1、我們從哪里來？宇宙是什么樣的？這自有人類以來的永恒疑問。從托勒密的地心說到哥白尼的日心說，再到十七世紀(jì)，開普勒、胡克等人繼續(xù)為太陽系勾勒大概 的輪廓。最終偉大的牛頓建立了完美的經(jīng)典力學(xué)大廈。 但是用牛頓力學(xué)解釋宇宙 有個致命的疑問，如果萬有引力是正確的，為什么星系不會因為萬有引力聚攏到 一起？要解決這個問題，要從哈勃的發(fā)現(xiàn)說起。光是一種電磁波，根據(jù)多普勒效應(yīng)，恒星如果向地球而來，則光頻上升，光 波長向短波移動，稱為藍(lán)移。若恒星遠(yuǎn)離地球而去，則光頻下降，光波長向長波 移動，稱為紅移。如果宇宙是穩(wěn)定的，遠(yuǎn)離我們的恒星數(shù)目和向我們而來的恒星 數(shù)目應(yīng)該差不多。結(jié)果哈勃的觀測表明，絕大多數(shù)恒星都發(fā)生紅移

2、，而且距離越 遠(yuǎn)的恒星遠(yuǎn)離的速度越快。這個發(fā)現(xiàn)非同小可，似乎暗示地球又成了宇宙的中心 了，其實不然。打個比方，就像氣球上任意兩個點，吹氣球時，隨著氣球的膨脹， 氣球上任意兩個點間的距離會迅速拉大， 但氣球上任意一點都不是中心。所以結(jié) 論是：我們的宇宙正在膨。如果宇宙現(xiàn)在正在膨脹，那么沿時間回溯，以前宇宙 肯定比現(xiàn)在小，則肯定有那么一個時刻，宇宙中所有東西都聚集在一起，宇宙必 然有個起點！根據(jù)霍金的宇宙理論，宇宙是在一次大爆炸中產(chǎn)生的。 大爆炸開始時，宇宙體積被認(rèn)為是 零，所以是無限熱。但是，輻射的溫度隨著宇宙的膨脹而降低。宇宙誕生1微秒后，隨宇宙膨脹，溫度下降到1萬億度，光開始轉(zhuǎn)化成最基本的物

3、質(zhì)，如電子正電子中 子質(zhì)子中微子等。大爆炸后的1秒鐘，溫度降低到約為 100億度。此刻宇宙主要包含光 子、電子和中微子和它們的反粒子，還有一些質(zhì)子和中子。在大爆炸后的大約 100秒，溫度降到了 10億度，也即最熱的恒星內(nèi)部的溫度。 在此溫度 下，質(zhì)子和中子不再有足夠的能量逃脫強核力的吸引，所以開始結(jié)合產(chǎn)生氘（重氫）的原子核。然后，氘核和更多的質(zhì)子中子相結(jié)合形成氦核， 還產(chǎn)生了少量的兩種更重的元素鋰和鈹。大爆炸后的幾個鐘頭之內(nèi)，氦和其他元素的產(chǎn)生就停止了。之后的100萬年左右，宇宙僅僅只是繼續(xù)膨脹， 沒有發(fā)生什么事。最后， 一旦溫度降低到幾千度，電子和核子不再有足夠能量去抵抗它們之間的電磁吸引力

4、，它們就開始結(jié)合形成原子。宇宙作為整體，繼續(xù)膨脹變冷，但在一個略比平均更密集的區(qū)域，膨脹就會由于額外的引力吸引而慢下來。在一些區(qū)域膨脹會最終停止并開始坍縮。當(dāng)它們坍縮時，在這些區(qū)域外的物體的引力拉力使它們開始很慢地旋轉(zhuǎn)；當(dāng)坍縮的區(qū)域變得更小， 它會自轉(zhuǎn)得更快 一一正如在冰上自轉(zhuǎn)的滑冰者， 縮回 手臂時會自轉(zhuǎn)得更快；最終，當(dāng)這些區(qū)域變得足夠小，自轉(zhuǎn)的速度就足以平衡引力的吸引， 碟狀的旋轉(zhuǎn)星系就以這種方式誕生了。另外一些區(qū)域剛好沒有得到旋轉(zhuǎn)，就形成了叫做橢圓星系的橢球狀物體。隨著時間流逝，星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星云，它們在自身引力下坍縮。 當(dāng)它們收縮時，其中的原子相碰撞，氣體溫度升高，直

