冰雪套和恍惚套:宇宙是怎么产生的？

在过去的几十年中，天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约为100亿至150亿年之间，这段时间若与人类历史或者地质年代相比简直太长了。但从某种意义上说，宇宙仍然是个新生儿，人生历程才刚刚开始，宇宙自身许多的神奇故事还没有上演呢！
在天文学家们的日常工作中，经常讨论一些也许多少亿年也不会发生的事情。比如，根据恒星演化的理论，在大约11亿年以后，我们的太阳将变得非常热，被煎熬的地球由于不再适于生命的存在而变得一片荒凉。70亿年以后，它将成为一个庞大的红巨星。接着在随后的几亿年的时间里，它将耗尽自己的核能，外壳变暗成为一颗白矮星，进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。
这些严肃的事实让人不禁会问，是不是天上所有的星星都有一天会走到自己生命的尽头？是否有一天每颗星都已熄灭而又灭有更多的产生出来？如果所有的星都已逝去了，宇宙中将会发生什么事情？生命会在以个无星的环境中存在吗？生命是否还有其它奇怪的形式？并且很快我们就会问到这样一个终结问题：宇宙是否存在一个最终状态，在此以后又重新开始的可能也没有？
以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。大致而言，宇宙的前途有三种可能：封闭、平直和开放。对封闭宇宙猛烈的攻击始于1969年Martin Rees（现在是英国皇家天文学家）的一篇开创性的文章。而后，Iamal Islam 和Freeman Dyson推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。
在此，根据Rees, Islam, Dyson 的理论以及现在人类对物理和天文的最新理解，为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图象。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样，随着天文学和物理学的发展，这些描述同样也会被重写。
一个开放的宇宙
大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性，特别是在 有关宇宙膨胀、微波背景辐射及各种轻元素的不同丰度等方面，而几乎所有的通常意义上的 物质都是由这些轻元素组成的。
始自大爆炸的宇宙将面临三种不同的命运：一个封闭的宇宙将由于自身引力作用而最终走向塌缩，开放的宇宙将永远膨胀下去，平直宇宙则介于二者之间，它也会永远膨胀下去，膨胀速度不断减慢，但永远不会达到静止。
最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密度，一个被宇宙学家称之为Ω的值。平直宇宙，处于准确的平衡状态，其Ω值被定义为1。如果Ω大于1，哪怕仅超过一点点，宇宙就会拥有足够的质量也可以说是能量，从而靠其自身引力阻止膨胀的趋势，把所有的物质拣回到一个难以想象的奇点，如果Ω小于1，宇宙正以快与其"逃逸速度"的速度在膨胀，且会继续膨胀下去。
我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终判决正在到来，基于近来几种方式的天文观测表明Ω在0.2至0.3之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于Ω等于1。但不论观测还是理论都没有得出过大于1的结论。
如果Ω小于或等于1，那么宇宙将回存活足够长的时间以允许许多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全部发生。在这篇文章中，我们暂且认为宇宙会永远膨胀，并可以持续到无穷的时间。
暴胀时代
对于宇宙的极早期，我们知之甚少，虽然如此，现代物理还是把答案归咎于大爆炸。理论物理学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇宙的开始。一般认为存在许多次大爆炸，而非一次，不断地从以前形成的时空中产生出来，每次大爆炸，宇宙都迅速涨大，并从产生它的母体中分离，这个新的宇宙与其它宇宙相互隔离并且是以其自有的方式演化。
对于我们存在的这个宇宙，对数时间轴有一个确切的始点：10E-44秒，这个时间称为普朗克时间，被认为是时间的量子单位，不能把时间划分得比这儿再小了，正如一种基本粒子电子不能再分割成更小的成分一样。
根据现有理论，时间轴上下一个重要的事件于发生于10E-7量级之后，即10E-37秒的时候，在此时新生的宇宙具有难以置信的高温和密度。超高能量的量子场使空间以很大的加速度在膨胀。与此同时，产生了非常小的密度起伏，否则这个微小寂寞的宇宙将充满光滑又毫无特征的能量场。这些微小的变化随空间的膨胀而保留了下来。他们以后便成为了我们现在所看到的星系、星系团和大尺度结构的种子。在10E-32秒的时候，这样的暴涨停止了，随后宇宙膨胀的步子温和多了。
这里要提醒大家注意的是：暴胀理论预言的宇宙Ω0等于1，至少也是理论的最简单情况。物理学家正设法使这种理论能产生出开放的宇宙来。
辐射为主的时代
下一个不断冷却且不断膨胀的时代持续了10E43个数量级，直至宇宙的年龄为一万年，在这段时间里，宇宙中除了光滑单一的辐射海洋外，几乎一无所有，我们熟悉的天体，如恒星和星系，现在还没有诞生。
在一辐射为主的时代中，许多重要的时间奠定了我们现在所知宇宙的性质，例如：复杂粒子的相互作用使得正物质比反物质稍稍多了一点。反物质和几乎所有的正物质都相互湮灭了。残留下来的一些正物质便形成了我们知道的这个宇宙。
