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宇宙的最初三分鐘 剛剛誕生的宇宙是熾熱、致密的，隨著宇宙的迅速膨脹，其溫度迅速下降。最初的1秒鐘過后，宇宙的溫度降到約100億度，這時的宇宙是由質(zhì)子、中子和電子形成的一鍋基本粒子湯。隨著這鍋湯繼續(xù)變冷，核反應(yīng)開始發(fā)生，生成各種元素。這些物質(zhì)的微粒相互吸引、融合，形成越來越大的團(tuán)塊，并逐漸演化成星系、恒星和行星，在個別天體上還出現(xiàn)了生命現(xiàn)象。然后，能夠認(rèn)識宇宙的人類終于誕生了。 這幅大爆炸圖景，是目前關(guān)于宇宙起源最可能的一種解釋，被稱為"大爆炸模型"。大爆炸理論誕生于20年代，在40年代由伽莫夫等人進(jìn)行補充和發(fā)展，但一直寂寂無聞。直到50年代，人們才開始廣泛注意這個理論，不過也只是覺得它很好玩，并不信服。人們更愿意認(rèn)為，宇宙是穩(wěn)定的、永恒的。 但是，越來越多的證據(jù)表明，大爆炸模型在科學(xué)上有強大的說服力。我們不得不相信，宇宙有一個開始，也將有一個終結(jié)。它產(chǎn)生于"無"，也終將回歸于"無"。 宇宙：可有始，可有終？ 在人類歷史的大部分時期，有關(guān)創(chuàng)世的問題，一向是留給神去解決的。宇宙起源于何處？終點又在哪里？生命如何產(chǎn)生？人類怎樣出現(xiàn)？對這些疑問，許多宗教都能給出一份體系完備的答案。至于上帝從哪里來，這種問題是不該問的。 直到最近幾個世紀(jì)，人們才開始學(xué)著把神撇開，以超越宗教的角度，去思考世界的本源。這樣一來，就有一個重大的原則性問題需要解決：宇宙是永恒存在的，還是有起始的？ 這兩種說法長久以來一直困擾著科學(xué)家、哲學(xué)家和神學(xué)家，對于普通人來說，更是難以理解。假設(shè)宇宙在時間上沒有起源，即過去一直存在，那么宇宙的年齡就是無窮大了。無窮大這個概念，一聽就讓人頭昏腦脹：既然是已經(jīng)過去了無窮久的時間，我們的"現(xiàn)在"又是什么呢？而如果說宇宙是有起始的，那么它就是從"無"中突然產(chǎn)生的了，這最初的一剎那，又是怎樣呢？ 憑著人類在短暫的生命中獲得的常識，實在是很難想明白這些東西。不過，我們可以從科學(xué)上尋求一些佐證。大爆炸模型的一個基本假設(shè)是宇宙的年齡有限，這個說法令人信服的直接理由，來自物理學(xué)中一條最基本的定律--熱力學(xué)第二定律。這條科學(xué)史上最令人傷心絕望的定律，冥冥中早已規(guī)定了宇宙的命運。 簡而言之，第二定律認(rèn)為熱量從熱的地方流向冷的地方。對任何物理系統(tǒng)，這都是眾所周知并且顯而易見的特性，毫無神秘之處：開水變涼，冰淇淋化成糖水。要想把這些過程倒過來，就非得額外消耗能量不可。就最廣泛的意義而言，第二定律認(rèn)為宇宙的"嫡"（無序程度）與日俱增。例如，機械手表的發(fā)條總是越來越松；你可以把它上緊，但這就要消耗一點能量；這些能量來自于你吃掉的一塊面包；麥子在生長的過程中需要吸收陽光的能量；太陽為了提供這些能量，需要消耗它的氫來進(jìn)行核反應(yīng)?？傊钪嬷忻總€局部的嫡減少，都須以其它地方的嫡增加為代價。 在一個封閉的系統(tǒng)里，嫡總是增大的，一直大到不能再大的程度。這時，系統(tǒng)內(nèi)部達(dá)到一種完全均勻的熱動平衡狀態(tài)，不會再發(fā)生任何變化，除非外界對系統(tǒng)提供新的能量。對宇宙來說，是不存在"外界"的，因此宇宙一旦到達(dá)熱動平衡狀態(tài)，就完全死亡，萬劫不復(fù)。這種情景稱為"熱寂"。 宇宙正在緩慢地、但堅定不移地走向這無法抗拒的命運，幾代智者為此懷疑人類的存在是否有意義。