【科普讲座】宇宙起源及其命运

我们知道光也是一种波。白光是包括红、橙、黄、绿、蓝、靛、 紫七种单色光的复色光。其中红光的频率最低，紫光的频率最高。 根据多普勒效应，当光源以较大的速度朝我们运动而来时，我们看 到的光的频率会变高，即光会向蓝色方向偏移；当光源以较大的速 度远离我们而去时，我们看到的光的频率会变低，即光会向红色方 向偏移。
一。一个关于宇宙命运的传说
古印度的舍罕王，有意重赏国际象棋 的发明人——宰 相西萨·班·达依尔。舍罕王让达依尔自己选择一项奖品。 达依尔跪在国王面前说：“陛下啊，请您在棋盘的第一 格赏给我一粒麦子，在第二格赏给我二粒麦子，在第三 格赏给我四粒麦子，照这样下去，每一格内的麦子数都 比前一格加一倍。陛下啊，就把这摆满棋盘所有64 格的 麦子，赏给您 的仆人罢。”
20世纪20年代，哈勃在对宇宙中的星系进行观察时，发现观测 到的来自宇宙中星系的光大都发生了红移，这和他原先预期观测到 的红移的光和蓝移的光将各占一半的情形大相庭径，哈勃还发现来 自越远的星系的光红移的越利害。哈勃由此意识到，周围的星系正 在急速 地远离我们而去，越远的星系远离我们而去的速度越大！后 来人们还发现，无论你在宇宙中的任何一个地方朝任何方向去观察， 其结果都将是相同的。哈勃的这一发现表明，宇宙并非是静止不变 的，而是正在膨胀着！
同学回去后不妨找十张大小不同的纸片试一下，当 你完成这个实验时，恐怕一个晚上的时间便悄悄地溜过 去了。细心的同学可能己经看出，或者回去后稍加比划 思索便可看出，移动梵塔所需的操作次数，和达依尔向 舍罕王所索取的麦粒数是完全相同的。如果僧人一秒钟 移动一片金片，僧人们日夜不停、雷打不动、前仆后继、 坚持不懈地移下去，那么完成这项工作需要约580亿年。 也就是按照这个传说，世界从创生到消亡将历时约580亿 年。我们当然不会相信这种迷信传说。然而，按照现代 科学观点，我们生活在其中的太阳系大约己诞生了50亿 年，它还有100多亿年的寿命，比580亿年要短得多，而 宇宙己诞生了约100多亿年，它的寿命将比580亿年要长 得多。
三。宇宙的演化和命运
1.宇宙的演化
大爆炸那一刻，宇宙的体积几乎为零，温度无限之 高。爆炸后一秒钟，温度降至100亿度,这大约是太阳中 心温度的1千倍,即氢弹爆炸所达到的温度，此时宇宙中 主要包含光子、电子和中微子及它们的反粒子,还有一 些质子和中子.大爆炸后约100秒钟,温度降到10亿度,在 此温度下,质子和中子不再有足够的能量逃脱核力的吸 引，开始结合产生氘核，并进而结合成氦核，还产生了 少量锂和铍。
3。宇宙在一次大爆炸中诞生
既然宇宙正在膨胀 着，那么它的过去又是怎 样的呢？对此，科学家们曾作过两种推测：其一， 是认为宇宙在膨胀前曾经历过和膨胀相反的收缩过 程，宇宙物质在收缩到最小体积时，恰好相互擦肩 而过，并不相互碰撞；其二，便是认为宇宙的所有 物质都曾集中于一点，并处于极度的高温状态下， 温度极高的物质以极大的速度相互分开，形成了一 次大爆炸，宇宙便在这次大爆炸中开始了它的演化 历程。这两种推测的关键差别在于膨胀开始时宇宙 是否具有极高的温度。
二。宇宙在一次大爆炸中诞生
1。人们传统观念中的宇宙图象
且不去说各种早己过时的宇宙观点。从较为近代的科学层面上 来说，人们传统观念中的宇宙是一个静态的模型 。对此，我们可作 这样一番表述：我们生活在一个称为地球的星球上，地球一方面在 自转，一方面又在绕太阳公转，地球自转一周，即为一个昼夜，地 球绕太阳公转一周即为一年。而太阳又带着地球、金星、木星、火 星、土星等绕着银河系中心旋转，太阳系绕银河系中心旋转一周约 需两亿年。在银河系中有着许许多多的类似太阳系的星系。银河系 是直径约10万光年，厚度约1万光年的碟状星系。而银河系之外， 又有许许多多的类似银河系的巨大星系，这便构成了宇宙。其中， 那些类似太阳的星体称为恒星，我们一直认为恒星间的相对位置是 不变的。
将以越来越小的速度永远地分离下去.
