标准宇宙的演变及猜想

标准宇宙的演变及猜想
关于宇宙我国古代西汉时期便有了对其的定义：往古来今谓之宙，四方上下谓之宇，而道家思想更是使我国古代的创世观念达到了全盛时期，其“道生一，一生二，二生三，三生万物”的观念一直影响着如今的中国人。

现代定义的宇宙是一种时间、空间和将它们统一在一起的基本自然力的统一体。

从古至今，人们一直探索着宇宙魅力背后的秘密，这也为现代宇宙学打下了坚实的基础。

每当浩月当空繁星点缀之时，我们不禁要问道：我们从何处而来，又要去往何处，我们存在的意义又是什么······这时一个个问题发人深思，而关于宇宙我们更是知之甚少，本篇文章我们将揭开宇宙神秘的面纱，领略宇宙那令人窒息的美。

本文将以时间、温度和宇宙半径为基本量阐述标准宇宙的诞生、发展及凋亡。

时间：宇宙诞生“之前”温度：无限大宇宙半径：未知
因为在宇宙诞生之后才有了“时间”这个概念，所以宇宙诞生之前的时间笔者添加了引号。

倘若使用广义相对论将宇宙的膨胀回推到开始时刻便会出现一个温度无限大，密度无穷大的点，即宇宙奇点。

在宇宙奇点内存在着一个“零维空间”，空间内有数个做着无规律的高速运动的”能量点”和“物质点”，在其一端有一个强能量束，在其另一端有一个弱能量束，弱能量束所产生的能量远小于强能量束，因而二者所产生的能量差便推动着能量点运动，而宇宙的诞生便发生在这些能
量点的排列顺序中，当这些“能量点”以无限低的概率（以至于过了数百万亿亿年都没有发生该事件）构成了一个空心圆，其中弱能量束汇聚于一点，强能量束均指外，弱能量束产生的能量集过大甚至超过能量差使强能量束无法推动能量点继续向点（弱能量束汇聚的点，下同）运动，导致在宇宙奇点内产生了能量不平衡造成了以该点为球心的能量点高速向外运动的爆炸，当爆炸产生的能量波到达宇宙奇点的“内膜”（形同于动物细胞的细胞膜）便推动着宇宙奇点发生爆炸，于是宇宙大爆炸开始了。

时间：0 秒温度：无限大宇宙半径：0厘米
因为该时间点或者说在10-43秒之前是毫无意义，宇宙既存在又不存在，所以当今物理学无法描述该时间段发生了什么，因此物质的起源也成了一种猜想。

大爆炸开始之后（大爆炸又被称为创世事件，笔者认为与其说是创世事件不如叫创维事件），宇宙便发生了暴胀现象（暴胀理论可以完美地解释磁单极问题、均匀性问题、视界问题或宇宙微波背景的各向同行性问题和平直性问题），暴涨速度之快以至于超过了光速很多个数量级（此为空间运动速度）。

此外，在暴胀时还发生了量子涨落即空间中某一点能量的临时变化。

时间：10-43秒温度：1032 开宇宙半径：10-33厘米普朗克时代
此刻，宇宙达到该半径即普朗克长度时，量子理论成立，而10-43秒也就是理论上的最小时间。

万有引力从宇宙统一的作用力中分解，余下的成为大统一作用力（猜想来自万有理论）。

运用量子理
论，我们可以大体描述当时所发生了什么。

由质能方程（E=mc2）可知能量可以向物质转化。

由于在大爆炸之初没有“物质”这一概念，而为解释物质是如何产生的，质能方程提供了一个很好的方案。

宇宙正在快速膨胀，但膨胀的速率正在减慢。

随着膨胀的进行，温度逐渐降低。

推动产生暴胀的能量根据质能方程生成了正粒子和反粒子，随后它们又相互结合转换为辐射，周而复始。

此刻的宇宙成分主要由光子组成还有少量的电子、夸克、胶子以及其他形式的基本粒子和它们对应的反粒子（猜想来自于粒子物理的标准模型）。

时间：10-35秒温度：1027开宇宙半径：10-17厘米大统一时代
根据大一统理论（GUT）,当宇宙膨胀到温度冷却到1027开时，能够同时携带强相互作用力和弱相互作用力的媒介粒子就无法通过辐射产生了，这些粒子发生衰变，所以把夸克、质子和中子束缚在一起的强相互作用力和弱相互作用力就从大一统力中分离了。

