一、初始物质的形成如前所述,宇宙形成于 138 亿年前的一个极其微小的奇点。
由于奇点大爆炸,在某种极度混沌的背景下,在密度极大、温度极高的状态下暴涨,由此开始时间和空间的膨胀过程,最终形成我们如今所处的宇宙。
按照科学家的观点,在大爆炸 1 秒钟内,温度极高,密度极大,宇宙发生了暴涨,所产生的时空能量无比强大。
开始产生引力、电磁力、强核作用力等各种作用力,先后出现引力子、胶子、夸克、玻色子、轻子、质子、中子、引力子、反粒子等各种初始物质。
随着暴涨后温度从开始的 1032 (10的32次密)骤降到 100 亿 K,宇宙开始出现了重子、反重子、介子等强子。
由于核力还无法束缚中子和质子,因此核子还没有形成, 原子就更没有产生,这时的宇宙还没有出现我们认知的常见物质。
大爆炸发生 1 秒钟后,宇宙物质主要为轻子(电子、中微子)和反轻子。
宇宙能量主要由光子控制。
此时,由原子组成的常见物质开始出现了,最先是夸克子形成原子核心。
从此,宇宙中最早的物质(地球上最原始的元素)诞生 了,比如,最简单的元素氢和氦,还有极少量的锂。
这些轻物质(轻元素)由于引力作用后来逐渐聚合成星云星团,然后分别在不同时期再收缩坍塌成恒星及各种星系。
根据大爆炸理论,早期的恒星都比 较巨大,因此寿命很短。
在恒星核聚变和超新星连续大爆炸的过程中,更重的元素(重元素)一个接一个地出现,化学元素周期表中的 2、4、6、7 周期元素先后形成,最终产生了目前化学中已知的 118 种元素。
正是这些元素,构成了宇宙中 的各种物质和地球上千姿万态的生命,包括我们人类。
随着奇点大爆炸之后的不断膨胀,逐步形成原子、原子核及分子,并复合成为一般的气体和尘埃颗粒。
后来,相继出现恒星、星系、行星乃至各种生命。
我们的宇宙在奇点大爆炸的 3 分钟后,已经基本形成了。
科学家指出,奇 点大爆炸最大的贡献就是为宇宙星际尘埃的形成提供了最初的“原材料”。
奇点大爆炸 38 万年后,宇宙已经足够大了,温度降至约 3000K。
质子和原子核开始捕获电子,形成了最初的原子,产生了宇宙微波背景辐射。
此时, 中性原子开始产生,第一缕光(电磁波)从致密的宇宙中脱颖而出,从此宇宙 变得透明起来(比尔·布莱特,2007)。
大爆炸 2 亿年后(约 136 亿年前),第一批恒星诞生了。
从此,点亮了整个宇宙,宇宙的黑暗时期结束,并开始了恒星核的合成作用。
大爆炸过去 5 亿年后(大约 133 亿年前),宇宙中第一个星系形成,即恒星、星系开始产生。
直至 25 亿年前,星系群、星系团与出现。
40 亿年前,恒星形成进入高峰期。
46 亿年前,太阳和原行星盘开始出现, 行星、卫星、陨星和太阳系其他小型天体系统形成。
作为太阳系中的一粒尘 埃,原始地球从此开始诞生。
直到现在,我们地球所在的宇宙还以惊人的速度 处于膨胀之中(布森特,2007)。
正如美国地质学家理查德·福提所说的,大爆炸产生的时间和物质在一次 性完成的一连串核反应中,把轻元素变成重元素,形成了不同的星系,每个 星系又包括无数的恒星。
银河系就是其中的一员,在引力的作用下,它聚集 了星际尘埃和气体。
就这样,太阳诞生了。
太阳的体积大约是地球的 130 万倍。
我国科学家计算出的银河系的“体重”约为8050个太阳的质量。
星际尘埃和气体凝聚之后即开始热核反应,从此太阳中心的炉火一直熊熊 燃烧,照亮了太空,温暖着世界。
几乎在每一块陆地上,每一种生命都感受到 太阳的温暖和恩赐。
