宇宙演化史

宇宙140亿年的演化史

（节选自《万物起源：宇宙140亿年的演化史》，江苏科学技术出版社2008年

10月第一版）

最伟大的故事

天地绵延亘古，

万物皆有规律。

——卢克莱修（Lucretius)

大约在140亿年前，在时间开始之初，已知宇宙的所有空间、所有物质和所有能量加在一起只有一个针尖那么大。宇宙那时非常炽热，基本的自然力（它们整体上代表了宇宙），被合并成单个统一的力。当宇宙沸腾咆哮，温度达1030℃、时间仅只过了10-43秒时——在此之前的时间里，我们关于物质和空间的理论全都失去意义——由于统一力场里所蕴含的能量，黑洞自然地形成，消失，再形成。在这些极端的情况下，按照公认为是纯理论的物理学观点看，空间和时间结构弯曲得非常厉害，泊泊地流入一个多孔而有弹性的、泡沫一样的结构里。在这一时期，爱因斯坦广义相对论（现代的引力论）所描绘的（宏观）现象与量子力学（描述最小的物质形态）所描绘的（微观）现象都难以区别。

随着宇宙膨胀和冷却，引力从其他诸力中分离出来。此后不久，强核力和电弱力互相分裂，这一事件伴随着巨大的储存能量的释放，引发宇宙快速膨胀，体积增大10的50次方倍。这种快速膨胀，被称为“暴涨期（epoch of inflation)”，使物质和能量扩展并且变得平滑，以至宇宙相邻部分的密度变化不到十万分之一。

那时宇宙是如此炽热，光子可以自然地把它们的能量转换成物质与反物质粒子对，后者又立即互相湮灭，把能量返还给光子。由于目前尚不清楚的原因，这种物质与反物质之间的对称在上述的力分裂时产生“破缺”，导致物质略微超过反物质。这种不对称很小，对于宇宙的演化却是至关重要的：对应每10亿颗反物质粒子，有10亿零1(10亿＋l）颗物质粒子诞生。

随着宇宙继续冷却，电弱力分裂成电磁力和弱核力，完成众所周知的自然界四种不同的力。随着光子流的能量继续跌落，物质与反物质粒子不再能够自然地由现有的光子产生。所有剩余的物质-反物质对粒子迅即湮灭，宇宙间每10亿个光子只留下一颗普通物质的粒子，没有反物质粒子。如果这种物质超过反物质的不对称不出现，膨胀的宇宙将永远只由光构成，再没有其他东西，甚至没有天体物理学家。在大约3分钟的时间里，物质成为光子和中子，其中许多组合成最简单的原子核。与此同时，自由游荡的电子彻底地来回驱散光子，产生出一种不透明的物质和能量组成的“汤”。

当宇宙温度降至几千K（开氏温标）时（比鼓风炉温度稍高一些），自由的电子运动速度很慢，足以被汤里游荡的核子攫取，形成完整的氢原子、氦原子和锂原子这三种最轻的元素。现在宇宙（第一次）变得可以让可见光透过了。这些自由飞行的光子如今作为宇宙微波背景仍然可以观测到。在第一个10亿年里，宇宙继续膨胀和冷却，而物质由于引力的作用成为庞大的凝聚物，我们称之为星系。在我们所能看见的宇宙范围内，所形成的星系达1 000亿个，每个星系又都

含有数千亿颗恒星。这些恒星的核心都在发生热核聚变。那些质量比太阳大10多倍的恒星内核的温度和压力足以制造几十种比氢重的元素，包括构成行星以及行星上生命的元素。这些元素如果始终被禁锢在恒星里面将尴尬无用，但是大质量的恒星在死亡时会发生爆炸，把恒星内部丰富的化学成分扩散到整个星系中去。

经过70~80亿年这样不断地强化，在宇宙一个不起眼的地方（室女座超星系团的外边缘）一个普通的星系（银河系）里的一个普通的地方（猎户座臂），诞生了一颗普通的恒星（太阳）。形成太阳的气体云含有充裕的重元素，足以形成几颗行星、数千颗小行星（现在已知有二十万颗——译注）和几十亿颗彗星。在这个太阳系形成的过程中，围绕着太阳转动之时，物质在母体星云里凝结聚合在一起。在长达几亿年的时间里，运动速度很快的彗星和其他残留的碎片持续不断的撞击使得岩质行星的表面炽热融化，阻止了复杂分子的形成。随着太阳系里剩余的能够吸引聚积的物质越来越少，行星的表面开始冷却。我们称为地球的行星在一个距离太阳适中的轨道上形成了。在此轨道上，地球的大气层可以使海洋的大部分保持液态。如果地球的位置距离太阳更近一些的话，海洋将会蒸发殆尽；如果距离太阳再远的话，海洋将会冻结成冰。无论哪种情况，生命将永远也不会演化出来。

在化学成分丰富的液态海洋里面，由于一种不明的机理，出现了简单的厌氧菌。它们无意间将地球上富含二氧化碳的大气层变成一个氧气充沛的大气层，因此需氧生物得以形成、进化，并且支配了海洋和陆地。这些氧原子通常都是成双

成对的（0

2)，也有3个氧原子聚在一起形成臭氧（0

3

）。臭氧在大气层上层，屏

蔽着地球表面，挡住了大部分来自太阳的对分子有害的紫外光。

地球上的生命多种多样，缤纷多彩，我们可以假设宇宙中其他地方也会这样。生命由宇宙里大量的碳以及无数由碳组成的分子（简单的和复杂的）形成。碳基分子的种类比所有其他分子组合都更多。但是生命很脆弱。地球遭遇太阳系形成之时遗留下来的巨大天体的撞击，曾经是经常发生的事情，至今仍然不断地对我们的生态系统造成重大创伤和威胁。就在6500万年之前（地球历史的2％的时间都不到），一颗10万亿吨的小行星撞击了在现在称做尤卡坦半岛（Yucatan Peninsula，今墨西哥东南部——译注）的地方，消灭了当时70％的地球陆地动植物种群，包括所有的恐龙——那个时期主要的陆地动物。这一生态上的悲剧为小动物提供了机会。幸存下来的哺乳类动物很快就填补了空缺的环境。这些哺乳类动物中一个大脑袋的分支，一种我们称为灵长类的动物，进化成一个达到了智慧生物层面的种属——智人（Homo sapiens)，他们能够发明科学的方法和工具，开创了天体物理学，并且推断出宇宙的起源和演化。

从宇宙的开始，它在持续不断地演化。追根溯源，我们体内所有的原子都可以追溯到宇宙大爆炸，追溯到大质量恒星内部的热核熔炉。我们不只是生活在宇宙之中，我们本身就是宇宙的一部分。我们由它而生，甚至可以说，宇宙赋予了我们能力，让我们能够在宇宙的一个小角落里描绘整个宇宙。对此，我们才开始起步。