大一统理论为解决为何粒子与反粒子没有都相互湮灭和为何宇宙中只有正物质提出了对称性发生破损的假设：理论物理学家认为大爆炸释放的能量中每产生100亿个反粒子（包括反质子和反电子），就会产生100亿零一个正粒子（包括质子和电子）即对称性发生破损。

其中100一个正反粒子相互湮灭形成200亿个携带电磁能的电子，因而湮灭过后200亿分之一的质子和电子遗留了下来变成了我们所知的物质，而湮灭过程中产生的能量在宇宙不断的膨胀
中逐渐冷却，便形成了宇宙微波背景辐射。

注意当温度在1015开以上时，所有的基本粒子（包括夸克、轻子以及它们的反粒子）都是没有质量的。

时间：10-10秒温度：1015开宇宙半径：3厘米
为了严谨，此刻及其之后的宇宙半径是指我们所处的宇宙
随着宇宙膨胀，粒子的平均能量降低到弱相互作用的能量尺度即1015开，此时弱相互作用力就与电磁力分开了（电弱统一理论）。

至此我们的四大基本作用力（万有引力，电磁相互作用力，强相互作用力和弱相互作用力）基本形成，为之后物质的诞生奠定了基础。

电弱统一理论认为温度在1015开之上时弱相互作用力和电磁相互作用力本质上是同一种力。

1983年，该理论被证实，成为了粒子物理标准模型的基础。

其中，电弱统一理论还预言力希格斯玻色子的存在，希格斯波色子与夸克和轻子发生相互作用并赋予它们质量，因此也就是组成宇宙中所有物质的粒子的质量来源，因而希格斯玻色子也被称为上帝粒子。

时间：10-4秒温度：1011开宇宙半径：106厘米强子时代
此时，基本粒子开始组建。

每三个夸克被限制在一个粒子中，称为一个强子，其中质子和中子便诞生了
时间：1秒温度：1010开宇宙半径：1010厘米
中子合成的数目较少，因为它比质子的质量略大，因而合成所需的能量也就越多。

所以质子与中子在数量上有了差异（数目比约为7比1）。

时间：100-200秒温度：109开-108开宇宙半径：未知-1012厘米
核合成时代
质子与中子经碰撞和相互融合，借助强相互作用力结合在一起并释放出一个携带能量的光子。

由一个质子和一个中子组成的粒子对称为氘核（氢元素的一种同位素）。

氘核之间可以相互融合或与其他聚变产物发生作用（核合成）。

当温度冷却到108开时，核合成便不再进行。

剩下的原子核中95%是稳定的质子（氢-1），5%是稳定的氢-4原子核和微量的氘、氦-3和锂-7原子核。

大爆炸核合成的产物有氢（氢-1），氘（氢-2），氚（氢-3），氦-3，氦-4和锂-7。

大爆炸核合成模型认为不存在由五个粒子组成的稳定原子核，因此氦-4是大爆炸核合成的主要产物。

此时宇宙中物质的平均密度和水的密度相当
时间：100秒-38万年温度：108开-104开
宇宙半径：1013厘米-1023厘米复合时代
宇宙继续膨胀冷却，主要成分是由一些带正点的原子核和带负电的电子组成的等离子体，其中电子是与电中性的光子耦合在一起的。

时间：38万年温度：3000开宇宙半径：1023厘米
随着大爆炸余辉的衰灭（光子携带的能量几乎减小为零），宇宙进入黑暗时代。

带负电的电子被带正点的原子核所俘获，形成力电中性的稳定的原子和双原子分子。

电磁辐射从物质中脱耦，在宇宙的自由传播中，形成了宇宙微波背景辐射。

黑洞创世假说：根据宇宙演变标准模型，宇宙大爆炸后留下的稠密均匀的炽热气体随着温度的降低慢慢凝结，在黑暗时代，这些气体逐渐凝结成质量越来越大的气体团块，与标准宇宙演变理论（气体团块形成恒星）所不同的是，黑洞创世假说认为在万有引力的作用下气体团块不断吸引周围其他气体，随着吸引速度的不断增加，引力漩涡中心的质量逐渐增加，引力也随之增强。