5、到最后，熱得足以開始熱驟變反應(yīng)。這些 反應(yīng)將更多的氫轉(zhuǎn)變成氦，釋放出的熱升高了壓力，因此使星云不再繼續(xù)收縮。它們會穩(wěn)定 地在這種狀態(tài)下停留一段很長的時間，直至它們將氫用光；然后，它們會稍微收縮一點。當(dāng)它們進(jìn)一步變熱，就開始將氦轉(zhuǎn)變成像碳和氧這樣更重的元素。一些恒星接近生命終點時產(chǎn)生的重元素就拋回到星系里的氣體中去，為下一代恒星提供一些原料。大部分氣體形成了恒星或者噴到外面去，但是少量的重元素集聚在一起，形成了像我們的地球這樣的、現(xiàn)在繞 太陽公轉(zhuǎn)的物體。于是我們的地球便產(chǎn)生了。四、大爆炸理論及其反對者大爆炸的猜想正式登臺。這個起點，人們猜想宇宙起始于一個非常小的點（奇點）， 并在一次驚天動地的大

6、爆炸中誕生， 之后一直膨脹至今。有人肯定要問，那宇宙 誕生之前有什么？宇宙之外有什么呢？大爆炸理論認(rèn)為，這種問法是錯誤的。按照愛因斯坦的相對論，時間和空間是合為一體的四維時空， 則大爆炸的奇異點既 是空間的起始點，又是時間的起始點。宇宙包含一切，沒有宇宙之前，也沒有宇 宙之外。從星系退行的速度和星系間的距離可以反推宇宙的年齡，現(xiàn)在的看法， 宇宙年齡大概為140億年左右。任何新理論的出現(xiàn)都要遭到保守者的反對，也只有經(jīng)受這些考驗，一個科學(xué)理論 才能走向成熟。大爆炸理論也不例外，它提出之初，就不斷遭到多數(shù)物理學(xué)家的 反對，認(rèn)為太違背永恒宇宙的信仰。相反大爆炸理論受到羅馬教廷的歡迎， 認(rèn)為 是上帝創(chuàng)造

7、世界的間接證明。愛因斯坦也是穩(wěn)恒宇宙的支持者，他為了得出了一 個符合廣義相對論的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，不惜假設(shè)了一個宇宙常數(shù)產(chǎn)生斥力以抵消 引力的影響。這個憑空假設(shè)的宇宙常數(shù)使整個理論顯得可疑。很多年后，當(dāng)大爆 炸理論最終被大家接受時，愛因斯坦稱這個假設(shè)是他一生中犯的最大錯誤。穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論另一個無法解釋的問題是， 夜空為什么這么黑？什么意思呢，如 果宇宙永恒存在，按照目前觀察到的恒星分布的密度，夜晚的星光應(yīng)該很亮很密 集，夜空將亮如白晝，而實際上我們只看到稀疏的星光。 有人反駁說遠(yuǎn)處星星的 光在傳播途中被星際塵埃吸收了， 但如果宇宙永恒存在，經(jīng)過足夠長的時間，塵 ?？倳患訜岬阶銐驘幔矔l(fā)光，天

8、空應(yīng)該還是很亮。大爆炸理論解釋說，由 于宇宙膨脹得很快，恒星年齡也有限，目前遠(yuǎn)處恒星的光線還沒來得及傳到地球 上，所以我們看不到太多的星星。另一位穩(wěn)恒宇宙的支持者質(zhì)霍伊爾質(zhì)疑大爆炸理論無法解釋構(gòu)成我們宇宙的各 種元素是如何形成的，他提出了一個恒星爐模型。在這個模型中恒星是個大氫氣 球，在萬有引力作用下，氫氣聚集成恒星，恒星中心高溫高壓，氫原子在這里發(fā) 生核聚變反應(yīng)生成氦，反應(yīng)產(chǎn)生的壓力正好抵抗外有引力，產(chǎn)生的熱使恒星發(fā)光。 在恒星老年，氦元素繼續(xù)聚變成氮、氧、硫，最終合成鐵。當(dāng)核聚變?nèi)剂蠠陼r， 質(zhì)量較小的恒星會先膨脹成一顆紅巨星， 再變成一顆黯淡的白矮星，主要由碳和 氧構(gòu)成，依靠電子簡并壓來

