宇宙的起源與演化

1、姜騰輝物理學基地班2008213551宇宙的起源與演化在過去的幾十年中，天文學家們已逐漸認識到現(xiàn)在宇宙的年齡約為100億 至150億年之間，這段時間若與人類歷史或者地質(zhì)年代相比簡直太長了。但從 某種意義上說，宇宙仍然是個新生兒，人生歷程才剛剛開始，宇宙自身許許多多 的神奇故事還沒有上演呢！我們知道，根據(jù)恒星演化的理論，在大約11億年以后，我們的太陽將變 得非常熱，被煎熬的地球由于不再適于生命的存在而變得一片荒涼。70億年以 后，它將成為一個龐大的紅巨星。接著在隨后的幾億年的時間里，它將耗盡自己 的核能，外殼變暗成為一顆白矮星，進而開始了一個漫長的逐漸暗淡的過程。這些嚴肅的事實讓人不禁會問，是不

2、是天上所有的星星都有一天會走到 自己生命的盡頭？是否有一天每顆星都已熄滅而又沒有更多的產(chǎn)生出來？如 果所有的星都逝去了，宇宙中將會發(fā)生什么事情？生命會在一個無星的環(huán)境中 存在嗎？生命的是否還有其它奇怪的形式？并且很快我們就會問到這樣一個 終結(jié)問題：宇宙是否存在一個最終狀態(tài)，在此以后又重新開始的可能也沒有？以上這些問題中部分問題的答案正在逐漸變得清晰。大爆炸理論空前成 功地解釋了我們現(xiàn)在的宇宙及其特性，特別是在有關(guān)宇宙膨脹、微波背景輻射 及各種輕元素的不同豐度等方面，而幾乎所有的通常意義上的物質(zhì)都是由這些 輕元素組成的。始自大爆炸的宇宙將面臨三種不同的命運：封閉、平直和開 放。一個封閉的宇宙將由

3、于自身引力作用而最終走向塌縮，開放的宇宙將永遠 膨脹下去，平直宇宙則介于二者之間，它也會永遠膨脹下去，膨脹速度不斷減慢，但永遠不會達到靜止。暴脹時代對于宇宙的極早期，我們知之甚少，雖然如此，現(xiàn)代物理還是把答案歸咎 于大爆炸。對于我們存在的這個宇宙，對數(shù)時間軸有一個確切的始點：10 -44秒，這個時 間稱普朗克時間，被認為是時間的量子單位，不能把時間劃分得比這兒再小子， 正如一種基本粒子電子不能再分隔成更小的成分一樣。根據(jù)現(xiàn)有理論，時間軸上下一個重要的事件發(fā)生于10 - 7量級之后，即10 - 37 秒的時候，在此時新生的宇宙具有難以置信的高溫和密度。超高能量的量子場 使空間以很大的加速度在膨脹

4、。與此同時，產(chǎn)生了非常小的密度起伏，否則這個 微小寂寞的宇宙將充滿光滑又毫無特征的能量場。這些微小的變化隨空間的膨 脹而保留了下來。它們以后便成為了我們現(xiàn)在所看到的星系、星系團和大尺度 結(jié)構(gòu)的種子。在10 -32秒的時候，這樣的暴脹停止了，隨后宇宙膨脹的步子溫和 多了。輻射為主的時代下一個不斷冷卻且不斷膨脹的時代持續(xù)了 1043個數(shù)量級，直至宇宙的年齡 為一萬年，在這段時間里，宇宙中除了光滑單一的輻射海洋外，幾乎一無所有， 我們熟悉的天體，如恒星和星系，現(xiàn)在還沒有誕生。在以輻射為主的時代中，許多重要的事件奠定了我們現(xiàn)在所知宇宙的性 質(zhì)，例如：復(fù)雜粒子的相互作用使得正物質(zhì)比反物質(zhì)稍稍多了 一點。

5、反物質(zhì)和幾乎所有的正物質(zhì)都相互湮滅了。殘留下來的一些正物質(zhì)便形成了我們知道的這 個宇宙。大爆炸后數(shù)分鐘時，冷卻的初斯原初湯已開始形成輕元素的核，包括氫、 氘、氨和鋰。核物理定律對標準大爆炸模型在這時期的溫度、壓強和密度已 經(jīng)開始適用。因此我們可以準確地計算所應(yīng)產(chǎn)生的原初湯的成份。計算結(jié)果與 我們實際所觀測到的宇宙中最古老物質(zhì)的成份是相等的。當不斷減少的輻射能量密度低于物質(zhì)的能量密度時，副射為主的時代就結(jié)束 了。以上情況不久，另一有劃時代意義的事件便發(fā)生了 。在宇宙年齡為30 萬年時，宇宙的溫度第一次下降到了可以讓整個原子（特別是氫原子）得以形成 并保持下來的程度。在此之前，溫度太高了，即使有一

