創(chuàng)世紀(jì)：宇宙演化編年史
我永遠(yuǎn)、直到生命的最后時(shí)刻，
翻遍塵封的、讀破了的書冊(cè)，
去尋找她神秘的故事。
——阿·勃洛克
這個(gè)宇宙是怎樣演變成現(xiàn)在這個(gè)樣子的？有一個(gè)以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)的理論能夠解答我們的問(wèn)題，這個(gè)理論叫做大爆炸宇宙學(xué)，也叫熱大爆炸宇宙論。根據(jù)這個(gè)理論，宇宙的演化過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)從高溫高密狀態(tài)下不斷膨脹，與此同時(shí)不斷冷卻的過(guò)程。
最先提出這個(gè)學(xué)說(shuō)是基于一個(gè)天文觀測(cè)事實(shí)。
1917年，純粹為了檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的正確性，愛(ài)因斯坦提出了歷史上第一個(gè)基于物理學(xué)理論的科學(xué)的宇宙模型。這個(gè)模型假設(shè)宇宙在整體上是均勻的和靜態(tài)的。但是，當(dāng)愛(ài)因斯坦求解基于廣義相對(duì)論的這個(gè)宇宙模型的數(shù)學(xué)方程時(shí)，卻得到了一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的解，換句話說(shuō)，宇宙在整體上是隨時(shí)間變化的。這個(gè)結(jié)果明顯地與靜止不變的宇宙的觀念矛盾。為了緩解這個(gè)矛盾，愛(ài)因斯坦修改了廣義相對(duì)論的方程式，加入了一項(xiàng)包含“宇宙常數(shù)”的斥力項(xiàng)。
就在愛(ài)因斯坦修改他的方程式的同時(shí)，天文學(xué)家正在對(duì)遙遠(yuǎn)的星系進(jìn)行觀測(cè)。他們發(fā)現(xiàn)，這些星系的光譜線的波長(zhǎng)比正常情況長(zhǎng)，這種現(xiàn)象叫做光譜的紅移。物理學(xué)對(duì)這種現(xiàn)象有這樣的解釋：發(fā)光體在遠(yuǎn)離我們。遙遠(yuǎn)的星系在遠(yuǎn)離我們，這意味著宇宙并不是靜止不變的。當(dāng)愛(ài)因斯坦得知這個(gè)結(jié)果后，立刻表示要“把宇宙常數(shù)項(xiàng)去掉”，并表示加入這一項(xiàng)是他一生中最大的失誤。
 | ||||
圖11-7 膨脹宇宙的發(fā)現(xiàn)者 1929年，埃德溫·哈勃宣布，他對(duì)河外星系的觀測(cè)顯示，星系在遠(yuǎn)離我們，其速率正比于與我們的距離。宇宙正如廣義相對(duì)論原來(lái)所預(yù)言的那樣膨脹。哈勃實(shí)際上觀測(cè)到的是星系光譜的紅移，他發(fā)現(xiàn)，星系離我們?cè)竭h(yuǎn)，其光譜就越向紅端偏移。 |
在此后的許多年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃對(duì)遙遠(yuǎn)星系的光譜紅移現(xiàn)象做了系統(tǒng)的觀測(cè)研究，明確地給出了星系的退行速率與該星系離開(kāi)我們的距離之間的關(guān)系
比例常數(shù)叫做哈勃常數(shù)。這個(gè)關(guān)系式顯示出，星系距離我們?cè)竭h(yuǎn)，它離開(kāi)我們的速率就越大，這意味著整個(gè)宇宙在均勻地膨脹。我們?cè)趺磿?huì)得出這樣一個(gè)結(jié)論呢？
 | ||||
圖11-8 膨脹的宇宙 |