9、抵抗萬有引力。而超過錢德拉塞卡極限（約1.38倍太陽質(zhì)量）的恒星會死于一場劇烈爆炸，亮度急劇上升（太陽亮度的50億倍）， 此時的恒星稱為 超新星”名字叫新星，其實是垂死的掙扎。根據(jù)史書記載，公 元185年，中國人觀察到半人馬座超新星爆發(fā)， 亮度超過金星（后漢書：客 星出南門中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消”），369年又發(fā)現(xiàn)仙后座超新星爆發(fā)，亮度超過木星，其后又分別在 1006 （宋史：景德三年四 月戊寅，周伯星見，出氐南，騎官西一度，狀如半月，有芒角，煌煌然可以鑒物， 歷庫樓東”、1054 （宋會要：至和元年五月己酉，出天關(guān)東南可數(shù)寸，歲 余稍沒。”和1604年觀察到豺狼座、金牛座

10、和蛇夫座超新星爆發(fā)。恒星死亡時，將這些核聚變合成元素噴發(fā)出來，再經(jīng)過凝結(jié)形成新的恒星或行星。 地球也是在恒星爐中鍛造出來的，我們身上每個原子，都曾經(jīng)是某顆恒星的一部 分。行星被別的恒星俘獲，構(gòu)成了包括我們太陽系在內(nèi)的星系。 超新星的結(jié)局為 中子星或黑洞。由于萬有引力的壓力太大，超新星在短暫的爆發(fā)后朝中心 坍塌” 連電子都被擠壓到原子核中，電子與質(zhì)子中和變成中子，整個星體變成一個挨一 個的中子形成的中子星，其密度如此大，一調(diào)羹這種物質(zhì)就比地球總質(zhì)量大好多 倍。某些中子星由于自傳和復(fù)雜的磁場作用， 會周期性輻射高能射線脈沖，又稱 為脈沖星。恒星爐模型非常好的解釋了構(gòu)成行星的各種元素的由來，但沒法解

11、釋形成恒星的氫是如何來的，而且按照這個理論的計算，宇宙中恒星爐產(chǎn)生的元素氦的豐度（就 是所占總物質(zhì)的比例）沒有實際上觀察到的那么大?；粢翣栍旨僭O(shè)氫是持續(xù)不斷 的從宇宙中創(chuàng)造出來的，這個憑空的假設(shè)和愛因斯坦的宇宙常數(shù)一樣缺乏依據(jù)。 而大爆炸理論認(rèn)為，氫和氦都是在宇宙誕生后極短時間內(nèi)被制造出來的。圣經(jīng)創(chuàng)世紀(jì)中說 上帝說要有光，于是便有了光”按照大爆炸理論，宇宙誕生 之初，沒有物質(zhì)，只有以輻射形式存在的能量。在宇宙早期極高的能量密度下， 愛因斯坦著名的質(zhì)能方程（E=mc2，原子彈和氫彈就是一丁點物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量 的結(jié)果）使得能量與物質(zhì)間維持持續(xù)不斷的相互轉(zhuǎn)化，達(dá)到一種熱平衡，光子與 核子間的比例約為1

12、0億比1。而且高溫下物質(zhì)也表現(xiàn)得極像輻射，可以認(rèn)為宇 宙此時是一鍋炙熱的宇宙湯。具體來說，宇宙誕生 1微秒后，隨宇宙膨脹，溫度 下降到1萬億度，光開始轉(zhuǎn)化成最基本的物質(zhì)，如電子正電子中子質(zhì)子中微子等。 3分鐘后，溫度下降到1千萬度左右，這時基本粒子開始結(jié)合形成最基本的原子 核氫、氦以及少量的鋰，宇宙的基本成分從此固定了。但直到約38萬年之后，宇宙溫度變成1萬度時，原子核才能和電子結(jié)合形成原子。 再往后，它們隨宇宙 膨脹而分散，但相鄰的星云又在引力作用下聚集、 凝結(jié)成恒星，大約在宇宙誕生 后10億年，宇宙中第一個星系形成，此時溫度已經(jīng)下降到零下200度。150億年后的今天，溫度約零下270度，我

13、們的太陽是第二或第三代恒星了。在這一 f 模型下計算得到元素氦的豐度正和我們今天的觀測相符，從而霍伊爾的恒星爐理 論反過來進(jìn)一步支持了大爆炸理論。恒星爐模型還有更深刻的意義，在研究恒星演化過程中，彭羅斯發(fā)現(xiàn)約數(shù)倍于太 陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星不可避免的要崩塌到一個奇點上去形成所謂的黑洞，將此過程的發(fā)生順序反過來就是一種爆炸。霍金將彭羅斯的結(jié)果應(yīng)用在宇宙上，發(fā)現(xiàn)在 廣義相對論下，宇宙必然誕生于一次唯一的奇點大爆炸。這樣宇宙大爆炸理論終 于接近完善了。單單黑洞這個話題就值得開個專題來講。黑洞，顧名思義，就是 某種不可見的空洞，最主要的性質(zhì)是其引力如此之大，以至于光線都無法從中逃 脫，空間彎曲為一個閉合曲