6、電子與原子結(jié)合在一起也 會很快被撞為自由電子的。宇宙轉(zhuǎn)化為由中性氫構(gòu)成的這一時期被稱做“復(fù)合時 期。這個過程很重要，因為這是第一次把宇宙從輻射中解放出來，還之以透 明。在此這前，宇宙是不透明的，輻射不斷地與物質(zhì)粒子相互作用。由于氣體 氫是透明的，所以這時的輻射可以自由飛翔了。首次以自由光的形式傳播。今 天我們觀測到的微波背景輻射就是復(fù)合時期遣留下來的。由于其強度大大減弱， 該輻射已經(jīng)產(chǎn)生了很大的紅移。由此開始，那些沒有被漫布宇宙的輻射之海所 平滑掉的物質(zhì)密度的起伏開始產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，我們熟悉的天體，像恒星和星系開始形 成。恒星時代恒星時代意味著這是一個“充滿恒星”的時代，在該時代中，宇宙中產(chǎn)生的 大

7、部分能量來自于普通恒星的核聚變。恒星不斷地形成、演化和死亡。我們 目前就生活在恒星時代的中期。第一代恒星可能形成于宇宙僅有幾百萬年歷史的時候（雖然這類屬于“星 族III”的恒星到目前還沒被證實）。在隨后的幾十億年間，最初的星系開始出現(xiàn)， 并逐漸形成星系團、超星系團和大尺度結(jié)構(gòu)。在很多星系內(nèi)部，恒星形成過程 以驚人的速率發(fā)生。許多年輕的星系還經(jīng)歷著與其貪婪的中心黑洞有關(guān)的劇烈 過程。黑洞會把落入其魔爪的恒星撕裂，并把它們變成由熱氣體組成的圍繞其 自身的吸積盤。在時間的長河中，大多數(shù)的類星體和活動星系核逐漸死去。隨著恒星時代的繼續(xù)，一個關(guān)鍵性的角色將落到一類最不起眼兒，最通常 的星體上，這就是紅矮

8、星。這類星的質(zhì)量不足太陽質(zhì)量的一半，但由于其數(shù)量龐 大。紅矮星的長期演化與太陽這樣更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自 身的氫燃燒成氨的過程中，其亮度和溫度都增加得非常緩慢，而不是很快膨脹并 變成紅巨星。然后，隨著紅矮星的不斷演化，紅矮星燃盡了它的氫，將以低質(zhì)量氨白矮 星的形式結(jié)束它的生命。最終宇宙中的氫氣將耗盡，普通恒星的形成過程也永 遠不會再有了。當最后一顆紅矮星也暗淡后，恒星時代也就結(jié)束了，這時宇宙的年齡大約 是1014年，天空中已沒有一顆閃亮的恒星了。簡并時代這個時代，恒星演化過程已經(jīng)終結(jié)，宇宙中絕大部分的物質(zhì)都被禁錮在簡 并天體中。簡并物質(zhì)的存在形式包括冰冷的褐矮星、白矮星以及中子

9、星。黑 洞也可以包含一些以前恒星的物質(zhì)。在整個簡并時代宇宙都是冰冷而黑暗的。 因為沒有任何源發(fā)出輻射來照亮漫漫的黑液，來溫暖長期冰凍的行星或者把光 熱賦予星系。宇宙的溫度僅比絕對零度稍偏上一點兒。在簡并時代，另一種東西也許會變得重要起來。這就是不知以何種形式存在的 暗物質(zhì)，它們存在于星系周圍的撲朔迷離的暈中。最有可能的暗物質(zhì)候選體 WIMP,這些粒子最終將被暗乎乎的白矮星掃光。一旦落入白矮星的陷阱，弱相 互作用大質(zhì)量粒子將會湮滅，從而做為能源提供能量。到103。年或更早一些,WIMP將被耗盡。WIMP湮滅這種供能方式也不復(fù) 存在了。宇宙的存貨已僅限于白矮星、褐矮星、中子星、死去的更加分散的行