只要做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，就能夠弄明白為什么遙遠(yuǎn)的星系按照哈勃定律遠(yuǎn)離就意味著宇宙整體在均勻地膨脹。你可以到任何一個(gè)玩具商店買一個(gè)給小孩子玩的那種玩具氣球，把這個(gè)氣球吹脹到，比如說(shuō)，直徑10厘米大小。然后在這個(gè)被吹脹了的氣球上用筆畫三個(gè)以上的圓點(diǎn)，在其中一個(gè)圓點(diǎn)的旁邊標(biāo)上“地球”字樣，另外的圓點(diǎn)就代表遙遠(yuǎn)的星系。為了方便演示，這些點(diǎn)要畫成這樣，其中一個(gè)“星系”離開(kāi)“地球”1厘米（要沿著球面計(jì)算距離），還有一個(gè)“星系”離開(kāi)“地球”2厘米，其他的星系可以隨便畫。接著把這個(gè)“宇宙”吹脹至直徑20厘米大小。這時(shí)，如果你再去量上面特別標(biāo)示的兩個(gè)“星系”與“地球”之間的距離，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)距離都增加了一倍。這就是說(shuō)，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，“星系”遠(yuǎn)離“地球”的量正比于它們與“地球”之間的距離。這就是哈劫定律。
也許你會(huì)問(wèn)，所有的星系都遠(yuǎn)離我們，這是不是就意味著我們處于宇宙的中心呢？這豈不又回到中世紀(jì)人類是宇宙的中心這種觀念上嗎？讓我們?cè)賮?lái)看一看上面的實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中你可以看出，氣球上并沒(méi)有任何一個(gè)點(diǎn)是特殊的，不存在一個(gè)中心點(diǎn)。你可以將另一個(gè)點(diǎn)標(biāo)志為“地球”，你同樣會(huì)發(fā)現(xiàn)，所有其他的“星系”都按照哈勃定律離這個(gè)新的“地球”而去，離開(kāi)的快慢程度正比于它與“地球”之間的距離。因此，宇宙的膨脹并不意味著它有一個(gè)中心，相反，宇宙沒(méi)有任何中心，所有的位置都是平權(quán)的。
既然整個(gè)宇宙在均勻地膨脹，那么，它在過(guò)去肯定比現(xiàn)在稠密。這會(huì)有什么結(jié)果呢？今天，在我們這個(gè)宇宙的各處，散布著無(wú)數(shù)星系，星系之間的距離是巨大的。但是，由于宇宙在整個(gè)地膨脹，因此，在早些時(shí)候，宇宙沒(méi)有現(xiàn)在那么大，里面的星系自然就挨得近一些。如果想象有那么一個(gè)時(shí)刻，宇宙的尺度是如此之小，以致所有的星系全都挨個(gè)地緊緊靠在一起，那時(shí)候也就無(wú)所謂星系了，組成星系的物質(zhì)全都被攪在一塊兒。于是，由膨脹宇宙得出的第一個(gè)推論就是：星系是在宇宙演化的過(guò)程中產(chǎn)生出來(lái)的。實(shí)際上，不僅星系如此，連星星也是在演化中產(chǎn)生的。
宇宙膨脹必然帶來(lái)這樣的結(jié)果：宇宙的溫度在不斷下降。如果宇宙的溫度隨著它的膨脹在不斷地下降，那么，它在過(guò)去肯定比現(xiàn)在酷熱，溫度要更高?；貞浺幌聹囟冗@個(gè)概念，你就能夠明白這到底意味著什么。宇宙的溫度在過(guò)去比現(xiàn)在更高，宇宙中的物質(zhì)粒子就運(yùn)動(dòng)得更快。設(shè)想有那么一個(gè)時(shí)刻，宇宙的溫度如此之高，以致粒子之間的碰撞足以使原子核瓦解。因此，在那個(gè)時(shí)刻之前，宇宙中根本不存在原子核，更不要說(shuō)原子和分子了。于是，由膨脹宇宙得出的第二個(gè)推論就是：原子、分子甚至原子核等物質(zhì)粒子是在宇宙演化的過(guò)程中產(chǎn)生出來(lái)的。