暫且撇開這種沮喪的情緒，作一個簡單的推理，我們就可以發(fā)現(xiàn)，宇宙不可能有無限的過去。很簡單，如果宇宙無限老，那它早就已經(jīng)死了。以有限速率演變的東西，是不可能永遠(yuǎn)維持下去的。換句話說，宇宙必然是在某個有限的時間之前誕生的。 大爆炸：有推論有根據(jù) 第二定律明示了宇宙有起始，但這個重要推論竟然被19世紀(jì)的科學(xué)家忽略了，它只是在后來成為大爆炸模型的佐證。該模型的提出，是基于20世紀(jì)初的天文觀測。 20年代，天文學(xué)家埃德溫·哈勃注意到，不同距離的星系發(fā)出的光，顏色上稍稍有些差別。遠(yuǎn)星系的光要比近星系紅一些，即波長要長一些，這種現(xiàn)象被稱為"哈勃紅移"。它說明，各星系正以很高的速度彼此飛離。一列火車快速駛遠(yuǎn)時，它的汽笛聲聽來會沉悶很多，因為聲波相對于我們的頻率變低、波長變長了，這就是多普勒效應(yīng)。把聲波換成光，產(chǎn)生的效果就是紅移。哈勃對眾多星系的光譜進(jìn)行研究后確認(rèn)，紅移是一種普遍現(xiàn)象，這表明宇宙正在膨脹。這一發(fā)現(xiàn)，奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。 如果宇宙正在膨脹，那它過去必定比較小。如果能把宇宙史這部影片倒過來放，我們勢必會發(fā)現(xiàn)，在過去的某個時刻，所有的星辰都是聚合在一起的。這個時間大概是100多億年前，要準(zhǔn)確推斷它比較困難。 另外，宇宙膨脹的速度會隨時間發(fā)生變化，這與引力有關(guān)。萬有引力作用于字宙中一切物質(zhì)與能量之間，起到剎車的作用，阻止星系往外跑，從而使膨脹速度越來越慢。在誕生初期，宇宙從高密度狀態(tài)迅速膨脹，隨著時間的推移，體積越來越大，膨脹速度越來越小。將這個過程向回追溯到宇宙創(chuàng)生的那一刻，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)時宇宙體積為零，而膨脹速度為無限大。這就是大爆炸。 大爆炸是空間、時間、物質(zhì)與能量的起源。這些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前發(fā)生了什么、是什么引起了大爆炸，這些問題在邏輯上就是沒有意義的。那以前所有的，只是"無"。 以上所述僅是旁證，似不足以令大多數(shù)人信服。如果150億年前發(fā)生了一場大爆炸，如此驚天動地的力量是否在今天的宇宙結(jié)構(gòu)上留下了某種印跡？于是，有一陣子，科研人員熱衷于尋找宇宙創(chuàng)生的遺跡，勁頭賽過當(dāng)年的宗教考古學(xué)家尋找伊甸園。亞當(dāng)和夏娃的文物是一樣也沒發(fā)現(xiàn)，原初宇宙最重要的遺跡倒真給找出來了，這就是微波背景輻射。 按照大爆炸理論，最初的幾分鐘里，宇宙是一個熾熱的火球，到處充滿溫度高達(dá)幾十億度的光輻射。由于此時的宇宙處于熱動平衡中，這種輻射具有獨特的光譜特征，稱為"黑體譜"。1965年，貝爾電話公司的兩位物理學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜偶然發(fā)現(xiàn)，宇宙確實浸潤在一種熱輻射之中。這種輻射以相同的強度從空間各個方向射向地球，其溫度約為3K，譜線具有完美的黑體譜特征。微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，是對大爆炸模型最有力的支持。 知道了今天宇宙背景輻射的溫度，就很容易推算出，宇宙誕生后約1秒鐘各處的溫度約為100億度。在如此高溫下，不僅我們熟悉的物質(zhì)無法存在，連原子核也會被撕得粉碎。宇宙只能是一鍋由質(zhì)子、中子和電子等構(gòu)成的基本粒子湯。 