原始的混沌和膨脹的宇宙

縱觀整個(gè)宇宙，我們立即面臨一個(gè)極其重要的問題，即它是否隨著時(shí)間的推移而演變。在過去、現(xiàn)在和將來，宇宙是與我們迄今為止看到的樣子大致相同，還是它正在經(jīng)歷了不同的進(jìn)化階段？

總結(jié)從不同科學(xué)領(lǐng)域獲得的經(jīng)驗(yàn)，我們有一個(gè)明確的答案： 是的，我們的宇宙在不斷變化。它的過去、現(xiàn)在、遙遠(yuǎn)的未來， 是三個(gè)截然不同的狀態(tài)。從各個(gè)學(xué)科收集的大量科學(xué)事實(shí)進(jìn)一步表明，我們的宇宙有一個(gè)開端。從這個(gè)開端起，宇宙不斷演化， 最終發(fā)展變成今天的樣子。

眾所周知，行星系統(tǒng)的年齡已達(dá)數(shù)十億年，在各種獨(dú)立研究中這個(gè)數(shù)字不厭其煩地反復(fù)出現(xiàn)。顯然月亮是被太陽的引力從地球上扯下來的一部分物質(zhì)，也應(yīng)該是數(shù)十億年前形成的。

對恒星演化的研究表明，我們在天空看到的大多數(shù)恒星都有數(shù)十億年的歷史。通過對恒星運(yùn)動(dòng)的普遍研究，特別是對雙星、三星和更復(fù)雜星系的相對運(yùn)動(dòng)的研究，天文學(xué)家得出結(jié)論，這些結(jié)構(gòu)的持續(xù)時(shí)間不會超過數(shù)十億年。

另一個(gè)獨(dú)立的證據(jù)是，各種化學(xué)元素，尤其是緩慢衰變的放射性元素，如釷和鈾，雖然它們不斷衰變，但它們?nèi)源嬖谟谟钪嬷校@使我們有理由相信，要么這些元素仍然由其他輕元素原子核不斷形成，要么這些元素只是大自然貨架上年代久遠(yuǎn)的庫存罷了。

我們目前對原子核嬗變的了解迫使我們放棄第一種可能性。因?yàn)?b>即使在最熱的恒星內(nèi)，溫度也不會達(dá)到足以“制造”重原子核的溫度。事實(shí)上我們已經(jīng)知道，恒星內(nèi)部的溫度是幾千萬度，而要想用輕元素的原子核制造出放射性的原子核，溫度得達(dá)到幾十億度才行。

因此，我們必須假設(shè)這些重元素的原子核是在宇宙的某個(gè)時(shí)代產(chǎn)生的，在那個(gè)特殊的時(shí)刻，所有的物質(zhì)都經(jīng)受了極其可怕的高溫和高壓。

我們可以粗略計(jì)算這個(gè)宇宙的“煉獄”時(shí)期。我們知道釷和鈾238的半衰期分別為180億年和45億年，而它們還沒有衰變太多，因?yàn)樗鼈兊侥壳拔恢门c其他穩(wěn)定元素的數(shù)量近似相同。至于鈾235，其半衰期僅為5億年，其數(shù)量則比鈾的數(shù)量少140倍。

釷和鈾238的大量存在表明這些元素的形成不會超過數(shù)十億年，我們可以從較少的鈾235中進(jìn)一步計(jì)算這個(gè)時(shí)間，因?yàn)檫@個(gè)元素每5億年削減一半，所以你必須經(jīng)歷7個(gè)這樣的半衰期（即35億年）才能減少到原來數(shù)量的1/128，因?yàn)椋?/p>

從核物理學(xué)角度計(jì)算出的化學(xué)元素的年齡，與從天文數(shù)據(jù)計(jì)算出的星系、恒星和行星的年齡非常一致！

然而，在數(shù)十億年前形成一切事物的早期階段，宇宙處于什么狀態(tài)？宇宙經(jīng)歷過哪些變化，才能變成今天的樣子？

對這兩個(gè)問題最恰當(dāng)?shù)拇鸢?，是通過研究“宇宙膨脹”現(xiàn)象得出的。正如我們以前所見，在宇宙的巨大空間中，有大量巨大的星系。太陽所屬的并且包含數(shù)百億顆恒星的銀河系只是其中之一。我們也看到了視野范圍內(nèi)（當(dāng)然，這個(gè)視野是由200 英寸望遠(yuǎn)鏡幫助下實(shí)現(xiàn)的）這些星系基本上是均勻分布的。

