句話來概括：
“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動。”
時(shí)空可不是軟柿子，不是隨隨便便就能彎曲的，只有具有天體質(zhì)量的物體才能讓它明顯彎曲。我們可以設(shè)想一下，你把一個(gè)鐵球放到橡膠墊子上，鐵球周圍的墊子會被壓出一個(gè)凹坑，橡膠墊出現(xiàn)了彎曲，但是你說這個(gè)鐵球能使時(shí)空彎曲多少，那就基本為零了，時(shí)空的彎曲程度可以忽略不計(jì)。我們可以做一個(gè)簡單的比較：假設(shè)橡膠墊子的堅(jiān)硬程度為1，那么鋼的堅(jiān)硬度是1011，時(shí)空的堅(jiān)硬度則高達(dá)1043，如此高的堅(jiān)硬度，也只有天體能讓它彎曲了！
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時(shí)空竟然比鋼鐵還堅(jiān)硬億萬倍，這太荒謬了吧？！這也許是你的第一反應(yīng)。但是，讓我們靜下心來好好想一想就會發(fā)現(xiàn)這是可以理解的。
鐵球能讓橡膠墊彎曲，這是因?yàn)橄鹉z墊支撐住了鐵球的質(zhì)量，如果放在一張紙上，鐵球就會把紙壓破掉到紙外去，所以橡膠墊比紙堅(jiān)硬。那么你想一想，什么東西能承載質(zhì)量是天文數(shù)字的各種天體呢？唯有時(shí)空！
天體在不停地運(yùn)動，就像鐵球在橡膠墊上不停滾動，天體可以把經(jīng)過的時(shí)空“壓”彎，但不會掉出去（如果掉出去，就到了另外一個(gè)宇宙的時(shí)空中了）。
關(guān)于時(shí)空的堅(jiān)硬度，還可以換一個(gè)角度來看。時(shí)間一旦流逝就再難改變，想讓時(shí)間維度伸縮那是難上加難，這豈不是堅(jiān)硬無比嗎？
當(dāng)然，時(shí)空的彎曲和橡膠墊的彎曲是不同的，因?yàn)橄鹉z墊是三維物體，它的彎曲我們很容易看到，而時(shí)空是四維的，四維時(shí)空本身就很難想象其圖像了，至于其如何彎曲就更難想象了。假如有一個(gè)生活在橡膠墊表面（圖21-2 的xy 平面）的二維人，他是無法想象橡膠墊在厚度方向（z 方向）的彎曲的，他只能通過測量xy 平面的彎曲來間接證明z 方向的彎曲。如果你非常想知道四維時(shí)空彎曲的圖像，那么可以把圖21-2 中的xy 平面看作三維空間，z 軸看為時(shí)間軸，那么時(shí)空的彎曲就是圖中的樣子了。當(dāng)然，我們雖然難以想象四維時(shí)空的彎曲是什么樣子的，但可以間接證明它。愛因斯坦根據(jù)時(shí)空彎曲作出的天文學(xué)預(yù)言后來被一一驗(yàn)證，證明了時(shí)空彎曲是實(shí)實(shí)在在存在的。
愛因斯坦指出，在引力場中，自由粒子沿時(shí)空短程線運(yùn)動。大質(zhì)量的天體會使周圍的時(shí)空發(fā)生明顯彎曲，從而使通過其中的光線發(fā)生彎曲。當(dāng)然，光是沿著最短路徑行進(jìn)的，但由于空間本身發(fā)生了彎曲，所以在空間中行進(jìn)的光線也會跟著彎曲，它不可能突破三維空間跑到四維空間中去走直線。
圖21-2 生活在xy 平面內(nèi)的二維人無法想象z 方向的彎曲
射電天文學(xué)的發(fā)展為驗(yàn)證光在引力場中的偏轉(zhuǎn)提供了精確的工具。如果射電星發(fā)射的電磁波（也就是光）經(jīng)過太陽旁邊，相應(yīng)的電磁波就會受到引力場的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1974 年，美國科學(xué)家利用兩個(gè)相距為3000km 的射電望遠(yuǎn)鏡，測量了波長為11.1cm 的射電波，結(jié)果表明：經(jīng)過太陽附近的射電波確實(shí)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這就證明了太陽附近的空間確實(shí)發(fā)生了彎曲?？茖W(xué)家們還通過光譜線引力紅移和雷達(dá)回波延遲等效應(yīng)證明了大質(zhì)量天體附近的時(shí)間也是彎曲的。