大爆炸后数分钟时，冷却的物质开始形成轻元素的核，包括氢、氘、氦和锂。核物理定律对标准大爆炸模型在这时期的温度、压强和密度已经开始适用。因此我们可以准确地计算所应产生的原物质的成分。计算结果与我们实际所观测到的宇宙中最古老的物质的成分是相等的。
当不断减少的辐射能量密度低于物质的能量密度时，辐射为主的时代结束了。
以上情况不久，另一有划时代意义的事件便发生了。在宇宙年龄为30万年时，宇宙的温度第一次下降到了可以让整个原子（特别是氢原子）得以形成并保持下来的程度。在此之前，温度太高了，即使有一电子与原子结合在一起也会很快被撞为自由电子的。宇宙转化为由中性氢构成的这一时期被称为"复合时?quot;。
这个过程很重要，因为这是第一次把宇宙从辐射中解放出来，还之以透明。在此之前，宇宙是不透明的辐射不断地与物质粒子相互作用。由于气体氢是透明的，所以这时的辐射可以自由飞翔了。首次一自由光的形式传播。今天我们观测到的微波背景辐射就是复合时期遣留下来的。由于其强度大大减弱，该辐射已经产生了很大的红移。
由此开始，那些没有被漫步宇宙的辐射之海所平滑掉的物质密度的起伏开始产生结构，我们熟悉的天体，像恒星和星系开始形成。
恒星时代
恒星时代意味着这是一个"充满恒星"的时代，在该时代中，宇宙中产生的大部分能量来自于普通恒星的核聚变。恒星不断地形成、演化和死亡。我们目前就生活在恒星时代中期。
第一代恒星可能形成于宇宙仅有几百万年历史的时候（虽然这类属于"星族Ⅲ"的恒星到目前还没被证实）。在随后的几十亿年间，最初的星系开始出现，并逐渐形成星系团、超大星系团和大尺度结构。在很多星系内部，恒星形成过程以惊人的速率发生。许多年轻的星系还经历着与其贪婪的中心黑洞有关的剧烈过程。黑洞会把魔爪的恒星撕裂，并把它们变成由热气体组成的围绕其自身的吸积盘。在时间的长河中，大多数的类星体和活动星系核逐渐死去。我们的太阳和太阳系形成得稍晚，大约在45亿年前，这时银河系已经存在了相当长的一段时间了。
在我们太阳系演化的过程中，不能不提的一个事件是当太阳耗尽其氢燃料后，重新调整自身结构并形成一颗红巨星。计算机模拟结果表明太阳表面将会令人伤心地膨胀到几乎足以吞没我们的地球，强大的热量将使地壳熔化，毁灭所有曾经存在于这个行星表面的生物和文明留下的证据。
然而，地球也在以各种可能的方式脱离这场灾难。成为红巨星的太阳将以很强的太阳风的形式抛弃大量物质。随着胀大的太阳把它的物质丢弃在太空，地球的轨道也会逐渐扩展一些，到一个稍安全些的地方，也许会变得和目前火星轨道大小差不多。
与此同时，在更大的尺度上，星系之间的碰撞和合并也在继续，然而这对星系中的单个恒星或行星并没有多少影响。据估计，60亿年后，我们的银河系将与M31，即仙女座大星云产生相互作用，即使那次不会合并，在更久远的未来这种命运也是难以逃脱的。这两个星系是很明显地由引力作用束缚在一起的一对儿，两者合并为一个更大的系统仅是一个时间问题。
对很多存在与星系团中的星系来说，相似的命运在等待着它们。在以后几个宇宙时代里，当时间以太年（即10E12年）来计算时，星系团也将合并，并让位于更大的不定型的类星系系统，在一些富星系团中，这样的过程已经开始上演了。
随着恒星时代的继续，一个关键性的角色将落到一类最不起眼、最通常的星体上，这就是红矮星。这类星的质量不足太阳质量的一半，但由于其数量庞大，它们的总质量很容易就超过其他星体质量的总和。尤其需指出的是，这些红矮星在把他们的氢燃烧成氢的过程中，可是真正的吝啬鬼。它们节省着自己的燃烧，以至于在九太年之后它们中的最节俭的成员还在闪闪发光。到那时，所有大一些的星都早已燃尽而变成象冰冷的白矮星这样的残渣或者以超新星的形式炸毁了。红矮星的长期演化与太阳这样更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自身的氢燃烧成氦的过程中，其亮度和温度都增加得非常缓慢，而不是很快膨胀并变成红巨星。一个很有趣的巧合：一个0.2太阳质量的恒星将经历一个相对平淡的人生，直到将近生命的尽头。在这期间，它的大小、温度、光度都几乎不变，其数值与今天的太阳差不多。
小质量星将在遥远的未来经历长时间的逐渐加热过程。在以后的某阶段，它们将比现在这种虚弱状态明亮得多。这也许需要几十亿年的时间，比如，一个0.16太阳质量的恒星在以后55亿年期间，其亮度将从现在太阳亮度的10%增加到25%，这段时间已足够在所有合适的行星上产生生命，比如我们的地球。在此之前，这些行星将在寒冷的状况下呻吟，以为这需要最小的恒星花几太亿年的时间在低温的主序阶段缓慢的进化。我们大胆地设想假如我们能达到这样一个遥远的未来中的行星，我们会发现一个和现在地球差不多的世界被照耀在阳光下，但那时的夜晚的空间将是一片空白，好象没有一颗星。
最后，即使是最小质量的红矮星也燃尽了它的氢，而一低质量的白矮星的形式结束它的生命。今天处于主序最低层的星，其质量仅有太阳的百分之八，它的主序阶段将持续10太年，而以后又该如何呢？
一个星系只要它能不断地得到星际气体这种原料，它就能维持星系内恒星的不断产生，随着恒星时代星风的减弱，恒星形成率也在不断下降。虽然这种趋势相当缓慢，10太年到100太年之后（这段时间相当于最长寿命的恒星的生命期），宇宙中的氢将耗尽，普通恒星的形成过程也永远不会再有了。
最后阶段产生的恒星们将是经历过许多代恒星演化循环的气体聚合而成的。因此，在这些后天恒星中，比氢和氦中的元素的含量会很高。当氧在恒星混合物中的含量足够高时，具有0.04个太阳质量的天体会在它的上层大气中形成厚厚的冰云，从而停止自身的收缩。核心因微量的核聚变而产生的热与从表面散失的能量保持平衡，使云层保持温热。这是些很怪异却真的很冷具有冰大气的天体。
当最后一颗红矮星也暗淡后，恒星时代也就结束了，这时宇宙的年龄大约是10E14年，天空中已没有一颗闪亮的恒星了。

宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量。大约150亿年前，在这四大皆空的“无”中，一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。

刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的，随着宇宙的迅速膨胀，其温度迅速下降。最初的1秒钟过后，宇宙的温度降到约100亿度，这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷，核反应开始发生，生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块，并逐渐演化成星系、恒星和行星，在个别天体上还出现了生命现象。然后，能够认识宇宙的人类终于诞生了。 这幅大爆炸图景，是目前关于宇宙起源最可能的一种解释，被称为“大爆炸模型”。大爆炸理论诞生于20年代，在40年代由伽莫夫等人进行补充和发展，但一直寂寂无闻。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论，不过也只是觉得它很好玩，并不信服。人们更愿意认为，宇宙是稳定的、永恒的。

但是，越来越多的证据表明，大爆炸模型在科学上有强大的说服力。我们不得不相信，宇宙有一个开始，也将有一个终结。它产生于“无”，也终将回归于“无”。 宇宙：可有始，可有终？

在人类历史的大部分时期，有关创世的问题，一向是留给神去解决的。宇宙起源于何处？终点又在哪里？生命如何产生？人类怎样出现？对这些疑问，许多宗教都能给出一份体系完备的答案。至于上帝从哪里来，这种问题是不该问的。

直到最近几个世纪，人们才开始学着把神撇开，以超越宗教的角度，去思考世界的本源。这样一来，就有一个重大的原则性问题需要解决：宇宙是永恒存在的，还是有起始的？

这两种说法长久以来一直困扰着科学家、哲学家和神学家，对于普通人来说，更是难以理解。假设宇宙在时间上没有起源，即过去一直存在，那么宇宙的年龄就是无穷大了。无穷大这个概念，一听就让人头昏脑胀：既然是已经过去了无穷久的时间，我们的“现在”又是什么呢？而如果说宇宙是有起始的，那么它就是从“无”中突然产生的了，这最初的一刹那，又是怎样呢？ 凭着人类在短暂的生命中获得的常识，实在是很难想明白这些东西。不过，我们可以从科学上寻求一些佐证。大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄有限，这个说法令人信服的直接理由，来自物理学中一条最基本的定律——热力学第二定律。这条科学史上最令人伤心绝望的定律，冥冥中早已规定了宇宙的命运。 简而言之，第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。对任何物理系统，这都是众所周知并且显而易见的特性，毫无神秘之处：开水变凉，冰淇淋化成糖水。要想把这些过程倒过来，就非得额外消耗能量不可。就最广泛的意义而言，第二定律认为宇宙的“嫡”（无序程度）与日俱增。例如，机械手表的发条总是越来越松；你可以把它上紧，但这就要消耗一点能量；这些能量来自于你吃掉的一块面包；麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量；太阳为了提供这些能量，需要消耗它的氢来进行核反应。总之宇宙中每个局部的嫡减少，都须以其它地方的嫡增加为代价。 在一个封闭的系统里，嫡总是增大的，一直大到不能再大的程度。这时，系统内部达到一种完全均匀的热动平衡状态，不会再发生任何变化，除非外界对系统提供新的能量。对宇宙来说，是不存在“外界”的，因此宇宙一旦到达热动平衡状态，就完全死亡，万劫不复。这种情景称为“热寂”。

宇宙正在缓慢地、但坚定不移地走向这无法抗拒的命运，几代智者为此怀疑人类的存在是否有意义。暂且撇开这种沮丧的情绪，作一个简单的推理，我们就可以发现，宇宙不可能有无限的过去。很简单，如果宇宙无限老，那它早就已经死了。以有限速率演变的东西，是不可能永远维持下去的。换句话说，宇宙必然是在某个有限的时间之前诞生的。 大爆炸：有推论有根据

第二定律明示了宇宙有起始，但这个重要推论竟然被19世纪的科学家忽略了，它只是在后来成为大爆炸模型的佐证。该模型的提出，是基于20世纪初的天文观测。

20年代，天文学家埃德温·哈勃注意到，不同距离的星系发出的光，颜色上稍稍有些差别。远星系的光要比近星系红一些，即波长要长一些，这种现象被称为“哈勃红移”。它说明，各星系正以很高的速度彼此飞离。一列火车快速驶远时，它的汽笛声听来会沉闷很多，因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了，这就是多普勒效应。把声波换成光，产生的效果就是红移。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认，红移是一种普遍现象，这表明宇宙正在膨胀。 这一发现，奠定了现代宇宙学的基础。 如果宇宙正在膨胀，那它过去必定比较小。如果能把宇宙史这部影片倒过来放，我们势必会发现，在过去的某个时刻，所有的星辰都是聚合在一起的。这个时间大概是100多亿年前，要准确推断它比较困难。

另外，宇宙膨胀的速度会随时间发生变化，这与引力有关。万有引力作用于字宙中一切物质与能量之间，起到刹车的作用，阻止星系往外跑，从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期，宇宙从高密度状态迅速膨胀，随着时间的推移，体积越来越大，膨胀速度越来越小。将这个过程向回追溯到宇宙创生的那一刻，可以发现当时宇宙体积为零，而膨胀速度为无限大。这就是大爆炸。

