2 宇宙大爆炸

宇宙正在膨脹這個事實于20世紀20年代由美國天文學家埃德溫·哈勃發現。在研究由遙遠星系發出的光里所含的特定元素的譜線特征時，哈勃發現每條線都向光譜末端——更長波長的紅端移動，這說明這些光波被拉伸了。

這可能意味著所有星系都正在離我們遠去。實際上這些星系并不移動，而是時空連續體本身在膨脹——盡管膨脹的效應可能會在局部地區內被引力所抵消。空間在地球上、太陽系內部乃至整個銀河系內部都沒有膨脹，但星系組之間的空間確實在膨脹著。星系被分開就像蛋糕中的葡萄干在生面團發酵膨脹時分離開來一樣。

隨著宇宙的膨脹，從這些星系發出的光波被拉伸了，使它們向光譜的紅端移動。距離最遠的星系，光譜移動得也最多。這種現象被稱為紅移。

據此推測，宇宙曾經比現在小得多。這種邏輯引出了大爆炸理論，宇宙以及其內部的所有事物——空間、時間、物質、能量，甚至所有的物理定律和自然基本力——誕生的初始事件。

宇宙的尺度

天體物理學包含了宇宙中應有的所有可想象的尺度。其中的一些尺度與我們最為熟知的那些（從微米到數千千米）的尺度看起來大不相同。在這一極限范圍之外，就更需要使用我們的想象力。宇宙在這些不同的尺度上看起來有很大的不同，但是物理定律對它們都適用。

在現代科學所能達到的最小尺度——約10-16米——上，物質由名為夸克的基礎粒子構成。它們三個一組，形成基本粒子——質子和中子。原子的大部分質量都集中在它的原子核內，原子核直徑為10-13米。事實上原子的所有體積都由電子占據，它們存在于原子核周圍，位于通常被稱為電子云的區域中。電子云的直徑大約是原子核的1000倍，或者說10-10米。

在人類的尺度上缺乏亞原子尺度上的量子現象以及大尺度上的相對性效應。我們能夠透過放大鏡觀察并且未意識到量子相互作用導致光子從物體上反射，到達我們的眼睛，讓我們能夠在更大尺度上看到一個較小的物體。在更大的尺度上，我們以十、百乃至千米為單位測量，這些或許能夠很方便地以指數表達出來：地球的直徑是107米，地球和太陽之間的距離是1.49億千米，或者說是一個天文單位（AU）。同樣作為太陽系中的一部分的水星——距離太陽最近的行星——到地球的平均距離為0.39AU；地球到達最遙遠的冥王星（現已被降級）的平均距離為39.44AU。

當千米數或是天文單位數超出了人類所能理解的范圍，天文學家就以光年為單位測量。1光年相當于95萬億千米（或63240AU）。太陽系的外部區域被稱為奧特星云，可能延伸了到半人馬座比鄰星——距離我們最近的恒星——4.3光年之外的距離的1/4。以10千米/秒行進的火箭將需要10萬年才能到達這顆“鄰近”的恒星。

太陽系存在于銀河系——一個包含了超過1000億顆恒星、直徑延伸了8萬光年到10萬光年的巨大系統——中的一條旋臂上，太陽距離銀河系中心大約2.8萬光年。夜空中每顆可見的恒星都位于銀河系中。

銀河系是名為本星系群的星系團中的一部分，其半徑大約為250萬光年。它在本星系群中的最近鄰居位于16萬光年以外。位于230萬光年以外的仙女座星系是在良好條件下通過裸眼能夠觀察到的最遠的天體。本星系群屬于本超星系團，本超星系團半徑為5000萬光年。

大爆炸

天文學家們相信，宇宙及其內部的物質和空間，都是在大爆炸以及大爆炸后極短的一瞬這個關鍵過程中產生的——那時的溫度要遠高于現在的宇宙。

人們常常問到，大爆炸之前存在著什么？宇宙最終會膨脹成什么樣子？然而“大爆炸之前”這個概念幾乎是沒有意義的，因為時間本身是在大爆炸之后產生的。如果空間就如時間一樣，是在大爆炸中產生的，而且如果空間本身就處在膨脹中，那它并不需要膨脹形成任何東西。

