簡明宇宙演化史:宇宙是如何變成今天的樣子的

（本文摘自《永恆的誘惑：宇宙之謎》。2016中國好書入圍。五顆星原創科普大作。探索諸多熱門話題：宇宙起源、引力波、相對論、哈勃定律、黑洞、霍金輻射、紅移、大爆炸、量子力學、對稱破缺、暗物質、暗能量、平行宇宙、星系、標準模型。）

從現在測量到的哈勃參數值的倒數，計算出的宇宙年齡大約為138億年。上一節中介紹的元素太初核合成，卻在宇宙年齡從3分鐘到20分鐘左右就完成了。宇宙在3分鐘之內發生了些什麼？20分鐘以後面貌又如何？這是人們感興趣的問題。

我們首先給宇宙20分鐘之後到138億年，從胚胎、嬰兒、青年、到如今，勾畫一個大概的年表，以便讀者對宇宙演化有一個粗略輪廓。

再回到弗裡德曼的宇宙膨脹模型，重溫本章第一節中解出的描述宇宙膨脹的尺度因子a(t)的幾種主要情況：如果物質（塵埃）起主導作用，a(t) ～ t(2/3) ；如果輻射起主導作用，a(t) ～ t(1/2) ；如果真空能量密度（暗能量）起主導作用， a(t) ～ eHt。這兒暫時假設了宇宙空間平坦，曲率因子k=0。

圖8-6-1：用弗裡德曼模型解釋宇宙膨脹過程

此外，我們也知道各種宇宙物質密度與尺度因子的關係，這樣便能得到不同物質密度隨著時間變化的關係。圖8-6-1a中三條不同的曲線分別表示物質密度、輻射密度、暗能量密度與時間（宇宙年齡）的關係。

圖8-6-1a中的三條曲線有兩個交叉點值得注意：一個（A）發生在宇宙年齡大約4萬7千歲左右，那時候塵埃物質密度與輻射密度相等。另一個交叉點B是在宇宙年齡大約98億歲左右，那時候暗能量密度超過塵埃物質密度，顯然早已大大超過輻射密度，暗能量密度成為宇宙膨脹的主導因素。

根據熱大爆炸理論，宇宙早期處於高壓高密度高溫狀態，不僅星系和恆星不可能存在，也沒有形成穩定的原子結構。早期一片混沌時的宇宙，能量主要由光子主導。太初核合成結束後，光子頻繁地與質子電子相互作用，但仍然是輻射能量大大超過物質能量。因此，在大爆炸後直到4萬7千年的宇宙，稱之為輻射主導時期。之後，隨著溫度下降，原子形成，原子類物質和暗物質的能量逐漸超過輻射，成為主導部分。

熱大爆炸

但是，無論是輻射相關的密度，還是明暗物質相關的密度，都隨著宇宙空間尺度的膨脹而迅速下降，如圖8-2-1a中的藍色和紅色曲線所示。因為暗能量密度（綠色曲線）始終保持在一個常量，不隨時間而變化，最後在圖中的B點開始，成為宇宙演化的主導因素，使得宇宙尺寸隨著時間指數增長。因此，宇宙從4萬7千年到B點代表的98億歲這段漫長的歲月，都算是物質主導時期。在圖8-2-1中沒有討論曲率k的作用，k只能取-1、0、1三個數值，分別代表三種不同宇宙幾何形狀，並不影響宇宙膨脹的基本特徵，此外，根據天文觀測資料證實，宇宙是基本平坦的，即k等於0。

圖8-6-1b顯示了宇宙物質密度從「輻射為主」，過渡到「物質為主」，再變成「暗能量為主」期間內宇宙尺度的變化。如圖所示，在輻射起主導作用時宇宙大小的時間平方根（t(1/2)）規律，塵埃物質主導時宇宙大小的三分之二次方（ t(2/3)）規律，這兩種情形都是減速膨脹，即標度因子a(t)對時間的二階導數為負值。

在1998年之前，物理學家們尚未意識到「暗能量」的重要性，根據上面所說的，無論是輻射密度導致的膨脹，還是物質密度導致的膨脹，都是減速膨脹。所以，科學家們認為，雖然宇宙在膨脹，但膨脹的速度會越來越慢。但是，1998年，三位物理學家索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特和亞當·裡斯「透過觀測遙遠的超新星而發現了宇宙正在加速膨脹」。這個觀測事實改變了人們的看法，三位學者也因此而榮獲2011年諾貝爾物理獎。之後十幾年的觀測數據，也證實了宇宙膨脹的速度並非越來越慢，而是越來越快。