當(dāng)威爾遜的天文學(xué)家哈勃研究來自遙遠(yuǎn)星系的光時(shí)，他發(fā)現(xiàn)它們的光譜略微向紅色端移動(dòng)；星系越遠(yuǎn)，“紅移”就越明顯。事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)每個(gè)星系的“紅移”大小與它們離開我們的距離成正比。

對這種現(xiàn)象最自然的解釋是假設(shè)所有星系都正在離開了我們，離開的速度隨著距離的增加而增加。這種解釋是基于所謂的“多普勒效應(yīng)”。也就是說，當(dāng)光源接近我們時(shí)，光的顏色向光譜短波長的藍(lán)紫色端移動(dòng)；當(dāng)光源離開我們時(shí)，光的顏色向光譜長波長的紅色端移動(dòng)。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)顯著的譜線移動(dòng)，光源和觀察者之間的相對速度必須很大。

伍德（R. W. Wood）教授因在巴爾的摩闖紅燈而被捕，他告訴法官，由于我們上面提到的多普勒現(xiàn)象，他把紅色信號燈看成綠色的了。教授只是在欺騙法官罷了。如果法官的物理學(xué)習(xí)得很好，他會問伍德教授說，紅燈能夠被視為綠燈，汽車得以極高的速度行駛才行，然后再以超速的理由處以罰金！

讓我們回到銀河系的“紅移”問題。乍一看，這個(gè)問題有點(diǎn)令人尷尬：為什么宇宙中的所有星系都正在離開我們呢？銀河系是能把所有東西都嚇跑的怪物嗎？如果是這樣，我們銀河系的可怕性質(zhì)是什么？為什么它看起來如此不同？如果你想到這個(gè)問題，很容易發(fā)現(xiàn)銀河本身沒有特殊的功能。其他星系實(shí)際上并沒有故意避開我們。

事實(shí)是，所有的星系都是相互分離的。想象一個(gè)帶有小圓點(diǎn)的氣球（圖1）。如果你吹入氣球并使其膨脹地越來越大，點(diǎn)之間的距離將增加。因此，任何一個(gè)點(diǎn)上的螞蟻都會認(rèn)為所有其他點(diǎn)都從它所處的位置“逃脫”。不僅如此，在這個(gè)膨脹的氣球上，點(diǎn)退后的速度與它們與螞蟻之間的距離成正比。

圖1 地球膨脹時(shí)，氣球上的每一個(gè)點(diǎn)都與其他點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離

這個(gè)例子清楚地表明，哈勃觀測到的星系退后的現(xiàn)象與我們銀河系的位置或其性質(zhì)無關(guān)。這種現(xiàn)象僅僅是由于星系分散的宇宙空間正在經(jīng)歷了普遍均勻的膨脹。

根據(jù)觀測到的膨脹率和今天相鄰星系之間的距離，可以很容易地計(jì)算出這種擴(kuò)張至少在50億年前就開始了。

在此之前，當(dāng)時(shí)的星云（現(xiàn)在的星系）正在形成整個(gè)宇宙中均勻分布的恒星。再往前，這些恒星也緊緊地堆積在一起，使得宇宙充滿了連續(xù)的熾熱氣體。再往前，氣體更為緊密而熾熱，這個(gè)階段顯然是生產(chǎn)各種元素（特別是放射性元素）的時(shí)代。

現(xiàn)在讓我們總結(jié)這些情況，并以正常順序觀察宇宙的演變。

在整個(gè)歷史的開端，在宇宙的萌芽階段，今天的威爾遜山望遠(yuǎn)鏡（觀測半徑為5 億光年）所見的所有材料被擠壓成太陽半徑8 倍大小的球體，但這種非常致密的狀態(tài)無法長期存在。在短短的兩秒鐘內(nèi)，宇宙經(jīng)歷迅速的擴(kuò)張，密度將達(dá)到水的數(shù)百萬倍； 幾個(gè)小時(shí)后，將達(dá)到水的密度。

可能在這個(gè)時(shí)候，原本連續(xù)的氣體將分裂成單獨(dú)的氣體球，這就是今天的恒星。在不斷擴(kuò)張的情況下，這些恒星后來被進(jìn)一步分開，形成各種星云系統(tǒng)，這些系統(tǒng)就是現(xiàn)在的各種星系，并且仍在向遙不可測的宇宙深處不斷退去。

我們現(xiàn)在可以問自己：導(dǎo)致這種宇宙擴(kuò)張的力量是什么？這種擴(kuò)張會在未來停止并變成收縮嗎？宇宙是否有可能轉(zhuǎn)過頭，將銀河系、太陽、地球和人類重新擠成原子核密度的一整塊呢？