在巨大的引力作用下，被吸引到漩涡中心的气体不断被压缩，最终形成了黑洞。

随着气体在视界范围内被撕裂成等离子态，气体的温度逐渐上升，释放出来划过整个宇宙的第一缕光线。

几百万年之后，黑洞的质量相当于100万个太阳，高速运动的气体漩涡形成了强大的磁场，一部份旋转中的气体凝结成束，气体射流从磁场两级处以极高的速度喷出，横跨了数万光年的宇宙空间，从大量主要含有氢和氦构成的气体中间穿过并引发了强烈的冲击波，冲击波在局部区域内提高了气体密度并使其温度上升到足以诱发核聚变反应的水平，少量恒星诞生。

随着喷射的进行，数千亿颗恒星诞生，在引力的作用
下变为螺旋状，最终形成星系（例如仙女星系）。

当黑洞周围没有能被黑洞吸引的物质时，黑洞便进入了休眠状态。

时间：约2亿年-5亿年温度：不同宇宙半径：1026厘米-1027厘米由于宇宙膨胀速度太快，以现在的仪器无法观测到宇宙边缘，因此此时及之后的宇宙半径都是可观测的宇宙半径。

此时宇宙中的元素大部分都是氢和氦，还有少量的锂。

宇宙中的主要成分是氢和氦的气体云团在自身重力作用下收缩，这些云团的引力势能转换为“下落”分子的动能，因此云团中心内部被加热，温度逐渐上升，而星团之间的宇宙空间继续膨胀。

此时云团的核心温度达到了1500万摄氏度，在云团中的氢发生核聚变发出辐射，这种辐射抵消力引力收缩，因此第一代恒星诞生了，星系在暗物质的引力下开始形成。

关于暗物质，有几点需要补充。

天文学家在估计星系质量的时奇怪地发现，星系中所有的物质的引力只能把其中十分之一的恒星束缚起来。

如果广义相对论是正确的，那么一定有我们看不到的物质提供了引力来束缚住剩下的恒星，这种物质就被称为暗物质
暗物质之所以“暗”是因为它似乎并没有与任何可见的电磁辐射(如光)相互作用。

关于暗物质的组成物理学家们一共分为两类,一类是天体物理学家，他们支持“大质量致密晕天体”（MACHO）即通过黑洞、矮行星以及别的不发光的物体来解释暗物质，另一类是粒子物理学家，他们支持“大质量弱相互作用重粒子”（WIMP），这种粒子是在大爆炸中产生的，它类似于中微子，但质量却是质子的100倍。

时间：约5亿年-138亿年（至今）温度：不同宇宙半径：未知
第一代恒星消耗了大量的氢，使引力坍缩最终达到了使氦核聚变成碳的温度，而后又形成力更重的元素，为生命的出现提供了基础。

当恒星释放的辐射不足以对抗引力使，就会发生超新星爆炸，后代恒星便是在爆炸后的星际气体云和尘埃中诞生的。

宇宙在天地轮回间趋于平静。

在大质量恒星的不同阶段中核合成所形成的元素
燃料主要产物次要产物温度（十亿
开）
持续时间
H He N0.03107
He C,O Ne0.2106
C Ne,Mg Na0.8103
Ne O,Mg Al,P 1.50.1
O Si,S Cl,Ar,K,Ca 2.0 2.0
Si Fe Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni 3.30.01
至此从过去到现在，我们跨越了138亿年来到了这个宁静而又美好的宇宙，至于未来宇宙的演变假说主要有两派稳定派和毁灭派，顾名思义，前者认为宇宙的收缩（引力）与膨胀达到力一种微妙的平衡，后者这一微妙的平衡在某一时刻被打破，宇宙在巨大的引力作用下崩溃于一点，重新回到大爆炸时的高熵或高度无序状态，但笔者比较相信有一种区别与两者之间的假说即长期热寂
时间：未来温度：不同宇宙半径：未知
关于未来，我们至今可能仍一无所知。