時(shí)空的性質(zhì)由引力決定，即由產(chǎn)生引力的物質(zhì)決定。廣義相對論的引力場方程（又稱愛因斯坦場方程），是廣義相對論的核心，它使用數(shù)學(xué)語言精確地描述了物質(zhì)及其運(yùn)動與時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系。引力場方程并不復(fù)雜，但是它竟然可以描述宇宙的創(chuàng)生及演化過程，這實(shí)在是讓世人為之驚嘆。現(xiàn)在的宇宙模型就是在廣義相對論的基礎(chǔ)上發(fā)展建立的。
1917 年，在提出廣義相對論之后不久，愛因斯坦就開始思考如何將這一理論用于宇宙研究。當(dāng)時(shí)天文學(xué)家們僅僅只了解我們的銀河系，甚至認(rèn)為銀河系就是整個(gè)宇宙，因而自然而然地認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的——既不膨脹，又不收縮。但是愛因斯坦驚訝地發(fā)現(xiàn)，引力場方程描述的宇宙是動態(tài)的，不是膨脹就是收縮，永遠(yuǎn)不會是靜止的。為了使宇宙保持靜態(tài)，愛因斯坦只好假設(shè)另外有一個(gè)反引力與引力相抗衡。于是，他在引力場方程中引入了一個(gè)新的常數(shù)，并稱為“宇宙常數(shù)”，用希臘字母λ 表示。
1929 年之后，天文學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識到，銀河系只不過是諸多星系中的一個(gè)，遙遠(yuǎn)的星系正在離我們而去，宇宙不是靜態(tài)的，而是膨脹的。愛因斯坦得知后馬上放棄了宇宙常數(shù)，并將引入宇宙常數(shù)評價(jià)為自己一生中“最大的失誤”。
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山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村。從1998 年起，越來越多的天文觀測證據(jù)表明，宇宙不但在膨脹，而且在加速膨脹，這就意味著的確有一個(gè)與引力相抗衡的力，宇宙常數(shù)可能確實(shí)存在。現(xiàn)代量子宇宙論認(rèn)為，宇宙常數(shù)是宇宙量子真空漲落的結(jié)果，等效于真空能量密度。也就是說，愛因斯坦的宇宙常數(shù)在今天看來，就是真空能。但是人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前宇宙常數(shù)值太小，而且宇宙常數(shù)與現(xiàn)在的宇宙物質(zhì)密度巧合地具有相同的數(shù)量級。對此現(xiàn)有物理學(xué)理論還無法給出合理的解釋，因此宇宙常數(shù)問題也成為物理學(xué)和天文學(xué)上的重大疑難之一。
廣義相對論解釋了宇宙天體中的許多現(xiàn)象，預(yù)言了黑洞、蟲洞等的存在，開辟了探索宇宙本質(zhì)的新視野，為現(xiàn)代宇宙學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
21.3 宇宙理論的發(fā)展
1932 年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特首次提出宇宙大爆炸的假設(shè)，用這一假設(shè)，星系的退行可在愛因斯坦廣義相對論框架內(nèi)得到解釋。1948 年，移居美國的蘇聯(lián)物理學(xué)家伽莫夫在勒梅特的基礎(chǔ)上正式提出宇宙大爆炸理論，認(rèn)為宇宙是由一個(gè)無限致密熾熱的“奇點(diǎn)”于一百多億年前的一次大爆炸后膨脹形成的。
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宇宙模型中的空間是有限的，但沒有邊界。所以大爆炸中的爆炸并非我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降谋ㄟ^程，事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹，而整個(gè)空間是一個(gè)像二維球面一樣能彎曲地回到原來位置的三維閉合球面。
伽莫夫在1948 年有一個(gè)驚人的預(yù)言：宇宙演化過程中殘留下來的電磁輻射（以光子的形式）在宇宙中自由傳播，成為大爆炸的“遺跡”殘存至今，但是其溫度已降低到只比絕對零度高幾度，這就是所謂的“宇宙背景輻射”。1965 年，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜在微波波段上探測到具有熱輻射譜的宇宙背景輻射，溫度大約為3K，驗(yàn)證了伽莫夫的預(yù)言。
