宇宙的演化：大爆炸

        我永远、直到生命的最后时刻，

        翻遍尘封的、读破了的书册，

        去寻找她神秘的故事。

——阿·勃洛克        

在1917年之前，人类对宇宙的认识还局限在银河系内。1917年，天文学家在一个星云中发现了一颗新星，这表明原先被认为是星云的这个天体实际上由大量的恒星组成，应该不处于银河系内。1924年，美国天文学家哈勃测定了仙女座大星云的距离，确认了它是一个银河系外的星系。在确认了存在河外星系之后，天文学家对已知的星系进行仔细的观测研究，结果发现，这些星系的光谱线的波长比正常情况长，这种现象叫做光谱的红移。物理学对这种现象有这样的解释：遥远的星系在远离我们。

在此后的许多年，哈勃对遥远星系的光谱红移现象做了系统的观测研究，明确地给出了星系的退行速率与该星系离开我们的距离之间的关系

称之为哈勃定律，公式中的比例常数叫做哈勃常数。这个关系式显示出，星系距离我们越远，它离开我们的速率就越大，这意味着整个宇宙在均匀地膨胀。

只要做一个简单的实验，就不难明白为什么遥远的星系按照哈勃定律远离就意味着宇宙整体在均匀地膨胀。你可以到任何一个玩具商店买一个给小孩子玩的那种玩具气球，把这个气球吹胀到，比如说，直径10厘米大小。然后在这个被吹胀了的气球上用笔画三个以上的圆点，在其中一个圆点的旁边标上“地球”字样，另外的圆点就代表遥远的星系。为了方便演示，这些点要画成这样，其中一个“星系”离开“地球”1厘米（要沿着球面计算距离），还有一个“星系”离开“地球”2厘米，其他的星系可以随便画。接着把这个“宇宙”吹胀至直径20厘米大小。这时，如果你再去量上面特别标示的两个“星系”与“地球”之间的距离，就会发现，这两个距离都增加了一倍。这就是说，在相同的时间间隔内，“星系”远离“地球”的量正比于它们与“地球”之间的距离。这就是哈劫定律。

也许你会问，所有的星系都远离我们，这是不是就意味着我们处于宇宙的中心呢？这岂不又回到中世纪人类是宇宙的中心这种观念上吗？让我们再来看一看上面的实验。在这个实验中你可以看出，气球上并没有任何一个点是特殊的，不存在一个中心点。你可以将另一个点标志为“地球”，你同样会发现，所有其他的“星系”都按照哈勃定律离这个新的“地球”而去，离开的快慢程度正比于它与这个新的“地球”之间的距离。因此，宇宙的膨胀并不意味着它有一个中心，相反，它恰好能够说明，宇宙没有任何中心，所有的位置都是平权的。

既然整个宇宙在均匀地膨胀，那么，它在过去肯定比现在稠密。这会有什么结果呢？今天，在我们这个宇宙的各处，散布着无数星系，星系之间的距离是巨大的。但是，由于宇宙在整个地膨胀，因此，在早些时候，宇宙没有现在那么大，里面的星系自然就挨得近一些。如果想象有那么一个时刻，宇宙的尺度是如此之小，以致所有的星系全都挨个地紧紧靠在一起，那时候也就无所谓星系了，组成星系的物质全都被搅在一块儿。于是，由膨胀宇宙得出的第一个推论就是：星系是在宇宙演化的过程中产生出来的。实际上，不仅星系如此，连星星也是在演化中产生的。

宇宙膨胀必然带来这样的结果：宇宙的温度在不断下降。如果宇宙的温度随着它的膨胀在不断地下降，那么，它在过去肯定比现在酷热，温度要更高。回忆一下温度这个概念，你就能够明白这到底意味着什么。宇宙的温度在过去比现在更高，宇宙中的物质粒子就运动得更快。设想有那么一个时刻，宇宙的温度如此之高，以致粒子之间的碰撞足以使原子核瓦解。因此，在那个时刻之前，宇宙中根本不存在原子核，更不要说原子和分子了。于是，由膨胀宇宙得出的第二个推论就是：原子、分子甚至原子核等物质粒子是在宇宙演化的过程中产生出来的。

20世纪40年代，盖莫夫(George Gamov，1904~1968)根据宇宙膨胀的上述两个推论，提出了宇宙的演化从极大的密度和极高的温度开始的想法。经过半个世纪的观测检验，这个假说成为描写宇宙演化的标准模型，被称为热大爆炸宇宙理论。这个理论为我们勾画出一幅宇宙演化的图景。根据这幅图景，当宇宙的年龄大约等于10⁻⁴³秒到约万分之一秒这段时期内，宇宙由夸克和轻子组成。在这段时期，由于宇宙的温度高达一万亿度以上，有关的物理规律还不十分确切，因此，演化的历史难以说得很清楚。目前，对这段时期的宇宙有一些带有试探性的研究工作，但是都没有比较确切的结果。当宇宙的温度下降至一万亿度时，夸克就能够相互结合，形成质子和中子等构成普通物质的基元粒子。在这个时期之后，物质运动的基本规律已经十分清楚，因此，有可能根据基本物理规律对宇宙的演化历史做出预言。