第二講+無限的宇宙

第二講

廣闊無邊的宇宙宇宙到底有多大？“天上一顆星，地上一凡人，凡人一口氣，能數(shù)２４顆星，１顆星、２顆星、３顆星……”------孩童時期的游戲太陽最亮，月亮最大，星星最暗、最小、最多？------孩童時期的直覺天上的星星確實最多，比地球上的人口多得多。但不是最暗、最小的。數(shù)不清的星星，是與太陽一樣能發(fā)光的恒星，許多比太陽大得多、亮得多。月亮是地球的一顆衛(wèi)星，是最小的。地球與水、金、火、木、土、天王、海王、（冥王）等行星和一些小行星及彗星圍繞太陽運行。除水星、金星外，其他行星都有衛(wèi)星，有的多達幾十顆。這些行星、衛(wèi)星、小行星和彗星與太陽一起構(gòu)成太陽系。太陽系中的所有天體都跟隨太陽圍繞銀河中心運行。太陽只是銀河系中１千多億顆恒星中的一顆。而宇宙中還有億萬個像銀河系這樣的星系。

宇宙到底有多大？地球直徑約１２８００千米，周長約４００００千米。這太大了，沒有人能看到它的表面是彎曲的，所以古時候的人多認為地球是方的或扁平的，等等。后來知道地球是圓的，從一個地方出發(fā)，繞地球一周后又可回到原來的地方。由于地球太大了，使許多航海家鬧出一些歷史性的笑話來。如哥倫布于１４９２年從西班牙到美洲，他以為已到達了東西的印度，所以把那里的土著民族叫做印第安人，中美洲的群島今天也叫東印度群島。１５１９提麥哲倫從西班牙出發(fā)，他的船隊于１５２２年回到其出發(fā)地，經(jīng)過球一周，才證明地球確實是圓的。

宇宙到底有多大？地球雖大，可在太陽系中充其量是滄海一粟。地球與最近天體月球間平均距離３８４４００千米，約是地球直徑的３０倍；地球與最近行星金星的距離，最近時４０００萬千米；地球到太陽的距離則有１.４９６億千米；地球與離太陽最遠冥王星的距離最近時４０多億千米。這樣的數(shù)字太大。為了方便起見，把太陽與地球的平均距離稱為１天文單位，與水星為０.４天文單位，與金星為０.７天文單位，與冥王星為４０天文單位，等等。

宇宙到底有多大？太陽系雖大，可在銀河系中，在宇宙中卻非常渺小，遠遠達不到滄海一粟的比例。地球離太陽最近的恒星——半人馬座a星４３萬億千米。目前，觀察到的最遠的星星，是此數(shù)字的３０多億倍。這樣的數(shù)字太大，即使用天文單位來表示也很不方便，于是采用新單位——光年。就是用光走一年的距離為１，來量度恒星之間的距離。光１秒鐘走３０萬千米，１年走的距離差不多是１０萬億千米。宇宙到底有多大？宇宙到底有多大？太陽到半人馬座a星的距離為４.３光年，與最亮的恒星天狼星為８.７光年，與牛郎星和織女星分別為１６.６３和２６.３光年，與有名的參宿七為８５０光年，銀河系的跨度達１０萬光年。到仙女座為２３０萬光年。目前人類探知的最遙遠的星，距離地球１５０億光年。這就是說，如果這種星體正好是１５０億年前宇宙大爆炸時誕生的，那么，我們現(xiàn)在看到的是它剛剛誕生時發(fā)出的光。

宇宙航行宇宙航行，就是在這樣廣袤的宇宙空間進行的，而我們現(xiàn)在的太空活動范圍，遠遠不及海濱游泳池與大洋的比例。

著名科學(xué)家錢學(xué)森指出，宇宙航行應(yīng)包括兩個階段，第一階段為航天，就是人類在太陽系內(nèi)的航行活動；第二階段為航宇，就是沖出太陽系到銀河系，乃至河外星系去航行?？茖W(xué)技術(shù)必須再有幾次飛躍，人類才能實現(xiàn)航宇的理想。時間問題：大多數(shù)人恐怕還沒有到過４０千米以外的太空，而地球與月球的距離大約是４０千米的１萬倍，地球與海王星的距離又是月球距離的１萬倍，約４０億千米。美國著名的“旅行者”號探測器整整走了１２年才到達海王星。離我們最近的恒星半人馬座a星的距離，是到海王星距離的１萬倍，約４０萬億千米，“旅行者”號要飛行１２００００年才能到達。如果按一代人工作６０年計算，則需要２０００代人連續(xù)工作才能實現(xiàn)。如果要返回的話，則時間還得加倍。

