宇宙起源與發展

宇宙的故事

我們所在的星系有四千億顆行星組成的銀河系。科學是一段充滿魅力的探索的旅程，它是一個令人興奮的給人回報的過程，它讓科學家們和周圍世界有了更好的聯繫，它也讓人敬畏，令人謙卑，讓人感到世界是如此不可想像的美麗，而我們身處其中，見證其存在，又是何等的榮幸。

宇宙大爆炸指的是在138億年前，組成可觀測宇宙所有物質以高溫稠密基本粒子離子體形式出現。而在此之前的宇宙是截然不同的，它是相對腳冷捂顆粒，而且本宇宙本身已非常快的速度在膨脹，也就是說，宇宙中包含的所有離子都是以高速彼此遠離，顆粒間的平均距離每10的負37方就增加一倍。宇宙學家稱這個快速膨脹的大爆炸前階段為暴脹時期。

在大爆炸之前，宇宙充滿了一種叫做暴脹場的東西。它就像有靜止的海洋構成的物質空間。爆炸場內的能量在引力的作用下，導致了宇宙的指數性增長，這也是它名字的來源，它就是導致宇宙膨脹的場。

當我們觀測到宇宙已經有一個瓜那麼大的時候，暴脹時期由於驅動能量的耗竭已經快到尾聲，但這個能量不是沒有了，而是轉變成大量的基本粒子。一瞬間，一個冰冷的空洞的宇宙變成了一個熾熱稠密的宇宙。膨脹就這樣結束了，大爆炸開始，形成一個新的宇宙，其中充滿了註定要進化成星系，恆星，行星和人類的粒子。那些最重的粒子很快就衰變生成的較輕的粒子，即我們所知的電子、夸克、膠子、光子、中微子以及暗物質等。

在大爆炸的百萬分之一秒之後，當熾熱的等離子體降溫到10萬億攝氏度時，夸克和膠子組成的質子和中子，即原子核的構成部分。在大爆炸一分鐘之後，宇宙溫度冷卻到約10億攝氏度時刻，一些質子和中子可以配對聚合形成氘核，以及少量的鋰核。

在接下來的10萬年左右的時間內，宇宙持續擴張和冷卻，除此之外沒有多大變化，然後在接近這時期尾聲時，暗物質逐漸開始聚集在爆脹場內波紋播下的種子周圍，宇宙中暗物質較多的地方變得略微稠密一些，而它們的引力也吸引更多的周圍的物質，這就是物質引力聚焦的開始，最終導致星系的形成。

38萬年以後，當可觀測宇宙達到現在的1/1000的時候，溫度已經降到太陽這類平均大小的恆星的表面溫度，冷到能夠讓電子被帶電氫核和氦核俘獲，並圍繞它們旋轉。剎那間，整個宇宙第一批原子誕生，宇宙經歷了一個巨大的變化，從一團熾熱的等電等離子氣體變成了一團熾熱的電中性的粒子氣體。宇宙變得透明的，意味著光子不再進行之字形運動，而是開始做直線運動，其中一些以微波的形式達到我們今的地球。

這個宇宙的繼續膨脹，在引力的作用下，暗物質組成的稠密區變得越稠密了。直到最稠密的地方向內塌陷，增加內核的壓力和溫度，導致它們最終形成的核熔爐。氫聚合為氦的過程中被引發，恆星在全宇宙中誕生了。

大爆炸的1億年之後，恆星的氫燃料耗盡時，它開始元素聚變，產生了更重些的元素，如碳、氧、氮、鐵等。當燃料最終耗盡，這些恆星就瓦解成閃亮的行星或者是超新星。同時他們新造成的重元素散布到於宇宙空間各處。新的恆星從舊恆星的碎片中產生數千億計的恆星，在暗物質的引力的作用下，凝聚在浩瀚宇宙中如同蜘蛛網密布。

在46億年前的銀河系，一朵充滿恆星碎片的氣體雲瓦解，形成今天的太陽。不久後，地球從氣體雲的殘留物中產生。

大爆炸

如果宇宙不爆炸的話，現在觀測的宇宙為什麼是膨脹的呀？我們已經找到一個說明宇宙在擴張的證據，來自遙遠星系的光產生了紅移，根據廣義相對論，紅移的產生是因為宇宙的擴張導致關線扭曲，產生波峰波谷的結果。

