宇宙大爆炸理论始末

宇宙永远是人类永恒的话题。就像孩子总是爱问妈妈他是怎么来到这个世界上一样，人类总是希望知道创造了自己的宇宙是怎么诞生的。对宇宙演化的探索是人类对自己生存环境的终极探索。宇宙是如此浩瀚，以至于用人类常用的距离单位是远远无法度量的。宇宙中最常用的距离单位是光年，1光年就是光在真空中行进一年走过的距离——94600亿km。 目前观测宇宙学告诉我们，宇宙中可观测的天体可分为行星、恒星、星系、星系团、超星系团、观测所及的宇宙（总星系）等层次，但宇宙中大量的暗物质和暗能量对人类还是一个未解之谜。从大尺度来讲（大于1亿光年的尺度），宇宙中物质是均匀分布和各向同性的，据此可推断宇宙中所有位置都是等价的，不存在宇宙中心，也没有边界。

宇宙的一个重要特征是，它在不断地膨胀，因此，人们建立了以大爆炸为主要特征的宇宙模型来解释宇宙及物质的起源。（图-1图片来自网络）一、膨胀的宇宙1842年，奥地利物理学家多普勒指出，如果光源和观察者之间有相对运动，会使观察者接收到的光源波长发生变化。如果光源离我们而去，我们接收到的波长变长，如果光源朝我们而来，我们接收到的波长变短，这种现象称为多普勒效应。对于可见光来说，波长变长，就是往红光方向移动，所以光源离我们而去时叫做红移。反之，光源朝我们而来波长往蓝光方向移动，就叫蓝移。从1912 年开始，美国天文学家斯里弗开始观察星云的光谱，经过几年的观察，他发现绝大多数星云的光谱线与正常元素的光谱线相比，整体向长波一端移动了一段距离，也就是发生了红移。根据波长红移的移动量，就可以计算出星系与我们的距离，也可以计算星系的退行速度。后来美国天文学家哈勃开始进行这方面研究。哈勃首先确认了星云是和银河系一样的另外的星系，然后对星系光谱红移的规律进行研究。1929 年，他总结出一个规律：星系的退行速度与它离我们的距离成正比，后来被称为哈勃定律。

现在人们已经观测到1250 亿个星系，除了几个离银河系最近的星系外，其他星系都在红移。红移现象表明，星系都飞快地远离我们而去，距离越远的星系退行速度越快，星系间的距离在不断变大，也就是宇宙正在膨胀！这个结论被认为是20 世纪最伟大的天文学发现之一。（图-2图片来自网络）几个离银河系最近的星系显示出很小的蓝移现象，例如仙女座星系的光谱与我们相比发生蓝移。其原因是因为太阳系在绕银河系中心运动，正好朝着仙女座星系运动，仙女座星系离我们近，退行速度慢，所以抵消了仙女座星系的退行。有人问了，为什么所有星系都离我们远去呢？难道我们处于宇宙的中心吗？事实上，宇宙并不存在中心，在膨胀的宇宙中，所有星系都在互相退行。在任何一个星系中观测，都能看到其他星系在离它远去。宇宙膨胀绝不是一个像炸弹爆炸似的有一个中心爆炸点的过程，它是一个三维空间的膨胀过程，你只有站在四维空间中才能完整地观察到三维空间的膨胀，这对我们来说是很难直观想象的，我们只能以类比的方式用二维空间的膨胀来做个说明。下面我们从三维空间中观察一个二维空间的膨胀，这个二维空间是一个正在膨胀着的气球表面，宇宙中的星系就像点缀在气球表面上的一些点（见图21-1（a））。气球膨胀时，从任何一点来看，其他点都在远离，两个点远离对方的速度与它们之间的距离成正比（见图21-1（b））。要认识到，并不是这些点在运动，而是这个二维平面空间在膨胀，所以空间各点相互远离，这些点的空间相对位置并没有变化。同理，我们的宇宙空间就是一个三维闭合球面。爱因斯坦在其著作《狭义与广义相对论浅说》中第31 节《一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性》中写道：“对于这个二维球面宇宙，我们有一个类似的三维比拟，这就是黎曼发现的三维球面空间。它的点同样也都是等效的……不难看出，这个三维球面空间与二维球面十分相似。这个球面空间是有限的（亦即体积是有限的），同时又是无界的。”