隨后，更多的科學(xué)家在更多的波段內(nèi)驗(yàn)證了背景輻射的存在，從而為大爆炸宇宙學(xué)模型提供了令人信服的證據(jù)。圖21-3 為歐洲航天局根據(jù)“普朗克”太空探測器傳回的數(shù)據(jù)繪制的宇宙背景輻射圖。
圖21-3 宇宙背景輻射全景圖
到20 世紀(jì)80 年代初，科學(xué)家們對大爆炸理論進(jìn)行了修正，提出了暴脹宇宙模型。暴脹理論認(rèn)為宇宙初期曾經(jīng)發(fā)生過膨脹速度高到無法想象的超急劇膨脹。就宇宙膨脹來說，這一插曲極其短暫，暴脹僅僅從大爆炸開始后10^?36s 持續(xù)到10^?32s，但是暴脹卻使宇宙從比原子還小的體積擴(kuò)張到了直徑約10cm 的球體。從某種意義上說，暴脹的速度超過了光速，因?yàn)橐胪ㄟ^10cm 的空間，光需要3.3×10^?10s 的時(shí)間。不過暴脹是空間自身的膨脹，并非某種物體在以超光速運(yùn)動，所以這是可能的。
至此，大爆炸理論已經(jīng)比較完善了，但是還剩下一個(gè)最讓物理學(xué)家們頭疼的問題——宇宙誕生時(shí)的“奇點(diǎn)”問題。奇點(diǎn)出現(xiàn)了物理上所不期望的無窮大量（無窮大密度、無窮大壓強(qiáng)等，我們在第3 章中討論過，無窮是一個(gè)純數(shù)學(xué)概念，在物理中是不適用的）。大爆炸奇點(diǎn)處，一切科學(xué)定律都失效了，所以奇點(diǎn)是不可能真實(shí)存在的，這就構(gòu)成宇宙學(xué)最大的疑難：奇性疑難。為了破解這個(gè)難題，出現(xiàn)了用量子理論來研究宇宙起源問題的量子宇宙學(xué)。宇宙誕生時(shí)的尺度是極小的，顯然屬于量子力學(xué)的研究范疇。
1982 年，霍金等人提出了將量子力學(xué)和廣義相對論結(jié)合在一起的量子引力理論來研究宇宙起源問題，這一理論的特征是用費(fèi)曼的路徑積分方法處理愛因斯坦的引力理論。霍金用宇宙波函數(shù)來描述宇宙的量子狀態(tài)， 這個(gè)波函數(shù)給出宇宙按照特征量分布的概率幅，因此在量子力學(xué)的意義上，這種描述是完備的?；艚鸬牧孔佑钪鎸W(xué)可以從“無”中生“有”（to give everything from nothing），避免了“奇點(diǎn)”的出現(xiàn)。在霍金的宇宙里，時(shí)間和空間構(gòu)成了一個(gè)四維閉合球面。
老子在《道德經(jīng)》的開篇就指明：“無，名天地之始；有，名萬物之母。”這就是一種樸素的宇宙“無中生有”的哲學(xué)思想，竟和現(xiàn)在的宇宙起源理論不謀而合。
21.4 宇宙的演化
2013 年3 月21 日，歐洲航天局把宇宙的精確年齡修正為138.2 億歲。
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盡管宇宙如此古老，物理學(xué)家們?nèi)匀荒芨鶕?jù)天文學(xué)觀測結(jié)果和廣義相對論等理論提出合理的模型來計(jì)算宇宙的過去，推斷宇宙的演化圖景，實(shí)在讓人驚嘆。根據(jù)量子宇宙論、大爆炸宇宙論（含暴脹宇宙論的修正），我們可以大致勾勒出宇宙的起源和演化的歷程。
（1）量子引力時(shí)代（0<><>
宇宙由一個(gè)不存在時(shí)間和空間的量子狀態(tài)（“無”狀態(tài)）自發(fā)躍遷（即所謂“大爆炸”）到具有空間、時(shí)間的量子狀態(tài)。因?yàn)榱孔訝顟B(tài)是量子化的，所以不存在中間過程，宇宙“無中生有”地誕生了。在這個(gè)時(shí)期，物質(zhì)場的量子漲落導(dǎo)致時(shí)空本身發(fā)生量子漲落并不斷地膨脹，空間和時(shí)間以混沌的方式交織在一起，時(shí)空沒有連續(xù)性和序列性，因而前后不分、上下莫辨。此時(shí)四種基本力不可區(qū)分，是一種統(tǒng)一的力，此時(shí)的時(shí)空為虛時(shí)空。
（2）普朗克時(shí)代（5.4×10^?44s<><>
當(dāng)時(shí)間等于普朗克時(shí)間（5.4×10^?44s）時(shí)，虛時(shí)空發(fā)生超統(tǒng)一相變，實(shí)時(shí)空形成，粒子產(chǎn)生。相變點(diǎn)的能量是10^19GeV，溫度為10^32K。此時(shí)時(shí)間和空間可以測量，但夸克和輕子不可區(qū)分，二者可以相互轉(zhuǎn)化。相變破壞了力之間的對稱性，引力首先分化出來，但強(qiáng)力、弱力、電磁力三種力仍不可區(qū)分。
