宇宙中哪來這麼多土，組成了無數的天體？

很多朋友心中一定會有這個疑問，宇宙中那麼多天體，需要多少物質來形成它們，而且宇宙的各個角落還正有無數的天體正在形成！當然這個問題有一個標準答案：宇宙大爆炸誕生物質，這些物質形成了恆星，恆星的各個階段中形成的物質再次形成了行星........

但有個問題一直無法解決，宇宙大爆炸產生了物質，那麼宇宙中的物質是無中生有嗎？

宇宙大爆炸理論的由來

愛因斯坦在1905年時候發表了狹義相對論，跟著第二天發表了質能等價方程，對於宇宙中物質的來歷這個問題，質能等價方程是最有用的，因為愛因斯坦認為，物質的質量和能量是完全等價的，但如何將質能等價方程和宇宙誕生物質看起來風馬牛不相及的問題結合起來，似乎是一個問題。

• 廣義相對論

在愛因斯坦推出狹義相對論後沉寂了將近十年，一直到1916年再次以廣義相對論石破天驚，但其實愛因斯坦在1915年就已經完成了廣義相對論，並且在德國的一次學術會議中公開了廣義相對論的引力場公式，將牛頓以來的時間與空間分離的絕對時空觀統一到了廣義相對論下的時空，它會被質量所影響，宇宙各處再也不會有絕對的時間與空間，所有的一切都將在廣義相對論的引力場方程下運作。

廣相最核心的是一個引力場方程，這是一個二階非線性偏微分方程組，早先科學界對其認識並不深刻，1916年史瓦西將其運用解出了史瓦西度規，即一個天體坍縮成黑洞的條件！此時大家才認識到這個方程組絕對不是那麼簡單，而愛因斯坦將廣義相對論應用到宇宙以後這個威力開始顯現，從此誕生了廣義相對論宇宙學。

但愛因斯坦發現在廣義相對論框架下的宇宙是動態的，為和當時的靜態宇宙論相符，愛因斯坦加入了一個宇宙常數選項，當然後來被蘇聯數學家弗裡德曼以及勒梅特以一個各向同性並均勻的解，得出了弗裡德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規，結合1929年哈勃觀測到遙遠宇宙正在遠離的事實，物理學家建立了從一百四十億年前熾熱的大爆炸中演化而來的宇宙模型！

• 宇宙大爆炸模型

動態宇宙模型本來應該是愛因斯坦先發現的，不過因為宇宙常數項被落下話柄讓愛因斯坦後悔不已，當其實有沒有常數項勒梅特和弗裡德曼一樣推導出了動態宇宙，也許宇宙真無法在穩態下運行。現在有了理論和觀測的證實，一大波科學家投入中來，

• 喬治·伽莫夫提出了太初核合成理論

• 拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼則在理論證明可能存在宇宙微波背景輻射

這兩個理論是基於宇宙大爆炸形成過程推測出來的，未來將會在射電望遠鏡發展後一一被證實，因為對於氫分子雲分布的觀測需要射電望遠鏡威力才能體現，而1964年微波背景輻射的發現則從大爆炸餘暉的角度證明了宇宙在很久遠的過去確實發生過一次誕生時空與物質的大爆炸。

大爆炸的幾個證據

• 宇宙大爆炸誕生物質？

其實物質無法憑空產生，但物質可以轉變為能量，2011年美國布魯克海汶國家實驗室就將金原子加速到接近光速，使其碰撞後達到了2萬億攝氏度的夸克膠子等離子體，再繼續加溫物質將處於能量態之下。要讓普通物質處於能量態很難，但宇宙誕生時的奇點可以，此時粒子運動的速度無限逼近了光速，奇點處於普朗克溫度之下，138.2億年前這個奇點在某個不知名的擾動下開始了暴漲！

