1.3 宇宙大爆炸理论

　　第一章 宇宙的起源

　　1.3 宇宙大爆炸理论

　　目前学术界影响较大的“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的，他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里，在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成了今天的宇宙。 宏观宇宙是相对无限延伸的。

　　“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个点，而它周围却是一片空白，即将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测。

　　大爆炸宇宙论

　　现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。该理论的创始人之一是伽莫夫。他认为：我们所观测到的宇宙始于150亿年以前的一次大爆炸。

　　1932年勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸理论，1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论，认为宇宙由大约200亿年前发生的一次大爆炸形成的。

　　爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们现在所看到的宇宙。

　　从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：

　　大爆炸开始时 约137亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。

　　大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。

　　大爆炸后10^-43秒宇宙从量子背景出现。

　　大爆炸后10^-35秒 引力分离，夸克、玻色子、轻子形成。

　　大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。

　　大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。

　　大爆炸后5-10秒 10亿度，质子和中子形成。

　　大爆炸后13.8秒后 30亿度，氢、氦类稳定原子核（化学元素）形成。

　　大爆炸后35分钟后 3亿度，原初核反应过程停止，尚不能形成中性原子。

　　大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

　　根据大爆炸的观点，现在分布在广袤的宇宙空间里的物质是在大爆炸后最初的几千分之几秒中合成的。在宇宙开始的最早阶段，温度极高，只有过热的等离子体，原子是不存在的，因为热噪声阻止电子与原子核结合。

　　随后，当等离子体冷却后，电子便开始围绕原子核旋转并出现原子气体。这时，星系在等离子体中凝结起来，星球则在星系中凝结起来。随着进一步的冷却，各种原子形成分子。再进一步的冷却又形成了复杂的分子，使物质从气态转变成液态，然后进一步转变成我们所熟悉的固态结晶体。

　　根据主流理论，今天的宇宙大约有150亿年历史（尽管也可能只有80亿年到70亿年），它的平均温度小于2.7k，我们的太阳是我们银河系中2000多亿个星星中的一个，而我们的银河系又是许多星系中的一个，在银河系之外大约有1000多亿个这样的星系，其中有些大得惊人。

　　就我们所知，今天的宇宙就是以上这样的。但是明天它将会怎样……在很远的将来又会怎样呢？对这个问题可以有各种不同的回答。

　　宇宙可能是开放的（宇宙空间在无限地膨胀）；

　　也可能是封闭的（在最后一次大毁灭中收缩）；

　　或者可能处于某种稳定的状态。在膨胀和收缩的边缘上处于平衡。

　　如果它是扁平的，它将达到某种稳定的状态，向外拉的最初爆炸的惯性力正好被向内拉的万有引力所平衡，它将永远停留在这种状态下。

　　因此，一个扁平的宇宙尽管在空间上是有限的（它有一个空间的边界，越过这个边界就不会膨胀），但是时间上是无限的。不过如果宇宙是开放的，膨胀的力将使星系物质在空间中越来越分散；开放宇宙在空间和时间上都是无限的。

　　但是，如果万有引力超过膨胀力，那么宇宙就是封闭的，因而它将停止膨胀（也许在大爆后1万亿年左右），然后以更大的速度开始收缩。它将在大约2万亿年的时间范围内的大毁灭中坍缩到原来的样子。因此，封闭的宇宙在空间和时间上都是有限的。

　　现在我们还不知道宇宙是开放的、封闭的，还是扁平的，这取决于宇宙空间究竟有多少物质。

　　但是就物质和生命的最终命运而言，这种不同并无重大意义。无论如何，宇宙进化的建构阶段不可能无限地延续下去；宇宙的进化迟早必定会逆转到退化。这种逆转将在不同的地方和不同的时间来到，但一旦开始，它就是不可逆转的，宇宙中的所有物质最终都将退化并消失。

　　宇宙的宏观结构（恒星，恒星系，银河系和星云）也将同样衰亡。宇宙衰亡的过程从本质上说可以表述如下：

　　从现在开始的大约1万亿年里不再有恒星形成。现存的恒星已经把它们的氢变成氦，它是超密的但仍然发光的白矮星状态的主要燃料。后来氦也耗尽了，星系变成了红色。当它们的恒星进一步冷却，星系就逐渐变得完全看不见了。

　　当恒星在星系中通过引力辐射失去能量时，它们便相互靠近，它们之间的碰撞机会大大增加，碰撞的发生突然把一些恒星推向星系中心并把其它恒星推向星系外的空间。结果，星系本身的体积缩小了。星云也在缩小。

　　最后星系和星云向内爆炸而成为黑洞。

　　大爆炸宇宙学不同于大多数历史概念，因为它强调，在大爆炸之前和大毁灭之后（或者说在最后一些星云大小的黑洞蒸发掉之后）是什么是未知，而且在本质上是不可知的。“不要问那个”，宇宙学家说，“这个问题毫无意义” 。

　　流行的宇宙学能够回答许多有关自然宇宙的本质和命运的问题，但是不能回答所有的问题。然而，它的限度可能是武断的：大爆炸理论本身并不是最终的答案。这种理论本身不仅不能圆满解答某些重大问题，而且不能圆满解答许多观察上的问题。

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