同理，宇宙的命运也存在着和上述情况相似的三种可能 结局。其一，是先经历一个大膨胀的过程，转而进入一个 大挤压的过程，末了时，宇宙物质又将挤回当初大爆炸发 生处；其二，是宇宙膨胀速度逐渐减小，最后将以趋于稳 定不变的速度永远地膨胀下去；其三，是宇宙膨胀速度将 一直减小，但膨胀速度永远不会减小为零，即宇宙将以越 来越小的速度永远地膨胀下去。
它等于全世界在两千年内所生产的全部麦子！
还是在古印度，还有一个和上述巨大数字相关的关于 宇宙命运的传说。那是在印度北部的贝拿勒斯神庙里，放 有一块黄铜板，板上插有三根一尺多长的宝石针。梵天 （印度教的主神）在创造世界时，在其中一根针上按下大 上小的顺序放了大小不同的64张金片，这就是所谓梵塔。 梵天创世后立下训谕：不论白天、黑夜，都由一名值班僧 人把这些金片在三根针上移来移去，但移动时必须保证小 片总在大片之上，当所有64张金片从梵天创世时所放的那 根针上移到另一根针上时，世界的一切将在一声霹雳中化 为乌有。
这里需要说明的是：1。梵天要求僧人一刻不停地移动这些金片，2。移动的目的 是将金片按下大上小的顺序从一根针上移到另一根针上，பைடு நூலகம்。移动的规则是每次 只能移动一片，而且必须保证小片总是在大片之上。为此，僧人可借助第三根针。
移开动始1234567次
比如，我这里有一个由三张金片组成的小梵塔，
我必须移动1次.2次.3次……7次，才能完成这项使命。
大爆炸发生的几个小时后到约100万年左右的 时间内，宇宙仅仅是继续膨胀并降温，并没有生 成新的物质形态。当爆炸发生100万年后，宇宙 的温度己降到几千度。此时，电子和核子不再有 足够的能量去抵抗电磁吸引力，开始结合成原子。 并且由于在整体上密度的不一致，在一些密度略 大些的区域，因物质间的引力，使局部区域的膨 胀变慢，以至局部区域内膨胀最终停止并开始坍 缩旋转形成气态星云。
因此，在传统观念中的宇宙，是一个己存在了无限长的时间， 并将永恒地存在下去的；无边无际、广袤无垠的；动中有静、静 中有动，从整体来说是静态有序、永恒不变的系统。
这正如一首歌中唱到的：星星总还是那颗星星，月亮 也还是那个月亮，山也还是那座山，梁也还是那道梁。
２。哈勃发现宇宙正在膨胀
在介绍哈勃 的发现之前，我们先来 认识多普勒现象。当波源朝观察者以一 定的速度靠近时，这时观察者观测到的 波的频率比波源的实际频率要高一些。 反之，若波源以一定速度远离观察者而 去时，观察者观测到的波的频率比波的 实际频率要低，这就是多普勒现象。我 们最熟悉的例子便是，当你站在公路旁 时，从远处而来的汽车的汽笛声听起来 特别尖，而向远处驶去的汽车的汽笛声 听起来格外低沉。
这些原始生命消化了硫化氢，放出氧气，改 造了地球大气，随之生命逐渐由低级向高级发展 。 所有这些都是在近30亿年间发生的。
人类生活在其中的宇宙无边 无际,无始无终,她大约诞生 于200亿年前的一次大爆炸. 爆炸的实体是在数学上称为 奇点,在物理上则是一个密 度极大而体积极小的质点. 随着一声骇人听闻的巨响, 时间和空间产生了,物质世 界诞生了. 在宇宙的早期，温度极高，在 100亿度以上。物质密度也相 当大，整个宇宙体系达到平衡。 宇宙间只有中子、质子、电子、 光子和中微子等一些基本粒子 形态的物质。
随着时间的推移,宇宙逐渐冷却,基本粒子聚合成原子,原子结合 形成分子,不同的分子组成形态各异的物体.银河系及河外星系诞生 了.太阳系也应运而生.地球几乎与太阳系同时诞生.由于某种目前 尚未弄清的原因,生命诞生了,生物界的进化产生了植物,动物和人.