大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源。这些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前发生了什么、是什么引起了大爆炸，这些问题在逻辑上就是没有意义的。那以前所有的，只是“无”。

以上所述仅是旁证，似不足以令大多数人信服。如果150亿年前发生了一场大爆炸，如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹？于是，有一阵子，科研人员热衷于寻找宇宙创生的遗迹，劲头赛过当年的宗教考古学家寻找伊甸园。亚当和夏娃的文物是一样也没发现，原初宇宙最重要的遗迹倒真给找出来了，这就是微波背景辐射。 按照大爆炸理论，最初的几分钟里，宇宙是一个炽热的火球，到处充满温度高达几十亿度的光辐射。由于此时的宇宙处于热动平衡中，这种辐射具有独特的光谱特征，称为“黑体谱”。1965年，贝尔电话公司的两位物理学家彭齐亚斯和威尔逊偶然发现，宇宙确实浸润在一种热辐射之中。这种辐射以相同的强度从空间各个方向射向地球，其温度约为3K，谱线具有完美的黑体谱特征。微波背景辐射的发现，是对大爆炸模型最有力的支持。

知道了今天宇宙背景辐射的温度，就很容易推算出，宇宙诞生后约1秒钟各处的温度约为100亿度。在如此高温下，不仅我们熟悉的物质无法存在，连原子核也会被撕得粉碎。宇宙只能是一锅由质子、中子和电子等构成的基本粒子汤。

随着这锅汤变冷，核反应发生了。中子和质子很容易聚合在一起，产生由两个质子、两个中子组成的氦核。计算表明，氦核形成的过程持续了大约3分钟，形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一。这个过程用完了所有的中子，余下的质子就成了氢原子核。

因此，大爆炸模型预言宇宙应当由大约25％的氦和75％的氢组成，这与天文测量结果极为符合。最初三分钟里形成的氢与氦，构成了宇宙中99％以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素，只占宇宙总质量的不到l％，它们大部分是在恒星内部形成的。

根据推断，宇宙的形成距今约100～200亿年。

生命：既永恒又无恒

天文观测表明，各种天体的年龄均小于200亿年，这与大爆炸理论契合得非常好。我们的地球大概是50亿年前形成的，人类出现的时间更短得不值一提。宇宙现在还算得上年轻，担忧末日的来临，对单个人来说是十分无聊的事。然而，为全人类的命运想一想这个问题，还是有必要的。

按照大爆炸模型，宇宙在诞生后不断膨胀，与此同时，物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。如果宇宙的总质量大于某一特定数值，那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩，造成与大爆炸相反的“大坍塌”。如果宇宙总质量小于这一数值，则引力不足以阻止膨胀，宇宙就将永远膨胀下去。

在非常遥远的将来，比如1亿亿亿年以后，所有的恒星都燃烧完毕，茫茫黑暗中，潜伏着一些黑洞、中子星等天体。宇宙的尺度已经膨胀到如今的1亿亿倍，而且还在扩张下去。在这个系统里，引力虽不足以使膨胀停止，但会不露声色地消耗着系统的能量，使宇宙缓慢地走向衰亡。黑洞在霍金效应的作用下释放出微弱的辐射，最终全都以热和光的形式蒸发掉。足够长的时间之后，连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了，宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤，其中有光子、中微子，越来越少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动，彼此越来越远，不会再有任何基本物理过程出现。

这是寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙，它已经走完了自己的历程，面对的是永恒的生命，抑或永恒的死亡。这种情景，差不多就是“热寂”了。

如果引力足够强大，宇宙终有一天开始收缩，又将如何呢？在大尺度上，收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的，像一场倒放的电影。收缩的过程起初很缓慢，随后越来越快。在转折点过后，宇宙的体积开始缩小，背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉，生命无处可逃，全都被煮熟烤焦。最后，行星、恒星也毁灭了，分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内，最后三分钟来临了。

温度变得如此之高，连原子核也被撕毁，宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。随后，质子和中子也无法区分，挤成一堆由夸克构成的等离子体。在最后的时刻，引力成为占绝对优势的作用力，它毫不留情地把物质和空间碾得粉碎。在这场与大爆炸的“暴胀”相对的“暴缩”中，所有的物质都因挤压不复存在，一切有形的东西，包括空间和时间本身，都被消灭。

这就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中诞生于无的宇宙，此刻也归于无。无数亿年的辉煌灿烂，连一丝回忆也不会留下。

主讲人简介

何香涛，北京师范大学天文系教授。毕业于北京师范大学物理学系，毕业后留校任教。现任中国天文学会副理事长，北京天文学会理事长，发表多篇天文学著作，是我国著名的天文学专家。

内容简介

大爆炸模型认为，最初的宇宙是超高温、高密度的“一点。”大约180亿年前，这“一点”突然爆炸了，仅用10-36秒，伴随着真空相转移的过冷却现象，“一点”了瞬间几十个数量级的膨胀，成为一厘米规模的宇宙。其后宇宙继续膨胀，温度从几十亿摄氏度开始下降，大约在5500万摄氏度时，由降温过程的能量，生成中子、质子，它们又合成原子核，这些过程仅有3分钟。约30万年后当宇宙的温度下降到3000摄氏度时，自由电子被原子核捕捉形成原子。在随后的大约3000万年中那些原子继续向外膨胀。宇宙也继续冷却,到宇宙温度降至绝对零度之上167度时，原子开始化合形成稀薄气体。此后因密度波动、引力作用等开始向新的天体进化。再经过100多亿年，显示出多种多样的物质形态， 成了今天的宇宙。自从150亿年前的宇宙大爆炸之后，星体和各星系一直各自向外飞散。理论上讲，相互维系的重力应该减慢这个膨胀的速度，但是事实并非如此，实际上膨胀还在加速进行。美国普林斯顿大学的斯坦哈特说，宇宙无始、无终，一次次宇宙大爆炸将会永不止息，不断发生。