（3）大統(tǒng)一時(shí)代（10^?36s<><>
隨著宇宙溫度繼續(xù)下降，時(shí)間繼續(xù)膨脹，當(dāng)t=10?36s 時(shí)，溫度降至10^28K，發(fā)生大統(tǒng)一真空相變。相變過程中釋放的巨大能量使時(shí)空以指數(shù)規(guī)律急劇地暴脹，直到10^?32s 最后完成大統(tǒng)一相變。相變后，宇宙的空間尺度增加了10^50 倍，強(qiáng)力分化出來，夸克與輕子相互獨(dú)立。
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（4）夸克—輕子時(shí)代（10^?32s<><>
這段時(shí)期開始時(shí)，弱、電兩種力不可區(qū)分。直到t=10^?12s，溫度降至10^16K 時(shí)，發(fā)生電弱統(tǒng)一相變，中間玻色子基本消失，電磁力與弱力成為兩種力。
（5）強(qiáng)子—輕子時(shí)代（10^?6s<><>
t=10?6s 時(shí)，溫度降至1012K（1 萬億開爾文），發(fā)生夸克禁閉，凝聚成強(qiáng)子（即重子和介子）。在這一時(shí)期的粒子– 反粒子對不斷產(chǎn)生和湮滅，但產(chǎn)生的重子比反重子多了近十億分之一，因而今天的宇宙是以正物質(zhì)為主的宇宙。t=10?4s 時(shí)，溫度降至1000 億開爾文，宇宙進(jìn)入輕子及其反粒子占主要地位的時(shí)代，重子中則主要只剩下質(zhì)子和中子。這時(shí)的主要特征是粒子間的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了大量的光子和中微子。
（6）輻射時(shí)代和核合成時(shí)代[1s<><3.8×10^5a（38>
當(dāng)t=1s 時(shí)，溫度降為100 億開爾文，中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子的反應(yīng)率超過質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶拥姆磻?yīng)率，因而總體上中子開始衰變?yōu)橘|(zhì)子。正負(fù)電子不斷湮滅轉(zhuǎn)化為光子。這時(shí)，光子數(shù)大大超過具有靜質(zhì)量的粒子，每個(gè)質(zhì)子或中子都對應(yīng)著10 億個(gè)光子，宇宙以光子輻射為主，進(jìn)入輻射時(shí)代。輻射（即光子）是一種能量形式，輻射密度（單位體積空間中的輻射能量）可以用溫度來表示。
t ≈ 3min 時(shí)，溫度降為10 億開爾文，中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比約為1：7。此時(shí)，質(zhì)子和中子開始結(jié)合成包含一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子的氘核，氘核又很快結(jié)合成氦核。t ≈ 30min 時(shí)，中子基本上都和質(zhì)子結(jié)合為氦核，剩余的質(zhì)子就是氫核，所以氦核與氫核質(zhì)量比約為2 ：6。中子在原子核中很穩(wěn)定，于是宇宙中的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比不再改變，一直延續(xù)至今。雖然有自由的原子核和自由的電子，但此時(shí)光子能量極高，足以擊碎任何剛形成的原子，所以沒有穩(wěn)定原子形成，宇宙處于等離子體狀態(tài)。等離子體像一團(tuán)糨糊一樣布滿宇宙，光子在其中四處亂撞。光子、核子和電子之間通過電磁相互作用緊密地耦合在一起，互相碰撞散射，從而形成平衡態(tài)。
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t ≈ 3.8×10^5a（38 萬年）時(shí)，溫度降至3000~4000K，物質(zhì)密度與輻射密度基本相等，光子能量不足以擊碎原子，自由電子開始被原子核俘獲，形成穩(wěn)定的原子（主要是輕元素）。從此，自由核子和電子數(shù)大大減少，光子終于獲得了自由運(yùn)動的空間，宇宙開始變得透明，進(jìn)入以物質(zhì)為主的原子時(shí)代。這個(gè)3000~4000K 的光子輻射不再被吸收，不斷冷卻至今，成為溫度為3K 左右的宇宙背景輻射。
