【物理前沿】宇宙誕生猜想之大爆炸之前的宇宙及宇宙演化。

原標題：【物理前沿】宇宙誕生猜想之大爆炸之前的宇宙及宇宙演化。

真正解決第一推動問題的是霍金提出的無邊界條件的量子宇宙論。在他的理論中，宇宙的誕生是從一個歐氏空間向洛氏時空的量子轉變，這就實現了宇宙的無中生有的思想。這個歐氏空間是一個四維球。在四維球轉變成洛氏時空的最初階段，時空是可由德西特度規來近似描述的暴漲階段。然後膨脹減緩，再接著由大爆炸模型來描寫。這個宇宙模型中空間是有限的，但沒有邊界，被稱作封閉的宇宙模型。

背景

4 20世紀的天文觀測表明，宇宙正處於膨脹的演化過程中。在時間上往過去反推，人們估計在100多億年前宇宙是處於極其緊緻極其熾熱的所謂大爆炸奇性的狀態。宇宙的演化必須服從愛因斯坦引力場方程。但是不同的初始狀態會導致不同的演化。大爆炸奇性從何而來,或者宇宙從何而來的所謂"第一推動"問題就擺到了宇宙學家的面前。

粒子及各物質元素形成過程

1234宇宙最開始，沒有物質只有能量，大爆炸後物質由能量轉換而來（質能轉換E=mc⊃2;），當代粒子物理學告訴我們，在足夠高的溫度下（稱為「閾溫」），物質粒子可以由光子的碰撞產生出來。下面是宇宙物質進化的詳細過程：

1234宇宙誕生第1/10000秒（時標），溫度達幾十萬億開，大於強子和輕子的閾溫，光子碰撞產生正反強子和正反輕子，同時其中也有湮滅成光子。在達到平衡狀態時，粒子總數大致於光子總數相等，未經湮滅的強子破碎為「夸克」，此時夸克處於沒有任何相護作用的「漸進自由狀態」。宇宙中的粒子品種有：正反夸克，正反電子，正反中微子。最後，有十億分之一的正粒子存留下來

1234時標0.01秒溫度1000億開，小於強子閾溫大於輕子閾溫。光子產生強子的反應已經停止，強子不再破碎為夸克，質子中子各佔一半，但由於正反質子正反中子不斷湮滅，強子數量減少。中子與質子不斷相護轉化，到1.09秒時，溫度100億開，質子：中子=76：24時標13.82秒，溫度小於30億開，物質被創造的任務完成。中子衰變現象出現，衰變成質子加電子加反中微子。這時質子：中子=83：17

1234時標3分46秒，溫度9億開，反粒子全部湮滅，光子：物質粒子=10億：1，中子不在衰變，質子：中子=87：13（一直到現在）；這時出現了一個非常重要的演化：由2個質子和2個中子生成1個氦原子核，中子因受核力約束而保存下來。宇宙進入核合成時代。（如果沒有氦核產生，中子將全部衰變，也沒有以後其它的原子核）時標30萬—70萬年，溫度4000—3000開，能量和物質處於熱平衡狀態。開始出現穩定的氫氦原子核，宇宙進入複合時代。在後期宇宙逐步轉變為以物質為主的時代。（光子隨著溫度的降低而可以自由穿行，即今天的3開宇宙背景輻射！）

1234時標4億—5億年，溫度100開。物質粒子開始凝聚，引力逐漸增大，度過「黑暗時代」後，第一批恆星星系形成。

1234隨著第一批恆星的形成，原子在恆星的內部發生了核聚變反應，進而出現了氦，炭、氧、鎂，鐵等元素原子核。核聚變是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。

1234值得注意的是，不同質量的恆星能引發的核聚變程度不同，太陽主要為氫—氦聚變，重一點的會引發炭—氧—鎂聚變，再重的會引發下一輪聚變。總的順序簡略依次為：氫—氦—炭—氧—鎂—矽—鐵。但無論恆星多重，最終的聚變結果只能是鐵，恆星內部不能產生比鐵更重的原子核！

