030422宇宙是从大爆炸中诞生的吗(下)-何香涛-第1章

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　　何香涛，北京师范大学天文系教授。毕业于北京师范大学物理学系，毕业后留校任教。现任中国天文学会副理事长，北京天文学会理事长，发表多篇天文学著作，是我国著名的天文学专家。

　　内容简介

　　大爆炸模型认为，最初的宇宙是超高温、高密度的“一点。”大约180亿年前，这“一点”突然爆炸了，仅用10…36秒，伴随着真空相转移的过冷却现象，“一点”了瞬间几十个数量级的膨胀，成为一厘米规模的宇宙。其后宇宙继续膨胀，温度从几十亿摄氏度开始下降，大约在5500万摄氏度时，由降温过程的能量，生成中子、质子，它们又合成原子核，这些过程仅有3分钟。约30万年后当宇宙的温度下降到3000摄氏度时，自由电子被原子核捕捉形成原子。在随后的大约3000万年中那些原子继续向外膨胀。宇宙也继续冷却；到宇宙温度降至绝对零度之上167度时，原子开始化合形成稀薄气体。此后因密度波动、引力作用等开始向新的天体进化。再经过100多亿年，显示出多种多样的物质形态，　成了今天的宇宙。自从150亿年前的宇宙大爆炸之后，星体和各星系一直各自向外飞散。理论上讲，相互维系的重力应该减慢这个膨胀的速度，但是事实并非如此，实际上膨胀还在加速进行。美国普林斯顿大学的斯坦哈特说，宇宙无始、无终，一次次宇宙大爆炸将会永不止息，不断发生。

　　全文

　　上一讲我们介绍了宇宙是怎样通过大爆炸以后来诞生的，上一次我们只讲了宇宙从大爆炸，然后呢，仅仅的持续了多长时间呢？仅仅持续了三分多钟，也就说我们的宇宙基本框架就形成了。下面我们看，三分钟以后宇宙怎样演化，怎样一步一步的演化到我们现在的星球，现在的宇宙状态。那么我就要问一个最简单的问题，也是最通俗的来问，是先有的鸡还是先有的蛋？我要回答什么问题呢？我要回答的是星系是怎样形成的这个问题。

　　的的确确现在有两种理论，那么哪两种理论呢？我们来看一下，这个图就是一个典型的宇宙从一开始大爆炸以后，逐步演化的一个示意图。那么一开始呢，那一点就是大爆炸，大爆炸以后呢，宇宙不断的膨胀，同时温度也在不断地降低。那么中间的那一部分，就是我们现在看到的宇宙的背景辐射，或者叫做微波背景辐射，那么再往外边看到，宇宙在一点一点降低以后，物质慢慢就温度就越来越降低，越降低以后呢，物质的分子结构就越来越大。换句话说呢，这个物质就开始大家往一块靠，就开始形成一些小的团块，这些团块在再慢慢聚合，一步一步地就形成后边大家看到的，这个星系。也就说由一点一点聚合，就聚合成星系了。

　　如果按照这个顺序的话，不管怎么说，后边这一段是由小的团块一点一点形成大的团块，那就相当于我们说的先有的蛋后有的鸡，就变大了。但是还有一种可能，突然之间就先形成一些大的团块，然后一点一点大的团块再把它分裂，那就是说的先有的鸡后有的蛋。那么从什么时间开始形成星系呢？就是这个宇宙的温度我们说最初非常非常高，有一千亿度，如果说再往回追溯的话呢，甚至比一千亿度还要大。那么在这么高的温度下，我们说它不可能形成物质团块。那么温度降低到四千度的时候，这个时候这些物质的温度就凉下来了，冷下来了。然后呢，大家有可能坐在一起来谈了，就可以靠拢了，所以到了四千度的时候，宇宙中就开始形成物质团块，换句话说，引力就开始起作用，这就是我们星系开始形成的时间，这个时间呢，大约是在宇宙爆炸之后的十亿年，宇宙从爆炸以后，到了十亿年，就开始形成物质团块了。就按照这个图，叫做top…down，就先形成非常大的团块，宇宙一冷下来以后，突然之间这冷下来之后，大家就是非常的高兴，非常的欢呼，原来都在激发状态，谁也不得安宁，突然一冷下来以后所有物质成团了，只有成团了才能沉淀下来，先成团了一个很大很大的团块，多大呢，就像一个大饼一样，这个大饼成了以后，再慢慢慢慢分裂，就形成了下边的一个一个的星系。这是一种可能，这就是说，先有的什么？先有的鸡后有的蛋，先形成大的团块，然后再形成现在的星系。