(图-3图片来自网络）当气球膨胀时，表面各点相互远离，不存在膨胀中心我们与其他星系的远离是由于空间在膨胀，而并非由于每个星系自身的运动。比如距离我们几十亿光年远的星系，其退行速度高达每秒十万公里（光速的1/3），星系自身是根本不可能有如此速度的，这是空间的膨胀才导致处于空间各处的星系能以如此惊人的速度相互远离。此外，我们由气球表面上各点一致的地位，可以看到在这个气球的表面不存在膨胀的中心，也不存在任何边缘，所以在这个气球表面的人不会掉出去。同理，如果有人要寻找宇宙的边缘，那是永远也找不到的，因为宇宙空间并非平直空间。宇宙是一个封闭的四维时空，虽然体积有限，但不存在边缘。假如你能坐着宇宙飞船沿着你在三维空间中感觉到的直线在宇宙中一直走下去，那么你最后还会回到出发点。就像二维球面世界里的人沿直线一直走最后会回到起点一样，他认为他一直在向前，实际上三维空间的观察者会看到他绕了一个大圈子。同理，你在宇宙中沿着你认为的直线方向一直向前，实际上四维空间的观察者会发现你正在三维空间里绕一个大圈子。但是，三维空间里的大圈子是什么样的，只能感知三维的人类是无法知晓的，就像二维球面里的人只有跳到三维才能看到他的二维闭合球面一样，我们只有站在四维空间里才能看清三维闭合球面的结构，这是不可能办到的。二、广义相对论与宇宙学现代宇宙学是建立在爱因斯坦广义相对论基础上的。1916 年，爱因斯坦将狭义相对论推广为广义相对论，把万有引力纳入相对论的框架，提出了物质会使时空发生弯曲，而引力场实质上就是弯曲时空的观点。也就是说，引力实际上就是物体在弯曲时空中运动的表现。物理学家惠勒曾用一句话来概括：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”时空可不是软柿子，不是随随便便就能弯曲的，只有具有天体质量的物体才能让它明显弯曲。我们可以设想一下，你把一个铁球放到橡胶垫子上，铁球周围的垫子会被压出一个凹坑，橡胶垫出现了弯曲，但是你说这个铁球能使时空弯曲多少，那就基本为零了，时空的弯曲程度可以忽略不计。我们可以做一个简单的比较：假设橡胶垫子的坚硬程度为1，那么钢的坚硬度是1011，时空的坚硬度则高达1043，如此高的坚硬度，也只有天体能让它弯曲了！

(图-4图片来自网络)时空竟然比钢铁还坚硬亿万倍，这太荒谬了吧？！这也许是你的第一反应。但是，让我们静下心来好好想一想就会发现这是可以理解的。铁球能让橡胶垫弯曲，这是因为橡胶垫支撑住了铁球的质量，如果放在一张纸上，铁球就会把纸压破掉到纸外去，所以橡胶垫比纸坚硬。那么你想一想，什么东西能承载质量是天文数字的各种天体呢？唯有时空！天体在不停地运动，就像铁球在橡胶垫上不停滚动，天体可以把经过的时空“压”弯，但不会掉出去（如果掉出去，就到了另外一个宇宙的时空中了）。关于时空的坚硬度，还可以换一个角度来看。时间一旦流逝就再难改变，想让时间维度伸缩那是难上加难，这岂不是坚硬无比吗？当然，时空的弯曲和橡胶垫的弯曲是不同的，因为橡胶垫是三维物体，它的弯曲我们很容易看到，而时空是四维的，四维时空本身就很难想象其图像了，至于其如何弯曲就更难想象了。假如有一个生活在橡胶垫表面（图-5的xy平面）的二维人，他是无法想象橡胶垫在厚度方向（z 方向）的弯曲的，他只能通过测量xy 平面的弯曲来间接证明z 方向的弯曲。如果你非常想知道四维时空弯曲的图像，那么可以把图21-2 中的xy 平面看作三维空间，z 轴看为时间轴，那么时空的弯曲就是图中的样子了。当然，我们虽然难以想象四维时空的弯曲是什么样子的，但可以间接证明它。爱因斯坦根据时空弯曲作出的天文学预言后来被一一验证，证明了时空弯曲是实实在在存在的。爱因斯坦指出，在引力场中，自由粒子沿时空短程线运动。大质量的天体会使周围的时空发生明显弯曲，从而使通过其中的光线发生弯曲。当然，光是沿着最短路径行进的，但由于空间本身发生了弯曲，所以在空间中行进的光线也会跟着弯曲，它不可能突破三维空间跑到四维空间中去走直线。

