宇宙的最初三分钟

[QQ42089452]

道生一，一生二，二生三，三生萬物。道者，無也。 —老子《道德經》

　　宇宙誕生之前，沒有時間，沒有空間，也沒有物質和能量。大約150億年前，在這四大皆空的“無”中，一個體積無限小的點爆炸了。時空從這一刻開始，物質和能量也由此產生，這就是宇宙創生的大爆炸。

　　剛剛誕生的宇宙是熾熱、緻密的，隨著宇宙的迅速膨脹，其溫度迅速下降。最初的1秒鐘過後，宇宙的溫度降到約100億度，這時的宇宙是由質子、中子和電子形成的一鍋基本粒子湯。隨著這鍋湯繼續變冷，核反應開始發生，生成各種元素。這些物質的微粒相互吸引、融合，形成越來越大的團塊，並逐漸演化成星系、恒星和行星，在個別天體上還出現了生命現象。然後，能夠認識宇宙的人類終於誕生了。

　　這幅大爆炸圖景，是目前關於宇宙起源最可能的一種解釋，被稱為“大爆炸模型”。大爆炸理論誕生於20年代，在40年代由伽莫夫等人進行補充和發展，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，並不信服。人們更願意認為，宇宙是穩定的、永恆的。

　　但是，越來越多的證據表明，大爆炸模型在科學上有強大的說服力。我們不得不相信，宇宙有一個開始，也將有一個終結。它產生於“無”，也終將回歸於“無”。

宇宙：可有始，可有終？

　　在人類歷史的大部分時期，有關創世的問題，一向是留給神去解決的。宇宙起源於何處？終點又在哪里？生命如何產生？人類怎樣出現？對這些疑問，許多宗教都能給出一份體系完備的答案。至於上帝從哪里來，這種問題是不該問的。

　　直到最近幾個世紀，人們才開始學著把神撇開，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：宇宙是永恆存在的，還是有起始的？

　　這兩種說法長久以來一直困擾著科學家、哲學家和神學家，對於普通人來說，更是難以理解。假設宇宙在時間上沒有起源，即過去一直存在，那麼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：既然是已經過去了無窮久的時間，我們的“現在”又是什麼呢？而如果說宇宙是有起始的，那麼它就是從“無”中突然產生的了，這最初的一刹那，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，我們可以從科學上尋求一些佐證。大爆炸模型的一個基本假設是宇宙的年齡有限，這個說法令人信服的直接理由，來自物理學中一條最基本的定律——熱力學第二定律。這條科學史上最令人傷心絕望的定律，冥冥中早已規定了宇宙的命運。

　　簡而言之，第二定律認為熱量從熱的地方流向冷的地方。對任何物理系統，這都是眾所周知並且顯而易見的特性，毫無神秘之處：開水變涼，霜淇淋化成糖水。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，第二定律認為宇宙的“嫡”（無序程度）與日俱增。例如，機械手表的發條總是越來越松；你可以把它上緊，但這就要消耗一點能量；這些能量來自於你吃掉的一塊麵包；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行核反應。總之宇宙中每個局部的嫡減少，都須以其他地方的嫡增加為代價。

　　在一個封閉的系統裏，嫡總是增大的，一直大到不能再大的程度。這時，系統內部達到一種完全均勻的熱動平衡狀態，不會再發生任何變化，除非外界對系統提供新的能量。對宇宙來說，是不存在“外界”的，因此宇宙一旦到達熱動平衡狀態，就完全死亡，萬劫不復。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，我們就可以發現，宇宙不可能有無限的過去。很簡單，如果宇宙無限老，那它早就已經死了。以有限速率演變的東西，是不可能永遠維持下去的。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

　　第二定律明示了宇宙有起始，但這個重要推論竟然被19世紀的科學家忽略了，它只是在後來成為大爆炸模型的佐證。該模型的提出，是基於20世紀初的天文觀測。

　　20年代，天文學家愛德溫·哈勃注意到，不同距離的星系發出的光，顏色上稍稍有些差別。遠星系的光要比近星系紅一些，即波長要長一些，這種現象被稱為“哈勃紅移”。它說明，各星系正以很高的速度彼此飛離。一列火車快速駛遠時，它的汽笛聲聽來會沉悶很多，因為聲波相對於我們的頻率變低、波長變長了，這就是多普勒效應。把聲波換成光，產生的效果就是紅移。哈勃對眾多星系的光譜進行研究後確認，紅移是一種普遍現象，這表明宇宙正在膨脹。　　這一發現，奠定了現代宇宙學的基礎。