20世紀(jì)40年代，蓋莫夫(George Gamov，1904~1968)根據(jù)宇宙膨脹的上述兩個(gè)推論，提出了宇宙早期的演化從極大的密度和極高的溫度開(kāi)始的想法。但是，由于當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界對(duì)宇宙膨脹理論本身還未能接受，因此，人們拒絕接受蓋莫夫的這些想法。宇宙膨脹的一個(gè)自然結(jié)果是宇宙的演化必然有一個(gè)起始時(shí)刻，宇宙是在這個(gè)時(shí)刻被創(chuàng)生出來(lái)的，這被看作是科學(xué)與宗教的妥協(xié)，人們無(wú)法接受這樣的思想?；谶@樣一個(gè)原因，蓋莫夫關(guān)于早期宇宙演化的理論被斥之為偽科學(xué)，并被譏諷地稱為宇宙的“大爆炸”理論。不過(guò)，后來(lái)的天文觀測(cè)已經(jīng)證實(shí)，蓋莫夫的想法是對(duì)的，當(dāng)初用來(lái)譏諷他的理論的名稱也被人們正面地沿用下來(lái)了。
大爆炸宇宙理論為我們勾畫出一幅宇宙演化的圖景。下面就讓我們來(lái)看一看這是一幅怎樣的圖景。
在宇宙的年齡大約等于10-43秒到約萬(wàn)分之一秒之前這段時(shí)期內(nèi)，宇宙由夸克和輕子組成。在這段時(shí)期，由于宇宙的溫度高達(dá)一萬(wàn)億度以上，有關(guān)的物理規(guī)律還不十分確切，因此，演化的歷史難以說(shuō)得很清楚。目前，對(duì)這段時(shí)期的宇宙有一些帶有試探性的研究工作，但是都沒(méi)有比較確切的結(jié)果。當(dāng)宇宙的溫度下降至一萬(wàn)億度時(shí)，夸克就能夠相互結(jié)合，形成質(zhì)子和中子等構(gòu)成普通物質(zhì)的基元粒子。
當(dāng)宇宙的溫度進(jìn)一步下降到100億度以下時(shí)，質(zhì)子和中子就有可能相互結(jié)合產(chǎn)生出最簡(jiǎn)單的原子核，即氘核：
這個(gè)時(shí)期宇宙的年齡大約等于1秒。不過(guò)，在這個(gè)時(shí)期，由于宇宙的溫度還相當(dāng)高，存在著大量能量極高的光子，它們的碰撞足以令氘核瓦解，因此，這個(gè)過(guò)程是可以向相反的方向進(jìn)行的。當(dāng)正反過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)，氘核的數(shù)量是微不足道的。
當(dāng)宇宙的溫度再下降一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，令氘核瓦解的高能光子已經(jīng)相當(dāng)少了，這時(shí)，上述核反應(yīng)式的逆過(guò)程實(shí)際上已經(jīng)沒(méi)有什么效果了。于是，氘核被大量地合成出來(lái)。這個(gè)時(shí)期宇宙的年齡大約等于3分鐘。因此，一直要等到宇宙的年齡大約等于3分鐘時(shí)，我們這個(gè)宇宙才冷卻到能夠讓質(zhì)子和中子相互結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生出宇宙中的第一種原子核。氘一旦被合成出來(lái)，隨后的合成過(guò)程也就能夠接著發(fā)生了。于是，宇宙中隨即有了氚和氦，以及微量的鋰、鈹和硼等較輕的元素的原子核。在這些輕原子核被合成出來(lái)的過(guò)程中，宇宙繼續(xù)膨脹，溫度繼續(xù)下降。由于中子和質(zhì)子的質(zhì)量有微小的差別，在氘開(kāi)始被大量合成出來(lái)的時(shí)刻，宇宙中的中子的數(shù)量要比質(zhì)子的數(shù)量少好幾倍。因此，當(dāng)宇宙的溫度下降到約1億度時(shí)，供合成用的中子基本上已經(jīng)用完，較輕的原子核就不再產(chǎn)生了。