能源動力問題飛船要達到每秒鐘飛行７.９千米的速度才能克服地球引力，圍繞地球飛行；要達到每秒鐘飛行１１.２千米的速度，才能脫離地球引力，到行星際空間去旅行。為了送阿波羅馬飛船到月球上去，美國人制造了巨大的火箭“土星５”。它由三級組成，加上裝在頂端的阿波羅飛船，有１１０米高，重３２００多噸，最大直徑達１０米。它的第一級發(fā)動機只工作２分半鐘，消耗燃料就有２０００多噸。按一輛汽車每天用油１０千克計算，這些燃料可供１輛汽車使用６００年！要飛出太陽系，飛船必須要達到每秒鐘飛行１６.７千米的速度，這該要多大的火箭？需要多少燃料？實際上是不能用現(xiàn)在的火箭作航宇飛行的動力的，即使攜帶著巨燃料的火箭能夠起飛，帶來的問題也很多，而且速度也太慢。顯然需要另想辦法。通信問題從半人馬座a星向地球發(fā)電報，無線電波要走４年多才能達到，那里要收到回電，則需等８～９年。如果是３萬光年的距離，則來回要６萬年。要能走這么遠的無線電波，需要一顆中等恒星的發(fā)射功率、發(fā)報機的球形天線半徑達１５００萬千米。這樣強大的通信電臺是無法建在地球上的，它發(fā)射的強大能量會即刻把地球毀滅掉。即使是在離地球１００個天文單位的地方建１座球形天線半徑為５０００千米、作用距離為１萬光年的無線電發(fā)射臺，所以材料的質(zhì)量就是相當?shù)厍蛸|(zhì)量的五分之一，建造的時間需要３００萬～３０００萬年！生命延續(xù)問題一代人是不行的，飛船上必須要能容納一個“部落”，靠子孫相傳，一代接一代地去完成。這樣，飛船上不僅要解決衣食住行問題，而且要解決社會發(fā)展的所有問題，也就是說飛船要攜帶一整個社會。已發(fā)射的宇宙飛船能到達恒星嗎？1972年發(fā)射了先鋒10號飛船，也就是一種行星探測器，它在第2年就飛過木星附近，然后飛向遠方，而且已經(jīng)飛出太陽系，朝著恒星ROSS—248星的方向飛去，這是離太陽較近的恒星，距離有10個光年，先鋒1O號飛到那里需要3．3萬年。旅行者飛船和它的情況差不多。就是向著最近我們的一顆恒星半人馬星座的比鄰星（距離4．3光年）飛去也要1．5萬年以上，可見這個旅途是太遠太遠了！這些飛船上帶有地球人給外星人的信息，誰知道將來會落在何處？按理說這些飛船是可能到達恒星世界的，雖然要上萬年的時間。透鏡里的宇宙羅馬不是一天造成的，宇宙也不是！我們看到的早期宇宙，也許很大程度上是引力透鏡夸大和扭曲后的樣子。愛因斯坦的“引力透鏡”：光線經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時，會發(fā)生彎曲。引力透鏡：一個遙遠類星體發(fā)出的光芒，經(jīng)中間星系（或星團、黑洞或隨便什么質(zhì)量巨大的東西

）的彎折到達地球，因而顯得更明亮，并產(chǎn)生多個虛像。

哈勃望遠鏡拍到的照片。圖中幾個藍色的橢圓圈，是同一個幼年星系在橙色星系團的引力透鏡作用下形成的多個虛像。

地球、引力透鏡、觀測對象恰好三點一線的概率實在太小

引力透鏡設(shè)于夏威夷的日本富士(Subaru)望遠鏡拍得的照片。圖中央暗紅色的是一個橢圓星系，它的引力透鏡作用對同一個類星體（藍色天體）形成了4個像。類星體離地球非常遠——幾十乃至上百億光年，體積很小、異常明亮。一個體積不超過太陽系的家伙，亮度超過包含幾千億顆恒星的星系。（銀河系總共約有2千億顆恒星）。俄羅斯科學(xué)家Y.