14、面。在黑洞中一切已知的物理定律都失效， 我們所能 觀察到的實際上是不可觀察的事件的集合的邊界，即黑洞的視界。黑洞無毛”一切物質(zhì)落入黑洞之后就喪失原有的信息，黑洞僅攜帶面積、質(zhì)量、溫度、自轉(zhuǎn) 等少數(shù)幾個可觀測量，這似乎違反熱力學(xué)第二定律 一一孤立系統(tǒng)熵增原理。然而 黑洞有溫度和熵，即也有輻射，以一種奇怪的方式遵從熱力學(xué)第二定律， 黑洞并 非那么黑的。物質(zhì)被吸入黑洞過程中被加速及加熱， 產(chǎn)生強烈輻射，以高能輻射 噴流形式從黑洞轉(zhuǎn)軸方向噴射出來，據(jù)信可產(chǎn)生可觀測的伽瑪射線。即使黑洞附 近空無一物，黑洞視界附近也會偶然產(chǎn)生虛實粒子對，具有負(fù)能量的粒子被黑洞吸收，正能量粒子逃離，從而使黑洞來起來有輻射，

15、并損失能量。黑洞蒸發(fā)速度 或輻射功率隨質(zhì)量的增大而減小。 大型黑洞質(zhì)量可有太陽的一億倍，溫度甚至比 宇宙微波背景輻射還低，故其蒸發(fā)小于吸收。銀河系中心被懷疑存在這樣的巨型 黑洞，否則無法解釋銀河系本身自轉(zhuǎn)的速度為什么這么大。事實上，科學(xué)家甚至估計宇宙中黑洞的數(shù)量比恒星還多。某些微型黑洞可能產(chǎn)生于宇宙大爆炸初期偶 然的高溫高壓環(huán)境下，稱為 太初黑洞”它有很強的輻射，實際上是白熱的。最 小的微型黑洞可能比原子還小。而一些中等大小的太初黑洞可能殘存到現(xiàn)在， 并 有可能通過伽瑪射線輻射觀察到。五、大爆炸的證據(jù)一一宇宙微波背景輻射經(jīng)過多個回合的較量，大爆炸理論逐漸占了上風(fēng)，然而還缺乏更直接的證據(jù)，物 理

16、不是宗教，需要切實的證明。前蘇聯(lián)物理學(xué)家伽莫夫（曾寫過廣受歡迎的相對 論及量子論科普讀物物理世界奇遇記）相信，宇宙創(chuàng)生之初產(chǎn)生大量輻射， 很多輻射轉(zhuǎn)化成了物質(zhì)，但應(yīng)該還有些輻射殘存下來，而且應(yīng)該充斥整個宇宙空 間，像是宇宙的背景一樣。如果能觀察到這種輻射，就可有力的證明大爆炸理論 的正確性。由于宇宙的膨脹，這些大爆炸產(chǎn)生的背景輻射要在今天觀察到， 其波 長應(yīng)強烈的紅移到微波波段，溫度冷卻到約 3K。美國兩位科學(xué)家彭齊亞斯和威 爾遜在調(diào)試貝爾實驗室的微波衛(wèi)星通訊裝置時無意中發(fā)現(xiàn)了這個輻射，大爆炸理論由此得到多數(shù)宇宙學(xué)家的認(rèn)同。好，如果宇宙是在某次大爆炸中形成的，那最初所有物質(zhì)應(yīng)該在空間中均勻分布

17、 著。那么隨著宇宙膨脹，宇宙中物質(zhì)的分布應(yīng)該也是很均勻才對，但為什么我們 看到的宇宙這么不均勻呢？有的地方星系密集， 有的地方空空如也。哈勃太空望 遠(yuǎn)鏡繪制出的宇宙圖像進(jìn)一步表明，宇宙存在著許多大尺度結(jié)構(gòu)。星系的分布并 非均勻，有長河和巨洞。有些地方，上百萬個星系聚集到一起形成巨大的星系團。這種大尺度的不均勻性是哪里來的？大爆炸理論引入量子機制解釋這一問題。量子力學(xué)中一個基本規(guī)律是不確定性原理，物質(zhì)的位置和速度不能同時精確測定， 具有一定的隨機漲落。由于宇宙誕生自一個比原子還小的奇點， 空間的局域?qū)е?量子漲落效應(yīng)特別明顯，所以容易由隨機漲落形成一點點不均勻， 進(jìn)而在宇宙迅 速膨脹過程中，這種