当有了人类出现,激发了人们的“太阳崇拜”——人们相 信没有太阳就没有生命,必须举行仪式才能确保太阳周而复始地出现。
太阳系的形成演化过程比地球及其生命的历史悠久得多。
如果当初稍有偏差,就不会有后来的活体细胞。
古人是对的,如果没有太阳的热量,即使是短暂的几秒钟,所有的生物也会立即死亡。
上面谈到了宇宙物质的形成过程,这里不妨回过头来看看我们人类自己——人体这个“小宇宙”。
其实,我们人体大多数化学成分都来自于恒星, 甚至比太阳系还要久远。
有关“人体小宇宙”的秘密请参考“拓展问题思考”。
二、宇宙简史 科学家基于大爆炸宇宙学原理,运用共动座标宇宙论的时间参数模型,推导出了宇宙是如何应运而生并随着时间演化发展的,进而推断出宇宙的过去和未来。
天文学家认为,宇宙演化进程主要包括前期宇宙、早期宇宙、结构形成三个阶段,以及暴胀时代、原始汤时代、等离子态时代、黑暗时代、恒星时代、 暗能量时代六个时代,乃至相应的若干时期。
大爆炸宇宙模型理论认为,宇宙是 138 亿年前起源于一个奇点,这个奇点在机缘巧合下突然爆炸了,这个爆炸我们可以理解为急速膨胀开来,由此形成了我们今天的宇宙。
从这次奇点大爆炸开始,宇宙经历了暴涨和快速膨胀阶段,如今依然在以超过光速若干倍的速度膨胀,已经成为今天无边无际的浩渺宇宙时空,其中包含着一个半径约 465 亿光年的可观测宇宙。
张双南教授认为,所谓超光速膨胀,并不是所有的地点都在超光速膨胀, 而是指整个宇宙叠加的膨胀超光速。
在距离地球约 465 亿光年可观测宇宙的最 远边际处,星系离开我们的速度是超光速的。
科学家将宇宙的形成演化过程概括为辐射期、物质期和暗能量期三个重要时期。
宇宙初期由于经历奇点大爆炸,空间充斥着大量的微波背景辐射,辐射密度要高于物质密度,此时宇宙处于辐射主导阶段,也叫宇宙演化的“辐射期”。
该时期宇宙中的原初扰动和引力波于是开始形成。
然后随着空间不断膨胀,由于微波背景辐射密度快速下降,当超过某一临 界点后,此时微波背景辐射密度开始低于物质密度,此时宇宙开始进入其演化的“物质期”。
在过了极其漫长的演化之后,原子开始逐渐形成,该时期被科学家称为 “退耦期”。
此时,宇宙温度随空间膨胀下降到 3000K。
由于暗能量的密度自始至终几乎是不变的,所以随着空间进一步膨胀,物质密度会逐渐低于暗能量的密度。
此时宇宙演化进入了由暗能量主导的“暗能量期”。
我们今天的宇宙正处于其形成演化的暗能量时期。
科学家推测,再过极其漫长的未来演化之后,最终的宇宙将会变得更加浩渺无穷。
到那时,宇宙的能 量将全部耗尽,整个宇宙将陷于一片黑暗的死寂之中。
a. 源自:[美]比尔·步森特 . 万物简史[M]. 严维明,陈邕译 . 接力出版社,2007:6b.源自:时空通讯 . 宇宙物质是无中生有还是本来就有?源自网络:https://www.sohu.com/ a/529090148.c. 源自:斯蒂芬·霍金 . 时间简史[M]. 许明贤,吴忠超,译 . 长沙:湖南科技出版社,1988.d.引自:Neil Degrasse Tyson. Origins:Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution. W.W.Norton & Co. 2006.02.表中数据结合前人资料修改补充。
主要依据:斯蒂芬·霍金著.许明贤,吴忠超,译.时间简史.长沙:湖南科技出版社,1988.e. 源自:[美]比尔·步森特 . 万物简史[M]. 严维明,陈邕译 . 接力出版社,2007:06.