Zeldovich的黑洞說認為：類星體是劇烈活動的星系核，那里有一個巨型超級黑洞，正在貪婪地吞食氣體塵云。物質(zhì)跌入黑洞時釋放引力能，發(fā)出強烈的光芒。通過類星體的亮度，可以判斷中央黑洞的質(zhì)量。光傳播的速度是有限的，一個天體離我們多少光年遠，我們看到的就是它多少年前的形象，觀察遙遠天體就是在觀察宇宙的過去。

俄黑洞說帶來的問題：美國的斯隆數(shù)字巡天計劃（SloanDigitalSkySurvey）用2.5米望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一些新的類星體。在短短幾分鐘的曝光時間內(nèi)被一臺不算大的望遠鏡捕捉到，這些類星體格外的亮。從其亮度推算，一個此類星體包含著一個質(zhì)量相當于30億個太陽的黑洞，正在以每年吃掉100個太陽系的速度吞食物質(zhì)。它們有著高達6的紅移，因此我們接收到的光芒，顯示的是它們在宇宙大爆炸之后不足10億年時的樣子。麻煩來了：那么幼小的宇宙，怎么會有這樣巨大的黑洞形成，又有那么多物質(zhì)供它們吞食？從現(xiàn)行宇宙模型來看，這就像是在說一幢8層公寓樓是一天內(nèi)造起來的。驚喜與新的困擾：美國哈佛－史密森天體物理研究所在《自然》雜志上說，新發(fā)現(xiàn)的這批遙遠類星體，可能有多達1/3是被引力透鏡夸大過的：透鏡使它們看上去的亮度增加了10倍甚至100倍。把這個因素考慮進去，這些類星體的實際亮度就低得多，所代表的黑洞自然也就大大縮水。一天搭起一間簡陋的小棚屋并不困難，羅馬不是一天造成的，宇宙也不是。好極了！如果上述現(xiàn)象普遍存在，也就是說紅移約為6的所有遙遠類星體中都有1/3被引力透鏡夸大。若不能正確地估計引力透鏡對類星體觀測結(jié)果的影響，就會過高估計早期宇宙中類星體數(shù)量和總輻射，這關(guān)系到宇宙間離散氣體的溫度和離子化等問題，直接影響我們對宇宙演化過程的推理。

宇宙的現(xiàn)代概念---無限宇宙是指廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱，并且宇宙是處于不斷的運動和發(fā)展之中的。也就是說人類目所能及的地方以及人類還沒有看到但是仍然存在的物質(zhì)都是宇宙。人類對宇宙認識進程，先從地球開始，再從地球伸展到太陽系，進而延展到銀河系，然后擴展到河外星系、總星系。地球與其他八（七）位行星“兄弟”，連同66顆“月球”般的衛(wèi)士、神秘莫測的慧星、數(shù)以千計的小行星和無數(shù)的流星，組成太陽系。所占的宇宙空間直徑僅120億公里。銀河系包括有1000多億顆“太陽”——恒星，所占宇宙空間直徑已達10萬光年。銀河系并不是宇宙空間的盡頭。在銀河系之外，還有許許多多星系，人們管它們叫“河外星系”。天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)10億多個河外星系，每個河外星系都包含有幾億、幾百億甚至幾千億顆恒星和大量的星云和星際物質(zhì)。所有河外星系又構(gòu)成更龐大的總星系。目前，通過射電望遠鏡和空間探測，已觀測到距離我們地球約200億光年的一種似星非星的天體，取名“類星體”。這種天體的發(fā)現(xiàn)，把今天人類視線拓展到200億光年的宇宙深空。宇宙的現(xiàn)代概念---無限宇宙的起源—伽莫夫的大爆炸理論

宇宙是什么時候、如何形成的?宇宙是約150億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。在爆炸之前，宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起，并濃縮成很小的體積，溫度極高，密度極大，之后發(fā)生了大爆炸。大爆炸使物質(zhì)四散出擊，宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應(yīng)下降，后來相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中逐漸形成的?！霸谒嫖镔|(zhì)和能量聚集在一點”前存在著什么東西？宇宙的結(jié)構(gòu)