(图-5图片来自网络)生活在xy 平面内的二维人无法想象z 方向的弯曲射电天文学的发展为验证光在引力场中的偏转提供了精确的工具。如果射电星发射的电磁波（也就是光）经过太阳旁边，相应的电磁波就会受到引力场的作用而发生偏转。1974 年，美国科学家利用两个相距为3000km 的射电望远镜，测量了波长为11.1cm 的射电波，结果表明：经过太阳附近的射电波确实发生了偏转。这就证明了太阳附近的空间确实发生了弯曲。科学家们还通过光谱线引力红移和雷达回波延迟等效应证明了大质量天体附近的时间也是弯曲的。时空的性质由引力决定，即由产生引力的物质决定。广义相对论的引力场方程（又称爱因斯坦场方程），是广义相对论的核心，它使用数学语言精确地描述了物质及其运动与时空的几何结构的关系。引力场方程并不复杂，但是它竟然可以描述宇宙的创生及演化过程，这实在是让世人为之惊叹。现在的宇宙模型就是在广义相对论的基础上发展建立的。1917 年，在提出广义相对论之后不久，爱因斯坦就开始思考如何将这一理论用于宇宙研究。当时天文学家们仅仅只了解我们的银河系，甚至认为银河系就是整个宇宙，因而自然而然地认为宇宙是静态的——既不膨胀，又不收缩。但是爱因斯坦惊讶地发现，引力场方程描述的宇宙是动态的，不是膨胀就是收缩，永远不会是静止的。为了使宇宙保持静态，爱因斯坦只好假设另外有一个反引力与引力相抗衡。于是，他在引力场方程中引入了一个新的常数，并称为“宇宙常数”，用希腊字母λ 表示。1929 年之后，天文学家们已经认识到，银河系只不过是诸多星系中的一个，遥远的星系正在离我们而去，宇宙不是静态的，而是膨胀的。爱因斯坦得知后马上放弃了宇宙常数，并将引入宇宙常数评价为自己一生中“最大的失误”。

（图-6图片来自网络）山重水复疑无路，柳暗花明又一村。从1998 年起，越来越多的天文观测证据表明，宇宙不但在膨胀，而且在加速膨胀，这就意味着的确有一个与引力相抗衡的力，宇宙常数可能确实存在。现代量子宇宙论认为，宇宙常数是宇宙量子真空涨落的结果，等效于真空能量密度。也就是说，爱因斯坦的宇宙常数在今天看来，就是真空能。但是人们发现当前宇宙常数值太小，而且宇宙常数与现在的宇宙物质密度巧合地具有相同的数量级。对此现有物理学理论还无法给出合理的解释，因此宇宙常数问题也成为物理学和天文学上的重大疑难之一。广义相对论解释了宇宙天体中的许多现象，预言了黑洞、虫洞等的存在，开辟了探索宇宙本质的新视野，为现代宇宙学奠定了坚实的基础。三、宇宙理论的发展1932 年，比利时天文学家勒梅特首次提出宇宙大爆炸的假设，用这一假设，星系的退行可在爱因斯坦广义相对论框架内得到解释。1948 年，移居美国的苏联物理学家伽莫夫在勒梅特的基础上正式提出宇宙大爆炸理论，认为宇宙是由一个无限致密炽热的“奇点”于一百多亿年前的一次大爆炸后膨胀形成的。宇宙模型中的空间是有限的，但没有边界。所以大爆炸中的爆炸并非我们日常生活中见到的爆炸过程，事实上应该理解为空间的急剧膨胀，而整个空间是一个像二维球面一样能弯曲地回到原来位置的三维闭合球面。伽莫夫在1948 年有一个惊人的预言：宇宙演化过程中残留下来的电磁辐射（以光子的形式）在宇宙中自由传播，成为大爆炸的“遗迹”残存至今，但是其温度已降低到只比绝对零度高几度，这就是所谓的“宇宙背景辐射”。1965 年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在微波波段上探测到具有热辐射谱的宇宙背景辐射，温度大约为3K，验证了伽莫夫的预言。随后，更多的科学家在更多的波段内验证了背景辐射的存在，从而为大爆炸（图-7图片来自网络）