（7）星系形成時(shí)代[3.8×10^5a（38 萬年）<><10>
在這個(gè)階段，宇宙內(nèi)的實(shí)物粒子從等離子氣體演化為氣狀物質(zhì)。隨著宇宙進(jìn)一步膨脹和溫度下降，氣狀物質(zhì)被拉開，形成原始星系，并進(jìn)而形成星系團(tuán)，然后再從中分化出星系。理論和觀測結(jié)果共同顯示，最初的一批星系和類星體誕生于大爆炸后10 億年，從那以后更大的結(jié)構(gòu)（如星系團(tuán)和超星系團(tuán)）開始形成。再后來，星系進(jìn)一步凝聚成億萬顆恒星。在恒星演化過程中，又形成了行星和行星系統(tǒng)。
以上我們對宇宙的演化史做了一個(gè)概略的介紹，其中一些具體的數(shù)據(jù)尚有爭議，但大致的過程基本上已取得廣泛的共識，目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也基本上是支持上述理論假說的。但是，宇宙學(xué)還在發(fā)展之中，未來人們會對此模型進(jìn)行如何修正就很難說了。
21.5 恒星的演化
由熾熱氣體組成的、憑借內(nèi)部核反應(yīng)而能夠自己發(fā)光的天體稱為恒星。銀河系就包含約2000 億顆恒星，太陽只是其中的普通一員。
恒星有其誕生、穩(wěn)定和衰亡的演化過程，這一過程大約要持續(xù)幾十億甚至上百億年。在恒星的形成和演化中，萬有引力起著至關(guān)重要的作用。
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大爆炸后約10 億年，宇宙中充滿了以氫原子和氦原子組成的星際氣體。星際氣體透明、極度稀薄，在宇宙大尺度范圍內(nèi)基本均勻，然而也存在一些局部區(qū)域的密度漲落。如果某區(qū)域的氣體密度稍高于周圍其他區(qū)域，那么這一區(qū)域就會因引力稍強(qiáng)而吸引更多的物質(zhì)到這里，使該區(qū)域的密度、溫度變得更高一些。經(jīng)過漫長歲月的演化，隨著密度的增加，氫原子結(jié)合成H2 分子，產(chǎn)生出巨大的星際分子云。
當(dāng)星際分子云內(nèi)部出現(xiàn)密度更高的部分時(shí)，在引力作用下，它會把周圍物質(zhì)吸引過來，這些物質(zhì)旋轉(zhuǎn)著向中心聚集，不斷收縮，于是中心出現(xiàn)了一個(gè)核，核周圍則形成旋轉(zhuǎn)的氣體圓盤。至此，一顆恒星的誕生條件已經(jīng)具備。隨著引力收縮的進(jìn)行，核心的溫度、壓力、密度持續(xù)增高，H2 分子重新分解為氫原子。當(dāng)核心溫度達(dá)到1×10^7℃（1000 萬攝氏度）時(shí)，氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)點(diǎn)燃，一顆耀眼的恒星自此誕生。
恒星自誕生起，其中心就進(jìn)行著熊熊的氫聚變反應(yīng)，每4 個(gè)氫原子核（即質(zhì)子）聚變成一個(gè)氦原子核。氫聚變反應(yīng)放出的巨大核能向恒星外部猛烈沖擊，阻止了引力收縮，從而維持了內(nèi)部壓力與引力的平衡，使恒星在這一過程中保持穩(wěn)定。這一過程穩(wěn)定而漫長，約占恒星整個(gè)核燃燒時(shí)長的99%，這一階段的恒星被稱為主序星。我們的太陽就處于主序星階段，它每秒鐘都會失去4.3×10^6t（430 萬噸）的質(zhì)量（6 億噸氫聚變?yōu)?.957 億噸氦），即便如此，它也至少可以燃燒100 億年。今天的太陽已走過了其生命歷程的一半。
當(dāng)恒星中心的氫全部聚變?yōu)楹ず螅笮〔煌暮阈墙酉聛頃刂煌姆较蜓莼?/p>
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（1）質(zhì)量比太陽質(zhì)量的一半還小的恒星，由于中心溫度和密度達(dá)不206 從量子到宇宙到點(diǎn)燃氦聚變反應(yīng)的程度，將直接由主序星演化為白矮星。白矮星顏色呈白色，體積很小，多數(shù)比地球還小，但密度相當(dāng)大，每立方米可達(dá)幾百萬噸到上億噸之巨。