银河系
太阳系
地球
2。宇宙的命运
我们己经知道，宇宙诞生后便在膨 胀着。而宇宙天体间的万有引力有阻 止宇宙膨胀，甚至使宇宙转入收缩状 态的趋势。那么，宇宙的命运将会是 怎样的呢？
我们先来看一个简单的例子。设想有两个大质量物体正以 一定的速度相互离开。而物体间的万有引力将使物体减速， 但万有引力和物体间的距离的平方成反比，万有引力对物 体运动速度的影响将随物体间距离的增大而减小。这样一 来，这两个物体的运动情况的变化将存在三种可能：其一， 若物体分开时的初速度较小，引力将使物体分离速度逐渐 减小到零，并立即转而以越来越大的速度相互靠近；其二， 若物体分开时的初速度足够大，物体间越来越大的距离使 引力对物体的减速作用越来越弱，以至相当时间后引力对 物体的减速作用会减到可忽略不计的程度，最后两物体将 以恒定的速度永远地分离下去；其三，若物体分开时的初 速度恰好为某一临界值，当物体分离的速度越来越小 时， 越来越弱的引力总仍能对物体的减速产生足够的影响，则物体
初始的地球温度非常高，并且没有大气。当它冷却下 来时，从岩石中溢出的气体形成了地球的原始大气，可 是其中并没有氧气，而是含有硫化氢之类的有毒气体。 然而，这一条件孕育并繁衍了 生命的原始形式。它们是 原子偶然结合成的宏观大分子结构，它们能在海洋中使 其他原子聚集成类似的结构，从而复制了自己，产生了 原始的繁殖。然而，复制常常会有误差。这些误差在多 数情况下会使新产生的宏观分子丧失复制能力，并最终 被消灭；而有些误差不仅使新产生的宏观分子保持了复 制本领，而且复制能力表现得更为优越完善，进而逐渐 取代了原先的宏观分子，生命的进化过程便真正开始了.
当然，人们自然要问：为什么会有这次大爆炸？ 在大爆炸前的宇宙又是什么样子的？对此，科学 家们是这样说的：因为发生大爆炸的一刻，宇宙 处于极度的异常状态之下，现有的所有科学理论 在这种异常状态之下均己全部失效，即使在此之 前曾发生过什么事情也不可能对以后的宇宙产生 任何影响。因此，我们的宇宙的科学科理论只能 包含到大爆炸这一刻为止。大爆炸就是我们的宇 宙诞 生之时，因而宇宙的时间应从这一刻算起。 这一刻距离现在己有100多亿年。
舍罕王暗自高兴，自己对如此奇妙的发明所许下的慷 慨许诺，却只需要一棋盘麦子就能打发，未免也太便宜 了。于是便高兴地说：“爱卿，您当然会如愿以偿的。”
然而，事实上，国王最后没能兑 现自己夸下的海口。因为这个奖项 所包含的麦粒数为：
20 21 22 ~~~~ 263
18,446,744,073,709,551,615
据此，美国的科学家罗伯特·狄克和詹姆斯·皮帕尔斯 指出，如果地球诞生于大爆炸，我们应该仍然能看到宇 宙早期的白热状态。同时，他们着手准备去寻找这些从 远古的宇宙向我们走来的光。当他们把自己的这一见解 公诸于世时，美国的另外两位科学家彭齐亚斯和威尔逊 突然意识到，他们在1965年做过的一个探测微波辐射的 实验，正好能用以印证狄克和皮帕尔斯的想法，而且他 们当时在实验中探索到的来自宇宙的各个方向的几乎强 度相等的强大的微波辐射，正是狄克和皮帕尔斯所要找 的光。这些能反应宇宙曾处于相当高温状态的光，因剧 烈的红移变成了微波辐射。彭齐亚斯和威尔逊因此于无 意之中捷足先登，获得了1978年的诺贝尔物理奖。而且， 由此便确立了宇宙起源的大爆炸说。
如果宇宙产生于大爆炸，那么膨胀开始时的宇宙应是 非常密集并炽热化的。这些炽热的宇宙物质在大爆炸时 以极大的速度从宇宙中心向外抛洒，同时由于高温,它们 要向外辐射电磁波——即光。因为高温物质辐射的电磁 波谱是和物质所处的温度相对应的，所以人们可以通过 对物质辐射的电磁波谱的分析去准确地推知物质的温度。 此外因为宇宙中的星体距离我们很远，它们发出的光到 达我们这里需要一定的时间，比如离我们最近的恒星— —半人马星座，它的光到达我们地球需约4年时间，而天 狼星的光到达我们地球需约8.7年。因此我们现在看到的 天狼星和半人马星座应是它们4年和8.7年前的情况。而 我们看到的众多更为遥远的星体应是它们更为久远的过 去，乃至是远古的情况。
气态星云坍缩时，由于原子碰撞使温度升高,并发生 热聚变反应,聚变释放的热形成压力以平衡物质间的引力, 使星云不再收缩,同时聚变释放的能量以光和热的形式向 外辐射,这便是第一代恒星.当恒星的核燃料耗尽时,会稍 微收缩，并进一步变热，同时将氦聚变成碳和氧这样的 更重的元素，恒星因继续坍缩而演化成中子星或黑洞。 在此过程中，在恒星的外部区域有时会形成超新星爆发， 这时除发出极强的光外，还把重元素抛回气态星云之中， 为下一代恒星的形成提供原料。我们的太阳系便是50亿 年前由超新星抛出的气态物质旋转凝聚形成的，其中的 大部分气体形成了太阳，少量重元素气体集聚在一起， 形成了地球等行星。