宇宙由星系的巨大超星系團構(gòu)成，星系周圍是大團看不見的空蕩蕩的太空。每個星系又包含了數(shù)以十億計的恒星，構(gòu)成這些恒星的物質(zhì)是一些小得看不見的粒子。質(zhì)子、中子和電子是最普通的粒子，它們通常以原子的形式結(jié)合在一起。質(zhì)子和中子由更小的粒子構(gòu)成，它叫做夸克。宇宙由四種力或它們之間的相互作用支配：引力、電磁力、強核力和弱相互作用力。普適規(guī)則：物理學(xué)家們試圖用單一的科學(xué)定理來解釋宇宙的運動，“普適規(guī)則”認為所有力中引力、電磁力、強核力、弱相互作用力都是相互關(guān)聯(lián)的，并且指出所有亞原子微?？赡芏际怯梢环N基本粒子產(chǎn)生的。

宇宙的形狀宇宙是什么形狀的呢，是象地球一樣的圓形，還是象銀河系一樣的扁平？通過再現(xiàn)宇宙形成初期的景象，天文學(xué)家證實了這樣一種觀點：宇宙的形狀是扁平的，而且自形成以來一直在不斷擴展。science上關(guān)于宇宙形狀的近期報道：時空結(jié)構(gòu)將宇宙微波背景（CMB）和宇宙的重要結(jié)構(gòu)連在了一起。CMB是從各個方向襲擊地球的持續(xù)的電磁聲波。這些遙遠的聲音是大爆炸之后的遺留輻射。CMB也叫做宇宙背景輻射和微波宇宙背景。宇宙的運動宇宙從運動上來說是不斷膨脹的，而從時間上來說則是循環(huán)的，只不過這個循環(huán)的周期很長而已宇宙的運動是絕對的，靜止是相對的。（證據(jù)：自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)，地球運轉(zhuǎn)速度，軌道，形狀變化，北斗七星的變化等）宇宙中幾乎沒有不運動的星體：（宇宙旅行；行星相撞；宇宙炮彈——隕石、小行星的轟擊；彗星穿行；光子流、粒子流、宇宙塵埃等）“大爆炸宇宙論”認為，宇宙總是周而復(fù)始地從誕生到消亡，再誕生，再消亡，我們現(xiàn)在的這個宇宙只是從過去到未來的無限多的宇宙中的一個而已。

宇宙太空也有天氣變化嗎？

宇宙太空并不單純，就像地球大氣層會發(fā)生風云突變的氣象變化一般，太空中也時常會出現(xiàn)災(zāi)害性天氣。太空天氣指太陽系內(nèi)行星際空間的天氣。對地球或航天器影響最大的是太陽的變化：“太陽黑子”、日珥、耀斑、太陽風等。太陽風暴對地球的磁層、電離層和大氣層都會造成嚴重的干擾，帶來災(zāi)變。會影響航天器的動作，使其與地面的電信聯(lián)系中斷。導(dǎo)航定位不準，甚至使衛(wèi)星失效、墜落。已知的衛(wèi)星故障中，竟有４０％與這種太空風暴有著直接或間接的關(guān)系。１０多年之前，我國的“風云一號”氣象衛(wèi)星，就是因受到太陽風暴帶來的大量高能粒子的撞擊而提早失效的。太空除了強勁的太陽風暴外，太陽射電、太陽Ｘ射線、太陽r射線等的爆發(fā)，也具有很高的能量，這些射線的物質(zhì)粒子會以光速向空間輻射。它們的危害程度要高于太陽風暴可能造成的破壞，有的還會危害宇航員的健康及生命。因此，一般對航天器都裝上屏蔽裝置，還將航天器的發(fā)射和回收日期選在太陽活動相對寧靜的時間內(nèi)。所以，預(yù)報這些太陽射線爆發(fā)的日期，就成為太空天氣學(xué)研究的重要內(nèi)容。影響太空天氣的來自太陽系外的其他天體。７０年代以來，人們已發(fā)現(xiàn)宇宙的Ｘ射線爆發(fā)和r射線爆發(fā)，還有較高能量的宇宙線的劇烈變動，雖然這些射線大多來源非常遙遠，對地球和近地空間不會造成什么嚴重的危害，但當我們把太空探測的觸角伸向更遙遠的空間時，就不能不密切注意它們的動靜。太空中，時而還會發(fā)生新星和超新星爆發(fā)。爆發(fā)釋放出的物質(zhì)中很多是放射性元素和大量的高能粒子輻射?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，地球上有些古生物的滅絕，地震的發(fā)生以及一些其他災(zāi)變，似乎都有超新星這雙“魔手”，在背后操縱。顯然，它們對人類太空活動的威脅，是不容忽視的。因此，這也是太空天氣學(xué)研究的內(nèi)容。太空塵埃記載宇宙歷史太空中的星際塵埃在各種電子射線、磁場和光線的照射等力量的合力下可能會粘合到一塊，也可能分更小的顆粒，更有可能形成那些圍繞在土星周圍的黑色環(huán)云。因此，對這些塵埃加以研究就可能推算出星球所形成的歷史。把太空塵埃放在模擬的太空環(huán)境中，觀察它們在各種射線和其它條件下可能出現(xiàn)的情況，小小的塵埃將帶給我們更大的驚喜。”嬰兒期宇宙威爾金森微波各向異性檢測衛(wèi)星(WMAP)在距地球160萬公里的第二拉格朗日點軌道上運行，背景為太陽、地球和月亮為WMAP觀測到的宇宙第一束光線，宇宙大爆炸的余輝宇宙大爆炸模型“嬰兒期”宇宙最精細照片2003年2月12日，美國宇航局公布了探測器拍到的宇宙“嬰兒期照片”，為宇宙大爆炸理論提供了新的依據(jù)。根據(jù)這張照片，科學(xué)家還精確地測量出了宇宙的實際年齡是137億年。據(jù)報道，這張珍貴的照片是美國宇航局科學(xué)家通過威爾金森各向異性微波探測器經(jīng)過一年時間的觀測獲得的結(jié)果。照片中包含了許多令人震驚的信息，為支持宇宙大爆炸和宇宙膨脹理論提供了新的依據(jù)，同時為揭開暗能量之謎指引了道路。據(jù)有關(guān)人士估計，這項成果是近幾年宇宙研究中最重大的發(fā)現(xiàn)之一。