隨著這鍋湯變冷，核反應(yīng)發(fā)生了。中子和質(zhì)子很容易聚合在一起，產(chǎn)生由兩個質(zhì)子、兩個中子組成的氦核。計算表明，氦核形成的過程持續(xù)了大約3分鐘，形成的氦約占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的四分之一。這個過程用完了所有的中子，余下的質(zhì)子就成了氫原子核。 因此，大爆炸模型預(yù)言宇宙應(yīng)當(dāng)由大約25％的氦和75％的氫組成，這與天文測量結(jié)果極為符合。最初三分鐘里形成的氫與氦，構(gòu)成了宇宙中99％以上的物質(zhì)。形成行星和生命的豐富多彩的重元素，只占宇宙總質(zhì)量的不到l％，它們大部分是在恒星內(nèi)部形成的。 根據(jù)推斷，宇宙的形成距今約100～200億年。 生命：既永恒又無恒 天文觀測表明，各種天體的年齡均小于200億年，這與大爆炸理論契合得非常好。我們的地球大概是50億年前形成的，人類出現(xiàn)的時間更短得不值一提。宇宙現(xiàn)在還算得上年輕，擔(dān)憂末日的來臨，對單個人來說是十分無聊的事。然而，為全人類的命運想一想這個問題，還是有必要的。 按照大爆炸模型，宇宙在誕生后不斷膨脹，與此同時，物質(zhì)間的萬有引力對膨脹過程進(jìn)行牽制。如果宇宙的總質(zhì)量大于某一特定數(shù)值，那么總有一天宇宙將在自身引力的作用下收縮，造成與大爆炸相反的"大坍塌"。如果宇宙總質(zhì)量小于這一數(shù)值，則引力不足以阻止膨脹，宇宙就將永遠(yuǎn)膨脹下去。 在非常遙遠(yuǎn)的將來，比如1億億億年以后，所有的恒星都燃燒完畢，茫茫黑暗中，潛伏著一些黑洞、中子星等天體。宇宙的尺度已經(jīng)膨脹到如今的1億億倍，而且還在擴張下去。在這個系統(tǒng)里，引力雖不足以使膨脹停止，但會不露聲色地消耗著系統(tǒng)的能量，使宇宙緩慢地走向衰亡。黑洞在霍金效應(yīng)的作用下釋放出微弱的輻射，最終全都以熱和光的形式蒸發(fā)掉。足夠長的時間之后，連質(zhì)子這樣穩(wěn)定的基本粒子也衰變、消亡了，宇宙最終變成一鍋稀得難以置信的湯，其中有光子、中微子，越來越少的電子和正電子。所有這些粒子都在緩慢地運動，彼此越來越遠(yuǎn)，不會再有任何基本物理過程出現(xiàn)。 這是寒冷、黑暗、荒涼而又空虛的宇宙，它已經(jīng)走完了自己的歷程，面對的是永恒的生命，抑或永恒的死亡。這種情景，差不多就是"熱寂"了。 如果引力足夠強大，宇宙終有一天開始收縮，又將如何呢？在大尺度上，收縮過程與大爆炸后的膨脹是對稱的，像一場倒放的電影。收縮的過程起初很緩慢，隨后越來越快。在轉(zhuǎn)折點過后，宇宙的體積開始縮小，背景輻射溫度上升。漆黑寒冷的宇宙變成一個越來越熱的熔爐，生命無處可逃，全都被煮熟烤焦。最后，行星、恒星也毀滅了，分布在如今浩瀚空間中的物質(zhì)被擠進(jìn)一個很小的體積內(nèi)，最后三分鐘來臨了。 溫度變得如此之高，連原子核也被撕毀，宇宙又成了一鍋基本粒子湯。然而這種狀態(tài)也只能生存幾秒鐘的時間。隨后，質(zhì)子和中子也無法區(qū)分，擠成一堆由夸克構(gòu)成的等離子體。在最后的時刻，引力成為占絕對優(yōu)勢的作用力，它毫不留情地把物質(zhì)和空間碾得粉碎。在這場與大爆炸的"暴脹"相對的"暴縮"中，所有的物質(zhì)都因擠壓不復(fù)存在，一切有形的東西，包括空間和時間本身，都被消滅。 這就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中誕生于無的宇宙，此刻也歸于無。無數(shù)億年的輝煌燦爛，連一絲回憶也不會留下。 |
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