宇宙從產生的那一刻開始就處在不斷演化中，而理論物理學家和宇宙學家已經給出了關于這些事件可能次序的描述，這也就是我們所知的宇宙的形成過程。

在最開始的一段時間，空間和時間仍在形成中，自然力組成了一種單一的、原始的超力。這就是我們所說的普朗克時間，它的細節可能永遠無法被解釋，因為物理定律仍在定義中。

到了第10-35秒時，空間已經膨脹到足以使溫度降到1027K的程度，由具有極端能量的光子攜帶。引力已經成為了一種分離的力，大統一理論（GUT）力這時分離為強核力和弱電作用，伴隨著夸克、輕子以及它們的反物質的迅速產生。這個過程在宇宙恢復它原先的膨脹速率前，經歷了一個短暫卻十分劇烈的膨脹階段（持續了10-32秒）。

在第10-12秒時，弱電作用分裂成電磁力和弱核力，于是所有的四種自然力現在都被分離和區分開來。宇宙里的粒子及其反粒子處在了穩定地形成與湮滅的狀態，輕子分離成了中微子與電子。夸克依然獨立存在，因為宇宙當時的溫度阻礙了它們結合形成更重的粒子。

到第10-6秒時，夸克兩個或三個一組結合了起來，形成了介子和重子（包括質子和中子）——因為在那個時刻夸克無法獨立存在。它們的反粒子也發生了同樣的情況，并且在那以后與物質發生湮滅，但是極少數的殘余（每10億個里有1個粒子）被遺留了下來，繼續形成現今宇宙中的所有物質。在這個過程中也產生了大量的光子。

到第1秒結束時，溫度已經降到了1010K；5秒以后，中微子與反中微子不再與其他形式的物質發生相互作用。宇宙到達第10秒后，質子與中子開始結合形成氘核。

在第1到第5分鐘之間，強核力發揮主導作用，使中子和質子結合在一起形成氦核，并阻止中子衰變為質子和電子。宇宙中的氫和氦的比例就是這個時候確定下來的。這時的能級依舊很高，使得原子完全離子化，并且以原子核的形式存在于電子的海洋。

大爆炸后大約30萬年后，溫度下降到了足夠低的程度——約為3000K，從而電磁力使得電子被原子核所捕獲。隨著空間不再由自由電子的海洋所充斥，光子終于可以第一次在不與物質相互作用的情況下行進很長的距離——宇宙變得透明起來。在這個被稱作是物質與能量去耦的時期，宇宙背景輻射被釋放了出來。隨著包含在宇宙中的物質上的輻射壓的移除，原子開始受到引力的控制并集結形成巨大云團，宇宙的大尺度結構開始演化。

在宇宙背景微波輻射被釋放到150億年后的今天之間，宇宙膨脹了1000倍，而物質聚積并且濃縮形成了星系、恒星（包括我們的太陽）和行星。隨著這些情況的發生，宇宙的溫度繼續下降。

宇宙膨脹

今天我們所見到的能被觀測的宇宙起源于一個比原子還要小的區域空間。大爆炸事件被廣泛認為是創造了宇宙的事件，它發生在100到150億年以前，導致其產生的原因仍然是未知的，但天體物理學家已經整理出了一套關于大爆炸后的異常詳盡的知識體系——開始于大爆炸后極短的時間。此時傳統的物理定律被認為已經產生了。在極早期的宇宙中，四種自然力——引力、電磁力、強核力和弱核力——被合并成單一的超力。物質與能量并非今天這樣明顯分離。即使是空間也因為這個時候宇宙所占據的小得難以置信的體積而持續被打破和折疊。隨著時間的推移，宇宙不斷膨脹，而在它膨脹時，超力分成了引力與大統一力。關鍵的下一步發生在宇宙的第10-35秒時。此時，宇宙已經膨脹并且冷卻到足夠使大統一力進一步分離成強核力和弱電作用。伴隨這一分離的是夸克與輕子的突然產生，這個過程與大氣中的水蒸氣在周圍空氣的溫度充分低的時候凝結成云是一樣的道理。正如水蒸氣凝結成水釋放熱能一樣，物質粒子的自發形成導致了宇宙內的變化，這產生了巨大的壓力，使得宇宙以一個極大的加速度速率膨脹——比光速還快。這一過程就是暴漲，它將宇宙擴大了1050的指數，而這一切僅僅發生在10-32秒之內。盡管如愛因斯坦所說，沒有東西在空間中運動速度能夠超過光速，但是這一限制并不適用于空間本身，所以在暴漲的過程中并沒有違背任何物理定律。