威爾金森微波各向異性檢測衛(wèi)星（WMAP）圖片顯示130億年前的溫度波動（表面顏色差異）與種子從萌芽發(fā)展到銀河系相一致。解析圖片可以找到很多問題的答案：諸如，宇宙的年齡和宇宙幾何學(xué)。WMAP小組第一次給出了宇宙最古老光線的詳細光效圖。紅色表示溫暖，藍色表示寒冷。橢圓形圖片是整個天空的投影，地球也可以看成橢圓形。圖片中的微波光線來自宇宙大爆炸后的38萬年，大約是在130多億年前。耗資１．４５億美元的“威爾金森微波各向異性探測器”２００１年６月進入太空，運行軌道位于距地球約１６０萬公里的“第二拉格朗日點”附近，主要用于觀測宇宙微波背景輻射，按計劃它的使命還將繼續(xù)３年。微波背景輻射是導(dǎo)致宇宙誕生的“大爆炸”留下的“余燼”，早先的研究發(fā)現(xiàn)，微波背景輻射中存在著細微的溫度波動，這些波動中保存著“大爆炸”后約３８萬年時宇宙的原始結(jié)構(gòu)，現(xiàn)今宇宙中的星系等正是在這些結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成。根據(jù)新照片得出的測算結(jié)果顯示，宇宙年齡約為１３７億年，這一結(jié)果的誤差率僅為１％，是到目前為止獲得的最高精度；在構(gòu)成上，宇宙中原子占４％，暗物質(zhì)比例為２３％，剩下的７３％全部是暗能量；另外，從幾何結(jié)構(gòu)來看，宇宙是“平坦”的，并將永遠膨脹下去。除了驗證現(xiàn)有理論外，科學(xué)家們從這張照片中還獲得了一些令人意外的發(fā)現(xiàn)，比如說宇宙中第一批恒星可能在“大爆炸”后２億年就開始發(fā)出光芒，比此前所認為的要早幾億年。賓夕法尼亞大學(xué)的泰格馬克指出，類似的觀測結(jié)果“將是未來５年中所有宇宙學(xué)研究的基石”。