18、不均勻保留下來，形成我們看到的大尺度不均勻結(jié)構(gòu)。那么 又要問，證據(jù)在哪里？ 1989年美國航空航天局（NASA ）專門為此發(fā)射 科 比”（COBE衛(wèi)星，全面探測了微波背景輻射在各個方向上的分布，繪制了宇宙早 期的輻射圖像（宇宙蛋），真的發(fā)現(xiàn)了微小的輻射強度起伏分布，證明宇宙早期 的確存在不均勻性，可形容為宇宙的褶皺”六、新的挑戰(zhàn)暗物質(zhì)、暗能量似乎理論已經(jīng)相當(dāng)完善，人們試著來回答幾個基本問題。 首先，宇宙的形狀是什 么樣的？什么叫宇宙的形狀？打個比方， 一只螞蟻在地球儀上爬，在它看來，地 面是平的，但是我們站在三維空間里知道， 地球儀表面是彎曲的。如果螞蟻想要 知道它所處的面是不是彎曲，可以在地

19、球儀表面畫個三角形，測量三角形內(nèi)角和， 如果恰好等于180度，則稱符合歐幾里德幾何，表面就是平的，如果不等于180 度，則符合非歐幾何，表面是彎曲的。物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運動”根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，引力可以使空間彎曲，就像人走在一 個軟墊子上，人所處的位置總塌下去一塊。 在大質(zhì)量星體附近，我們可以看到這 種空間彎曲的效應(yīng)。廣義相對論被世界承認(rèn)正是通過愛丁頓在某次全日食時觀測 星光的偏移實驗。星系或星系團的質(zhì)量比單個恒星要大得多，可使周圍使空間彎 曲形成引力透鏡”星系背后的星光被重新聚焦，一顆星星可能形成多個像或弧 形的像。當(dāng)很大的質(zhì)量聚集在小的空間中時， 周圍的空間被彎曲

20、得如此強烈，光 線不能從中逃脫，這就是黑洞。如果考慮整個宇宙，空間形狀也可能是彎曲的，但是我們在三維空間中不能直觀 感覺到這種彎曲，得想辦法測量。宇宙空間的形狀有開放、平直和閉合三種可能， 取決于引力和膨脹速度之間的競爭。其中使引力恰好與膨脹速度平衡的臨界質(zhì)量 可以計算出來，大約是每立方米一個核子。那么怎么測量整個宇宙的形狀呢？也 是靠測量廣大空間中的三角形內(nèi)角和。測量不同方向上的宇宙微波背景輻射來確 定三角形兩條邊，第三條邊靠背景輻射背景的不均勻性大小確定，背景的微小擾 動以產(chǎn)生輻射時的聲速傳播，距今對應(yīng) 1度的觀測角。2001年MAP衛(wèi)星最終 測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)我們的宇宙確實是剛好平直的。如何解

21、釋？由此古思提出了暴漲”理論，認(rèn)為宇宙在誕生之初經(jīng)歷了一個急速膨脹的過程， 之后再以較慢的速度膨 脹。暴漲理論能解釋平直空間、宇宙年齡等重大問題。宇宙開始的可能彎曲由于 暴漲而拉平了，就像一個氣球越膨脹，氣球表面就越接近一個平面一樣。暴漲還 可以解釋磁單極問題。宇宙誕生之初由于很高的能量密度，應(yīng)產(chǎn)生大量磁單極， 但目前地球上尚未觀察到。暴漲理論認(rèn)為宇宙的劇烈膨脹使磁單極密度迅速變得 稀疏，故地球上很難觀察到。既然已知我們的宇宙是平直的，那么整個宇宙的質(zhì)量密度應(yīng)該正好在臨界值，然 而把我們所能見的所有恒星行星星云都包括在內(nèi)，質(zhì)量密度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以使宇宙 呈平直形狀。由此推測，還有很多物質(zhì)以某種觀察不到的方式存在，稱為暗物質(zhì)”盡管不能直接看到暗物質(zhì)，但它們通過引力與可見的星體作用，因此仍可 估算其多少，目前認(rèn)為，暗物質(zhì)是可見物質(zhì)質(zhì)量的幾十倍。然后，宇宙的年齡有多大？之前我們說到過，通過星系間的距離和星系退行速度， 我們可以反推宇宙年齡，但是由于星系間引