宇宙的起源與演化

佟永麗

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)

最早引起古代人們注意到的宇宙現(xiàn)象， 如晝夜交替、月亮圓缺、日食月食、天體位置隨季節(jié)的變化以及行星在星空背景上的移動(dòng)等，都沒超出太陽(yáng)系的范圍。

16 世紀(jì)哥白尼提出的日心說雖然仍末超出太陽(yáng)系的局限，但卻把地球從居于宇宙中心的特殊地位降為一顆繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的普通行星，正確地反映了太陽(yáng)系的實(shí)際情況。

18、19 世紀(jì)是太陽(yáng)系天文學(xué)發(fā)展的鼎盛時(shí)期。 人們借助望遠(yuǎn)鏡，不僅發(fā)現(xiàn)了天王星、大量小行星、行星衛(wèi)星等太陽(yáng)系的組成成員，還根據(jù)天王星實(shí)際觀測(cè)位置及理論計(jì)算位置的偏差， 用天體力學(xué)理論準(zhǔn)確地預(yù)言了海王星的存在和位置，并最終發(fā)現(xiàn)了海王星、冥王星，從而有力地證明了當(dāng)時(shí)宇宙理論同太陽(yáng)系的客觀實(shí)際是相符的。 與此同時(shí)，人類的視野也逐漸由太陽(yáng)系擴(kuò)展到更為廣闊的恒星世界。

2 現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生

現(xiàn)代宇宙模型的研究始于愛因斯坦。 愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言，一定質(zhì)量的天體，將對(duì)周圍的空間產(chǎn)生影響而使它們“彎曲”。 彎曲的空間會(huì)迫使其中穿過的光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，例如太陽(yáng)就會(huì)使經(jīng)過其邊緣的遙遠(yuǎn)星體光線發(fā)生1.75 弧秒的偏轉(zhuǎn)。 通常，由于太陽(yáng)的光太強(qiáng)而使人們無(wú)法觀測(cè)到這一事實(shí)。 1919 年發(fā)生了日全蝕，一個(gè)英國(guó)考察隊(duì)終于觀測(cè)到太陽(yáng)附近的光線偏轉(zhuǎn)，得到的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)正是愛因斯坦所預(yù)言的“1.75 弧秒”。

盡管后來(lái)發(fā)現(xiàn)宇宙不可能保持穩(wěn)定而被放棄，但畢竟是一次開創(chuàng)性的嘗試，揭開了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的序幕。

3 宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)

1922 年， 蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼在廣義相對(duì)論的框架下，得到了愛因斯坦宇宙方程的一組動(dòng)態(tài)解，從理論上論證了宇宙要么膨脹，要么收縮，決不會(huì)保持靜止?fàn)顟B(tài)。 宇宙的演化趨勢(shì)則取決于宇宙物質(zhì)的平均密度ρ0與臨界密度ρc的比值：

ρ0＜ρc對(duì)應(yīng)于一個(gè)無(wú)限無(wú)界的開放宇宙；

ρ0=ρc對(duì)應(yīng)于一個(gè)平坦的開放宇宙；

ρ0＞ρc對(duì)應(yīng)于一個(gè)有限有界的閉合宇宙。

前兩種情況下宇宙將膨脹下去；后一種情況下，宇宙將出現(xiàn)膨脹——收縮的震蕩即“脈動(dòng)”。 （目前已知的臨界密度為ρc=10-29克/厘米3，所觀測(cè)的不含“暗物質(zhì)”的平均密度是ρ0=2×10-31克/厘米3）。

4 宇宙大爆炸模型

1948 年美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫 （George Gamow, 1904～1968）、阿爾法、貝特等人發(fā)揮了勒梅特的思想，把宇宙的膨脹與物質(zhì)的演化聯(lián)系起來(lái)，提出了“大爆炸宇宙模型”。 因?yàn)樗茌^多地說明現(xiàn)時(shí)所觀測(cè)到的事實(shí)，所以成為目前影響最大的宇宙學(xué)說。 這個(gè)宇宙大爆炸學(xué)說簡(jiǎn)介如下：