根據(jù)現(xiàn)有最可靠的信息，這種事情永遠(yuǎn)不會發(fā)生。很久以前，在宇宙演化的早期，宇宙沖破了束縛自己的鎖鏈——這條鎖鏈就是阻止宇宙中物質(zhì)分離擴(kuò)張的重力——而膨脹，因此，他們會遵循慣性定律一直膨脹下去。

我們舉一個(gè)簡單的例子來說明這種情況。從地球表面發(fā)射火箭到星際空間。我們知道過去的所有火箭，包括著名的V-2 火箭，都沒有足夠的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)入太空; 它們會被重力阻擋，并在它們上升時(shí)落回地球。但是，如果我們能夠使火箭有足夠的動(dòng)力以超過11公里/秒的速度啟動(dòng)，那么火箭就可以克服重力，進(jìn)入自由空間并且暢通無阻，這個(gè)速度就是克服地球重力的“逃逸速度”。

想象一下，一發(fā)炮彈在空中爆炸了，它的碎片向四面八方飛去（如圖2a所示）。爆炸期間產(chǎn)生的力抵抗了將它們拉到一起的引力，使彈片彼此飛離。不用說，在這個(gè)例子中，彈片之間的引力非常弱，不足以影響它們在空間中的運(yùn)動(dòng)，因此可以忽略。然而，如果這種重力很強(qiáng)，彈片將在中途停止并轉(zhuǎn)向，以返回其共同的重心（如圖2b所示）。根據(jù)動(dòng)能和引力勢能的相對大小，就決定了它們最終會返回，還是不受限制地持續(xù)飛行下去。

圖2 a b

通過用星系代替炮彈，你就能獲得上面提到的膨脹宇宙的圖景。只不過，此時(shí)每個(gè)星系的巨大質(zhì)量會產(chǎn)生強(qiáng)大的引力勢能，與動(dòng)能相當(dāng)。因此，只有仔細(xì)研究這兩種能量，才能確定宇宙膨脹的前景。

根據(jù)目前可用星系質(zhì)量最可靠的數(shù)據(jù)，每個(gè)相互離開的星系的動(dòng)能都是其引力勢能的數(shù)倍。在這種情況下，宇宙將無限擴(kuò)展，而不會被它們之間的引力拉回來。但是，請記住，有關(guān)宇宙的數(shù)據(jù)通常不是很準(zhǔn)確，未來的進(jìn)一步研究可能會扭轉(zhuǎn)整個(gè)結(jié)論。

然而，即使宇宙真的停止擴(kuò)張并開始收縮，也需要數(shù)十億年。因此，在黑色詩歌中預(yù)測的那種“星星開始下降”，以及在坍縮星系的重壓下我們粉身碎骨的場景，眼下應(yīng)該還不會發(fā)生。

這種導(dǎo)致宇宙的各個(gè)部分以極快的速度飛離的高爆炸性物質(zhì)到底是什么呢？這個(gè)問題的答案可能讓你失望：事實(shí)上，很可能從未發(fā)生過所謂的爆炸事件。宇宙現(xiàn)在正在擴(kuò)張，只是因?yàn)樗鼜囊粋€(gè)無限廣闊的區(qū)域縮小到非常致密的狀態(tài)（當(dāng)然，這個(gè)過程沒有任何歷史記錄保存），然后像具有強(qiáng)大彈性的壓縮物體一樣反彈回來。如果你走進(jìn)一個(gè)舞廳，恰好看到一個(gè)乒乓球從地板跳到空中，你當(dāng)然會得出結(jié)論（根本不需要考慮）說在進(jìn)入這個(gè)房間之前，球一定是先落到地板上，由于彈性作用才再次跳躍起來。

現(xiàn)在，我們讓想象力自由發(fā)散一下，想象一下在宇宙的收縮階段，是否所有事物都會被逆轉(zhuǎn)？

是否在80 億年或100 億年前，你會從這本書的最后一頁一直讀到書的第一頁？那時(shí)的人是否會把炸雞從嘴里拿出來，在廚房里將其復(fù)活，并把它來送到養(yǎng)雞場？在那里，它從一只大雞長成一只小雞，最后縮進(jìn)蛋殼，然后在幾周內(nèi)又變成新鮮的雞蛋？ 這實(shí)在是很有趣。

然而，對于這些問題，不可能從純科學(xué)的角度來回答，因?yàn)樵谶@種情況下，宇宙內(nèi)部的巨大壓力會將所有物質(zhì)擠壓成均勻的核液體，從而將所有的痕跡完全抹除掉。

《從一到無窮大》

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