奇点天文 dprenvip.com 年轻人的好奇心启蒙网站
关于宇宙的形成和演化，现在虽然有很多模型，但都不能认为主要方面已经有比较坚实可靠的基础。但目前为多数天文学家所接受的热大爆炸宇宙模型，比其它模型能解释的事实更多一些，因此也更优越一些。
先不妨用设想来回溯一下宇宙过去可能的状况。既然宇宙目前在膨胀，倒推回去很自然得出：在久远的过去宇宙的尺度比现在小得多，宇宙间的物质密度比目前高得多，在宇宙形成的早期物质应该十分密集。由于物质与时空无法分离，根本不存在没有物质的时空，也不存在脱离时空的物质，因此在宇宙物质极端密集的时代，时空也缩到非常小的范围，整个宇宙也就高度浓缩到一个特别狭窄的区域。另一方面，在宇宙早期，现在分散于宇宙空间成为微波背景辐射的能量也会十分集中，使那时的温度远远高于目前的 2.7 开。现在已知，物质在异常高温和高密的条件下，不仅通常的天体不可能存在，甚至分子、原子的结构也要被破坏，在极端条件下连原子核也要被压碎成为基本粒子。由上述的回溯大概可以描绘一个宇宙的简略的演化过程：宇宙形成的早期温度和密度都高得令人难以想象，当时的物质形态最多只能包含基本粒子，或者甚至是现在还不了解的物质形态。随着宇宙的膨胀，温度密度都相应下降，到一定程度基本粒子开始结合，先后形成氢、氦等轻元素的原子核。温度密度的进一步降低导致组成原子，然后陆续发生宇宙物质分裂成团块的现象，逐次形成超星系团、星系团、星系，以至恒星、行星等等。
本世纪 40 年代末提出来的热大爆炸宇宙模型，正是顺着上述的基本思路而形成并发展的。不过当时还没有发现微波背景辐射，宇宙早期处于高温状态是这种模型的假定，并且据此预言应该观测到今天尚剩余的温度。热大爆炸宇宙模型认为，宇宙起始于高温高密的“原始火球”，最开始甚至可能只是一个点。在原始火球里，温度与密度都高到无法想象的程度，基至连基本粒子也难于存在，物质处于目前还不了解的状态。这种状态可能很不稳定，终于使原始火球发生爆炸，爆炸的范围涉及整个宇宙的全部物质和全部时空。爆炸使宇宙的空间尺度各部分同时膨胀，物质和能量的空间密度都逐步
降低，相应的温度也下降，与温度相应的热辐射光子的能量也随之降低，辐射的波长拉长。在温度下降、体积膨胀的过程中，大部分高能基本粒子湮灭转化为光子，余下的极少部分在能量降低之后结合成轻元素的原子核，再进而结合成原子。温度大为降低之后，物质才分裂成团块，进而逐步形成现在的宇宙状况。
热大爆炸宇宙模型从提出到现在已有近 40 多年的历史。刚开始的时候只有一个轮廓，后来结合高温高密物质状态研究以及基本粒子理论的研究，现在已经有比较完整的理论体系，对宇宙各个阶段的状况有了一些定量的描述，有些定量的结论符合观测得到的数据。在这个模型里，宇宙从诞生到今大致可以分为三个阶段，下面就简单地把整个过程叙述一下。
初始阶段：
大约在一百几十亿年前，原始火球开始爆炸，当时的温度和密度都很高，在爆炸发生的初期，物质所处的状态现在还不清楚，因为目前的物理学内容里还没有那么高温高密条件下的实际知识。爆炸发生之后 10-6 秒，温度和密度已经下降了，物质就能以基本粒子动态平衡的形式存在，就是处于光子、中微子、介子、电子、极少量的质子和中子以及所有这些粒子的反粒子相互作用和转化的动态平衡状态。这种情况总共维持了 1 秒钟。爆炸发生后，在 1 秒钟内温度已经降到 1010 开。这时正反粒子大都湮没了，只剩下光子、中微子以及极少量的电子、中子和质子。这里所谓极少量是与爆炸初期的各种粒子总数相比。实际上今天宇宙里存留下来的就是这个极少量。在第 1 秒末的时候，宇宙的尺度还很小，大约只有 5 光年左右，但是物质和能量的密度却很大，尤其是光子和中微子的能量按照当时的温度来算更是很高。若把全部能量都按相对论的质能转化公式折合成质量，则光子和中微子的能量折合的质量密度约为 105 克/厘米 3，而电子、中子和质子等实物粒子的平均密度则约为 1 克/厘米 3。在宇宙膨胀的过程中所有的尺度都按照同一比例增长，光子的波长也包括在内。热辐射特性是辐射的波长愈长相应的温度就愈低。由此可以得出一条很重要的结论：宇宙的温度和它的尺度成反比，宇宙膨胀得愈大它的温度愈低。这一点不仅在初始阶段如此，在其它阶段也莫不如此。