10、星和巖石。這都是些極冷極黑的家伙。下一步會怎樣呢？正像故事的開始那樣，情況變得更加難以推測了。質(zhì)子,曾被認為像電子一樣是永恒的。但僅到此而止，許多“大統(tǒng)一理論”預(yù) 言質(zhì)子的壽命是有限的，它的衰變周期為103。在到104。年之間。質(zhì)子的衰變標志著簡并時代的最后階段。蘊藏在白矮星、中子星及其它 個體中的質(zhì)量能，將隨著組成它們的質(zhì)子衰變?yōu)檎娮樱形⒆觧介子和y光子而 消失。隨著質(zhì)子衰變消滅所有物質(zhì)，簡并時代落下帷幕，更黑暗、更空洞無物的 宇宙要再一次改變特性了。黑洞時代現(xiàn)在留下來的質(zhì)量天體只有黑洞了。它們沒有受到質(zhì)子衰變的影響，從簡 并時代幸存下來。隨著白矮星不斷氣化和消失，黑洞吸收這些物質(zhì)而變得

11、更大 一些，然而黑洞也不是長生不老的。它們最終會通過一種被稱作霍金輻射的緩 慢量子力學過程氣化掉。雖被稱為黑洞，但它并非全黑。黑洞表面靠發(fā)射一種 光子熱譜和其它粒子來發(fā)“光”，形象地稱該過程為蒸發(fā)。蒸發(fā)強度依賴于黑洞表面的曲率，也可說是黑洞的大小和質(zhì)量，一個恒星級 黑洞的蒸發(fā)是極其輕微的。黑洞不斷蒸發(fā)和收縮，蒸發(fā)速度將加快，最后將以Y 射線閃光的形式結(jié)束。當最大黑洞的蒸發(fā)完畢，標志著黑洞時代的結(jié)束。黑暗時代粘結(jié)在一起的東西已經(jīng)不存在了 ，宇宙對于從光子到黑洞的所有物質(zhì)來 說都是空空如也。偶然會發(fā)現(xiàn)一點兒以前時代殘留下來的不久也將消失的“垃 圾”，例如，紅移到巨大波長的光子，很少的中微子、電子和

12、正電子，粒子間的距 離都大得難以想象，活動已幾乎沒有了。粒子間的空間尺度大得你想一想都會 感到吃驚。在空間漂游的電子和正電子，偶爾會闖入對方的勢力范圍，從而形成 一種正電子原子一一電子和正電子相互環(huán)繞一一它的大小比我們今天看到的整 個宇宙還要大。這種巨大而單薄的原子是很不穩(wěn)定的，電子和正電子會相互旋 入并以極長的時間尺度而最終湮滅。另一些低水平的湮滅也有可能發(fā)生，只要 更緩慢而矣。這些事件偶爾會產(chǎn)生高能的光子。宇宙的膨脹仍會把這些光子紅 移到低能量狀態(tài)去。與其過去放蕩的生活相比，宇宙現(xiàn)在過著一種保守而孤獨的生活。難道不 是嗎？眼前的這種落迫殘景僅是我們不全面的推測嗎？哥白尼時間原理我們所熟悉的

13、這個世界在宇宙的演化中只是短暫的一瞬，有恒星提供繁衍 生息的能量，有行星提供生活的空間，目前的環(huán)境對生命來說太友好了。這不免 讓我們自然而然地認為當前的時代會具有某種特殊地位。某些人還會強調(diào)說我 們的時代是一個特殊時代，是真正豐富多彩的時代。這是一個唯一能讓生命存 在并被這些生命所探尋、理解的時代。筆者不同意這樣的觀點，相反，我們接 受“哥白尼時間原理”的觀點，即目前時代在宇宙年代中沒有任何特殊地位。換句 話說，有趣的事件隨著宇宙的演化和變遷會繼續(xù)發(fā)生。通常來說，宇宙要面對能 量和炳產(chǎn)生的減少而帶來的影響（后者為復(fù)雜系統(tǒng)例如生命的產(chǎn)生、繁衍提供 了可能）。但是宇宙這種趨勢被每個宇宙時代大尺度的時間延續(xù)所抵消了。用另一種方式來說，我們相信物理定律不能預(yù)言宇宙會達到一個最終的、 完全靜止的狀態(tài)。更確切些說，我們懷疑有趣的物理過程在我們敢于設(shè)想的未 來中會不斷發(fā)生。哥白尼時間原理的觀點，是我們對宇宙認識的又一個自然擴展，我們目前對 宇宙的認識在歷史上就被不斷擴展深入。在16世紀人類對宇宙的認識發(fā)生了 一次革命性的變革。在那時以前人們都認為地球是宇宙的中心，哥白尼卻提出 反駁說地球不是宇宙中心。他正確認識到地球只不過是繞太陽公轉(zhuǎn)的數(shù)顆行星 中的一顆。后來人們又知道