索爾·珀爾馬特

加速膨脹意味著標度因子a(t)對時間的二階導數為正值，在弗裡德曼方程的4個解中，只有與愛因斯坦常數有關的「暗能量密度」一項，符合這點要求。也就是說，愛因斯坦原來加到場方程中的宇宙常數L不能為零，將它請回來便有可能解決這個問題，這便是大家知道的宇宙常數死灰復燃的故事，暗能量的來龍去脈。

宇宙從輻射主導變成物質主導之後不久，還有一個被稱為「最後散射面」 的重要年齡點，這是發生在大爆炸之後的38萬年左右，見圖8-2-1a中的標誌。在這個年齡之前，氫和氦原子開始形成時，原子核處於電離狀態，電子游離在離子之間，並不斷地與光子和質子相互作用。也就是說，當電子尚未被原子核俘獲形成穩定的原子結構之前，宇宙處於「等離子體狀態」，是由質子中子電子光子以及少量其它粒子混合起來的一大碗等離子體「熱湯」，其中的光子不斷被其它粒子反射和吸收，自由傳播的距離非常短。

但因為宇宙不斷膨脹，這碗熱湯的體積不斷增大，溫度持續降低，電子跑不快了，便逐漸被離子捕獲，兩者結合形成中性原子，這個過程稱為複合。在複合結束後，宇宙中大部分的質子都捆綁了某些電子，成為電中性的原子。中性原子與光子的相互作用大為減少，使得光子的平均自由路徑幾乎成為無限，意味著光子可以在宇宙中自由通行，宇宙變得透明。這個事件通常被稱為退耦。

圖8-6-2中左邊是放大了的最後散射面附近的輻射示意圖。圖中的水平方向代表時間，從左到右表示宇宙年齡增大。在最後散射面之前（左邊），因為宇宙是混沌一片的等離子體，宇宙更早期輻射的光子，傳播很短的距離便在等離子體中被多次反射折射或吸收了，到不了右邊。所以說，這一段等離子體期間像是一團"大霧"，對宇宙更早期的光輻射而言是不透明的，宇宙更早期雖然也有光，但不能被「最後散射面」之後的觀測者通過望遠鏡看見。直到宇宙38萬歲-40萬歲左右，原子核和電子結合成原子，電子被原子核綁住了，行為規矩起來，不再輕易與光子作用，光子傳播的空間大大增大，一直在宇宙中奔跑。

再後來，宇宙繼續膨脹，恆星形成了，星系形成了，原來輻射的可見光的波長也因為空間膨脹而被拉長，最後，當我們地球上的觀測者接收到這些光子時，它們的波長已經被拉長到了微波的範圍，宇宙的溫度也從最後散射面時期的3000K左右降低到了3K左右，這便是我們提到過多次，後來還要詳細介紹的微波背景輻射，簡稱為CMB。

圖8-6-2：最後散射面的輻射

最後散射面時期的宇宙，有大量的可見光輻射，如果近距離看的話，整個宇宙「天空」都如同我們現在看見的太陽。怎麼才叫「近距離」看？只能想像在宇宙40萬年左右就進化出了某種生物，它們那時看到的宇宙就應該是滿天一片「燦爛的太陽」！但這種想像的生物是不可能存在的，從複合成原子到出現生命，宇宙還有漫長的路要走！路漫漫其修遠兮，走到如今，大自然中終於進化出了能夠探測到這種輻射的人類。不過，遺憾的是，我們現在只能從距離散射面138億光年的「遠距離」來觀測它，當初的燦爛太陽，如今已經變成了滿天「看不見的微波」！

雖然宇宙演化至今的時間漫長，但其中使宇宙學家們感興趣的「亮點」卻好像暫時不太多。原因固然是因為我們觀測手段的限制，探測宇宙的演化可不是那麼容易的。宇宙學就像「考古」一樣，越久遠的事情就越難以搞清楚，何況宇宙學「考」的是100多億年之前的廣漠宇宙之「古」。宇宙演化漫長的歲月中，有無限多的未知「時間段」需要「考證」。