辐射为主阶段：
温度由 1010 开降到 105 开的阶段，宇宙的尺度相应地膨胀了 105 倍，最后约达到 50 万光年左右的阶段称为辐射为主阶段，因为在这个阶段里辐射能量折合的质量密度一直高于实物粒子的平均密度。在宇宙膨胀的过程中，辐射能量的密度和物质粒子的密度虽然都在降低，但变化的规律不同，能量密度降低得要快一些。热辐射规律是辐射强度和温度的四次方成正比，而辐射强度的大小就代表着辐射能量密度的高低。既然宇宙的温度和它的尺度成反比，辐射能量的密度也就和宇宙尺度的四次方成反比。但是实物粒子的质量并不随宇宙的大小改变，在宇宙膨胀过程中它们只是分散到愈来愈大的体积里去，而宇宙的体积当然是和它的尺度三次方成比例。由此可知实物粒子的密度是和宇宙尺度三次方成反比。很明显在辐射为主阶段的末了，因为宇宙膨胀了 105 倍，辐射的密度应该降低 1020 倍，而实物的密度应该降低 1015 倍，两者由原来相差 105 倍变成相等，数值都约为 10-15 克/厘米 3。
这个阶段大约总共延续了 2000 年左右。大爆炸之后各阶段演化的时标和宇宙的物质密度直接相关，但总的来说膨胀的速度是越来越慢。辐射为主的阶段还可以细分为前后两期。前期大约共历时 30 分钟，宇宙里主要的原始元
素都在这一阶段时间里合成。在这个阶段的开始 100 秒时间里，温度下降到约 109 开，这种条件下几种最轻的原子核可以稳定地存在。于是质子和中子开始结合成氘，然后在氘的参与下，合成大量的氦 4，即普通的氦原子核。元素的核合成到 30 分钟末尾就基本停止了，因为那时温度已降到 3×108 开，绝大多数质子和中子的动能已不足以使它们相碰撞而结合。用已知的基本粒子理论进行计算，在元素合成的这几十分钟里面，大约有 25％的质子转变为氦原子核，还有少量氘以及极微量的氦 3、铍 7、锂 6 和锂 7，其余的仍然是质子（氢原子核）。由于质量数为 5 和 8 的原子核极不稳定，所以元素合成跳不过这两道障碍，使得当时没有能合成更重的元素。氢和氦都是相当稳定的元素，就一直遗留到今天。热大爆炸宇宙模型对宇宙间氢氦含量的比例作出如此完美的解释，是目前其它任何模型不能与之相匹敌的，也是它受到普遍接受的重要理由之一。辐射为主阶段的后期只是一般的膨胀过程，没有什么特殊的事件发生。
实物为主阶段：
宇宙温度降到 105 开以下，实物的密度就超过了辐射的密度，宇宙的演化就要以实物的密度变化为主，整个宇宙的平均密度就大致与宇宙尺度的三次方成反比。这个阶段一直延续到现在，同样可以分为前后两段。在宇宙年龄小于 70 万年、温度高于 3000 开的前段，虽然辐射的密度已经比物质的密度低，但整个宇宙的温度仍然很高，实物粒子都在高速地运动着，具有很高的能量，电子、质子及其它原子核无法结合形成原子。直到这时宇宙间一直充满着快速运动的自由电子，它们和光子之间碰撞得很频繁，它们和别的物质粒子的碰撞也经常发生。这时候辐射和实物粒子之间、实物粒子相互之间仍然不断相互交换能量，使每种粒子分配到的平均能量相等，而且相互混杂成均匀的混合状态。整个宇宙间处在所谓热动平衡的条件下，温度完全相同，因此直到此时宇宙仍然处于严格均匀各向同性状态。同时由于光子和电子经常发生碰撞，根本无法顺利穿透宇宙空间，所以从大爆炸以来至此宇宙都是不透明的。如果当时有个观测者对宇宙进行研究，他大约只能看出 1000 光年的距离，因为那时光子平均走这样一段距离就要和自由电子发生一次碰撞。可是那时宇宙的尺度已经超过 1500 万光年，而宇宙的年龄已经近 70 万年。