　　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，我們勢必會發現，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，要準確推斷它比較困難。

　　另外，宇宙膨脹的速度會隨時間發生變化，這與引力有關。萬有引力作用於字宙中一切物質與能量之間，起到刹車的作用，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生的那一刻，可以發現當時宇宙體積為零，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。大爆炸之前發生了什麼、是什麼引起了大爆炸，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，似不足以令大多數人信服。如果150億年前發生了一場大爆炸，如此驚天動地的力量是否在今天的宇宙結構上留下了某種印跡？於是，有一陣子，科研人員熱衷於尋找宇宙創生的遺跡，勁頭賽過當年的宗教考古學家尋找伊甸園。亞當和夏娃的文物是一樣也沒發現，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，最初的幾分鐘裏，宇宙是一個熾熱的火球，到處充滿溫度高達幾十億度的光輻射。由於此時的宇宙處於熱動平衡中，這種輻射具有獨特的光譜特徵，稱為“黑體譜”。1965年，貝爾電話公司的兩位元物理學家彭齊亞斯和威爾遜偶然發現，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徵。微波背景輻射的發現，是對大爆炸模型最有力的支援。

　　知道了今天宇宙背景輻射的溫度，就很容易推算出，宇宙誕生後約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無法存在，連原子核也會被撕得粉碎。宇宙只能是一鍋由質子、中子和電子等構成的基本粒子湯。

　　隨著這鍋湯變冷，核反應發生了。中子和質子很容易聚合在一起，產生由兩個質子、兩個中子組成的氦核。計算表明，氦核形成的過程持續了大約3分鐘，形成的氦約占宇宙物質總品質的四分之一。這個過程用完了所有的中子，餘下的質子就成了氫原子核。

　　因此，大爆炸模型預言宇宙應當由大約25％的氦和75％的氫組成，這與天文測量結果極為符合。最初三分鐘裏形成的氫與氦，構成了宇宙中99％以上的物質。形成行星和生命的豐富多彩的重元素，只占宇宙總品質的不到l％，它們大部分是在恒星內部形成的。

　　根據推斷，宇宙的形成距今約100～200億年。　　

生命：既永恆又無恒

　　天文觀測表明，各種天體的年齡均小於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，人類出現的時間更短得不值一提。宇宙現在還算得上年輕，擔憂末日的來臨，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，宇宙在誕生後不斷膨脹，與此同時，物質間的萬有引力對膨脹過程進行牽制。如果宇宙的總品質大於某一特定數值，那麼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”。如果宇宙總品質小於這一數值，則引力不足以阻止膨脹，宇宙就將永遠膨脹下去。

　　在非常遙遠的將來，比如1億億億年以後，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。宇宙的尺度已經膨脹到如今的1億億倍，而且還在擴張下去。在這個系統裏，引力雖不足以使膨脹停止，但會不露聲色地消耗著系統的能量，使宇宙緩慢地走向衰亡。黑洞在霍金效應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掉。足夠長的時間之後，連質子這樣穩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，不會再有任何基本物理過程出現。

　　這是寒冷、黑暗、荒涼而又空虛的宇宙，它已經走完了自己的歷程，面對的是永恆的生命，抑或永恆的死亡。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，收縮過程與大爆炸後的膨脹是對稱的，像一場倒放的電影。收縮的過程起初很緩慢，隨後越來越快。在轉捩點過後，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。最後，行星、恒星也毀滅了，分佈在如今浩瀚空間中的物質被擠進一個很小的體積內，最後三分鐘來臨了。

　　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。然而這種狀態也只能生存幾秒鐘的時間。隨後，質子和中子也無法區分，擠成一堆由誇克構成的等離子體。在最後的時刻，引力成為占絕對優勢的作用力，它毫不留情地把物質和空間碾得粉碎。在這場與大爆炸的“暴脹”相對的“暴縮”中，所有的物質都因擠壓不復存在，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。大爆炸中誕生於無的宇宙，此刻也歸於無。無數億年的輝煌燦爛，連一絲回憶也不會留下。

[爱玩男儿]

呵呵好长,