測量遙遠星系的距離其中最準確的一種是北美天文學家塔利和費舍爾在1977年提出的方法，塔利-費舍爾法可以用測量螺旋星系，這種星系以其美麗的螺旋形狀得名，銀河系和仙女座都是螺旋星系。如果星體向地球運動，光會產生輕微的藍移，如果遠離地球，產生輕微的紅移。這種顏色（波長）的變化不是由空間的擴展引起的，它的產生就像是快速運動的救護車的高音警笛，經過你時音調變低，這就是都卜勒效應。警笛在靠近你時聲波受到壓縮波長變短，在離去時，受到拉伸波長變長，因為光也是波動的，所以也有都卜勒效應。

通過測量螺旋星系得出結論，在過去的3億年時間內，宇宙一直在勻速擴張。大爆炸核合成和宇宙微波背景的存在，為我們提供了強有力的證據，證明了宇宙在很久以前處於熾熱緻密的狀態。

後來發現的宇宙微波輻射背景，更是為宇宙大爆炸和宇宙膨脹理論的重要支持點。1964年，美國貝爾電話公司年輕的工程師－彭齊亞斯和威爾遜，在調試他們那巨大的喇叭形天線時，出乎意料地接收到一種無線電幹擾噪聲，各個方向上信號的強度都一樣，而且歷時數月而無變化。

難道是儀器本身有毛病嗎？或者是棲息在天線上的鴿子引起的？他們把天線拆開重新組裝，依然接收到那種無法解釋的噪聲。這種噪聲的波長在微波波段，對應於有效溫度為3.5K的黑體輻射出的電磁波（它的譜與達到某種熱平衡態的熔爐內的發光情況精確相符，這種輻射就是物理學家說熟知的"黑體輻射"）。他們分析後認為，這種噪聲肯定不是來自人造衛星，也不可能來自太陽、銀河系或某個河外星系射電源，因為在轉動天線時，噪聲強度始終不變。

後來，經過進一步測量和計算。得出輻射溫度是2.7K，一般稱之為3K宇宙微波背景輻射。這一發現，使許多從事大爆炸宇宙論研究的科學家們獲得了極大的鼓舞。因為彭齊亞斯和威爾遜等人的觀測竟與理論預言的溫度如此接近，正是對宇宙大爆炸論的一個非常有力的支持！ 這是繼1929年哈勃發現星系譜線紅移後的又一個重大的天文發現。

宇宙微波背景輻射的發現，為觀測宇宙開闢了一個新領域，也為各種宇宙模型提供了一個新的觀測約束，它因此被列為20世紀60年代天文學四大發現之一。

彭齊亞斯和威爾遜於1978年獲得了諾貝爾物理學獎。瑞典科學院在頒獎決定中指出：這一發現，使我們能夠獲得很久以前宇宙創生時期所發生的宇宙過程的信息。

所有的理論都指向了大爆炸和宇宙膨脹理論，這些數據觀測也是客觀的。

銀河中的可用空間

在大爆炸之前發生了什麼

大爆炸的之後的38萬年間，宇宙主要是一團幾乎沒有這個特徵的炙熱的等離子體，其中包括電子、原子核和光子。這個時期暗物質成為宇宙的主角，那些比平均密度稍高的暗物質開始吸附周圍的物質，空間擴張的作用在稀釋物質。大爆炸之後的5萬年裡，空間擴張勝出，因為它的擴張速度太快了，物質無法聚集。之後那個小塊的暗物質開始變大，同時把周圍的普通物質也吸附上的，這樣一來大量原子核雲形成，然後在接下來的幾十億年崩塌形成星系 宇宙從一個幾乎平均的物質分布到塊狀分布進化，是引力作用不可避免的結果。

我們的世界

過去500年科學取得驚人的進展，每一代科學家都深深地受益於前輩的巨大努力，所以今天我們才能夠站在這個位置去思考和計算宇宙在誕生之時的形象。學習新事物的過程並不神秘，其中的過獨立充滿浪漫。