全文

上一讲我们介绍了宇宙是怎样通过大爆炸以后来诞生的，上一次我们只讲了宇宙从大爆炸，然后呢，仅仅的持续了多长时间呢？仅仅持续了三分多钟，也就说我们的宇宙基本框架就形成了。下面我们看，三分钟以后宇宙怎样演化，怎样一步一步的演化到我们现在的星球，现在的宇宙状态。那么我就要问一个最简单的问题，也是最通俗的来问，是先有的鸡还是先有的蛋？我要回答什么问题呢？我要回答的是星系是怎样形成的这个问题。

的的确确现在有两种理论，那么哪两种理论呢？我们来看一下，这个图就是一个典型的宇宙从一开始大爆炸以后，逐步演化的一个示意图。那么一开始呢，那一点就是大爆炸，大爆炸以后呢，宇宙不断的膨胀，同时温度也在不断地降低。那么中间的那一部分，就是我们现在看到的宇宙的背景辐射，或者叫做微波背景辐射，那么再往外边看到，宇宙在一点一点降低以后，物质慢慢就温度就越来越降低，越降低以后呢，物质的分子结构就越来越大。换句话说呢，这个物质就开始大家往一块靠，就开始形成一些小的团块，这些团块在再慢慢聚合，一步一步地就形成后边大家看到的，这个星系。也就说由一点一点聚合，就聚合成星系了。

如果按照这个顺序的话，不管怎么说，后边这一段是由小的团块一点一点形成大的团块，那就相当于我们说的先有的蛋后有的鸡，就变大了。但是还有一种可能，突然之间就先形成一些大的团块，然后一点一点大的团块再把它分裂，那就是说的先有的鸡后有的蛋。那么从什么时间开始形成星系呢？就是这个宇宙的温度我们说最初非常非常高，有一千亿度，如果说再往回追溯的话呢，甚至比一千亿度还要大。那么在这么高的温度下，我们说它不可能形成物质团块。那么温度降低到四千度的时候，这个时候这些物质的温度就凉下来了，冷下来了。然后呢，大家有可能坐在一起来谈了，就可以靠拢了，所以到了四千度的时候，宇宙中就开始形成物质团块，换句话说，引力就开始起作用，这就是我们星系开始形成的时间，这个时间呢，大约是在宇宙爆炸之后的十亿年，宇宙从爆炸以后，到了十亿年，就开始形成物质团块了。就按照这个图，叫做top-down，就先形成非常大的团块，宇宙一冷下来以后，突然之间这冷下来之后，大家就是非常的高兴，非常的欢呼，原来都在激发状态，谁也不得安宁，突然一冷下来以后所有物质成团了，只有成团了才能沉淀下来，先成团了一个很大很大的团块，多大呢，就像一个大饼一样，这个大饼成了以后，再慢慢慢慢分裂，就形成了下边的一个一个的星系。这是一种可能，这就是说，先有的什么？先有的鸡后有的蛋，先形成大的团块，然后再形成现在的星系。

还有一种可能，叫bottom-up，就是先形成小的一些物质，就是团块。然后这些小的物质一点一点来凝聚，最后凝聚成什么？一个一个的星系，总之不管是由大块变成小块的，还由小块的变成大块的，总之要形成什么？形成我们现在的星系，也就是说，宇宙大爆炸之后，大约十亿年，就开始出现形成了星系。

这个图是一个模拟图，就模拟一下这个星系是怎么形成的，现在就是做一个它的模拟过程。你看这些个团块在相互之间互相吸引，并合在一起，最后呢，形成了几个星系，好，就形成这个星系，那么我们这个动画呢，最初看到几个团块是由哈勃空间望远镜拍摄下来了，我们然后模拟，那些团块根据我们这个模拟过程最后就形成这个星系。

那么现在宇宙中有多少星系呢？数也数不清，我们再看几个，那么这就是真实拍下来的宇宙空间的一部分。你会看到什么，弥漫着很多的物质，这些个物质呢就在不断地形成新的星球，不断地形成新的星球，那么宇宙中和我们银河系一样的星系多不多，太多了，就宇宙中有很多很多和我们银河系一样的类似的星系，你要说我们银河系漂亮不漂亮，跟这个星系比的话，可能还没有这个星系漂亮，这个星系叫做漩涡星系，中间有一个核，是非常漂亮的，所以这个星系在那儿不停的旋转，这就是一个和我们银河系类似的一个河外信息。我们再看一个，这也是一个星系，这个星系呢不那么旋转，我们把它叫做椭圆星系。它是一个椭圆形的，但是这个星系个非常大，这个椭圆星系往往比漩涡星系个头还要大。那么椭圆星系在宇宙中也非常多，我们再看一个，你看这个星系有什么特点呢？一边有旋转，另外它中间那个核不是一个圆的，有点像一个棒槌一样，所以我们管这个星系叫做棒旋星系。

这是另外一个星系，这个星系还有一个小兄弟。你看星系左边它还带着一个小的星系跟它连在一起，好像是一个大星系牵着一个小弟弟，两个星系连在一起，样子非常好看。就像一个大的手臂一样，把那个小的星系牵在一起，这也是一个巨大的椭圆星系，这个就比星系的规模要大的多。你看上边那些个点，每一个点就是一个星系，星系和星系组合在一起，是什么呢？叫做星系团，就是星系和星系也可以组合在一起，成为一个更大的家庭，我们叫做星系团。这个就是一个星系团，这个星系团是目前离我们银河系最近的一个星系团，叫做仙女座星系团，离我们最近。

