宇宙和宇宙学
《淮南子·原道训》注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。”这为宇宙下了一个颇为确切的定义，也就是说，宇宙是物质的宇宙。宇宙者，天地万物之通称也，它包含了空间和时间两方面的含义。今天，人类对物质宇宙的认识在空间上已达到150亿光年的宇宙深处；而在时间上则可追溯到150亿年前的宇宙早期历史。大量的观测资料为人们研究宇宙的结构和演化提供了十分有用的信息。
地球是人类的诞生地，它年复一年地绕太阳公转。太阳以它巨大的引力支配着太阳系中每个成员，其直径以冥王星轨道为界约为120亿公里。太阳只是银河系中的普通一员，在银河系中，像太阳这样的恒星总数超过1000亿颗。银河系外还存在着像银河系那样的庞大恒星系统，即河外星系。在目前所观测到的宇宙内，星系总数约为1000亿个。
天文学是最古老的自然科学之一，宇宙学是天文学中的一个分支学科，其研究内容是从整体角度探讨宇宙的结构及其演化规律。人类对宇宙的认识有着悠久的历史。哥白尼在他的《天体运行论》中曾说：“太阳是宇宙的中心。”这意味着在那个时代，人们心目中的宇宙实际上就是太阳系。
在中国古代，关于宇宙结构的认识主要有三派学说，即盖天说、浑天说和宣野说。在欧洲，从公元前6世纪到公元1世纪，古希腊和古罗马也有过许多关于宇宙构造和本原的学说。中世纪，托勒玫的地心说占据了学术界的统治地位。直到16世纪，哥白尼创立了日心说后，人类对太阳系才有了正确的认识。17世纪，牛顿开创了用力学方法研究宇宙的途径，建立了经典宇宙学。1785年，德籍英国天文学家赫歇尔(W. Herschel）提出了第一个银河系图像，从此，人类的视野从太阳系扩展到了恒星世界。
1917年爱因斯坦根据广义相对论建立了一个“静止、有界、无限”的宇宙学模型，发表了题为《在广义相对论基础上对宇宙所作的考察》的著名文章，开创了现代宇宙学研究先河。1924年，美国天文学家哈勃(E. Hubble)证实了河外星系的存在。嗣后，一系列重要的观测发现和理论研究成果，使宇宙学研究开始沿着科学的方向发展。
宇宙膨胀的发现
及由此引出的问题
研究宇宙的一个重要内容是探测宇宙中各类天体的运动，进而探索整个宇宙的运动状态。天体离地球十分遥远，要测出它们的速度颇不容易。一种比较有效的方法是利用多普勒效应来测定天体沿观测者视线方向的速度——视向速度。火车进站和离站时，站台上的人所听到的火车汽笛声会有所不同，这就是多普勒效应。利用这个效应，可以测出火车的运动速度。同样，通过测定天体光谱中某些谱线位置的变化，可以推算出天体的视向速度。
早在1912年，美国天文学家斯莱弗(V. M. Slipher)就开始研究星系的视向运动状况。他在13年中一共测得了40个星系的视向速度，并发现其中38个星系都在远离地球而去。后人的工作进一步证实了这一普遍现象，即绝大多数星系都表现出这种“退行”运动，这引起了天文学家的注意。
1929年，哈勃仔细分析了已知距离的24个星系的退行速度后，得出了一个惊人的结论：星系的退行速度与距离成正比，并据此提出了著名的哈勃定律。今天，哈勃定律已为天文界所广泛接受。
根据宇宙学原理，只要星系的视向速度与距离成正比，那么，不仅在银河系位置上可以看到这一现象，而且在其他星系位置上也会观测到同样现象，只是同一星系在不同位置观测者看来有不同的视向退行速度。从而得出一个重要结论：银河系在宇宙中丝毫不具有特殊地位，银河系并不是宇宙的中心；其次，从地球观测到的星系视向速度与距离成正比这一事实，不仅说明河外星系与银河系之间的距离在不断扩大，而且说明任意两个星系之间的距离也在不断加大。由此得出一个重要推论：整个物质宇宙在不断膨胀。
