2 宇宙大爆炸

宇宙正在膨胀这个事实于20世纪20年代由美国天文学家埃德温·哈勃发现。在研究由遥远星系发出的光里所含的特定元素的谱线特征时，哈勃发现每条线都向光谱末端——更长波长的红端移动，这说明这些光波被拉伸了。

这可能意味着所有星系都正在离我们远去。实际上这些星系并不移动，而是时空连续体本身在膨胀——尽管膨胀的效应可能会在局部地区内被引力所抵消。空间在地球上、太阳系内部乃至整个银河系内部都没有膨胀，但星系组之间的空间确实在膨胀着。星系被分开就像蛋糕中的葡萄干在生面团发酵膨胀时分离开来一样。

随着宇宙的膨胀，从这些星系发出的光波被拉伸了，使它们向光谱的红端移动。距离最远的星系，光谱移动得也最多。这种现象被称为红移。

据此推测，宇宙曾经比现在小得多。这种逻辑引出了大爆炸理论，宇宙以及其内部的所有事物——空间、时间、物质、能量，甚至所有的物理定律和自然基本力——诞生的初始事件。

宇宙的尺度

天体物理学包含了宇宙中应有的所有可想象的尺度。其中的一些尺度与我们最为熟知的那些（从微米到数千千米）的尺度看起来大不相同。在这一极限范围之外，就更需要使用我们的想象力。宇宙在这些不同的尺度上看起来有很大的不同，但是物理定律对它们都适用。

在现代科学所能达到的最小尺度——约10-16米——上，物质由名为夸克的基础粒子构成。它们三个一组，形成基本粒子——质子和中子。原子的大部分质量都集中在它的原子核内，原子核直径为10-13米。事实上原子的所有体积都由电子占据，它们存在于原子核周围，位于通常被称为电子云的区域中。电子云的直径大约是原子核的1000倍，或者说10-10米。

在人类的尺度上缺乏亚原子尺度上的量子现象以及大尺度上的相对性效应。我们能够透过放大镜观察并且未意识到量子相互作用导致光子从物体上反射，到达我们的眼睛，让我们能够在更大尺度上看到一个较小的物体。在更大的尺度上，我们以十、百乃至千米为单位测量，这些或许能够很方便地以指数表达出来：地球的直径是107米，地球和太阳之间的距离是1.49亿千米，或者说是一个天文单位（AU）。同样作为太阳系中的一部分的水星——距离太阳最近的行星——到地球的平均距离为0.39AU；地球到达最遥远的冥王星（现已被降级）的平均距离为39.44AU。

当千米数或是天文单位数超出了人类所能理解的范围，天文学家就以光年为单位测量。1光年相当于95万亿千米（或63240AU）。太阳系的外部区域被称为奥特星云，可能延伸了到半人马座比邻星——距离我们最近的恒星——4.3光年之外的距离的1/4。以10千米/秒行进的火箭将需要10万年才能到达这颗“邻近”的恒星。

太阳系存在于银河系——一个包含了超过1000亿颗恒星、直径延伸了8万光年到10万光年的巨大系统——中的一条旋臂上，太阳距离银河系中心大约2.8万光年。夜空中每颗可见的恒星都位于银河系中。

银河系是名为本星系群的星系团中的一部分，其半径大约为250万光年。它在本星系群中的最近邻居位于16万光年以外。位于230万光年以外的仙女座星系是在良好条件下通过裸眼能够观察到的最远的天体。本星系群属于本超星系团，本超星系团半径为5000万光年。

大爆炸

天文学家们相信，宇宙及其内部的物质和空间，都是在大爆炸以及大爆炸后极短的一瞬这个关键过程中产生的——那时的温度要远高于现在的宇宙。

人们常常问到，大爆炸之前存在着什么？宇宙最终会膨胀成什么样子？然而“大爆炸之前”这个概念几乎是没有意义的，因为时间本身是在大爆炸之后产生的。如果空间就如时间一样，是在大爆炸中产生的，而且如果空间本身就处在膨胀中，那它并不需要膨胀形成任何东西。