但乐观来说，未来的几年还是可以预测的，那么，在这之后呢，之后的之后呢，这可能是一种超越想象的东西。

很荣幸，我们还能够在这个蓝色星球上存活些年，还能够发挥我们仅有的想象来描绘未来。

时间：40亿年
人类可能早因小行星碰撞，超级火山爆发，地磁倒位，伽马射线爆等事件灭绝，但地球上可能还存有生命，陪伴着地球。

本星系群中，仙女星系与银河系发生碰撞。

幸运的是，太阳系并不会受到很大影响，届时，夜空将更加美丽。

时间：50亿年
太阳膨胀至火星轨道，成为红巨星，地球灭亡。

太阳通过氢进行核聚变所产生的热压力与引力保持平衡，处于一种动态的平衡状态，但在约50亿年后，核心的氢耗尽，太阳开始坍缩，中层的氢在坍缩所产生的超高温下聚变成氦元素，聚变产生的能量使太阳开始膨胀，膨胀至火星轨道附近，热压力与引力再次平衡，此时太阳变为红巨星。

时间: 100亿年退化时代
现在的太阳系已经发生了太多，但在银河系中只不过是昙花一现。

太阳发生超新星爆炸，随即坍缩成白矮星，太阳系灭亡。

当中层的氢也消耗殆尽后，巨大的引力势能转化成动能，太阳核心暴露，其外部被抛向外太空，气态行星（木星，土星，天王星，海王星）及柯伊柏带中的小行星逃离太阳系，太阳系星云形成。

之后，白矮星冷却为黑矮星，太阳系谢幕。

时间：104亿年黑暗时代
几乎全部的恒星都燃烧殆尽，再也没有新恒星的诞生。

长期热寂假说的支持者认为星系中的恒星形成过程中只有在旋臂中有足够的星际分子云时才能持续下去，如果横行将所有氢都转换成力重元素，新的恒星就无法诞生（椭圆星系）。

在恒星死亡的过程中，当动能过大时，它会压迫恒心核心继续坍缩，伽马射线暴发生，黑洞诞生。

与大爆炸时的黑暗时代不同，此时宇宙中的物质只有波长极长的光子，中微子，电子及正电子，可能还有参与弱相互作用的暗物质粒子及其他奇异粒子。

时间：106亿年
现在的宇宙宛如一个垃圾场，恒星残骸在星际空间中游荡，偶而发生的中子星合并，仅仅只给宇宙带来了一丝光明，随即又是无尽的黑暗。

宇宙进入简并期，仅发生很少的简单事件，熵值不断增加。

1862年鲁道夫·克劳修斯提出熵的概念，它是指一个闭合系统中无序度或者无组织度的量度，也是无法利用的能量的量度。

在一个孤立系统中，熵值或不变，或增加。

当增加至最大时，该系统是完全随机的、无序的、没有任何结构或能量可供利用。

时间：108亿年
白矮星变为黑矮星，宇宙更加暗淡。

黑洞加速吞噬物质，万有引力对空间的限制作用越来越弱，空间加
速膨胀，甚至超过光速。

时间：1010亿年
质子发生衰变，未被黑洞吞噬的物质自身开始分解，黑矮星最终以辐射的形式消失在太空中。

时间：1012亿年
物质彻底分解，此时宇宙中只剩下了黑洞，光子，暗物质等极少数非物质
黑暗真正主宰了宇宙。

时间：1016亿年
巨大的黑洞充当了恒星的位置，其他小黑洞围绕其转动，它们构成的僵尸星系将会是未来很长一段时间的主角，黑洞合并是这段时间内的全部事件，合并所产生的引力波将贯穿整个宇宙。

时间：1020亿年
黑洞开始蒸散，直至消失，空间再次加速膨胀。

霍金辐射是由于黑洞事件视界附近的量子效应而被黑洞释放的黑体辐射。

它以理论物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的名字命名，他在1974年为其存在提供了理论依据。

霍金辐射降低了黑洞的质量和旋转能，因此也称为黑洞蒸发。

根据量子效应，空间中会不断产生虚粒子对，同时产生，同时湮灭。

但当负质量的虚粒子被黑洞吞噬，正质量实粒子就无法湮灭便以辐射的形式散失（量子力学允许实粒子的逃逸）。

随着虚粒子的
不断被吞噬，黑洞质量越来越小，最终爆炸消失。

时间：无意义
随着最后一个黑洞消失，宇宙的温度达到绝对零度，熵值达到最大，没有任何事件发生。

宇宙死亡。