最後散射面之後的很長一段時間，大約從大爆炸之後的1億5千萬年到8億年左右，被稱為宇宙的黑暗時期。最後散射面的光子可以毫無阻攔地自由穿過這段黑暗時期，但黑暗時期本身的輻射現象卻產生得很少，因為那時候的宇宙中只有電中性的原子到處晃蕩，星系和恆星尚未形成，沒有核聚變提供大量輻射能量，唯一的輻射是中性氫的電子自旋釋出的21公分氫線。

不過，這種中性原子主導的「黑暗」宇宙只是處於一種暫時的「動態平衡」中，不安分的種子早就已經暗藏在貌似光滑均勻的「最後散射面」上，在經歷了時長日久的潛伏之後終將耐不住，一個一個在黑暗中爆發。事實上，早期宇宙的均勻混合物表面上有很小的密度起伏，這些密度漲落，即均勻宇宙中的小偏離，按照引力規律演化後結團，後來，大量的物質坍縮形成星系。

目前觀測到的最早的星系形成於大爆炸後3億8千萬年左右，大多數人認為恆星是星系物質進一步碎裂的產物，大爆炸之後約5億6千萬年，第一代恆星開始形成。最初的恆星和類星體在引力坍縮下形成。它們發出強烈的輻射使周圍的宇宙再電離。

之後，大量的小星系又合併成大星系，星系的引力彼此拉扯形成星系群、星系團、和超星系團。天文學家們估計銀河系的薄盤形成於大爆炸之後50億年左右，再過了幾十億年，太陽系開始形成和演化，形成地球，產生生命，進化繁衍，直到如今。

然後，我們再簡略描繪一下大爆炸後3分鐘內宇宙演化過程中最精彩又最不可思議的一段。這一部分的故事首先由粒子物理的統一理論主宰。

普朗克時期，開始於普朗克時間10-43秒，所有4個基本作用無法區分。大一統時期，始於10-36秒，引力與其它作用分開，溫度約為1027 K。然後，是我們後面將介紹的宇宙暴脹階段，在10-36秒到10-33秒之間，宇宙的尺度增長了不可思議的大約30個數量級。

普朗克時間

暴脹停止後，宇宙從重新加熱到冷卻，成為夸克、膠子等離子體。這個階段持續到10-12秒。從10-12秒到10-6秒為夸克主導時期，宇宙膨脹，溫度急劇下降，允許四種基本力和基本粒子出現，表現為它們在目前所見的形式。

第1秒中之前是質子和中子等強子形成的時期，再進入到輻射為主的光子時期。然後，最初三分鐘結束，開始核合成，直到第17分鐘左右……

宇宙演化過程還有最後一個問題：宇宙的未來如何？這方面的研究就要用到宇宙空間的曲率因子k的作用了，因為在宇宙標準模型中，其未來的演化情況與空間的幾何形狀有關。

仍然可以從弗裡德曼方程來探討這一問題。根據弗裡德曼的理論，宇宙空間的形狀有三種可能性：開放、閉合、平坦，取決於宇宙的質量密度。更準確地說，是取決於宇宙的質量密度與臨界質量密度的比值W0（相對質量密度）。如圖8-6-3右圖所示，臨界質量密度：

r0 = 3H2/8pG

定義為當設定宇宙常數為0時產生平坦的弗裡德曼度規的質量密度。以上r0的表達式中，H為現在的哈勃參數，G是萬有引力常數。這個臨界質量密度大概是多大呢？據說大約是每立方米三個核子（質子或中子）。

圖8-6-3：三種宇宙模型

圖8-6-3左圖表示大爆炸之後，由於質量密度的不同而形成了三種不同的宇宙演化模型。這些模型預測了宇宙的未來。當W0>1的時候，說明宇宙中的物質足夠多，將產生足夠大的重力，在一定的時候將使宇宙停止膨脹，開始收縮，最後變成與大爆炸過程相反的大擠壓，讓宇宙回復到爆炸誕生時的炙熱狀態。

反之，當W0

我們的宇宙屬於哪一種模型？實際上，直接測量與估算宇宙的平均密度複雜而困難，能夠估算的，頂多也只是可見物質構成的星體對平均密度的貢獻。反之，從現有的天文觀測資料，天文學家們得到大範圍內的宇宙是基本平坦的結論。這個平坦無限然而動態的宇宙圖景，總算讓人們心情舒暢了一些。