暴漲理論并未被證明，并且人們還提出了許多其他的想法。最近的一個是由普林斯頓大學的保羅·斯坦哈特和英格蘭劍橋大學的尼爾·圖洛克提出的循環宇宙理論。它以M理論為基礎，指出我們的宇宙只是在更高維度上連接起來的多個宇宙中的一個。這可以被想象作兩張二維的紙被分開放置在一個三維的房間里，這兩個宇宙毫不相關，除非它們發生偶然的碰撞，此時它們產生出類似于大爆炸的狀況。這一理論被稱為火宇宙模型，名稱來自于希臘斯多葛學派哲學家，他們相信“大火”——宇宙將周期性地被火毀滅的想法。

其他天文學家則相信，在未來幾年里，空間探測器對于充斥整個宇宙的微波背景輻射的更深入觀測將證實暴漲的發生。

宇宙的嬰兒期

宇宙在第10-12秒時，弱電作用分解為電磁力與弱核力。在此之前，所有輕子——電子、中微子等不由夸克組成的基本粒子——行為方式相同。但是現在，隨著這兩種力（支配輕子的反應）的相互分離，電子和中微子獨立開來。電磁相互作用開始在所有帶電粒子之間發生，光子開始大量地生成。

宇宙在這一階段的組成部分都處于穩定地產生并相撞的狀態中。物質粒子與它們的反粒子碰撞，隨即湮滅并產生一對高能光子。這些光子很快地又衰變回粒子-反粒子對，于是碰撞-湮滅的過程又重新開始。

這種物質與能量間的循環轉換是可能發生的，因為這時的宇宙十分致密且灼熱：大爆炸后不到一百萬分之一秒內，溫度高于10萬億K。在這種環境下，夸克可以作為獨立粒子而存在，因為它們與其他夸克之間建立的任何連接不久就會被碰撞所破壞。

當宇宙年齡到達1微秒時，情況又變了：這時，它已經充分地膨脹與冷卻，以至于像以前一樣在那么大范圍內自發產生新物質不再可能。此時，粒子與它們的反粒子相碰撞所產生的光子不再重新轉變成物質。

隨著宇宙的冷卻，強核力把夸克拉在一起組成質子與中子。其中的大部分粒子都在與它們相對的反物質的碰撞中湮滅了。然而，由于宇宙中有著雖然小但仍可測量的趨勢，并且創造出反物質更多的物質，一些基本粒子殘留了下來。每10億對粒子-反粒子對中，就有1個粒子在沒有相對的反物質的條件下產生。這些殘余的物質粒子就構成了我們今天所發現的每一個原子核。

到那時為止，中微子和反中微子就一直處于一個恒定地與宇宙其他物質相碰撞的狀態中。隨著宇宙到達誕生后第1秒，它們都停止了與其他粒子的反應。這個過程稱為中微子的去耦，可能是大爆炸后最早的可探測事件之一：如果有足夠多的強力中微子探測器的話，就能以中微子流背景的形式被探測到，使得天文學家們可以研究宇宙在其第1秒時候的狀態。

更早的唯一可能被探測到的事件是引力子的去耦，這被認為發生在大爆炸后的第10-12秒。然而，引力子的去耦比中微子去耦更為不確定：與中微子不同，人們至今仍然沒有證明引力子的存在。