在理论研究上，苏联数学家弗里德曼（J. Friedman）于1922年即放弃了爱因斯坦的静态宇宙观念，提出了非静态宇宙理论，并论证了宇宙随时间不断膨胀的可能性；1927年，比利时主教、天文学家勒梅特(G. Lemaiter)提出了均匀各向同性的膨胀宇宙模型；1929年哈勃定律的发现支持了宇宙在膨胀的动态图像，英国天文学家埃丁顿(A. Eddington)即把星系的退行运动解释为均匀各向同性膨胀的观测效应；1932年勒梅特提出，现在的宇宙是由处于极端高温、高密度的“原始原子”爆炸、膨胀而形成的，从而开始明确讨论宇宙诞生的问题；1948年，美国天文学家伽莫夫（G. Gamow）和阿尔法(R. Alpher)等人进一步发展了勒梅特的思想，从而为今天称为标准模型的“大爆炸宇宙论”奠定了基础。
宇宙居然在膨胀！这在早些时候实在是令人惊讶的结论。如果这是事实，而且这种膨胀是一个长期持续的过程，那么在过去，星系之间的距离比现在要近。由此追溯回去，在过去的某一时刻，宇宙中一切物质必然都处于一个极小的范围，宇宙膨胀即由此开始，而此后宇宙中所发生的一切也从那一时刻开始。那么，在那一时刻究竟发生了什么事件？它又如何造成今天所观测到的宇宙宏观图像呢？
宇宙在大爆炸中诞生
大爆炸宇宙论的主要观点是：宇宙有过一段由热到冷、由密到稀不断膨胀的演化史，其过程犹如一次规模极其巨大的超级大爆发。
根据这一学说，在距今大约150亿年前，今天所观测到的全部物质世界都集中在一个温度极高，密度极大的很小的范围。大爆炸开始后0.01秒，宇宙的温度约为10000亿度，其物质的主要成分为轻粒子（如光子、电子或中微子），质子和中子只占十亿分之一，所有这些粒子都处于热平衡状态。
由于整个体系在快速膨胀，温度很快下降。大爆炸后0.1秒，温度下降到300亿度，中子与质子之比从1下降到0.61。1秒钟后，温度下降到100亿度。随着密度减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃逸，电子-正电子对开始发生湮没反应，中子与质子之比进一步下降到0.3。但这时由于温度还太高，核力仍不足以把中子和质子束缚在一起。
大爆炸后13.8秒，温度降到30亿度，这时，质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原子核。35分钟后，温度降到3亿度，核过程停止。但由于温度还很高，质子仍不能和电子结合形成中性原子。原子是在大爆炸后约30万年才开始形成的，这时的温度已跌到3000度，化学结合作用已足以将绝大部分自由电子束缚在中性原子内。
到这一阶段，宇宙的主要成分是气态物质，它们慢慢地凝聚成密度较高的气体云，再进一步形成各种恒星系统。这些恒星系统又经历了漫长的演化，成为人们今天所看到的宇宙，而星系中恒星的演化又产生了碳、氧、硅、铁等元素。
为了解决大爆炸宇宙模型在解释宇宙极早期状态时所遇到的一些困难，1980年代初，人们提出了暴胀宇宙论。这一学说对可观测宇宙的描述，除大爆炸发生后最初的10－30秒外，与标准大爆炸模型符合得很好，但对最早那一瞬间的描述却大为不同。
根据暴胀模型，宇宙曾经历过一个极短时间的极快速膨胀（称为“暴胀”），在这段极短的时间内，物质处于称为“假真空”的奇特状态。由于假真空引起的引力排斥，宇宙按指数律加速膨胀，其尺度每过10－34秒便增大一倍。在这种惊人的爆发式增长中，宇宙的所有质量和能量从完全的真空中产生出来。在这一新模型中，极早期宇宙的尺度比标准模型所认为的小得多，标准大爆炸模型中的一些困难在这里可以找到简单解释。
大爆炸实际上是从“奇点”开始发生的。大爆炸后的10－43秒被称为普朗克时期，在这一时期，可观测宇宙的尺度甚至比原子核还要小得多：半径只有10－23厘米，密度却高达1090千克/厘米3，温度则高达1032度。
经过约150亿年的不断膨胀、冷却，目前可观测宇宙的范围已达150亿光年，其物质平均密度只有2×10－31克/厘米3，即每立方米空间只能分摊到一个氢原子。今天的宇宙与诞生极早期的宇宙相比，其尺度差异为1061量级，密度差异为10124量级，温度差异为1032量级。
寻 觅 证 据