　　还有一种可能，叫bottom…up，就是先形成小的一些物质，就是团块。然后这些小的物质一点一点来凝聚，最后凝聚成什么？一个一个的星系，总之不管是由大块变成小块的，还由小块的变成大块的，总之要形成什么？形成我们现在的星系，也就是说，宇宙大爆炸之后，大约十亿年，就开始出现形成了星系。

　　这个图是一个模拟图，就模拟一下这个星系是怎么形成的，现在就是做一个它的模拟过程。你看这些个团块在相互之间互相吸引，并合在一起，最后呢，形成了几个星系，好，就形成这个星系，那么我们这个动画呢，最初看到几个团块是由哈勃空间望远镜拍摄下来了，我们然后模拟，那些团块根据我们这个模拟过程最后就形成这个星系。

　　那么现在宇宙中有多少星系呢？数也数不清，我们再看几个，那么这就是真实拍下来的宇宙空间的一部分。你会看到什么，弥漫着很多的物质，这些个物质呢就在不断地形成新的星球，不断地形成新的星球，那么宇宙中和我们银河系一样的星系多不多，太多了，就宇宙中有很多很多和我们银河系一样的类似的星系，你要说我们银河系漂亮不漂亮，跟这个星系比的话，可能还没有这个星系漂亮，这个星系叫做漩涡星系，中间有一个核，是非常漂亮的，所以这个星系在那儿不停的旋转，这就是一个和我们银河系类似的一个河外信息。我们再看一个，这也是一个星系，这个星系呢不那么旋转，我们把它叫做椭圆星系。它是一个椭圆形的，但是这个星系个非常大，这个椭圆星系往往比漩涡星系个头还要大。那么椭圆星系在宇宙中也非常多，我们再看一个，你看这个星系有什么特点呢？一边有旋转，另外它中间那个核不是一个圆的，有点像一个棒槌一样，所以我们管这个星系叫做棒旋星系。

　　这是另外一个星系，这个星系还有一个小兄弟。你看星系左边它还带着一个小的星系跟它连在一起，好像是一个大星系牵着一个小弟弟，两个星系连在一起，样子非常好看。就像一个大的手臂一样，把那个小的星系牵在一起，这也是一个巨大的椭圆星系，这个就比星系的规模要大的多。你看上边那些个点，每一个点就是一个星系，星系和星系组合在一起，是什么呢？叫做星系团，就是星系和星系也可以组合在一起，成为一个更大的家庭，我们叫做星系团。这个就是一个星系团，这个星系团是目前离我们银河系最近的一个星系团，叫做仙女座星系团，离我们最近。

　　我们说了半天，我们银河系是不是一个星系，当然我们银河系是一个星系，有人就问了，那你告诉我银河系星系是什么样子的。这非常困难，因为我们在这个星系里边，是无法看到我们星系全部的面目，我们只能看一部分，看看太阳这边的是什么状态，再看看太阳那边是什么状态，然后我们大体上就把我们的银河系描绘出来了。那么描绘的结果，有一个星系和我们的银河系应该是非常相像的，就是这个星系，这个星系叫做仙女座大星云，这个大星云也是离我们最近的星云之一，这个星云不但是我们的姊妹星云，而且这个星云在历史上立了很大的功劳。