混沌之初

隨著宇宙的膨脹，大爆炸后幾秒，宇宙的溫度一直持續下降。當宇宙到達第15秒時，溫度已經降到足以阻止電子-正電子對的自發形成。同樣地，中子和質子，以及它們相應的反物質，相互碰撞湮滅并留下少量的物質剩余，而電子和正電子也一樣。再一次，產生物質的微小偏向使得每10億電子-正電子湮滅時，就有一個電子留存下來，這意味著對應于一個物質粒子就有幾十億個光子同時存在。

盡管這時的宇宙仍被光子與中微子所支配，但是原子的組成成分（質子、中子和電子）的條件已經具備。宇宙中基本粒子的總比例已經確定，它們處于一種恒定的碰撞狀態中。

當宇宙年齡到達1分鐘時，條件變得適宜中子與質子通過核聚變結合成為原子核（核合成）。這一過程是可能的，因為當時發生的碰撞——尤其是發生在重子（中子與質子）間的碰撞——已經因為宇宙的冷卻以及粒子不再以那么高的速度運動而變得沒那么激烈了，這就使得強核力能夠在粒子接觸時發生作用。

經過了大約4分鐘的核合成之后，宇宙充分地膨脹，其溫度也相應地降低，以停止這一進程。宇宙這時包含了氫原子核（單個質子）以及它的同位素——氘（一個質子和一個中子）和氚（一個質子加三個中子），以及氦（兩個質子和兩個中子）與它的同位素氦-3（兩個質子一個中子）。

因為中子要保持穩定必須有其他重子的存在，那些在原子核之外的中子就衰變成一個氫原子核（單個質子）、一個電子和一個中微子。

這時的宇宙仍然處于非常高能的狀態，以使電磁力將電子束縛在原子核邊上。任何被原子核捕獲的電子很快就在與光子的碰撞中又獲得了足夠多的能量，從而再度逃離原子核。宇宙在這種恒定的離子化狀態中度過了好幾十萬年。

在宇宙年齡大約30萬到50萬歲間，宇宙中發生的一個最重要的變化——所謂的物質和能量的去耦。隨著宇宙的膨脹，溫度降低，光子要把電子從原子核邊撞離變得更加困難了。隨著電子被原子核所吸引，光子變得能夠在宇宙中長距離傳播而不與其他粒子碰撞。從某種意義上看，宇宙對其中的光子來說變得透明了。

這個過程中發出的輻射到今天仍可以探測到，這就是宇宙微波背景輻射，這些輻射由于宇宙的膨脹發生了巨大的紅移。這一現象在整個天空中十分一致，以3K的溫度為表征。

物質與能量的去耦是宇宙中可觀測到的最早的事件。1965年宇宙背景輻射的發現，為大爆炸理論提供了第一個決定性的證據。

20世紀80年代末，通過COBE衛星對于這個輻射微小變動——小于萬分之一——的觀測提供了更多更重要的證據。證據顯示，這個時候的宇宙并不是均勻的，有的區域比較熱但比較稀薄，有些區域相對比較冷，但比較致密。

從COBE開始，就有了大量的球載實驗，諸如MAXIMA（國際毫米波各向異性實驗成像陣列）實驗與回飛棒（河外星系毫米波射電和地球物理國際氣球觀測）實驗，它們對于宇宙微波背景輻射的細節進行了詳細地觀測。其他的地面微波望遠鏡則以不同的波長觀測天空。它們一起為研究單個星系團的形成提供了非常重要的線索。NASA發射了一個COBE的后續探測器，被稱為微波各向異性探測器（MAP），并剛開始以極高的靈敏度和精確度對整個天空進行測繪。，歐洲航天局（ESA）已啟動普朗克計劃，這是在更高精度下測繪微波背景的另一項任務。

一旦物質間的碰撞以及輻射停止，遠遠小于其他力的引力就能把原子拉到一起，這就意味著宇宙大尺度上的結構開始了演化進程。盡管天文學家還不能完全解釋這個過程中的細節，但很可能就是因為原子云聚集，才形成了我們所看到的宇宙的不同星系，并且最終云團內部進一步崩塌，形成在其核內發生核聚變的恒星。