起源——宇宙始于約200 億年前爆炸的一個(gè)高溫、高密度的“原始火球”。 它的起始時(shí)間為0。

普郎克時(shí)代——時(shí)間10-43秒，溫度高達(dá)1032K；

大統(tǒng)一時(shí)代——時(shí)間10-35秒，溫度高達(dá)1028K；

強(qiáng)子時(shí)代——時(shí)間10-6秒，溫度為1014K；

輕子時(shí)代——時(shí)間10-2秒，溫度為1012K；

輻射時(shí)代——時(shí)間1－10 秒， 溫度降至約1010－5×109K，基本粒子開始結(jié)合成原子核， 能量以光子輻射顯示出現(xiàn)；（人們探索微觀世界和宇宙結(jié)構(gòu)的努力在這里會(huì)合）

氦形成時(shí)代——時(shí)間3 分鐘，溫度降至約109K，直徑膨脹到約1 光年大小，有近三成物質(zhì)合成為氦，核反應(yīng)消失；

進(jìn)入物質(zhì)時(shí)代——時(shí)間1000－2000 年， 溫度降至約105K，物質(zhì)密度大于輻射密度；

物質(zhì)從背景輻射中透明出來(lái)——物質(zhì)溫度開始低于輻射溫度，最重于最輕的基本粒子書比值保持恒定；

星系形成——時(shí)間108年，溫度降至約100K；

類星體、恒星、行星及生命先后出現(xiàn)——時(shí)間109年，溫度降至約12K；

目前階段——時(shí)間1010年，溫度降至約3K，星系溫度約105K。[1]

伽莫夫和他的支持者預(yù)言，大爆炸中所產(chǎn)生的輻射在遙遠(yuǎn)的宇宙空間里必定仍然存在，大約相當(dāng)于10K 左右。 后來(lái)3K 宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)給了人們很大的鼓舞， 因?yàn)樗贡ㄓ钪婺Ｐ偷倪@個(gè)預(yù)言成為真實(shí)。 當(dāng)然，大爆炸宇宙模型也同樣存在著許多尚待解決的疑難，它終究還只是一種假說。

5 大爆炸理論的證據(jù)

（一）宇宙的年齡

如果星系目前正在彼此遠(yuǎn)離， 那它們過去必定靠得更近，也就是說，較早時(shí)代的宇宙，物質(zhì)密度會(huì)更高。 繼續(xù)這一推理就意味著過去必定存在一個(gè)時(shí)刻，那時(shí)宇宙中的物質(zhì)處于極其高密的狀態(tài)。 按照哈勃定律將星系的距離除以各自的速度，就可估計(jì)出那一時(shí)刻距今約100－200 億年。 這段時(shí)間對(duì)所有星系來(lái)說是共同的， 事實(shí)上它就是哈勃常數(shù)的倒數(shù)。那一時(shí)刻通常被稱為“大爆炸”時(shí)刻，也就是我們宇宙的開端。 如果這一推論不錯(cuò)，那么宇宙中一切天體的年齡都不應(yīng)超出這個(gè)“宇宙年齡”所界定的上限。

借助盧瑟福所開創(chuàng)的利用物質(zhì)中放射性同位素含量測(cè)定其形成年代的方法，人們測(cè)量了地球上最古老的巖石——“阿彼羅11 號(hào)”（宇航員從月球上帶回的巖石）以及從行星際空間掉到地球上的隕石樣本， 發(fā)現(xiàn)它們的年齡均不超過47億年。

恒星的年齡可以從它們的發(fā)光功率和擁有的燃料儲(chǔ)備來(lái)估計(jì)。 根據(jù)熱核反應(yīng)提供恒星能源的理論，人們估算出銀河系中最老恒星的年齡約為100－150 億年。

用上述兩種完全不同的方法得到的天體年齡競(jìng)與“宇宙年齡”協(xié)調(diào)一致，這對(duì)大爆炸宇宙模型當(dāng)然是十分有力的支持。

（二）輕元素的豐度

在大爆炸后一秒鐘以前， 宇宙不僅不可能存在星系、恒星，地球，甚至除氫核外也沒有其他化學(xué)元素，只有處于熱平衡狀態(tài)下的由質(zhì)子、中子、電子、光子等基本粒子混合而成的“宇宙湯”。 起初，中子和質(zhì)子的數(shù)量幾乎相等，隨著溫度的降低，兩者的比例逐漸下降，在約3 分鐘時(shí)達(dá)到1：6 左右。 當(dāng)溫度降到10 億K 時(shí)，中子和質(zhì)子合成氘核的反應(yīng)開始，類似氫彈爆炸時(shí)發(fā)生的聚變過程迅速把所有的中子合成到由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)成的氦核中。 由此不難算出，氦同氫的質(zhì)量比應(yīng)為1：4。