我们说了半天，我们银河系是不是一个星系，当然我们银河系是一个星系，有人就问了，那你告诉我银河系星系是什么样子的。这非常困难，因为我们在这个星系里边，是无法看到我们星系全部的面目，我们只能看一部分，看看太阳这边的是什么状态，再看看太阳那边是什么状态，然后我们大体上就把我们的银河系描绘出来了。那么描绘的结果，有一个星系和我们的银河系应该是非常相像的，就是这个星系，这个星系叫做仙女座大星云，这个大星云也是离我们最近的星云之一，这个星云不但是我们的姊妹星云，而且这个星云在历史上立了很大的功劳。

我在上一讲提到了，哈勃证明了我们的银河系之外还有银河系，和我们银河系一样的，怎么证明的呢？就是通过这个星系来证明的，具体说它在这个星系里边找到了单个的星，不但找到了这个星，而且通过这个星测出了仙女座大星云的距离，发现这个仙女座大星云，绝对不会是处在我们银河系里边，那么在哈勃之前大家有一种看法，这个就是我们银河系里边的一些星云，所以当初把它叫混了，我们管它叫仙女座大星云。而这个仙女座就不然了，它是我们银河系一样的一个星系。首先有星系，然后星系里边再诞生了各种的恒星，那么恒星周围再有星星的家族。那这样的话，我们这个宇宙就慢慢诞生了，包括人类也就通过宇宙的演化，各种的高等生命，也就诞生了。

我们谈到这个地方以后大家会想到，你谈了这么多，谈到了现在了，你能不能谈谈未来，我们的宇宙将来怎么办？所以问题就变成我们的宇宙会终结吗？虽然我们说宇宙的终结离我们是非常非常遥远的事情，但是你不得不考虑。特别是作为科学家来讲，作为天文学家来讲一定要回答这个问题，我们的宇宙会不会有终结？我们再回过来看一下宇宙的演化，你看宇宙从最初一点，一步一步往下演化。我刚才说了，那么到了图的右边你就看到，通过星云以后，最后形成了很多星系，星系里边有恒星，那么恒星周围可能有行星，有可能诞生高等生命。那么宇宙还要往下膨胀，这个宇宙会不会无休止的膨胀下去呢？这是摆在天文学家面前一个非常严肃的问题，你必须回答，不然的话，你这个天文学研究可以说研究得不够彻底，对宇宙的了解还非常有限。天文学家正在努力去回答这个问题，那么通过反复地研究，我们发现我们的宇宙的走向大概是这个样子：我们先说一下这个图，这个图的横坐标就是时间，这个纵坐标就是宇宙的大小，那么靠近坐标轴的这个地方的绿线就是我们目前的状态，就是我们目前宇宙的位置。我们宇宙有三种可能，第一种可能就是最上边那个红线，这个可能就是我们的宇宙一直膨胀下去，一直膨胀下去，而且膨胀的速度是越来越快，往外膨胀，这是的宇宙一种可能。那么中间呢，第二种可能宇宙也是在膨胀，但是它膨胀的速度比较慢一点，比较平坦，也在膨胀，也会是不断地膨胀下去。那么第三种状态，就是最下边那条蓝线，它说呀我们目前的宇宙的确是在膨胀，但是我们宇宙膨胀以后呢，还会收缩，就是说从最初出发以后，膨胀一段时间以后，经过若干若干年以后，还会要收缩回来。

这个理论告诉我们，宇宙有这么三种可能性，天文学家就回答了，哪一种是正确的？怎么来回答呢？那么现在要回答这个问题，从理论上讲很简单，从实测上来讲很困难，为什么说从理论上很简单呢？这个宇宙究竟是继续膨胀下去，或者是膨胀的速度很快，或者是膨胀的速度很慢，还是膨胀膨胀以后就收缩回来，主要取决于我们宇宙中的平均物质密度，也就是说我们宇宙中到底有多少物质。如果我们宇宙中平均的物质密度比较高，那么它的引力的作用就会越来越大，那就有可能膨胀一段以后呢，就收缩回来。那么宇宙中如果物质密度比较低，没法拉住，咱们宇宙就一直膨胀下去，就是这样，从理论上讲就这么简单，但是还有一个问题需要天文学家注意，就是宇宙中的暗物质。大家知道我们国家著名的物理学家李政道教授在他的演讲就提到，他说21世纪物理学的一个重要的任务之一就是研究宇宙中的暗物质。

因此这些暗物质非常重要，那么事情是不是到此为止呢？没有。事情到此还没有截止，怎么没有截止呢？最后我们观测发现还有更严重的矛盾，就是把宇宙中的这些暗物质加进来，我们算出来宇宙的年龄也不对，还不正确，还必须有其他的物质，才能造成我们目前的宇宙的状态，年龄才能符合。那还有什么物质？一种是看得见的，一种是看不见的，那么看不见的总之它还在那儿存在。我们现在不但看不见，而且现在我们认为还没有存在的物质就是真的不存在，这个问题就很严重了。有没有呢？现在的回答说可能有，而且有的可能性是越来越大。这个物质说来很有意思，这最早是谁提出来的呢？最早是爱因斯坦提出来的，爱因斯坦在他的广义相对论方程里边随便加了一下，再加上一项我这个方程才能平衡，加的是个什么东西呢？爱因斯坦也说不清，大家就在他加的那一项里边在那儿做游戏。做了半天，爱因斯坦表示很歉意，说我这个宇宙中加的这一项，宇宙常数加错了，他说我这一生中犯的一个最大的错误，就是在我的方程里边加了个宇宙常数。可是没想到我们爱因斯坦过世半个世纪了，我们现在没办法了，又把他这个救命的稻草又拿来了。应该加进去，说爱因斯坦老先生没错，还是应该加进去，不但应该加进去而且十分重要，有可能在真空里边就有物质，真空里面可以取出物质来，那你们想一想如果天文学家把这个事情真正证实了，那我们这个物质的来源呢，那就比过去想象的要丰富的多。我们的真空里边就可以取出物质来，而且这个物质的含量甚至比我们看到的物质的含量还要多，还要丰富，那可真是取之不尽，用之不竭。你就随便取吧，探囊取物，想取多少就取多少。当然这个问题还是比较复杂，需要天文学家包括物理学家共同来解决，天文学家从观测上找到他存在的证据。所以说，李政道教授预言的这个是非常正确的，宇宙中21世纪物理学的一个重要的课题，可能就是研究宇宙中的暗物质。

