宇宙和生命-第155章

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　　宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

　　宇宙大爆炸理论是现代宇宙学的一个主要流派，它能较满意地解释宇宙学的一些根本问题。宇宙大爆炸理论虽然在世纪年代才提出，但年代以来就有了萌芽。年代时，若干天文学者均观测到，许多河外星系的光谱线与地球上同种元素的谱线相比，都有波长变化，即红移现象。　到了1929年，美国天文学家哈勃总结出星系谱线红移星与星系同地球之间的距离成正比的规律。

　　他在理论中指出：如果认为谱线红移是多普勒效果的结果，则意味着河外星系都在离开我们向远方退行，而且距离越远的星系远离我们的速度越快。这正是一幅宇宙膨胀的图像。40年代美国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论。该理论认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，这种状态被形象地称为“原始火球”。以后，火球爆炸，宇宙就开始膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低，直到今天的状态。这个理论能自然地说明河外天体的谱线红移现象，也能圆满地解释许多天体物理学问题。1964年美国人彭齐亚斯和威尔逊又发现了宇宙大爆炸理论的新的有力证据。

　　该理论作为一门发展中的理论，虽然得到了绝大多数科学家的认同，但仍有一些解释不了的问题，需要进一步完善其理论体系。人类对于宇宙的认识是随着人类文明的进步和科学技术的发展而逐步加深的，并开始科学地探讨宇宙的起源，20世纪初期，科学家提出了“宇宙大爆炸理论”。

　　提出并完善这一理论的代表人物是伽莫夫和霍金。

　　大爆炸理论的主要观点是：我们的宇宙有开端，是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。宇宙从密到稀、从热到冷、不断膨胀，形成了我们的宇宙。最初那次爆发就被称为宇宙大爆炸，这一关于宇宙起源的理论就被称为“宇宙大爆炸理论”。

　　根据这一理论，宇宙演化过程起始于大约150亿年前，当时宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大。突然，这个体积无限小的点在“无”中爆炸了，时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。

　　宇宙演化分为三个阶段：

　　第一个阶段：是宇宙的极早期“太初第一秒”。这个阶段的时间特别短，短到以秒来计。宇宙处于一种极高温、高密的状态，除氢核——质子外，没有任何别的化学元素，只由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成。随着宇宙迅速膨胀，温度急速下降。

　　第二个阶段大约经历了数千年，是化学元素形成阶段。此时宇宙间的物质主要是氦、氢等比较轻的原子核和质子、电子、光子等，光辐射很强，但没有星体存在。整个宇宙体系不断膨胀，温度很快下降。

　　第三个阶段：是宇宙形成的主体阶段，至今我们仍生活在这一阶段中。宇宙继续膨胀，温度不断降低。宇宙先后形成了各级天体：宇宙间的气态物质逐渐凝聚成星云，并逐渐演化成星系、恒星和行星，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天所看到的五彩缤纷的星空世界。

　　宇宙大爆炸理论在它诞生前后得到了一系列天文观测事实的支持，是有实际依据的。例如：星系红移、微波背景辐射、宇宙元素的丰度、宇宙的年龄等，成为大爆炸理论的重要证据，尤其星系红移就是宇宙膨胀的反映，微波背景辐射是宇宙大爆炸高温的直接遗迹。这些观测事实都使宇宙大爆炸理论越来越受到世人的关注。　我们毫不怀疑中国古代光辉的哲学思想。“无中生有”，便以其大胆的假设为我们描述了宇宙的起源。当然了，这里的无中生绝没有无事生非的意思。而是一种信念：宇宙，开端于一片虚无，而后，一到二，二到三……　“宇宙大爆炸”理论又有新证据科学家观测到孕育宇宙物质的“种子”。

　　一个国际科学家小组宣布，他们首次直接观测到了孕育宇宙恒星和星系等物质的“种子”。科学家认为，这一结果为目前解释宇宙物质和能量起源的标准模型提供了新的独立证明。

　　由美国、加拿大和智利等国科学家组成的研究小组5月23日在华盛顿举行的新闻发布会上，展示了他们获得的早期宇宙“照片”。画面上红色与白色区域相间，有点像一团模糊不清的火焰。但从画面上的红、白区域中，可以首次直接识别出最终孕育出恒星和星系等物质的那些“种子”。

　　科学家展示的“照片”是用宇宙背景辐射成像仪（CBI）捕获的早期宇宙微波辐射所构成的详细图像。他们解释说，图像上的宇宙年仅30万年，现有宇宙中的能量和物质在那时还没有形成，但从画面上可以首次直接识别出孕育着物质和能量的“种子”。这些“种子”最终演变成亿万个恒星和星系等物质。

　　此项观测结果为目前科学界普遍接受的“宇宙大爆炸”理论提供了独立的证据。“大爆炸”理论认为，宇宙诞生于距今约140亿年前的一次大爆炸。之后约30万年，宇宙温度降到足够低，使得电子和光子等可以结合而形成原子等物质。宇宙也由此走出晦暗的迷雾状态而变得透明，使光可以穿透。宇宙微波背景辐射正是在此期间产生的。它作为大爆炸的“余烬”，均匀地分布于宇宙空间。宇宙微波背景辐射正是“大爆炸”约30万年后从快速冷却的宇宙逃脱的第一批光子的证据。宇宙背景辐射成像仪观测到宇宙微波背景辐射的微弱波动。这些波动据认为是宇宙诞生早期引力微小变化的一种反映。这些引力变化最终导致宇宙形成星系、恒星和行星等结构。