1234凡是元素周期表上有的(除人造元素外)，都是在恆星大煉爐裡形成的，鐵以後的原子核，只能在超爆中產生。

基本假設

大爆炸理論的建立基於了兩個基本假設：物理定律的普適性和宇宙學原理。宇宙學原理是指在大尺度上宇宙是均勻且各向同性的。

12 這些觀點起初是作為先驗的公理被引入的，但現今已有相關研究工作試圖對它們進行驗證。例如對第一個假設而言，已有實驗證實在宇宙誕生以來的絕大多數時間內，精細結構常數的相對誤差值不會超過10^-5。此外，通過對太陽系和雙星系統的觀測，廣義相對論已經得到了非常精確的實驗驗證；而在更廣闊的宇宙學尺度上，大爆炸理論在多個方面經驗性取得的成功也是對廣義相對論的有力支持。

123 假設從地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙學原理可以從一個更簡單的哥白尼原理中導出。哥白尼原理是指不存在一個受偏好的（或者說特別的）觀測者或觀測位置。根據對微波背景輻射的觀測，宇宙學原理已經被證實在10^-5的量級上成立，而宇宙在大尺度上觀測到的均勻性則在10%的量級。

4

暴漲宇宙模型

上個世紀80年代初，科學家們提出了所謂的暴漲宇宙模型。在大統一破缺之後，宇宙有一個以指數形式膨脹的階段。由於這種暴漲，相當任意選取的初始條件都會導致和今天觀察到的宇宙大致相等的結果：宇宙是非常平坦的，均勻的，各向同性的，以及宇宙中物質分布的模式，如星系團、星系、恆星和生命形成等等。

123但人們必須為暴漲理論本身選取一些合適的參數。這樣宇宙初始條件的選取被轉變為這些參數。人們仍然沒有解決第一推動的問題，只不過減弱了這個問題的尖銳性而已。

理論發展

4 從霍金1982年提出這個理論之後，幾乎所有的量子宇宙學研究都是圍繞著這個模型展開。這是因為它的理論框架只對封閉宇宙有效。

123 如果人們不特意對空間引入人為的拓撲結構，則宇宙空間究竟是有限無界的封閉型，還是無限無界的開放型，取決於當今宇宙中的物質密度產生的引力是否足以使宇宙的現有膨脹減緩，以至於使宇宙停止膨脹，最後再收縮回去。這是關係到宇宙是否會重新坍縮或者無限膨脹下去的生死攸關的問題。

123 可惜迄今的天文觀測，包括可見的物質以及由星系動力學推斷的不可見物質，其密度總和仍然不及使宇宙停止膨脹的1/10。不管將來進一步的努力是否能觀測到更多的物質，無限膨脹下去的開放宇宙的可能性仍然呈現在人們面前。

123 可以想像，許多人曾嘗試將霍金的封閉宇宙的量子論推廣到開放的情形，但始終未能成功。今年2月5日，霍金及圖魯克在他們的新論文「沒有假真空的開放暴漲」中才部分實現了這個願望。他仍然利用四維球的歐氏空間，由於四維球具有最高的對稱性，在進行解析開拓時，也可以得到以開放的三維雙曲面為空間截面的宇宙。這個三維雙曲面空間遵循愛因斯坦方程繼續演化下去，宇宙就不會重新收縮，這樣的演化是一種有始無終的過程。

123 霍金髮表了這論文之後立即得到了國際學術界的反響。

123 封閉宇宙的重新坍縮會把世上的一切再次帶回到極高溫的大擠壓狀態。而開放宇宙的無限膨脹的前景也不甚美妙，宇宙將無限冷卻下去。盡我所知，迄今沒有人設想過如何避免這兩種世界末日的來臨，因為它將發生於極其遙遠的將來。

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