宇宙从产生的那一刻开始就处在不断演化中，而理论物理学家和宇宙学家已经给出了关于这些事件可能次序的描述，这也就是我们所知的宇宙的形成过程。

在最开始的一段时间，空间和时间仍在形成中，自然力组成了一种单一的、原始的超力。这就是我们所说的普朗克时间，它的细节可能永远无法被解释，因为物理定律仍在定义中。

到了第10-35秒时，空间已经膨胀到足以使温度降到1027K的程度，由具有极端能量的光子携带。引力已经成为了一种分离的力，大统一理论（GUT）力这时分离为强核力和弱电作用，伴随着夸克、轻子以及它们的反物质的迅速产生。这个过程在宇宙恢复它原先的膨胀速率前，经历了一个短暂却十分剧烈的膨胀阶段（持续了10-32秒）。

在第10-12秒时，弱电作用分裂成电磁力和弱核力，于是所有的四种自然力现在都被分离和区分开来。宇宙里的粒子及其反粒子处在了稳定地形成与湮灭的状态，轻子分离成了中微子与电子。夸克依然独立存在，因为宇宙当时的温度阻碍了它们结合形成更重的粒子。

到第10-6秒时，夸克两个或三个一组结合了起来，形成了介子和重子（包括质子和中子）——因为在那个时刻夸克无法独立存在。它们的反粒子也发生了同样的情况，并且在那以后与物质发生湮灭，但是极少数的残余（每10亿个里有1个粒子）被遗留了下来，继续形成现今宇宙中的所有物质。在这个过程中也产生了大量的光子。

到第1秒结束时，温度已经降到了1010K；5秒以后，中微子与反中微子不再与其他形式的物质发生相互作用。宇宙到达第10秒后，质子与中子开始结合形成氘核。

在第1到第5分钟之间，强核力发挥主导作用，使中子和质子结合在一起形成氦核，并阻止中子衰变为质子和电子。宇宙中的氢和氦的比例就是这个时候确定下来的。这时的能级依旧很高，使得原子完全离子化，并且以原子核的形式存在于电子的海洋。

大爆炸后大约30万年后，温度下降到了足够低的程度——约为3000K，从而电磁力使得电子被原子核所捕获。随着空间不再由自由电子的海洋所充斥，光子终于可以第一次在不与物质相互作用的情况下行进很长的距离——宇宙变得透明起来。在这个被称作是物质与能量去耦的时期，宇宙背景辐射被释放了出来。随着包含在宇宙中的物质上的辐射压的移除，原子开始受到引力的控制并集结形成巨大云团，宇宙的大尺度结构开始演化。

在宇宙背景微波辐射被释放到150亿年后的今天之间，宇宙膨胀了1000倍，而物质聚积并且浓缩形成了星系、恒星（包括我们的太阳）和行星。随着这些情况的发生，宇宙的温度继续下降。

宇宙膨胀

今天我们所见到的能被观测的宇宙起源于一个比原子还要小的区域空间。大爆炸事件被广泛认为是创造了宇宙的事件，它发生在100到150亿年以前，导致其产生的原因仍然是未知的，但天体物理学家已经整理出了一套关于大爆炸后的异常详尽的知识体系——开始于大爆炸后极短的时间。此时传统的物理定律被认为已经产生了。在极早期的宇宙中，四种自然力——引力、电磁力、强核力和弱核力——被合并成单一的超力。物质与能量并非今天这样明显分离。即使是空间也因为这个时候宇宙所占据的小得难以置信的体积而持续被打破和折叠。随着时间的推移，宇宙不断膨胀，而在它膨胀时，超力分成了引力与大统一力。关键的下一步发生在宇宙的第10-35秒时。此时，宇宙已经膨胀并且冷却到足够使大统一力进一步分离成强核力和弱电作用。伴随这一分离的是夸克与轻子的突然产生，这个过程与大气中的水蒸气在周围空气的温度充分低的时候凝结成云是一样的道理。正如水蒸气凝结成水释放热能一样，物质粒子的自发形成导致了宇宙内的变化，这产生了巨大的压力，使得宇宙以一个极大的加速度速率膨胀——比光速还快。这一过程就是暴涨，它将宇宙扩大了1050的指数，而这一切仅仅发生在10-32秒之内。尽管如爱因斯坦所说，没有东西在空间中运动速度能够超过光速，但是这一限制并不适用于空间本身，所以在暴涨的过程中并没有违背任何物理定律。