　　研究小组负责人、加州理工学院的里德黑德说：“我们首次看到产生星系团的‘种子’，证实了星系形成的理论。这些独特的高分辨率的观测，为现有宇宙学理论提供了一组新的重要试验数据，独立地证实了宇宙是平展的，也表明了暗物质和暗能量在宇宙中占支配地位。”

　　里德黑德等人的观测结果是迄今为止对宇宙微波背景辐射波动最精确的测量，测出的温度波动精度达到千万分之一度，所获得的关于温度分布的数据，也与所谓的“暴胀”理论相一致。“暴胀”理论认为，宇宙在诞生的最初几十秒内，可能经历过短暂的、极其快速的膨胀。

　　也许，在今天，说宇宙的起源已经不会有太多人惊异地瞪大眼睛，难以置信地询问：“起源？宇宙应该是无穷无尽的，怎么可能有一个开端？如果有，开端之前又是什么？”是的，在书架堆满科普读物的今天，许多人已经不再盲目，对这个词也早已不再陌生：宇宙大爆炸理论。　

　　这个理论告诉我们，时间是有起点的。在时间为0的那一刻，宇宙一无所有。请不要用常规的思维来理解一无所有这个词，如果无法想象，那就让想象的翅膀暂且休息一会儿吧。总之，宇宙在最初的时刻，只是一个点，没有时间，也没有空间。这一点，科学家们称它为奇点。　

　　恩格斯说，非对称创造了世界。这也不无道理。至少，从奇点开始的爆炸，非对称便逐渐地登上宇宙演化的舞台。在极短的时间内，出现了H原子，而后是从氢到更多元素的出现，从一些简单的原子分子到化合物的构成，从散乱的物质聚集到星系，从星系到恒星到地球到人类……漫长的150亿年，终于成就了今天的人类，这个只有短短几百万年历史的生物种群。据最新考古发现，非洲有可能是最早出现人类痕迹的地方，但即使如此，与宇宙的历史相比，人类也只不过是沧海一粟。　

　　经专家研究，已经可以断言目前的宇宙正处于膨胀状态。无论从哪个角度去观测河外星系，都可以发现它们正在远离地球。这就好比一只正在膨胀的气球，呆在气球表面的蚂蚁无论从哪个方向望出去都会发现其它的蚂蚁在远离自己。虽然这个比喻不是很恰当，但还是很形象的。　

　　而将来的宇宙，又会如何演化呢？这有赖于一个参数的数值，小于1，则永无止尽地膨胀下去，等于1，则是膨胀到一定时间后停下来，大于1，则停下之后又变到不断收缩最后回归到奇点的状态？而此参数的数值大小又与宇宙的质量紧密相关（质量越大，这个参数的数值越大）。根据目前所测结果，此参数远小于1，但这并不意味着宇宙就一定将一直膨胀下去。因为很可能宇宙的质量并没有完全被我们测量出来。宇宙中存在着大量难以测量其质量的暗物质，但很可能，这些暗物质的质量将对这个参数产生巨大影响，说不定它们就是是这个参数的大小超过1的主要因素。如果真是这样，那么，从奇点开始的宇宙便会在最后又回到奇点的状态。如果是这样，那么，这将是宇宙最大尺度上的对称了。其实，对称和非对称，本来就是如影随形的，他们交叠着为我们带来神奇的宇宙。

　　“火宇宙”理论挑战“大爆炸”宇宙　，时间并非开始于大爆炸　，大爆炸理论认为，时间有一个开始，宇宙只有137亿年的历史。但一种崭新理论认为，我们的宇宙并非诞生于一个没有时间的奇点，而是在更大的、无法探知的十维大宇宙中，不同“膜”碰撞的产物　

　　国际先驱导报文章　宇宙是怎么来的？根据现在广为接受的大爆炸宇宙理论，整个宇宙乃是137亿年前由一个奇点大爆炸膨胀演化而来；现在宇宙仍在加速膨胀。大爆炸理论推断时间有开始，最终宇宙也会走向终结。　

　　最近，美国普林斯顿大学宇宙学家保罗·；斯坦哈特和英国剑桥大学宇宙学家尼尔·；图罗克提出一种新宇宙模型，认为宇宙从来就没压缩成一个奇点，也不是在一次猛烈的爆炸中诞生的；相反，我们现在所知的宇宙其实是一个有着更高维度的、极其宏大的宇宙的一小部分，其高维度是我们不能感知的。　

　　“大爆炸”其实是我们的三维世界与另一个三维世界相碰撞的结果，两个世界的距离不超过1个质子大小，但就因为这点距离而彼此看不见。而且，“大爆炸”只不过是在过去和未来无限轮回的宇宙碰撞循环中的一次，我们宇宙137亿年的历史只不过是无限时间中的一瞬间。　