实物为主阶段的后段自宇宙温度降到 3000 开以下开始。随着温度的下降，物质粒子的能量愈来愈小，电子从质子或其它原子核附近跑过，或与它们相碰撞时，再也没有足够的动能去摆脱正电荷的羁绊，于是就开始与它们结合成中性原子。至此宇宙间突然失去了大量自由电子，光子不再受到自由电子的强烈散射，宇宙就开始透明了。从此以后实物和辐射之间基本上就各行其是互不干扰了。实物不再受到布满宇宙的辐射影响，就可能发生非均匀性扰动或涨落而分裂成团块，然后发生引力集聚逐步形成各种层次的天体。与此同时，光子的波长仍然继续随宇宙尺度的膨胀而加大，辐射的有效温度随之而降低，直到现在余下的 2.7 开背景辐射温度。这就是原始火球的余温，完全均匀各向同性，充满整个空间无所不在。
严格讲，人们今天观测到的微波背景辐射并不直接来自热大爆炸的原始火球，因为在宇宙温度低于 3000 开以前宇宙并不透明。人们所能观测的只是在接近透明处的辐射，也就是 3000 开时发出的辐射。这就像根本无法直接观测太阳或恒星的不透明内部所发出的高能辐射，而只能看到它们表面的辐射一样。不过发出 3000 开辐射的宇宙早期景象已经与现代相隔了一百几十亿
年，这种辐射传到人类眼睛的时候，宇亩已经大为膨胀了。人们接受到的辐射是由远在一百多亿光年之外的地方发来的，所以有很大的红移，使人们看到的不再是 3000 开的高温而是 2.7 开的低温。从人类现在所处地位附近发出的 3000 开辐射早已传出去很远了，当然人类不可能再看到。
前面曾经提到过：人类能够探测的宇宙可能在客观上有一定限度。从上面的热大爆炸模型就可以理解何以会有这个限度，且不讲原始火球以前是什么状况人类无法观测，就以宇宙年龄 70 万年以前来说，视线已是无法透过了。人们现在极目四望，最远只能达到宇宙在 3000 开时的景象，那就是现在已经被人们接收到的微波背景辐射。比微波背景辐射的来源近一些的大概是众多的类星体，再近一些是星系。这个顺序也同样是宇宙演化的历史顺序。
以上就是热大爆炸宇宙模型所提供的宇宙演化历史的大致图景。这个模型孕育于哈勃关系的回溯和反演中，后来结合了基本粒子理论等物理学理论，经过长期改进才逐步完善的。在上面几段里列举的宇宙温度、时代、物质构成和密度以及宇宙尺度等等，都是根据现有物理学知识推算出来的。它满足了宇宙均匀各向同性和星系退行的要求，解释了宇宙间氢氦含量的比例关系，而且在发现微波背景辐射之前，就预言应该有宇宙早期高温的余热，并估计约为 5 开的低温。正因为它能说明的观测事实最多而且准确预言了当时尚未观测到的现象，所以它才获得了多数天文学家的承认。但是它也有些问题没有解决。例如，根据这个模型计算，宇宙间氘的含量应该受元素合成时代物质密度的影响很大。如果当时密度高。氘转化为氦的机会就多，剩下的氘就比较少，反之氘就比较多。从现在实测的氘含量和按实测宇宙物质密度倒推回去计算的结果有较大的出入，原因在哪里现在还没有弄清楚，此外，这个模型只描述了宇宙的过去，对将来的发展趋势没有进行预测。
即使只考虑宇宙演化的历史过程，热大爆炸宇宙模型也不是没有问题。最大的问题就是原始火球的起点。这个模型的起点是全部物质和空间缩在一个点，一个几何学上的点，一个密度、温度都无穷大的奇点。宇宙就要从这么一个奇点爆发产生。奇点在数学上司空见惯，但在物理上很难接受。很可能物质密集到一定程度以后，会形成比基本粒子更原始的物质状态，会出现新的力使收缩不能持续到底。不过从目前的物理学知识来看，还没有发现这一类情况。
奇点天文 dprenvip.com 年轻人的好奇心启蒙网站