平坦宇宙需要滿足（W0=1），也就是說，總的物質密度要等於臨界密度。但從觀測資料得到的發光物質的密度不超過臨界密度的1／10。加上看不見，但明顯表現出引力效應的暗物質，能達到百分之二十幾，仍然遠遠不夠，剩下的便只好請「暗能量」先生來補充了。

平坦宇宙

在此澄清幾點對大爆炸和無限宇宙的誤解（第9章中將有更多的討論）。一是大爆炸並不是發生在空間中的某一點，而是發生在三維空間的所有點。如果對空間曲率為0的平坦宇宙模型，即是發生在整個「無窮大空間」的時間奇點上。因為我們使用的是平坦三維空間宇宙模型，其空間曲率總是為零，但時空曲率不會總是0。

實際上，在大爆炸發生時的那個奇點，時空曲率為無限大。三維空間雖然是平坦的，但溫度卻是無限高，質量密度無限大，爆炸發生在空間的每一點。大爆炸之後，時空膨脹，奇點轉為正常的時空點。溫度下降，質量密度降低，時空曲率減小（空間曲率始終為0），原來體積就是無窮大的宇宙空間繼續不斷膨脹。

另外，需要把宇宙可能的三種演化模型與「可觀測宇宙」區別開來。無論宇宙模型預料的宇宙是有限還是無限，可觀測宇宙總是有限的。就我們所知，根據對宇宙微波背景的觀測，大爆炸理論估計的宇宙年齡大約為137億年。而光傳播的速度有限，因而我們可以觀測到的宇宙範圍是有限的。我們頂多能夠探測到距離我們137億光年遠的星球。

不過，因為宇宙在不停地膨脹，這些星球（星系）發射光波之後，與地球之間的空間又經過了137億年的「膨脹效應」 。根據宇宙膨脹的模型以及天文觀測得到的哈勃參數，可以估算出這些星系現在離我們的距離。這個距離遠遠超過137億光年，大約是460億光年左右。

將這個距離（460億光年）為半徑，地球為中心，可作一個球面。球面包圍的三維空間便是我們的「可觀測宇宙」，球面是可觀測宇宙的邊界，稱之為「視界」，或過去視界。

視界之外是什麼？是「可觀測宇宙」 的延續，或許有限或許無限，根據圖8-6-3中的W0而定。雖然其中星球發射的光波暫時還到達不了地球，但它應該與我們能看到的宇宙部分大同小異，因為我們認為整個宇宙是處處均勻且各向同性的，這是宇宙學原理的基本假設。

可舉一個通俗例子來解釋「可觀測宇宙」。想像在一個正在膨脹的大氣球上，住著超過100群螞蟻，每群螞蟻之間互通消息的最快方式是靠一種爬得最快的「快速螞蟻」來傳遞。有一天，螞蟻群A的群主派出一名叫「小馬」的快速螞蟻，去探索它們的世界中有幾群螞蟻，小馬以最快的速度爬呀爬，發現了其它4群和它們一樣的螞蟻。它繼續再往遠處爬，卻怎麼也看不到另外的螞蟻群了，因為大氣球正在膨脹，離螞蟻群A越遠，分離的速度就越快，快到已經超過了它的爬行速度。所以，群主根據小馬探測的結果，得到它們的「宇宙」中有5群螞蟻的結論。它們永遠也不可能知道，除了這5群螞蟻之外，還有好多別的螞蟻群。這5群螞蟻的範圍，是螞蟻群A的「視界」，也就是它們的「可觀測宇宙」。

既然視界之外的東西觀測不到，何不讓想像力儘量飛翔馳騁，也包括想像一個多宇宙的圖景，假設除了我們觀測到的宇宙之外，還有觀測不到的其他宇宙「存在」，如果這個想像的假設對解釋我們在「這個」宇宙得到的觀測資料或者理論有幫助的話，又未嘗不可呢？

再加上幾句話，以強調和理清本書中對「宇宙」一詞的使用。當我們談到宇宙時，所指的可能有以下情形：宇宙學中泛指的作為研究對象的宇宙模型；或是指真實的宇宙。真實宇宙又有可能說的是有限的「可觀測宇宙」，或者是包含了更多，或有限或無限的所有部分，我們在後面章節中將這個真實的可能是無限的宇宙稱為「大宇宙」。其他大多數情況下的宇宙，則指以銀河係為中心的「可觀測宇宙」。

滴水科學，點滴時間學科學！