　　三个脑袋里的两块膜　

　　斯坦哈特和图罗克的这一宇宙生成理论，来源于试图对宏观世界和微观世界做最终统一解释的超弦理论。超弦理论认为，空间并不是我们肉眼所见的三维，实际上有多达10个维度，正如一张晾在绳索上的二维床单是悬挂在一个三维世界里一样，所有时空连续都悬浮在具有更高维度的空间中。遵循这个床单比喻，可以形象地把我们可观察的宇宙描述为一张漂游在十维大宇宙中的“膜”。　

　　1998年，美国宾夕法尼亚大学物理学家伯特·；奥卢特在英国剑桥大学举行的一次宇宙学会议上提出：如果我们生活的世界是一张漂浮在多维空间中的“膜”，为什么不可以设想还有其他类似的膜漂浮在这多维空间中呢？超弦理论完全不排除这种可能性，而且如果其他的膜存在，它们就可能相互影响。　

　　当时坐在听众席中的斯坦哈特大受启发。他猜想，如果膜与膜之间的相互作用是一种碰撞，那么这种碰撞将产生极其巨大的强烈反应，因为每一张膜都拥有巨大量的能量和物质。这种碰撞所释放的能量之大足可以和通常所说的“大爆炸”相匹敌。　

　　同在听众席上的图罗克也这么认为，两人在奥卢特演讲完后一起找他进行更深入的讨论。三人都认为两块膜碰撞，会在宇宙中导致戏剧性的巨大事件。一种新宇宙理论自此开始形成。　

　　18个月计算出“涟漪”　

　　根据暴涨理论，宇宙最早是极热极密的一个点，随后经历了一个非常短暂而巨大的暴涨过程。斯坦哈特他们的新理论则设想：宇宙也许实际上是从又冷又空的地方开始的。如果情况真是这样的话，那么从膜相撞这个概念出发，就可为随后一直进行的扩张过程提供简洁的说明，而不必求助于“暴涨”。　

　　为简单起见，他们假定膜是平的，并且相互平行。他们也假定膜中没有包含物质，但是根据量子理论和爱因斯坦狭义相对论，这样的膜并不虚无，而是包含了巨大的能量。因此，两块空空的膜相遇，仍然会是极其剧烈的碰撞。　

　　经过一年半的艰苦数学计算，这些研究者终于认识到，两块膜相撞能够形成一个火球，进而创造出一个与我们可观察的宇宙一样的宇宙。他们经计算认为，在碰撞发生前，随着两块平坦的膜相互靠得越来越近，它们之间的力会使它们起皱，犹如平静的湖面上泛起一圈圈涟漪。结果，这两块膜并不是全部立即碰撞，而是隆起的部分先碰撞。　

　　这种不均匀的碰撞，进而导致不均匀的能量爆炸——碰撞产生的火球尽管各处密度一样，但在隆起的部分会比较热一点，而在低陷的地方则会凉一点。　

　　古希腊“大火”的启示　

　　他们认为，我们的宇宙在第一代恒星和星系形成之前就是这个样子。我们知道，由宇宙早期遗留下来的热量构成的宇宙微波背景辐射就是不完全均匀的，在宇宙不同部分有一些细微温度差异。　

　　2001年7月发射升空的威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（WMAP）精确地绘制了这种温度差异的分布图。在大爆炸宇宙模型中，那些较热的地方被认为是由量子噪声造成并由暴涨能量场放大的。在斯坦哈特他们的模型中，这被认为是由于膜起皱演变来的。图罗克说：“让我们甚为惊奇的是，经过巨量复杂的计算，我们发现膜的碰撞能形成与观察到的温度不均完全一样的图案。”　

　　研究者随后研究了膜碰撞后，在各块膜中会发生什么。计算表明，这种碰撞在各块膜中会产生宇宙规模的巨大的纯能量火球，这种爆炸让这两块膜再次分开。而后，随着充满于我们的膜中的那个火球开始冷却，其中的能量经历一个相变过程，就像水结成冰，这种相变释放出的一种力能使宇宙开始膨胀。火球中温度较高的部分凝结成物质块，最终演变成星系团，而较凉的部分则变成星系团中的虚空部分。　

　　他们把这种宇宙理论叫作“ekpyrotic　universe”（火的宇宙），ekpyrosis在希腊语中的意思是“大火”，古希腊斯多葛学派的宇宙模型就认为宇宙是一团大火，处在诞生、冷却和再生的永恒循环中。　

　　无限的碰撞循环　

　　“火宇宙”模型后半部分和大爆炸模型所说的一个大火球膨胀演化出今日宇宙很相似，但是在“火宇宙”模型中没有了暴涨过程，而是从一开始就有着惟一促使宇宙扩张的力，这种力至今仍然在起作用，使宇宙一直保持加速膨胀，越来越快。这就可以解释现在所谓的暗能量。　

　　两位研究者在进一步计算后认为，我们现在所处的阶段实际上是一个非常漫长过程的开始，而这个过程最终将导致一个空荡荡的宇宙。经过几万亿年后