尽管1948年伽莫夫和阿尔法等人的工作已经奠定了大爆炸宇宙论的理论基础，但由于没有得到观测的支持，而且它的一些观念在当时看起来令人难以接受，特别是极早期宇宙的极端物理状态和变化过程的剧烈程度更使人无法想像，因此，这种学说到1950年代几乎被人们遗忘。1960年代初，随着理论工作的进展以及若干观测上的重大发现，大爆炸宇宙论才越来越广泛地为学术界所接受。
首先，河外星系存在普遍性退行运动以及哈勃定律的发现，强有力地支持了宇宙从大爆炸中诞生的理论。根据哈勃定律推算得到的宇宙年龄约为150亿年，宇宙中所有天体的年龄都不可能超过这一数字。由天体物理理论，特别是恒星演化理论可以测得，最年老星系和最年老恒星的年龄约为130～140亿年。太阳的年龄约为50亿年，地球上最古老岩石的年龄约为40亿年。这些年龄测定结果可以按很好的时序纳入大爆炸后宇宙整体演化的框架之内。
另一个支持大爆炸理论的强有力观测证据是所谓的“微波背景辐射”。根据现代大爆炸理论，宇宙温度从普朗克时期的1032度，经过150亿年的不断膨胀、冷却，目前的温度约只有3开，而且在不同的观测方向上，应该在微波波段表现为各向同性分布。这项理论预测由美国普林斯顿大学迪克(R.Dicke)教授的研究小组在1960年代提出。
1960年代初，美国贝尔电话实验室的两位科学家彭齐亚斯（A. Penzias）和威耳逊(R. W. Wilson)建立了一架高灵敏度天线，以改进卫星通讯能力，并用来测量天空中的噪声源。在实验过程中他们发现，在扣除地球大气吸收、地面噪声等已知噪声源的影响后，仍然存在无法解释的剩余微波噪声。
1965年，他们确定这种微波辐射温度约为3开，并表现为各向同性分布，且不随观测时间而发生变化。尽管他们无法对这种噪声作出解释，但可以断定，它不可能来自任何特定的辐射源。
就在这时，迪克等人关于微波背景辐射的理论预言传到了贝尔实验室，双方很快建立了联系，并进行了分析和讨论。他们最终确信，这种找不到来源的噪声正是迪克小组所预言并正准备寻找的东西：宇宙微波背景辐射。这一发现是20世纪天文学上的一项重大成就，人们可以从中捕获宇宙创生早期的重要信息，而彭齐亚斯和威耳逊也因此共同获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
证实宇宙起源于一次超级大爆炸的另一项证据与化学元素的形成有关。前面已经说过，在宇宙诞生后的最初阶段，比如大爆炸后1秒钟，宇宙温度高达100亿度。由于温度太高，质子和中子无法结合成稳定的原子核，这时宇宙的物质状态犹如一锅基本粒子汤，其中有质子、中子和电子。随着温度的进一步下降，从爆炸后13.8秒起，氘、氦那样稳定的原子核才开始形成，化学元素的形成即从这一时刻开始。
理论计算表明，氦核的形成过程大约持续了3分钟。在这一期间，约有23％～27％的质量的物质聚合成氦，并同时用完了所有可资利用的中子，而余下的核子，即没有参与聚合的质子自然就形成了氢原子核。这一理论预言，宇宙应当由大约75％的氢和25％的氦组成，这与实测结果符合得极好。
宇宙早期的原初核反应也可能产生极少量比较重的元素，如锂和碳。现已知道，除氢和氦这两种元素外，其他较重元素的总量不到宇宙中可见物质的百分之一，其中绝大多数并不是大爆炸的产物，而是后来在恒星内部形成的。它们通过超新星爆发被抛入宇宙空间，成为后一代恒星形成时的一种原材料。
大爆炸宇宙论成功地解释了一些十分重要的观测事实，深得大多数天文学家的青睐。但是，从1980年代后期开始，若干新观测结果的出现使这一理论受到不少挑战。持反对意见的学者对此提出了责难，而大爆炸宇宙论家则继续发展这一学说，以进一步对新的观测事实作出合理的解释。
宇宙可能的结局
新陈代谢，有生必有死，这是自然界不可抗拒的客观规律。根据大爆炸理论，宇宙在空间和时间两个方面都是有起端的，即大爆炸瞬间。在这之前，无空间和时间概念可言，也就没有“之前”可言。尽管这一观念与人们日常生活中的感受格格不入，但根据大爆炸理论就是如此。只要承认这一点，那么人们就会问，宇宙的终极在哪儿？什么时候发生？会是一种什么状态？这就是宇宙的结局问题。