10的-43次方秒時，首先分離的四種基本作用力中的引力

10^-37秒時，發生了一種相變導致宇宙急速暴漲

10^-36秒時，強作用力也被分離出來，暴漲結束，此時的宇宙是一鍋夸克-膠子等離子體的濃湯。溫度極高，所有粒子都在隨機運動中，在某個時刻發生了違反重子數守恆的反應，夸克和輕子數量上戰勝了反夸克和反輕子，這讓宇宙中正物質佔了主導。（其實如果我們是反物質宇宙也沒啥大事，都一樣過）

當粒子能量下降到10^12eV時產生了對稱破缺，粒子之間的基本作用力產生。

10的-12次方秒時，電磁力和弱力也被分離出來

10^-11秒時是高能粒子物理所能模擬的極限

10^-6秒時夸克和膠子在強作用力作用下結合成重子（比如中子和質子）

3分鐘之後，宇宙溫度降低到10億K左右，太初合成開始（極少數質子與中子結合，形成了氫和氦以及極少量的鋰原子核），更多的質子則等待捕獲電子成為氫原子

37.9萬年後，宇宙溫度下降到可以讓電子和質子結合成氫原子，氦原子核和鋰原子和同樣捕獲電子構成了原子，光子在濃湯中奪路而逃成為誕生宇宙的第一縷光，可惜宇宙膨脹已經將其紅移成了電磁波，這就是大爆炸餘暉的微波背景輻射。

天體形成與物質來歷簡史

我們有一點必須要了解，形成天體的絕不止泥土，因為第一顆天體不存在這些基礎，大爆炸產生的僅僅只有極其微量的氦元素和鋰元素，而絕大部分都是氫元素，因此形成的第一個天體，除了原初黑洞以外就是恆星！未來的宇宙中大部分氫以後的元素，都是恆星的不同演化中誕生的。

關於恆星演化產生物質的理論，還是要追溯到二十世紀初的物理黃金時代，愛丁頓在1920年提出了恆星從氫核聚變中獲得能量。1928年喬治·伽莫夫推導出了強作用力可以克服庫倫障壁的量子力學公式。1929年美國物理學家漢斯·貝特分析了氫核聚變可能的不同反應，認為恆星的能量來自兩個方面：

• 質子-質子鏈反應，

• 碳氮氧循環

前者是質量和太陽類似的恆星能量主要來源方式，或者則是更大質量恆星的能量來源，比如天狼星！其實紅矮星這類也是質子-質子鏈反應，只是紅矮星到氦就無法繼續下去了，所以它不會膨脹成紅巨星，但它們燃燒不穩定，可能比太陽這類恆星更暴躁。

質子-質子鏈反應

當然能夠形成新的恆星和行星的恆星演化是超新星，這是超過太陽質量8-10倍的恆星所特有的一個過程，恆星演化到末期，超新星爆發中大量在恆星生涯中形成的物質被拋灑到宇宙中，這些瀰漫的物質在未來數千萬年間將誕生成新的恆星和行星！

• 哪些會誕生成恆星？哪些又會誕生成行星？

其實行星和恆星誕生之初是一樣的，不過是流程上有些區別，恆星大都是最初的星雲坍縮中心形成，一個坍縮區域可能碎裂成多個區域，可能形成一顆或者多顆恆星，而行星則在原恆星周圍吸積盤中誕生，因素可能是質心碰撞，也可能是湍流模型，但無論如何，行星也誕生了，不一樣的是物質足夠就誕生氣態行星，比如木星，物質不夠就誕生成巖石行星，甚至矮行星，剩下的物質就是小行星和彗星等。

當然星系的形成比較複雜，一般認為是多個矮星系通過碰撞合併誕生，而並非是六十年代提出的一大片星雲中誕生，比如銀河系現在仍然在吞噬周圍的愛星系而成長，比如人馬座橢球星系就已經被銀河系撕裂，無論哪種模型，中心的原初黑洞似乎必不可少，否則它的第一桶金不知道從何處掘取！