由這樣一幅演化圖景可以計(jì)算出幾種輕原子核在宇宙中的含量（也叫做豐度）。其中氫原子核（也就是質(zhì)子）大約占75%，氦原子核大約占25%，其他原子核所占的比例極小。在這里，氦的含量特別引人注意，因?yàn)樗p而易舉地解釋了天體物理學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期困擾著人們的難題：盡管恒星的性質(zhì)千差萬(wàn)別，處于不同演化階段的恒星的性質(zhì)也各有千秋，但是，恒星中氦的含量都大致等于25%。大爆炸宇宙理論對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋是：恒星中的氦絕大部分來(lái)自宇宙早期的核合成階段，在恒星的演化過(guò)程中產(chǎn)生出來(lái)的氦所占的比例是極小的。
這樣一幅圖象有多大的可靠性呢？20世紀(jì)70年代以來(lái)，天文學(xué)家和物理學(xué)家從各個(gè)方面對(duì)這個(gè)預(yù)言進(jìn)行了驗(yàn)證，得出的結(jié)果是肯定的，不過(guò)，要認(rèn)真檢驗(yàn)這個(gè)理論預(yù)言，還需要等待一些時(shí)日。
原則上說(shuō)，有了氦原子核，較重的原子核就能夠產(chǎn)生。但是，由較輕的原子核結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生更重的原子核，需要更高的環(huán)境溫度，以便使帶正電的粒子能夠克服它們之間的庫(kù)侖排斥力而相互靠近到核力起作用的距離內(nèi)。但是，宇宙不斷地膨脹，宇宙的溫度不斷地下降。當(dāng)宇宙中有了較輕的原子核時(shí)，宇宙的溫度已經(jīng)下降到不足以使這些原子核結(jié)合起來(lái)了。因此，宇宙早期只產(chǎn)生出較輕的幾種元素的原子核，較重的原子核則要等到宇宙物質(zhì)凝聚成恒星之后才能夠被制造出來(lái)。
隨著宇宙的膨脹，它的溫度進(jìn)一步下降。當(dāng)溫度下降到約1萬(wàn)度時(shí)，宇宙的演化開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)期，這時(shí)，宇宙的年齡大約等于10萬(wàn)年。在這個(gè)時(shí)期之前，宇宙物質(zhì)的主要成分是氫核、氦核、自由電子和光子。在這個(gè)時(shí)期的前后，原子核已經(jīng)有可能與自由電子結(jié)合成中性原子了。不過(guò)，由于溫度仍然比較高，能量較高的光子仍然很多，當(dāng)這些光子與原子碰撞時(shí)，就會(huì)使原子瓦解，因此，原子核和電子還不能順利地結(jié)合成中性原子。當(dāng)溫度進(jìn)一步下降時(shí)，高能光子的數(shù)目將減少到不能有效地瓦解原子的程度，宇宙物質(zhì)開(kāi)始從電離狀態(tài)向中性原子狀態(tài)轉(zhuǎn)化。當(dāng)宇宙的溫度下降到約3000K時(shí)，中性原子在宇宙物質(zhì)中的比例已經(jīng)占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，這時(shí)，宇宙的年齡大約等于40萬(wàn)年。隨后的演化將使中性原子所占的比例進(jìn)一步提高，一直到未被合成的電子只占10萬(wàn)分之一的比例，這時(shí)，自由電子已經(jīng)沒(méi)有機(jī)會(huì)與原子核發(fā)生碰撞了，中性原子的合成過(guò)程宣告結(jié)束。