那么如果说真的宇宙中有足够的暗物质，物质非常多，那就会出现什么状态呢？就像这个图上所描述的，就是最下边的一个状态。什么状态呢？我们的宇宙目前是在膨胀，膨胀膨胀以后怎么样，就慢慢就收缩了，就又收缩到一点。

那么现在天文学家有一个很重要的任务之一，就是不断地来研究宇宙中总的质量究竟有多少，大家知道我们放了空间望远镜，还放宇宙飞船，不仅观测它的光学波段，还观测它的X射线波段，还不够，还观测它的γ射线波段。所有这些目的之一，就想真正了解一下我们宇宙中究竟有多少物质，最重要的是回答我们的宇宙究竟要到那里去，什么时间终结，会不会终结，会不会收缩到一起再重新开始。

我讲了这些以后我不用问你们，你们自然有很多问题。这个实在是太玄妙了，不可思议，肯定有很多不可思议的问题。比方说这个宇宙到底有多大呀？你说了半天，这个宇宙有没有边呀，宇宙是大爆炸，大爆炸开始是怎么回事？大爆炸之前是个什么东西呀？大爆炸的空间有多大呀？那么大爆炸的时候，这么大一个宇宙装在那么一个小的空间里边装得下吗？诸如此类的问题太多了，我先回答一个问题。什么问题呢？我们的宇宙有没有边，这个宇宙到底有多大，那么天文学家会告诉你，这个宇宙是无限大的，你走不到尽头，走多远都走不到。你就不相信，我到任何一个地方去，我从这个地方到另外一个地方去，那么走的时间长一点我总能走到，最远是绕着地球转一圈。我也可以转过去，怎么走不到头呢？我先给大家最简单的演示一下，你看这是一张纸，我把这个纸稍微弯一下，弯成这么一个环。大家知道这个环，你看这个面上如果有一个小蚂蚁在这个面上走，你会发现它怎么样？它走得到头走不到？走不到。它转着圈就回来了。你说这个面有几个面？你仔细看一下，这只有一个面。这就说明什么呢？这我就告诉你一件事情，只要我这个空间把它弯曲了，你就会出现这个现象，就不会再走到头了。就这么简单的事情，你放上一个蚂蚁它在上面走，永远也走不到头。所以说空间只要一弯曲你就走不到头了。这就是我刚才弯的曲面的一个卡通片，你看这个蚂蚁在这个面上走来走去，它会怎么感觉，它认为能不能走到尽头？永远走不到尽头，这个宇宙永远走不到尽头。

那么回过来说为什么永远走不到尽头？就因为在我们目前这个宇宙中，我们量宇宙的距离是通过什么来量呢？是通过光线，根据广义相对论这个光线在宇宙中是弯曲的，而这个弯曲已经被实验证实了。就说通过日全食的观测已经证明了光线的确是弯曲的，因此我们看这个宇宙是永远看不到尽头，所以我们的宇宙是无限的。

另外一点我们要说，你总是想找谁是宇宙的中心？谁是宇宙的边缘？这个不存在。我们说在这个宇宙中根据这个理论，我们宇宙中的任何一点都是平权的。我们说哥白尼把地球为中心搬到太阳为中心，我们就引用他这个名字，把这个原理叫做哥白尼原理。哥白尼原理用在宇宙上怎么说？就在宇宙中各点都是平权的，都是一样的。我们宇宙的话，你站在任何一点来观测宇宙，得到的效果都是一样的，大家都是平权的。这就是说我们的宇宙是一个不会有一个边界宇宙，不会有一个特殊的位置。

那么还要回答一个问题，你说宇宙从大爆炸起始的，那么大爆炸之前是什么？我刚才图里演示了，但是一种可能大爆炸之前也是一个宇宙，它收缩了以后开始大爆炸。那么也可能是有其他的可能性，这个可能性我们目前实事求是的说不是太了解。而且宇宙最初这个物理状态这么极端，我们研究透了没研究透，也实事求是的说也没有研究透，这个状态还是非常特殊。但是不管怎么说，这个大爆炸理论到目前为止无论从理论上还是从观测上已经被大部分人都接受了。所以有种说法，我们管目前的大爆炸理论叫做标准的宇宙。由于这个大爆炸它是一个热的大爆炸，而不是一个冷的，所以我们管这个模型叫做热大爆炸宇宙模型。这个热大爆炸宇宙模型，目前呢，已经被广泛地接受了。