宇宙学模型提供了令人信服的证据。图21-3 为欧洲航天局根据“普朗克”太空探测器传回的数据绘制的宇宙背景辐射图。

（图-8图片来自网络）宇宙背景辐射全景图到20 世纪80 年代初，科学家们对大爆炸理论进行了修正，提出了暴胀宇宙模型。暴胀理论认为宇宙初期曾经发生过膨胀速度高到无法想象的超急剧膨胀。就宇宙膨胀来说，这一插曲极其短暂，暴胀仅仅从大爆炸开始后10^−36s 持续到10^−32s，但是暴胀却使宇宙从比原子还小的体积扩张到了直径约10cm 的球体。从某种意义上说，暴胀的速度超过了光速，因为要想通过10cm 的空间，光需要3.3×10^−10s 的时间。不过暴胀是空间自身的膨胀，并非某种物体在以超光速运动，所以这是可能的。至此，大爆炸理论已经比较完善了，但是还剩下一个最让物理学家们头疼的问题——宇宙诞生时的“奇点”问题。奇点出现了物理上所不期望的无穷大量（无穷大密度、无穷大压强等，我们在第3 章中讨论过，无穷是一个纯数学概念，在物理中是不适用的）。大爆炸奇点处，一切科学定律都失效了，所以奇点是不可能真实存在的，这就构成宇宙学最大的疑难：奇性疑难。为了破解这个难题，出现了用量子理论来研究宇宙起源问题的量子宇宙学。宇宙诞生时的尺度是极小的，显然属于量子力学的研究范畴。1982 年，霍金等人提出了将量子力学和广义相对论结合在一起的量子引力理论来研究宇宙起源问题，这一理论的特征是用费曼的路径积分方法处理爱因斯坦的引力理论。霍金用宇宙波函数来描述宇宙的量子状态，这个波函数给出宇宙按照特征量分布的概率幅，因此在量子力学的意义上，这种描述是完备的。霍金的量子宇宙学可以从“无”中生“有”（to give everything from nothing），避免了“奇点”的出现。在霍金的宇宙里，时间和空间构成了一个四维闭合球面。老子在《道德经》的开篇就指明：“无，名天地之始；有，名万物之母。”这就是一种朴素的宇宙“无中生有”的哲学思想，竟和现在的宇宙起源理论不谋而合。四、宇宙的演化

2013 年3 月21 日，欧洲航天局把宇宙的精确年龄修正为138.2 亿岁。（图-9图片来自网络）尽管宇宙如此古老，物理学家们仍然能根据天文学观测结果和广义相对论等理论提出合理的模型来计算宇宙的过去，推断宇宙的演化图景，实在让人惊叹。根据量子宇宙论、大爆炸宇宙论（含暴胀宇宙论的修正），我们可以大致勾勒出宇宙的起源和演化的历程。1、量子引力时代（0<><>宇宙由一个不存在时间和空间的量子状态（“无”状态）自发跃迁（即所谓“大爆炸”）到具有空间、时间的量子状态。因为量子状态是量子化的，所以不存在中间过程，宇宙“无中生有”地诞生了。在这个时期，物质场的量子涨落导致时空本身发生量子涨落并不断地膨胀，空间和时间以混沌的方式交织在一起，时空没有连续性和序列性，因而前后不分、上下莫辨。此时四种基本力不可区分，是一种统一的力，此时的时空为虚时空。2、普朗克时代（5.4×10^−44s<><>当时间等于普朗克时间（5.4×10^−44s）时，虚时空发生超统一相变，实时空形成，粒子产生。相变点的能量是10^19GeV，温度为10^32K。此时时间和空间可以测量，但夸克和轻子不可区分，二者可以相互转化。相变破坏了力之间的对称性，引力首先分化出来，但强力、弱力、电磁力三种力仍不可区分。3、大统一时代（10^−36s<><>随着宇宙温度继续下降，时间继续膨胀，当t=10−36s 时，温度降至10^28K，发生大统一真空相变。相变过程中释放的巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀，直到10^−32s 最后完成大统一相变。相变后，宇宙的空间尺度增加了10^50 倍，强力分化出来，夸克与轻子相互独立。