在大量中性原子形成之前，宇宙物質(zhì)中含有大量的自由電子，這就使得光子有足夠的機(jī)會(huì)與自由電子發(fā)生碰撞而處于熱平衡狀態(tài)。在這個(gè)時(shí)期，自由電子的運(yùn)動(dòng)速率極高，其性質(zhì)與光子的性質(zhì)幾乎是一樣的。但是，當(dāng)中性原子大量形成的時(shí)候，自由電子的數(shù)目迅速減少，運(yùn)動(dòng)速率也降到很低，光子就沒(méi)有多少機(jī)會(huì)與它們發(fā)生碰撞了。隨著中性原子合成過(guò)程的結(jié)束，宇宙中的自由電子基本上消耗盡了，光子完全失去與它們碰撞的機(jī)會(huì)。在此之前，除自由電子之外的其他實(shí)物粒子的運(yùn)動(dòng)速率早就降到很低，光子沒(méi)有機(jī)會(huì)與它們發(fā)生碰撞?，F(xiàn)在，連自由電子都不與光子發(fā)生碰撞了，于是，光子與實(shí)物粒子就幾乎沒(méi)有任何相互作用了。退出與實(shí)物粒子相互作用的光子叫做背景光子，也叫做背景輻射。光子退出與實(shí)物粒子的相互作用后，在宇宙中一直存在下去，獨(dú)立地演化，直到今天，它的溫度已經(jīng)降到3K左右，它的能量主要分布在微波波段，所以，也叫做微波背景輻射。
在極早期的宇宙中，實(shí)物粒子的分布是均勻的，這種均勻性導(dǎo)致微波背景輻射的溫度的分布也是均勻的。在早期宇宙的這種均勻分布的氣體粒子中，必定會(huì)出現(xiàn)一些小的擾動(dòng)，使得物質(zhì)的密度產(chǎn)生小的起伏，這就好像平靜的水面上泛起的漣漪。物質(zhì)密度的起伏也會(huì)導(dǎo)致微波背景輻射的溫度的起伏，兩者之間有明確的關(guān)系。
 | ||||
圖11-9 微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)者 1965年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯和威爾遜首次偶然地觀測(cè)到了宇宙微波背景輻射。他們因此獲得1978年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 |
微波背景輻射于1965年由彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)在一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)下發(fā)現(xiàn)，這是宇宙學(xué)發(fā)展中的一件重大事件。在隨后的10年里，天文學(xué)家在無(wú)線電波的若干個(gè)不同波長(zhǎng)上對(duì)天空進(jìn)行了觀測(cè)，初步證實(shí)了背景輻射的預(yù)言。1989年，一個(gè)叫做宇宙背景探測(cè)器(COBE)的衛(wèi)星發(fā)射升空，在30多個(gè)波長(zhǎng)上對(duì)背景輻射的強(qiáng)度做了精密的測(cè)量，推算出的背景溫度等于2.728K，測(cè)量的誤差只有正負(fù)0.004K，這個(gè)結(jié)果與理論預(yù)言符合得相當(dāng)好。
我們看到，大爆炸宇宙學(xué)為我們勾畫出一幅宇宙演化的優(yōu)美的圖景。這是一個(gè)基于廣義相對(duì)論的宇宙演化理論，它的兩個(gè)最重要的證據(jù)，即輕元素的豐度和微波背景輻射，都已經(jīng)得到了天文觀測(cè)的檢驗(yàn)。
繼早期演化階段之后，隨之而來(lái)的就是結(jié)構(gòu)的形成階段。在這個(gè)階段，早期演化形成的密度起伏會(huì)進(jìn)一步演化，起伏區(qū)中密度較大的區(qū)域內(nèi)的氣體粒子會(huì)在自身引力的作用下逐漸凝聚，最終形成密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平均密度的氣團(tuán)。這個(gè)時(shí)期，宇宙的年齡大約是10億歲。隨后，這些氣團(tuán)的進(jìn)一步演化將形成我們今天所看到的星系。而像太陽(yáng)那樣的恒星則是在星系內(nèi)的物質(zhì)粒子進(jìn)一步結(jié)團(tuán)、凝聚和收縮后形成的。這將是我們的宇宙旅行的下一站將要訪問(wèn)的地方。
 | ||||
圖11-10 宇宙演化編年史 |
聯(lián)系客服