宇宙誕生最初三分鐘量子引力時代(0＜t＜10-44秒）量子引力時代(0＜t＜10-44秒）宇宙整體由一個不存在時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、時間的量子狀態(tài)。在這個時期，物質(zhì)場的量子漲落導(dǎo)致時空本身發(fā)生量子漲落并不斷地膨脹，空間和時間以混沌的方式交織在一起，時空沒有連續(xù)性和序列性，因而早晚不分、上下莫辨、因果難明、不可測量。此時四種基本力不可區(qū)分，是一種統(tǒng)一的力，此時的時空為虛時空。普朗克時代（tp＜t＜10-36秒）普朗克時代(tp＜t＜10-36秒).當時間等于普朗克時間((tp=5.4×10-44秒)時,虛時空發(fā)生超統(tǒng)一相變,實時空形成,粒子產(chǎn)生,時間和空間可以測量,引力作用首先分化出來,強弱電三種力仍不可區(qū)分,夸克和輕子可以相互轉(zhuǎn)化。相變點的能量是1019GeV(1GeV=109eV),溫度是1032K。大統(tǒng)一時代（10-36秒＜t＜10-33秒）大統(tǒng)一時代（10-36秒＜t＜10-33秒）。宇宙的溫度繼續(xù)下降，時間繼續(xù)膨脹，強、弱、電三種力是一種統(tǒng)一的力。當t=10-36秒時，溫度降至1028K，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空以指數(shù)規(guī)律急劇地暴脹，直到10-33秒最后完成大統(tǒng)一相變。相變后，宇宙的空間尺度增加了1043倍，強力從統(tǒng)一的強、弱、電力中分化出來，夸克與輕子相互獨立，大統(tǒng)一時代結(jié)束。在這一時期產(chǎn)生的重子數(shù)略多于反重子數(shù)，因而今天的物質(zhì)世界是以正物質(zhì)為主的世界?？淇?輕子時代(10-33秒＜t＜10-6秒)這段時期弱、電兩種力不可區(qū)分。直到t=10-33秒，溫度降至1016K時，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。強子-輕子時代(10-6秒＜t＜1秒)t=10-6秒，溫度降至1012K，夸克被禁閉，凝聚成重子和介子；t=10-4秒，溫度降至1011K時，宇宙進入輕子及其反粒子占主要地位的時代，重子中主要只剩下質(zhì)子和中子。這時，宇宙中的物質(zhì)成分有電子、正電子、μ子、中微子、τ子、中子、質(zhì)子。這時的主要特征是粒子間的反應(yīng)產(chǎn)生了大量的光子和中微子。輻射時代和核合成時代（1秒＜t＜2×105年）當t=1秒時，溫度降為1010K，中子開始衰變?yōu)橘|(zhì)子，正負電子不斷湮滅轉(zhuǎn)化為光子。這時，光子數(shù)大大超過具有靜質(zhì)量的粒子，宇宙以光子輻射為主，進入輻射時代。t=4秒時，中子不再衰變?yōu)橘|(zhì)子，中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比為1：7。t=3分鐘后，溫度降到109K以下，氦等輕核形成（t=30分），根據(jù)質(zhì)子、中子比可估算出氦核的質(zhì)量約為宇宙總質(zhì)量的1/4（氦豐度），這與今天的觀測結(jié)果十分接近。t=2×105年時,溫度降至4000K,物質(zhì)密度與輻射密度基本相等,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).光子能量不足以與原子體系作用,輻射脫耦,宇宙變得透明,進入以物質(zhì)為主的原子時代.這個4000K的黑體輻射不斷冷卻,至今就是觀測到3K宇宙背景輻射。星系時代（2×105年＜t＜109年)在這個階段，宇宙內(nèi)的實物粒子從等離子氣體演化為氣狀物質(zhì)。隨著宇宙進一步膨脹和溫度下降，氣狀物質(zhì)被分開，形成原始星系，并進而形成星系團，然后再從中分化出星系。恒星時代(t＞5×109年

）T=5×109年時，星系進一步凝聚成億萬顆恒星。恒星的演化動力主要源于引力作用和輕核的驟變所產(chǎn)生的巨大能量。恒星的一生一般經(jīng)歷引力收縮階段、主序星階段、紅巨星階段、脈沖星階段（爆發(fā)階段）和高密階段（白矮星、中子星、黑洞等）。在恒星演化過程中，又形成了行星和行星系統(tǒng)。我們的銀河系大約起源于宇宙時間為10億年時，太陽系大約起源于距今約50億年。地球在約47億年前誕生，它是由原始的太陽星云分餾、坍縮、凝聚而形成的。在星系、恒星和行星的形成過程中，在星體中溫度合適的條件下，重元素和各種分子相繼形成。宇宙大爆炸理論的觀測依據(jù)主要有5項