　　我在上一讲提到了，哈勃证明了我们的银河系之外还有银河系，和我们银河系一样的，怎么证明的呢？就是通过这个星系来证明的，具体说它在这个星系里边找到了单个的星，不但找到了这个星，而且通过这个星测出了仙女座大星云的距离，发现这个仙女座大星云，绝对不会是处在我们银河系里边，那么在哈勃之前大家有一种看法，这个就是我们银河系里边的一些星云，所以当初把它叫混了，我们管它叫仙女座大星云。而这个仙女座就不然了，它是我们银河系一样的一个星系。首先有星系，然后星系里边再诞生了各种的恒星，那么恒星周围再有星星的家族。那这样的话，我们这个宇宙就慢慢诞生了，包括人类也就通过宇宙的演化，各种的高等生命，也就诞生了。

　　我们谈到这个地方以后大家会想到，你谈了这么多，谈到了现在了，你能不能谈谈未来，我们的宇宙将来怎么办？所以问题就变成我们的宇宙会终结吗？虽然我们说宇宙的终结离我们是非常非常遥远的事情，但是你不得不考虑。特别是作为科学家来讲，作为天文学家来讲一定要回答这个问题，我们的宇宙会不会有终结？我们再回过来看一下宇宙的演化，你看宇宙从最初一点，一步一步往下演化。我刚才说了，那么到了图的右边你就看到，通过星云以后，最后形成了很多星系，星系里边有恒星，那么恒星周围可能有行星，有可能诞生高等生命。那么宇宙还要往下膨胀，这个宇宙会不会无休止的膨胀下去呢？这是摆在天文学家面前一个非常严肃的问题，你必须回答，不然的话，你这个天文学研究可以说研究得不够彻底，对宇宙的了解还非常有限。天文学家正在努力去回答这个问题，那么通过反复地研究，我们发现我们的宇宙的走向大概是这个样子：我们先说一下这个图，这个图的横坐标就是时间，这个纵坐标就是宇宙的大小，那么靠近坐标轴的这个地方的绿线就是我们目前的状态，就是我们目前宇宙的位置。我们宇宙有三种可能，第一种可能就是最上边那个红线，这个可能就是我们的宇宙一直膨胀下去，一直膨胀下去，而且膨胀的速度是越来越快，往外膨胀，这是的宇宙一种可能。那么中间呢，第二种可能宇宙也是在膨胀，但是它膨胀的速度比较慢一点，比较平坦，也在膨胀，也会是不断地膨胀下去。那么第三种状态，就是最下边那条蓝线，它说呀我们目前的宇宙的确是在膨胀，但是我们宇宙膨胀以后呢，还会收缩，就是说从最初出发以后，膨胀一段时间以后，经过若干若干年以后，还会要收缩回来。

　　这个理论告诉我们，宇宙有这么三种可能性，天文学家就回答了，哪一种是正确的？怎么来回答呢？那么现在要回答这个问题，从理论上讲很简单，从实测上来讲很困难，为什么说从理论上很简单呢？这个宇宙究竟是继续膨胀下去，或者是膨胀的速度很快，或者是膨胀的速度很慢，还是膨胀膨胀以后就收缩回来，主要取决于我们宇宙中的平均物质密度，也就是说我们宇宙中到底有多少物质。如果我们宇宙中平均的物质密度比较高，那么它的引力的作用就会越来越大，那就有可能膨胀一段以后呢，就收缩回来。那么宇宙中如果物质密度比较低，没法拉住，咱们宇宙就一直膨胀下去，就是这样，从理论上讲就这么简单，但是还有一个问题需要天文学家注意，就是宇宙中的暗物质。大家知道我们国家著名的物理学家李政道教授在他的演讲就提到，他说21世纪物理学的一个重要的任务之一就是研究宇宙中的暗物质。