當(dāng)宇宙年齡為1 秒時(shí)，氣體中有質(zhì)子也有中子，它們相碰撞就能結(jié)合成最簡(jiǎn)單的原子核氘（2D）， p＋n?2D+γ

一旦氘合成開始，后續(xù)的連鎖反應(yīng)就能接著發(fā)生了。 算過后知道，實(shí)際起主要作用的過程有：

2D+p→3He+γ2D＋2D→3He+n2D＋2D→3T＋p

3He+n→3T＋p3T＋2D→4He+n3He+2D→4He+p

在反應(yīng)階段的后期， 有可能出現(xiàn)原子量增加更多的反應(yīng)。 例如隨著4He 的積累，兩個(gè)4He 核能碰撞產(chǎn)生原子量為8的鈹核。 可惜原子量為8 的鋰、鈹、硼等核也都極不穩(wěn)定，所以反應(yīng)鏈還是沒有延續(xù)下去。 歸根到底，原初核合成只產(chǎn)生了周期表的前三種元素及其同位素。 第四和第五號(hào)元素也產(chǎn)生了一點(diǎn)點(diǎn)，但太少了。 這過程完全不能產(chǎn)生第六號(hào)元素碳，或序數(shù)更大的元素。 今天的碳、氮、氧和更重的元素都是恒星制造出來(lái)的。 在原初核合成結(jié)束后，宇宙介質(zhì)就變成了等離子狀態(tài)的氣體。

原初核合成理論提供了很可靠的產(chǎn)額結(jié)果，進(jìn)一步需要的是對(duì)它的實(shí)測(cè)檢驗(yàn)。人們?yōu)榱藴y(cè)出4He 原初豐度，把河外不同HII 區(qū)的Y4看成y0（氧較好測(cè)定）的線性函數(shù)，來(lái)與實(shí)測(cè)結(jié)果相擬合。然后內(nèi)插到y(tǒng)0=0，以消除恒星的影響。這樣得到的結(jié)果記作Y4p，可理解為由實(shí)測(cè)推斷出的4He 原初豐度。 采用2σ 的統(tǒng)計(jì)誤差，再計(jì)及系統(tǒng)誤差，Y4p的范圍是：

Y4p=0.221－0.243

天文觀測(cè)表明，無(wú)論宇宙的哪個(gè)角落，無(wú)論恒星還是星際物質(zhì)中，氦與氫的比例均大體與此相符。 同一時(shí)期合成的氘、氚、鋰、鈹、硼等輕元素，盡管數(shù)量小的多，但它們的豐度（即與氫的比例）也具有類似的普適性。 這對(duì)大爆炸模型是一個(gè)有力的支持。

（三）背景輻射

宇宙微波背景輻射的存在是大爆炸理論另一個(gè)重要遺跡。 宇宙年齡為105年時(shí)，介質(zhì)溫度約為1eV。 以氫和氦為主的氣體是電離的，基本組分是氫核、氦核、自由電子和光子。氫原子核和自由電子能結(jié)合為中性原子，

但這過程是可逆的。當(dāng)能量超過13.6eV 的光子與氫原子相碰，將使其還原成質(zhì)子和自由電子。在T=1eV 時(shí)，足以使原子電離的光子尚太多，正過程和逆過程達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡。 這種情況下，中性氫與電離氫之比很小很小，此時(shí)宇宙中還沒有中性原子。

在氣體溫度隨宇宙膨脹而再降低，能量超過13.6eV 的光子數(shù)將指數(shù)的減少，上述逆過程失效，此時(shí)發(fā)生氣體從電離狀態(tài)向中性原子狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

當(dāng)氣體處于電離狀態(tài)時(shí)，光子是一個(gè)熱平衡的組分。 光子的熱碰撞主要是通過它與自由電子間的Thomson 散射來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Thomson 散射截面是一個(gè)與速度無(wú)關(guān)的常數(shù)，其數(shù)值為σTh＝6.65×10－25cm2。 光子速度c=1 也是常數(shù)，定義Γ 為每一粒子在單位時(shí)間內(nèi)的碰撞次數(shù)，則有Γ＝n〈νσ（ν）〉，其中n是靶粒子的數(shù)密度，ν和σ（ν）分別是相對(duì)速度和碰撞截面，因此光子的熱碰撞率為