暴涨理论并未被证明，并且人们还提出了许多其他的想法。最近的一个是由普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特和英格兰剑桥大学的尼尔·图洛克提出的循环宇宙理论。它以M理论为基础，指出我们的宇宙只是在更高维度上连接起来的多个宇宙中的一个。这可以被想象作两张二维的纸被分开放置在一个三维的房间里，这两个宇宙毫不相关，除非它们发生偶然的碰撞，此时它们产生出类似于大爆炸的状况。这一理论被称为火宇宙模型，名称来自于希腊斯多葛学派哲学家，他们相信“大火”——宇宙将周期性地被火毁灭的想法。

其他天文学家则相信，在未来几年里，空间探测器对于充斥整个宇宙的微波背景辐射的更深入观测将证实暴涨的发生。

宇宙的婴儿期

宇宙在第10-12秒时，弱电作用分解为电磁力与弱核力。在此之前，所有轻子——电子、中微子等不由夸克组成的基本粒子——行为方式相同。但是现在，随着这两种力（支配轻子的反应）的相互分离，电子和中微子独立开来。电磁相互作用开始在所有带电粒子之间发生，光子开始大量地生成。

宇宙在这一阶段的组成部分都处于稳定地产生并相撞的状态中。物质粒子与它们的反粒子碰撞，随即湮灭并产生一对高能光子。这些光子很快地又衰变回粒子-反粒子对，于是碰撞-湮灭的过程又重新开始。

这种物质与能量间的循环转换是可能发生的，因为这时的宇宙十分致密且灼热：大爆炸后不到一百万分之一秒内，温度高于10万亿K。在这种环境下，夸克可以作为独立粒子而存在，因为它们与其他夸克之间建立的任何连接不久就会被碰撞所破坏。

当宇宙年龄到达1微秒时，情况又变了：这时，它已经充分地膨胀与冷却，以至于像以前一样在那么大范围内自发产生新物质不再可能。此时，粒子与它们的反粒子相碰撞所产生的光子不再重新转变成物质。

随着宇宙的冷却，强核力把夸克拉在一起组成质子与中子。其中的大部分粒子都在与它们相对的反物质的碰撞中湮灭了。然而，由于宇宙中有着虽然小但仍可测量的趋势，并且创造出反物质更多的物质，一些基本粒子残留了下来。每10亿对粒子-反粒子对中，就有1个粒子在没有相对的反物质的条件下产生。这些残余的物质粒子就构成了我们今天所发现的每一个原子核。

到那时为止，中微子和反中微子就一直处于一个恒定地与宇宙其他物质相碰撞的状态中。随着宇宙到达诞生后第1秒，它们都停止了与其他粒子的反应。这个过程称为中微子的去耦，可能是大爆炸后最早的可探测事件之一：如果有足够多的强力中微子探测器的话，就能以中微子流背景的形式被探测到，使得天文学家们可以研究宇宙在其第1秒时候的状态。

更早的唯一可能被探测到的事件是引力子的去耦，这被认为发生在大爆炸后的第10-12秒。然而，引力子的去耦比中微子去耦更为不确定：与中微子不同，人们至今仍然没有证明引力子的存在。