　　因此这些暗物质非常重要，那么事情是不是到此为止呢？没有。事情到此还没有截止，怎么没有截止呢？最后我们观测发现还有更严重的矛盾，就是把宇宙中的这些暗物质加进来，我们算出来宇宙的年龄也不对，还不正确，还必须有其他的物质，才能造成我们目前的宇宙的状态，年龄才能符合。那还有什么物质？一种是看得见的，一种是看不见的，那么看不见的总之它还在那儿存在。我们现在不但看不见，而且现在我们认为还没有存在的物质就是真的不存在，这个问题就很严重了。有没有呢？现在的回答说可能有，而且有的可能性是越来越大。这个物质说来很有意思，这最早是谁提出来的呢？最早是爱因斯坦提出来的，爱因斯坦在他的广义相对论方程里边随便加了一下，再加上一项我这个方程才能平衡，加的是个什么东西呢？爱因斯坦也说不清，大家就在他加的那一项里边在那儿做游戏。做了半天，爱因斯坦表示很歉意，说我这个宇宙中加的这一项，宇宙常数加错了，他说我这一生中犯的一个最大的错误，就是在我的方程里边加了个宇宙常数。可是没想到我们爱因斯坦过世半个世纪了，我们现在没办法了，又把他这个救命的稻草又拿来了。应该加进去，说爱因斯坦老先生没错，还是应该加进去，不但应该加进去而且十分重要，有可能在真空里边就有物质，真空里面可以取出物质来，那你们想一想如果天文学家把这个事情真正证实了，那我们这个物质的来源呢，那就比过去想象的要丰富的多。我们的真空里边就可以取出物质来，而且这个物质的含量甚至比我们看到的物质的含量还要多，还要丰富，那可真是取之不尽，用之不竭。你就随便取吧，探囊取物，想取多少就取多少。当然这个问题还是比较复杂，需要天文学家包括物理学家共同来解决，天文学家从观测上找到他存在的证据。所以说，李政道教授预言的这个是非常正确的，宇宙中21世纪物理学的一个重要的课题，可能就是研究宇宙中的暗物质。

　　那么如果说真的宇宙中有足够的暗物质，物质非常多，那就会出现什么状态呢？就像这个图上所描述的，就是最下边的一个状态。什么状态呢？我们的宇宙目前是在膨胀，膨胀膨胀以后怎么样，就慢慢就收缩了，就又收缩到一点。

　　那么现在天文学家有一个很重要的任务之一，就是不断地来研究宇宙中总的质量究竟有多少，大家知道我们放了空间望远镜，还放宇宙飞船，不仅观测它的光学波段，还观测它的X射线波段，还不够，还观测它的γ射线波段。所有这些目的之一，就想真正了解一下我们宇宙中究竟有多少物质，最重要的是回答我们的宇宙究竟要到那里去，什么时间终结，会不会终结，会不会收缩到一起再重新开始。

　　我讲了这些以后我不用问你们，你们自然有很多问题。这个实在是太玄妙了，不可思议，肯定有很多不可思议的问题。比方说这个宇宙到底有多大呀？你说了半天，这个宇宙有没有边呀，宇宙是大爆炸，大爆炸开始是怎么回事？大爆炸之前是个什么东西呀？大爆炸的空间有多大呀？那么大爆炸的时候，这么大一个宇宙装在那么一个小的空间里边装得下吗？诸如此类的问题太多了，我先回答一个问题。什么问题呢？我们的宇宙有没有边，这个宇宙到底有多大，那么天文学家会告诉你，这个宇宙是无限大的，你走不到尽头，走多远都走不到。你就不相信，我到任何一个地方去，我从这个地方到另外一个地方去，那么走的时间长一点我总能走到，最远是绕着地球转一圈。我也可以转过去，怎么走不到头呢？我先给大家最简单的演示一下，你看这是一张纸，我把这个纸稍微弯一下，弯成这么一个环。大家知道这个环，你看这个面上如果有一个小蚂蚁在这个面上走，你会发现它怎么样？它走得到头走不到？走不到。它转着圈就回来了。你说这个面有几个面？你仔细看一下，这只有一个面。这就说明什么呢？这我就告诉你一件事情，只要我这个空间把它弯曲了，你就会出现这个现象，就不会再走到头了。就这么简单的事情，你放上一个蚂蚁