（2）質(zhì)量比太陽的一半大、但比8 個(gè)太陽質(zhì)量小的恒星，將由主序星首先演化為紅巨星，然后演化為白矮星。
這類恒星中心的氫全部聚變?yōu)楹ず螅行哪芰縿p，輻射壓力不足以與引力抗衡。因此，有著氦核和氫外殼的恒星中心又開始引力收縮，溫度、壓強(qiáng)、密度隨之升高，于是外殼的氫被點(diǎn)燃并猛烈膨脹，恒星的體積變得十分巨大并發(fā)出明亮的紅光。處于這種狀態(tài)的恒星被稱為紅巨星。50 億年后，太陽將變?yōu)榧t巨星，到那時(shí)，它的光亮度將增至如今的100 倍，體積會膨脹100 萬倍以上，整個(gè)地球都會被膨脹的太陽所吞噬。當(dāng)恒星中心區(qū)收縮到約1 億攝氏度的高溫時(shí)，中心的氦被點(diǎn)燃，發(fā)生氦聚變反應(yīng)，氦原子會聚變成碳原子和氧原子：
于是恒星又進(jìn)入了一個(gè)新的核燃燒階段。
質(zhì)量小于8 個(gè)太陽質(zhì)量的恒星在經(jīng)歷了紅巨星階段后，外層物質(zhì)被大量拋灑到宇宙中形成星云，留下的核心質(zhì)量小于1.44 倍太陽質(zhì)量，此核心會繼續(xù)收縮，但它的引力還不足以引發(fā)碳元素的核聚變，所以最后會變成一顆碳?氧型白矮星。
（3）對于大于8 個(gè)太陽質(zhì)量的恒星，在經(jīng)歷紅巨星階段后會發(fā)生超新星爆發(fā)，把大部分物質(zhì)拋灑到太空，最后剩下的核心變?yōu)橹凶有腔蚝诙础?/p>
如果恒星質(zhì)量足夠大，氦燃盡后，引力收縮又會使中心區(qū)的碳被點(diǎn)燃發(fā)生碳聚變，生成氧、氖、鈉、鎂、硅等較重元素。如此，新的核燃燒會一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)行：碳之后，氧燃燒，然后是硅、鎂等，直到恒星中心區(qū)大部分是鐵核時(shí)，核聚變反應(yīng)終止。鐵是核物質(zhì)中最穩(wěn)定的元素，它不會聚變，因此中心鐵核不再產(chǎn)生熱能，這樣，恒星會因?yàn)楹诵氖ブ味鴺O速坍縮，于是發(fā)生劇烈的核爆炸，稱為超新星爆發(fā)。
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超新星爆發(fā)是宇宙中最劇烈的爆炸，大恒星這種炫麗的死亡方式所釋放的能量超過太陽在100 億年中放出的能量總和的100 倍。如此巨大的能量會在一瞬間聚變出宇宙中所有的元素，這些元素就成為生命誕生的原材料。超新星爆炸噴發(fā)出的星塵在宇宙中飄蕩，我們的星球和我們的身體都由這些星塵組成?？梢哉f，生命產(chǎn)生的代價(jià)是昂貴的，它需要一顆大恒星壯烈的犧牲。
超新星爆發(fā)后恒星的中心殘骸質(zhì)量大于1.44 倍太陽質(zhì)量，巨大的壓力會把電子擠壓到原子核里與質(zhì)子形成中子。最后形成的穩(wěn)定天體就是中子星。中子星幾乎就是把中子一個(gè)個(gè)緊挨著排列而成的巨大原子核。中子星的密度可達(dá)每立方厘米1×10^9t（10 億噸）。中子星的質(zhì)量上限為3.2 倍太陽質(zhì)量。
如果超新星爆發(fā)后恒星的中心殘骸質(zhì)量大于3.2 倍太陽質(zhì)量，那么中子也無法抵擋引力坍縮，這時(shí)天體就會坍縮為黑洞。之所以稱為黑洞是因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)和輻射，包括光，在如此強(qiáng)大的引力作用下都不能逃離該天體，外部觀測者無法觀測到它。
以上就是恒星的生命過程，壯麗而多變。恒星的能量來自核能，但宇宙中還有一種叫類星體的類似恒星的天體，其輻射功率（光度）可達(dá)恒星的10^10~10^15 倍，而且其輻射功率可以在一天之內(nèi)增加一倍，其能量顯然不可能來自核能。它們的能量到底從何而來，至今仍是個(gè)謎。
21.6 暗物質(zhì)與暗能量之謎
1932 年，荷蘭天文學(xué)家瓊·奧爾特研究了銀河系外緣星體所受的萬有引力，他驚訝地發(fā)現(xiàn)，這些星體受到的引力與比我們能看到的發(fā)光星體所產(chǎn)生的引力大得多。他據(jù)此估算了銀河系的總質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)這個(gè)質(zhì)量大于可見星體總質(zhì)量的兩倍。