虽然是说广泛地接受了，但是毕竟有好多不尽如人意的地方，想想起来非常困难。特别是我在介绍宇宙最初三分钟的时候你们都很难想像，说是0.01秒我们整个宇宙都装进去，你会想到不要说整个宇宙把地球装进去都很困难。所以不见得令人那么满意，那么就问了？有没有更理想、更令人满意的学说呢？这个回答应该说是有。尽管有的学说还没有被完全的普遍的接受，但是也不无道理。这样的学说很多，我来介绍其中的一个就是霍伊尔的学说。霍伊尔是英国的一位天文学家，他前年去世的，这个人的在天文学上面有很多重要的贡献。那么其中他就创立了一个学说，叫什么学说呢？叫稳恒态学说。他说我简直就不可思议，你这个宇宙起始的时候就那么一个大爆炸，这个不可思议是两方面：一方面你这个物理状态就不可思议。你说是夸克汤，哪来这么多夸克汤？谁来煮这个夸克汤能煮出这么一锅来？所以这个物理状态不可思议。另外一个他说你这个物理规律也不可思议，在那样极端的条件下，目前我们理解的物理规律在那个地方大概早就破坏了。所以他说你那个学说不对，我现在建立另外一个学说，叫什么学说呢？叫稳恒态学说。

它有两层含义，我们以前介绍的时候，往往讲的不是很清楚。哪两层含义呢？就说我们这个物质，目前宇宙的物理状态是比较稳定的，不会有大的起伏，不会有破坏性的，是一个稳恒的状态。第二层含义，这个宇宙不管怎么演化，从最初到现在到将来，它的物理规律都是一致的，就是说宇宙的最初演化到现在，这个物理规律应该是保持不变的。他说我们现在的宇宙模型不错，是在膨胀的，原来的宇宙呢？也是这个样子，只不过比现在小了一点。那么小了一点的话，里边的物质怎么样呢？他就说也少了一点，那过去那个物理状态怎么样？就比现在的密集，所以过去要小的话，里边的物质也少，现在比较大了，物质就增加了。如果我这个宇宙在膨胀，那物质就增加。人家就问了你这个物质怎么来的？他说很简单，怎么个简单法呢？这个宇宙一边膨胀，物质就一边产生，随着宇宙的膨胀，我这物质就不断地在那儿产生。这个理论过去说起来呀，那是大逆不道，我们说我们有种看法认为物质是不生不灭等等，那你物质无中生有，那不是大逆不道是什么？现在看来也不无道理，既然真空中都可以产生物质，那就一边膨胀，就一边有物质产生。这就是霍伊尔的宇宙观的基本思想。那么他这个理论曾经遭到过一些非议，但是，支持的人也大有人在。有很多观测想支持他这个理论，他本人也很聪明，想了很多办法去解释。

我讲了这么多，现在我讲讲我们中国古代的天文观念。我们中国人很聪明，不光在现在，古代我们就想了很多模型。我们来看一下，这个图片就告诉我们，我们中国人古代想出的宇宙，那么这个你看这个模型很简单，但是我要告诉你，这是周朝时候就想出来的，你就觉得不简单了。它像一个锅盖一样，叫做什么学说？盖天说，像一个锅盖盖在那个地方，天上有好多星星，而且在这个基础上编了很多故事。我们这个锅盖可能有好多柱子在那儿支着，有八个柱子，一开始说有四个柱子，后来说四个柱子支的锅盖支不住，八个柱子还支不住，所以那个女娲氏，她怎么办？去补天，她补一补。所以我们想像力很丰富，这是我们的什么说？盖天说。后来发现盖天说有不足之处，到了春秋战国的时候我们又想了一个，叫什么说？不光有一个锅盖盖在上面，下边还有，叫做什么说？混天说，就是我们整个宇宙就混混沌沌这么一个大圆球，我们地球像蛋黄一样，在这个宇宙中间，就叫混天说。所以我们想像力很丰富，根据混天说就造了混仪，这就是通过混天说的观点造的混仪，我们古代这位天文学家叫做张衡。说到这个地方，我就想到这么一个事情，就是天文学有没有用？有多大的用处？

我讲了半天，似乎大家感觉呢，非常的深奥，有没有现实意义呢？我可以回答你这个天文学虽然是非常深奥，但是天文学正是我们人类接触自然科学里边的第一门学科。我说人类接触自然的第一门科学就是天文学，为什么那么说呢？古代人要耕作，耕作的话你要知道春夏秋冬，他怎么知道春夏秋冬？通过什么来知道？就是通过看天上的星象，那么日月我们看一般的每日每月，这个季节呢？它就通过看天上的星象，什么星星出来了，到了什么什么季节了，也就是季节的划分等等都是靠着天文学。所以从最早的话，人类依靠的自然科学就是天文学，所以说这个天还是非常美丽的。研究宇宙呢！还是很有意义的。你看这个小姑娘，在目视着天空，在想宇宙的各种可能的模型以及我们宇宙的发展未来。谢谢大家！
http://www.cctv.com/lm/131/61/85891.html
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现在较广为接受的是"大爆炸"理,即宇宙由一奇点(巨大能量聚集在一点)在某时刻(当然,时间的概念是奇点爆炸之后才有的)爆炸所产生的.
由爱因斯坦的质能方程E= MC*C我们不难看出:能量与质量之间存在着密切的关系,大爆炸所产生的能量非常巨大,由它所产生了质量,刚开始是非常微小的质量(它们以微小的粒子形式出现,如夸克等)后来随时间的推移,逐渐形成了原子,这些原子有的质量相同有的不同,这些运动着的原子互相撞击产生分子,分子不断聚合又形成各种化合物.不同的原子组成不同的分子,不同的分子又能形成不同的化合物,这样凭借着这巨大的能量,产生了各种各样的物质.
这就是宇宙形成的物质基础.

现再还没有人能说清楚

爆炸

大爆炸