這里的ne是自由電子的數(shù)密度。 在原子中性化前，因有大量電子處于自由態(tài)，則有Γγ?H。 此時(shí)足夠頻繁的碰撞以維持熱平衡。 在原子中性化的后期，絕大部分電子束縛在中性原子內(nèi)，自由電子的數(shù)密度的迅速降低，光子有使光子的碰撞率急劇減少，最后完全失去了碰撞機(jī)會(huì)。 這就是光子在宇宙介質(zhì)中的退耦。 退耦后的光子與氣體中的其他組分粒子已幾乎沒有相互作用，因而被稱作背景光子，或背景輻射場(chǎng)。

觀測(cè)到什么樣的信號(hào)才能說明發(fā)現(xiàn)了背景光子呢？ 由于光速的有限性，在越遠(yuǎn)的地方，我們是在觀測(cè)那里越早的歷史情景。 反之，較晚的情景是觀測(cè)不到的，因?yàn)樗l(fā)的光還沒有到達(dá)。 也就是說，通過對(duì)宇宙空間縱深的觀測(cè)，看到的是宇宙演化的歷史。 從殼外側(cè)看到的宇宙氣體是電離的，而從殼內(nèi)側(cè)則看到中性原子氣體。因此，殼位置r 所對(duì)應(yīng)的發(fā)光時(shí)間t 正是宇宙氣體從等離子氣體向中性原子氣體的轉(zhuǎn)變時(shí)刻。在這短暫轉(zhuǎn)變階段的后期，光子經(jīng)過最后的一次碰撞，而變成了自由飛行的背景光子。 其中向著我們飛的，今天正好到達(dá)這里。 因此我們能用儀器俘捉它。 這就是觀測(cè)背景輻射的機(jī)理。 由此可得，殼內(nèi)側(cè)的最后散射面實(shí)際是背景輻射的光源。

背景輻射的研究歷史非常具有戲劇性。

6 宇宙的未來(lái)

根據(jù)大爆炸理論，宇宙的最終命運(yùn)將取決于兩種相反力量之間的“拔河比賽”的結(jié)果。 一種力量是宇宙的膨脹，在過去100 多億年的時(shí)間里，宇宙的擴(kuò)張一直在使星系之間的距離拉大。 另一種力量是這些星系和宇宙中所有其他物質(zhì)之間的萬(wàn)有引力： 它就像制動(dòng)器一樣使宇宙擴(kuò)張的速度逐漸放慢。 如果萬(wàn)有引力足以使膨脹最終停止，那么宇宙就注定會(huì)發(fā)生坍縮，最終變成一個(gè)大火球——同大爆炸相當(dāng)，但過程正好相反的“大崩墜”。 如果萬(wàn)有引力不足以阻止宇宙的繼續(xù)膨脹，那么它最終將變成一個(gè)黑暗和寒冷共存的世界。 這是因?yàn)楹阈鞘峭ㄟ^使輕原子核（主要是氫和氦）發(fā)生聚變反應(yīng)形成較重的原子核來(lái)產(chǎn)生能量的。 當(dāng)恒星內(nèi)部?jī)?chǔ)存的氫和氦消耗殆盡的時(shí)候，衰老的恒星上燃燒的火焰會(huì)因?yàn)闆]有新的原子來(lái)替代已經(jīng)消耗掉的原子而熄滅，同時(shí)宇宙也會(huì)逐漸衰變成一個(gè)漆黑一團(tuán)的空間。S

［1］俞允強(qiáng).物理宇宙學(xué)講義[M].北京大學(xué)出版社，2002.

［2］俞允強(qiáng).熱大爆炸宇宙學(xué)[M].北京大學(xué)出版社，2001.

［3］Charles H.Lineweaver,Tamara M.Davis.對(duì)宇宙大爆炸的誤解[J].北京：科學(xué)，2005（5）.

［4］[英]約翰·D. 巴羅（John Barrow）.宇宙的起源[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2007.

［5］[德]伊曼努爾·康德（Immanuel Kant）.宇宙發(fā)展史概論[M].上海譯文出版社，2001.

［6］張新民.解讀宇宙的起源[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，第19 卷第2 期.

［7］崔賓.宇宙的起源與演化：續(xù)[J].天文愛好者，2002 年第3 期.

注釋：

①宇宙最初幾微妙[J].環(huán)球科學(xué)，2006 年6 月.

②俞允強(qiáng).熱大爆炸宇宙學(xué)[M].北京大學(xué)出版社，2001.