时间简史The Origin and Fate of the Universe（Part 1)－8

 The Brief History of Time—Stephen Hawking

 

8-The Origin and Fate of the Universe (Part 1)

 

爱因斯坦的广义相对论本身就预示了宇宙起源于大爆炸singularity，终止于或者是物质大聚集的singularity，或者是黑洞里的singularity。而量子力学则预示了黑洞和黑洞里的singularity最终会挥发消失，物质和能量又会回到宇宙中。我们不禁要问，相对于量子力学在宇宙终结时起的作用，它对于宇宙大爆炸的起始有没有同样大的作用？

 

一般认为，宇宙起源于温度极高的大爆炸。在宇宙大爆炸那个点，宇宙是无限的小而温度是无限的高。大爆炸后，宇宙向外扩展，同时因热量辐射失去能量而降温。高能量产生了大量的光子，中微子，电子和它们的anti粒子，以及一部分质子和中子。随着温度的下降，电子和反电子的制造速度逐渐低于它们互相中和的速度，最终只剩下少量的电子。而中微子与它的反粒子则没有互相中和，所以它们现在还存在于宇宙空间，只是因为它们的温度能量太低而不能被我们容易观察到。大约在大爆炸后的百分之一秒后，温度降低了大约10亿度，在这个温度下，质子和中子不再有足够的能量来摆脱它们之间巨大的核吸引力，质子和中子进而结合成原子核，进一步形成氦气核。我们现在计算出大约四分之一的质子和中子结合后转化为氦气原子核，剩下的转化为氢气核和其它元素。

 

在大爆炸后面的几个小时，氦，氢和其它元素的制造由于温度的不断下降而最后终止。在后面的几百万年，元素的制造处于相对静止状态，然而宇宙继续扩展，温度继续下降，大约温度下降到几千度时，电子和原子核不再有足够的能量来克服它们之间的电磁场而彼此结合，形成原子。

 

在宇宙扩展和冷却的过程中，在某些局部区域由于不规则波动，它的质量密度稍微大于平均值，导致这一区域受更强的万有引力作用，减弱了扩展并最终开始收缩。在它收缩的过程中，这个区域外围的万有引力开始带动它缓慢的旋转，形成一个圆盘形的银河系。银河系面积收缩得越小，旋转越快。如果这个局部区域没有被外围万有引力带动旋转，那么就成为一个静止的呈椭圆形的银河系，这个银河系在外围万有引力的作用下停止收缩，而里面各个星座则围绕它所处的银河系的中心旋转。

 

随着时间的推移，氦气和氢气受万有引力作用逐渐积聚成更小的云层。随着云层的收缩，原子和原子相互碰撞而释放热量，这个热量高到一定程度导致核聚变反应，氢由此转变成更多的氦，并释放大量的热量。而热量的释放增加了向外扩展的气压，从而阻止了云层的进一步收缩而最终达到一个平衡状态。这种平衡状态可以维持相当长的时期，就像我们赖以生存的太阳。

 

大的星球需要更多的核聚变反应来平衡更大的万有引力，因而燃烧的更快。当能量开始用尽的时候，温度降低导致云层收缩，原子间的碰撞加剧促成温度再次升高，这时，氦气转化成更重的元素譬如氧和碳，而它们不再释放出能量。科学家们进一步推理，云层的中心地带也许会收缩成为一个密度非常高的中子星或黑洞，它的外围有时因为强烈的爆炸会把物质和能量重新推回宇宙空间。这类爆炸非常强烈，我们称之为supernova。而被它释放的云层又是形成下一代星球的原始材料。譬如我们的太阳，它是第二或第三代星球。

 

地球也是一样，一开始温度非常高。随着地球的冷却，岩石释放出的气体形成了地球的大气层。这个大气层没有氧气，但是最早期的原生物却能在其中生存进化。变异基因使生物发展的越来越复杂高级，最终成为今天的我们。而这些早期生物由于消费掉大气层中许多对现代生物的有害成份，最终进化成适于我们人类居住的环境。

 

但是，还是有一些重要问题无法解释：

 

1: 为什么早期的宇宙如此炙热？

 

2: 为什么宇宙从宏观来看那么平衡一致？为什么宇宙空间不管从哪一方向看都是相同的？为什么我们环境中存在的无处不在的微波辐射，不管这个辐射来自于哪个方向，它的温度都几乎是相同的？

 

3: 为什么宇宙在一开始时以一个临界的速度扩展？这个临界速度，有效的区分了宇宙在未来是收缩还是无限扩展。即使在100亿年后的今天，宇宙还是以几乎同样的速度扩展。如果大爆炸一秒后的扩展速度稍微慢一点，宇宙也许在扩展一定时间后就开始收缩，而不会发展到现在我们看到的这个样子。

 

4: 尽管宇宙从宏观来看非常一致，但它在局部带有密度的波动，这种不规则的波动导致了星球和银河系的产生，那么又是什么造成这种不规则的波动？

 

To be continued.