混沌之初

随着宇宙的膨胀，大爆炸后几秒，宇宙的温度一直持续下降。当宇宙到达第15秒时，温度已经降到足以阻止电子-正电子对的自发形成。同样地，中子和质子，以及它们相应的反物质，相互碰撞湮灭并留下少量的物质剩余，而电子和正电子也一样。再一次，产生物质的微小偏向使得每10亿电子-正电子湮灭时，就有一个电子留存下来，这意味着对应于一个物质粒子就有几十亿个光子同时存在。

尽管这时的宇宙仍被光子与中微子所支配，但是原子的组成成分（质子、中子和电子）的条件已经具备。宇宙中基本粒子的总比例已经确定，它们处于一种恒定的碰撞状态中。

当宇宙年龄到达1分钟时，条件变得适宜中子与质子通过核聚变结合成为原子核（核合成）。这一过程是可能的，因为当时发生的碰撞——尤其是发生在重子（中子与质子）间的碰撞——已经因为宇宙的冷却以及粒子不再以那么高的速度运动而变得没那么激烈了，这就使得强核力能够在粒子接触时发生作用。

经过了大约4分钟的核合成之后，宇宙充分地膨胀，其温度也相应地降低，以停止这一进程。宇宙这时包含了氢原子核（单个质子）以及它的同位素——氘（一个质子和一个中子）和氚（一个质子加三个中子），以及氦（两个质子和两个中子）与它的同位素氦-3（两个质子一个中子）。

因为中子要保持稳定必须有其他重子的存在，那些在原子核之外的中子就衰变成一个氢原子核（单个质子）、一个电子和一个中微子。

这时的宇宙仍然处于非常高能的状态，以使电磁力将电子束缚在原子核边上。任何被原子核捕获的电子很快就在与光子的碰撞中又获得了足够多的能量，从而再度逃离原子核。宇宙在这种恒定的离子化状态中度过了好几十万年。

在宇宙年龄大约30万到50万岁间，宇宙中发生的一个最重要的变化——所谓的物质和能量的去耦。随着宇宙的膨胀，温度降低，光子要把电子从原子核边撞离变得更加困难了。随着电子被原子核所吸引，光子变得能够在宇宙中长距离传播而不与其他粒子碰撞。从某种意义上看，宇宙对其中的光子来说变得透明了。

这个过程中发出的辐射到今天仍可以探测到，这就是宇宙微波背景辐射，这些辐射由于宇宙的膨胀发生了巨大的红移。这一现象在整个天空中十分一致，以3K的温度为表征。

物质与能量的去耦是宇宙中可观测到的最早的事件。1965年宇宙背景辐射的发现，为大爆炸理论提供了第一个决定性的证据。

20世纪80年代末，通过COBE卫星对于这个辐射微小变动——小于万分之一——的观测提供了更多更重要的证据。证据显示，这个时候的宇宙并不是均匀的，有的区域比较热但比较稀薄，有些区域相对比较冷，但比较致密。

从COBE开始，就有了大量的球载实验，诸如MAXIMA（国际毫米波各向异性实验成像阵列）实验与回飞棒（河外星系毫米波射电和地球物理国际气球观测）实验，它们对于宇宙微波背景辐射的细节进行了详细地观测。其他的地面微波望远镜则以不同的波长观测天空。它们一起为研究单个星系团的形成提供了非常重要的线索。NASA发射了一个COBE的后续探测器，被称为微波各向异性探测器（MAP），并刚开始以极高的灵敏度和精确度对整个天空进行测绘。，欧洲航天局（ESA）已启动普朗克计划，这是在更高精度下测绘微波背景的另一项任务。

一旦物质间的碰撞以及辐射停止，远远小于其他力的引力就能把原子拉到一起，这就意味着宇宙大尺度上的结构开始了演化进程。尽管天文学家还不能完全解释这个过程中的细节，但很可能就是因为原子云聚集，才形成了我们所看到的宇宙的不同星系，并且最终云团内部进一步崩塌，形成在其核内发生核聚变的恒星。