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當(dāng)時(shí)人們對宇宙的研究還處于初級階段，沒有人重視這個(gè)發(fā)現(xiàn)。一晃幾十年過去了。
到了20 世紀(jì)60 年代，美國女天文學(xué)家薇拉·魯賓等人在觀測螺旋星系轉(zhuǎn)速時(shí)，又發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象。按正常情況，離星系中心越遠(yuǎn)，受到的引力越弱，所以星系外緣的星體運(yùn)動速度應(yīng)該隨距離增加而越來越小。
但結(jié)果卻令人吃驚，處于不同距離的外緣星體運(yùn)動速度基本一致，基本不受距離影響。也就是說，有別的看不到的東西在吸引著它們，補(bǔ)足了引力強(qiáng)度。于是他們只能得出這樣的結(jié)論：螺旋星系中大部分物質(zhì)都是彌散開、看不見的，除了顯露出它們的質(zhì)量影響之外，別的什么也沒有顯露出來。
1983 年，人們發(fā)現(xiàn)距銀河系中心20 萬光年的一個(gè)星體，它的視向速度大于465km/s。根據(jù)天體物理學(xué)理論，產(chǎn)生這樣高的速度只有在銀河系總質(zhì)量十倍于可見物質(zhì)時(shí)才有可能。
這些現(xiàn)象都表明：宇宙中的確存在暗物質(zhì)。所謂暗物質(zhì)，是指無法通過電磁波的觀測進(jìn)行研究，也就是不與電磁力產(chǎn)生作用的物質(zhì)。暗物質(zhì)自己不發(fā)光，別的光線也能直接穿過它，不與它產(chǎn)生任何作用，所以看起來空無一物，但它就在那里。人們目前只能通過引力效應(yīng)判斷宇宙中暗物質(zhì)的分布。
2006 年，美國天文學(xué)家無意間觀測到星系碰撞的過程。星系團(tuán)碰撞威力之猛，使得暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。
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雖然人們已經(jīng)對暗物質(zhì)作了許多天文觀測，但其組成成分至今仍是個(gè)謎。讓人們無奈的是，暗物質(zhì)的謎團(tuán)還沒解開，另一個(gè)更大的謎團(tuán)又出現(xiàn)了——暗能量。
1998 年，美國的天文學(xué)家們利用遙遠(yuǎn)星系中的超新星來進(jìn)行距離測量，從而追溯宇宙隨時(shí)間的膨脹情況。這些超新星距離我們都在幾十到上百億光年遠(yuǎn)，所以它們實(shí)際上都是在幾十到上百億年前爆發(fā)的，這樣可以利用它們來研究宇宙早期的情況。觀測的結(jié)果是：超新星的星系距離比按哈勃定律計(jì)算的星系距離大，那些遙遠(yuǎn)的星系正在以越來越快的速度遠(yuǎn)離我們，這意味著我們的宇宙正在加速膨脹！
宇宙膨脹在加速是個(gè)極其令人驚訝的結(jié)果，它與宇宙學(xué)家們原先所預(yù)測的宇宙在減速的圖像完全相反。因?yàn)槿f有引力的吸引特性意味著，任何有質(zhì)量物體的集合在分散開的時(shí)候，其向外膨脹的速度必然會因?yàn)槲镔|(zhì)之間的引力作用而越來越小。所以，人們本以為宇宙膨脹是在踩剎車的，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)它卻是在踩油門。這實(shí)在是太出人意料了，從根本上動搖了人們對宇宙的傳統(tǒng)理解。到底是什么樣的力量在推動宇宙加速膨脹呢？這種力表現(xiàn)為與引力相反的排斥力，它能超越引力作用而使宇宙加速膨脹，這不可能是任何一個(gè)已知的力，所以人們將導(dǎo)致這種力的能量命名為“暗能量”。
盡管暗能量與暗物質(zhì)都有著神秘的身份，但它們是不同的。暗物質(zhì)和普通物質(zhì)一樣有著相同的萬有引力作用，而暗能量則剛好相反，它是一種“反引力”，會產(chǎn)生向外的加速度。科學(xué)家們對暗物質(zhì)的組成都摸不著頭腦，對暗能量更是只能望而興嘆了。雖然提出了一些模型，但都沒有得到證實(shí)與公認(rèn)。
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2002 年，天文學(xué)家們獲得了宇宙中大部分能量是以神秘“暗能量”形式存在的新證據(jù)，這是通過對遙遠(yuǎn)的類星體進(jìn)行長期觀測而得出的。研究結(jié)果顯示，約2/3 的宇宙能量由暗能量組成。