大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争，爆炸产生的动力是一种斥力，它使宇宙中的天体不断远离；天体间又存在万有引力，它会阻止天体远离，甚至力图使其互相靠近。引力的大小与天体的质量有关，因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀，还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小，这完全取决于宇宙中物质密度的大小。
理论上存在某种临界密度。如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度，宇宙就会一直膨胀下去，称为开宇宙；要是物质的平均密度大于临界密度，膨胀过程迟早会停下来，并随之出现收缩，称为闭宇宙。
问题似乎变得很简单，但实则不然。理论计算得出的临界密度为5×10－30克/厘米3。但要测定宇宙中物质平均密度就不那么容易了。星系间存在广袤的星系间空间，如果把目前所观测到的全部发光物质的质量平摊到整个宇宙空间，那么，平均密度就只有2×10－31克/厘米3，远远低于上述临界密度。
然而，种种证据表明，宇宙中还存在着尚未观测到的所谓的暗物质，其数量可能远超过可见物质，这给平均密度的测定带来了很大的不确定因素。因此，宇宙的平均密度是否真的小于临界密度仍是一个有争议的问题。不过，就目前来看，开宇宙的可能性大一些。因而先来看一下开宇宙的情况。
恒星演化到晚期，会把一部分物质（气体）抛入星际空间，而这些气体又可用来形成下一代恒星。这一过程会使气体越耗越少，以致最后再没有新的恒星可以形成。1014年后，所有恒星都会失去光辉，宇宙也就变暗。同时，恒星还会因相互作用不断从星系逸出，星系则因损失能量而收缩，结果使中心部分生成黑洞，并通过吞食经过其附近的恒星而长大。
1017～1018年后，对于一个星系来说只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星，这时，组成恒星的质子不再稳定。当宇宙到1024岁时，质子开始衰变为光子和各种轻子。1032岁时，这个衰变过程进行完毕，宇宙中只剩下光子、轻子和一些巨大的黑洞。
10100年后，通过蒸发作用，有能量的粒子会从巨大的黑洞中逸出，并最终完全消失，宇宙将归于一片黑暗。这也许就是开宇宙末日到来时的景象，但它仍然在不断地、缓慢地膨胀着。
闭宇宙的结局又会怎样呢？闭宇宙中，膨胀过程结束时间的早晚取决于宇宙平均密度的大小。如果假设平均密度是临界密度的2倍，那么根据一种简单的理论模型，经过400～500亿年后，当宇宙半径扩大到目前的2倍左右时，引力开始占上风，膨胀即告停止，而接下来宇宙便开始收缩。
以后的情况差不多就像一部宇宙影片放映结束后再倒放一样，大爆炸后宇宙中所发生的一切重大变化将会反演。收缩几百亿年后，宇宙的平均密度又大致回到目前的状态，不过，原来星系远离地球的退行运动将代之以向地球接近的运动。再过几十亿年，宇宙背景辐射会上升到400开，并继续上升，于是，宇宙变得非常炽热而又稠密，收缩也越来越快。
在坍缩过程中，星系会彼此并合，恒星间碰撞频繁。一旦宇宙温度上升到4000开，电子就从原子中游离出来；温度达到几百万度时，所有中子和质子从原子核中挣脱出来。很快，宇宙进入“大暴缩”阶段，一切物质和辐射极其迅速地被吞进一个密度无限高、空间无限小的区域，回复到大爆炸发生时的状态。
人们也许会认为，看来开宇宙的结局比闭宇宙好一些，因为从理论上说，只要有星系及大黑洞存在，并且作旋转运动，技术高度发达的人类或地外文明总有办法从那儿汲取能量并继续生存下去；而一旦发生大暴缩，似乎一切都在劫难逃。但人们毕竟还有几百亿年时间去思考这一问题，应该相信科学技术的进步和人类的发展能力，而完全不必去作毫无意义的杞人之忧。迎接每一个美好的明天并为此作出自己的贡献，这才是人们应该做的。
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