星系退行：通過光譜觀測發(fā)現(xiàn)，遙遠的星系均以很高的速度在彼此退行。這表明星系系統(tǒng)處于一種膨脹狀態(tài)。天文學(xué)家據(jù)此進一步計算出宇宙的年齡約為200億光年。宇宙時標：用放射性年代學(xué)的方法測得月巖和最老的隕石年齡均為46億年；由恒星演化模型導(dǎo)出的銀河系中最老的恒星年齡為150億年，迄今用各種獨立的方法對不同天體測定的時標均在由星系的速度—距離關(guān)系所確定的宇宙年齡200億年以內(nèi)，這說明宇宙年齡是有限的。觀測依據(jù)宇宙中的氦和氘：通過對比較原始的星際氣體的觀測發(fā)現(xiàn)，在銀河系和許多河外星系中，輕元素氦的同位素氘相對于氫的數(shù)量基本上是均勻分布的。這和許多重元素的非均勻分布形成了鮮明的對照，用宇宙大爆炸理論解釋就是：因為大爆炸后最初幾分鐘內(nèi)預(yù)期出現(xiàn)的高溫高密狀態(tài)極易導(dǎo)致輕元素的合成；而重元素則是在眾多的恒星內(nèi)核深處合成，直到發(fā)生超新星爆發(fā)時才大量散布開來的，它們相對于氫的數(shù)量不會是均勻分布的。射電星系：60年代用綜合孔徑射電望遠鏡進行的大量觀測表明，具有星系級能量的暗弱射電源的數(shù)目，比射電源空間均勻分布假設(shè)所預(yù)期的多很多，即射電星系在空間實際上不是均勻分布的。由此推斷，在宇宙學(xué)時標上，射電星系是從較強的源演化成較弱的源的。微波背景輻射：發(fā)現(xiàn)宇宙間存在背景輻射，是溫度相當于2.74K的黑體輻射，一般稱為3K微波背景輻射。這種輻射正好解釋為宇宙早期熾熱火球的暗淡余光。按照大爆炸理論，隨著宇宙的膨脹，原始火球的熾熱的黑體輻射，勢必拉長波長，降低溫度，導(dǎo)致今天在微波段觀測到不足3K的背景輻射。觀測依據(jù)宇宙將走向哪里?