目前最新的數(shù)據(jù)顯示，在整個(gè)宇宙的質(zhì)量構(gòu)成中，我們常說的可見物質(zhì)只占4.9%，暗物質(zhì)占26.8%，還有68.3% 是暗能量（質(zhì)能等價(jià)）。雖然看上去我們對宇宙已經(jīng)了解了很多，但實(shí)際上人類對宇宙的認(rèn)識還處于起步階段，暗物質(zhì)、暗能量、類星體等未解之謎預(yù)示著人類在宇宙探索的道路上還有很長很長的路要走。
21.7 時(shí)空的顫抖：引力波
1887 年，在麥克斯韋做出存在電磁波的預(yù)言近二十年后，赫茲在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了電磁波。現(xiàn)在，有關(guān)電磁波的應(yīng)用已經(jīng)融入人們生活的各個(gè)角落。人們已經(jīng)知道，電磁場的傳播，也就是電磁波的產(chǎn)生是由電荷的加速運(yùn)動導(dǎo)致的，電荷無論具有直線加速度還是向心加速度，都會產(chǎn)生電磁波。
像麥克斯韋一樣，愛因斯坦也做出了關(guān)于另一種波的預(yù)言。1918 年，廣義相對論發(fā)表兩年后，愛因斯坦注意到，廣義相對論方程式中存在著這樣的解：當(dāng)物體作加速運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生一種波——引力波，它隨著時(shí)空自身的波動而傳播。愛因斯坦指出：引力場也會像電磁場存在電磁波那樣以波動的形式離開場源傳播下去。
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根據(jù)廣義相對論推導(dǎo)得知，引力波與電磁波既有相似之處，又有不同之處。引力波同電磁波一樣，以光速傳播；電磁波是由交變的電場和磁場組合而成，引力波也是一種交變的場，但這種場是時(shí)間曲率和空間曲率的起伏，代表著時(shí)間和空間的形變；引力波與電磁波都是橫波，即波的振動方向與傳播方向垂直；但是，電磁波是矢量波，而引力波是張量波，具有極強(qiáng)的穿透力。
矢量波和張量波都是專業(yè)術(shù)語，我們無須深究，只要通過圖21-4 就能觀察到它們的不同。從圖中可以看到，電磁波中的電場和磁場方向是固定的，而在引力波中，交變場的方向隨著波的前進(jìn)在連續(xù)地變化著的，看起來像一個(gè)電鉆的鉆頭，是一種螺旋狀的波。
引力波代表的是時(shí)空的振動，要知道，時(shí)空的堅(jiān)硬程度是超乎想象的，所以其振動是相當(dāng)微弱的。愛因斯坦曾經(jīng)做過一個(gè)估算：
取長度為1m 的棒，令其以最大的可能速度作旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的引力波功率是10^?37W。這個(gè)功率小得可憐，假設(shè)一只螞蟻沿著墻向上爬行，其所用的能量都能達(dá)到10?7W。引力波如此微弱，以至于愛因斯坦曾認(rèn)為引力波可能永遠(yuǎn)都不會被探測到，他甚至兩次宣布引力波不存在，然后一次再一次地修正他自己的預(yù)測。
隨著時(shí)間的推移，人們對天體認(rèn)識得越來越豐富，科學(xué)家們意識到某些天體的運(yùn)動會產(chǎn)生極強(qiáng)的引力波，比如超新星爆發(fā)、雙脈沖星體系的運(yùn)動，以及黑洞的碰撞等。
黑洞的質(zhì)量可以達(dá)到10 ～ 109 個(gè)太陽的質(zhì)量，這樣巨大質(zhì)量的物質(zhì)坍縮將產(chǎn)生極強(qiáng)的引力波。對于離得較近的兩個(gè)黑洞，它們在長久的軌道運(yùn)行中會慢慢地螺旋著彼此靠近。由于黑洞的逃逸速度等于光速，兩個(gè)黑洞最終將以極高的速度碰撞并合并在一起。當(dāng)它們碰撞時(shí)，其所產(chǎn)生的引力波的能量可達(dá)到10^52W 的水平，但這個(gè)能量水平無法持久，只能維持1ms 左右。這里出現(xiàn)的問題是：兩個(gè)黑洞碰撞形成的引力波是以爆發(fā)的形式出現(xiàn)，而不是一種有規(guī)律的周期振蕩，所以它什么時(shí)候能傳遞到地球上并被我們探測到，只能靠運(yùn)氣了。
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