在20世紀末，一切關(guān)于宇宙的書籍都會提到，我們的宇宙今后可能有三種命運：一種命運，就是引力最終占上風。最后引力克服四向膨脹的力量，宇宙不再膨脹。然后我們的宇宙就開始大收縮。第二種可能就是一直膨脹下去，按照哈勃的線性關(guān)系，無窮無盡地一直膨脹下去。第三種它可能膨脹之后又收縮，收縮之后又膨脹，變成反復(fù)的脈動?，F(xiàn)在認為宇宙命運只有一種，加速膨脹。大概在1000億年，我們的宇宙已經(jīng)虛無縹緲，四大皆空，因為所有的能量都用完了，發(fā)光天體再也不會發(fā)光了，物質(zhì)還存在著。2003年美國的著名期刊《科學(xué)》science評出的當年十大科學(xué)進展的第一位就是確認我們的宇宙中有暗能量。有正、有負、有陰、有陽----科學(xué)常識；今天我們宇宙的圖像，用這么4個數(shù)字來描述，一，年齡是137億年，我們的宇宙大小就是137億光年，然后里邊的物質(zhì)4%是可見天體，23％是看不見的，引力效應(yīng)表示其存在的暗物質(zhì)，73%是暗能量，這darkenergy是斥力性質(zhì)的，本源不清楚，有待于今后進一步深入研究。而現(xiàn)在看來，這個darkenergy不是一個變量，至少在300億年的時間內(nèi)不是一個變量。在更大的時空上還是不是繼續(xù)為不變量，還不知道。因此在可見的未來，在300億年期間內(nèi)會是一直按照現(xiàn)在這樣的一直加速膨脹下去。暗物質(zhì)與暗能量暗物質(zhì)問題實際觀測得到的星系及星系團的質(zhì)量遠小于動力學(xué)方法算出的質(zhì)量，明確指示出暗物質(zhì)的存在！右圖的灰色纖維狀區(qū)域即是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)也是暴漲宇宙學(xué)所要求存在的。暗物質(zhì)的本質(zhì)首先，不發(fā)光的物質(zhì)不可能是重子物質(zhì)!因為一個重子為主的宇宙，擾動必須到復(fù)合時代才開始增長，在其增長期內(nèi)不可能達到今天觀測到的星系和星系團結(jié)構(gòu)。因此，暗物質(zhì)應(yīng)是非重子物質(zhì)；只有弱作用和引力作用的不發(fā)光物質(zhì)由于與輻射場之間沒有耦合，他們的擾動在復(fù)合時代以前就可以開始增長。暗物質(zhì)的分類熱暗物質(zhì)：質(zhì)量很小，速度接近光速。冷暗物質(zhì)：質(zhì)量較大，速度較慢。熱暗物質(zhì)（中微子）冷暗物質(zhì)（小黑洞）暗物質(zhì)與星系形成宇宙開始包含均勻分布的暗物質(zhì)和正常物質(zhì)大爆炸后數(shù)千年暗物質(zhì)開始成團暗物質(zhì)確定宇宙中物質(zhì)的總體分布和大尺度結(jié)構(gòu)正常物質(zhì)在引力作用下向高密度區(qū)域聚集，形成星系和星系團兩種暗物質(zhì)模型的優(yōu)缺點假設(shè)暗物質(zhì)僅是熱暗物質(zhì)組成，那么必然是先生成超星系團，然后碎裂成星系團，進一步碎裂為星系；這個模型可以解釋“巨空洞”，“纖維結(jié)構(gòu)”。但現(xiàn)在已觀測到紅移為6到7的類星體，星系似乎在超星系團形成前就存在。假設(shè)暗物質(zhì)僅是由冷暗物質(zhì)組成，那么必然是先生成比星系小的天體，形成球狀星團，然后通過并合形成星系，星系團乃至超星系團；但這個模型很難解釋觀測到的巨洞和纖維狀結(jié)構(gòu)。一般的說：冷暗物質(zhì)模型適合解釋宇宙小尺度結(jié)構(gòu)；熱暗物質(zhì)模型適合解釋宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。人們自然的想到，冷暗物質(zhì)混合模型會更好。暗能量負引力的概念由愛因斯坦在２０世紀初提出，也被稱為“暗能量”?！鞍的芰俊睋?jù)認為更接近能量，而非物質(zhì)?？茖W(xué)家認為，與暗物質(zhì)一樣，“暗能量”構(gòu)成了宇宙中不可見的一部分。愛因斯坦提出“暗能量”時自己都不相信其合理性，科學(xué)界至今對負引力也還幾乎沒有什么認識。但科學(xué)家估計，“暗能量”可能占據(jù)了宇宙成分的三分之二，對它的了解對于理解時間、空間、物質(zhì)和能量具有關(guān)鍵作用。暗能量的觀測證據(jù)右圖中，左下為距我們110億光年的Ia型超新星１９９７ｆｆ爆發(fā)，右下即為暗能量。Ia型超新星的分析超新星即爆炸中的恒星，它發(fā)出的亮度是幾十億顆恒星亮度的總和。測定超新星的亮度，可以用來判斷宇宙膨脹的速率。在宇宙加速膨脹中誕生的星體，其發(fā)出的光到達地球時，該星體和地球之間的距離由于膨脹加速的原因要比預(yù)計的近，因而地球上的觀測者會發(fā)現(xiàn)其光要比預(yù)計中更亮?？茖W(xué)家們經(jīng)過大量的計算和分析確認，“

１９９７ｆｆ”的亮度是預(yù)計正常亮度的兩倍，比距離更近、更年輕的超新星爆炸發(fā)出的光還要亮。科學(xué)家們據(jù)此判定，這顆超新星顯示宇宙在加速膨脹。超新星證明愛因斯坦“暗能量”理論有關(guān)“１９９７ｆｆ”的新發(fā)現(xiàn)，及后來二十多顆大紅移Ia超新星的觀測，為宇宙在加速膨脹提供了新的佐證?？茖W(xué)家認為，宇宙膨脹速率之所以發(fā)生變化，其原因在于除引力外還存在負引力，兩者綜合決定宇宙