（图-10）图片来自网络4、夸克—轻子时代（10^−32s<><>这段时期开始时，弱、电两种力不可区分。直到t=10^−12s，温度降至10^16K 时，发生电弱统一相变，中间玻色子基本消失，电磁力与弱力成为两种力。5、强子—轻子时代（10^−6s<><>t=10−6s 时，温度降至1012K（1 万亿开尔文），发生夸克禁闭，凝聚成强子（即重子和介子）。在这一时期的粒子– 反粒子对不断产生和湮灭，但产生的重子比反重子多了近十亿分之一，因而今天的宇宙是以正物质为主的宇宙。t=10−4s 时，温度降至1000 亿开尔文，宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位的时代，重子中则主要只剩下质子和中子。这时的主要特征是粒子间的转化产生了大量的光子和中微子。6、辐射时代和核合成时代[1s<><3.8×10^5a（38>当t=1s 时，温度降为100 亿开尔文，中子转变为质子的反应率超过质子转变为中子的反应率，因而总体上中子开始衰变为质子。正负电子不断湮灭转化为光子。这时，光子数大大超过具有静质量的粒子，每个质子或中子都对应着10 亿个光子，宇宙以光子辐射为主，进入辐射时代。辐射（即光子）是一种能量形式，辐射密度（单位体积空间中的辐射能量）可以用温度来表示。

t ≈ 3min 时，温度降为10 亿开尔文，中子数与质子数之比约为1：7。此时，质子和中子开始结合成包含一个中子和一个质子的氘核，氘核又很快结合成氦核。t ≈ 30min 时，中子基本上都和质子结合为氦核，剩余的质子就是氢核，所以氦核与氢核质量比约为2 ：6。中子在原子核中很稳定，于是宇宙中的中子数与质子数之比不再改变，一直延续至今。虽然有自由的原子核和自由的电子，但此时光子能量极高，足以击碎任何刚形成的原子，所以没有稳定原子形成，宇宙处于等离子体状态。等离子体像一团糨糊一样布满宇宙，光子在其中四处乱撞。光子、核子和电子之间通过电磁相互作用紧密地耦合在一起，互相碰撞散射，从而形成平衡态。（图-11）图片来自网络t ≈ 3.8×10^5a（38 万年）时，温度降至3000~4000K，物质密度与辐射密度基本相等，光子能量不足以击碎原子，自由电子开始被原子核俘获，形成稳定的原子（主要是轻元素）。从此，自由核子和电子数大大减少，光子终于获得了自由运动的空间，宇宙开始变得透明，进入以物质为主的原子时代。这个3000~4000K 的光子辐射不再被吸收，不断冷却至今，成为温度为3K 左右的宇

宙背景辐射。（图-12）图片来自网络7、星系形成时代[3.8×10^5a（38 万年）<><10>在这个阶段，宇宙内的实物粒子从等离子气体演化为气状物质。随着宇宙进一步膨胀和温度下降，气状物质被拉开，形成原始星系，并进而形成星系团，然后再从中分化出星系。理论和观测结果共同显示，最初的一批星系和类星体诞生于大爆炸后10 亿年，从那以后更大的结构（如星系团和超星系团）开始形成。再后来，星系进一步凝聚成亿万颗恒星。在恒星演化过程中，又形成了行星和行星系统。以上我们对宇宙的演化史做了一个概略的介绍，其中一些具体的数据尚有争议，但大致的过程基本上已取得广泛的共识，目前的实验数据也基本上是支持上述理论假说的。但是，宇宙学还在发展之中，未来人们会对此模型进行如何修正就很难说了。五、恒星的演化由炽热气体组成的、凭借内部核反应而能够自己发光的天体称为恒星。银河系就包含约2000 亿颗恒星，太阳只是其中的普通一员。恒星有其诞生、稳定和衰亡的演化过程，这一过程大约要持续几十亿甚至上百亿年。在恒星的形成和演化中，万有引力起着至关重要的作用。图片来自网络大爆炸后约10 亿年，宇宙中充满了以氢原子和氦原子组成的星际气体。星际气体透明、极度稀薄，在宇宙大尺度范围内基本均匀，然而也存在一些局部区域的密度涨落。如果某区域的气体密度稍高于周围其他区域，那么这一区域就会因引力稍强而吸引更多的物质到这里，使该区域的密度、温度变得更高一些。经过漫长岁月的演化，随着密度的增加，氢原子结合成H2 分子，产生出巨大的星际分子云。当星际分子云内部出现密度更高的部分时，在引力作用下，它会把周围物质吸引过来，这些物质旋转着向中心聚集，不断收缩，于是中心出现了一个核，核周围则形成旋转的气体圆盘。至此，一颗恒星的诞生条件已经具备。随着引力收缩的进行，核心的温度、压力、密度持续增高，H2 分子重新分解为氢原子。当核心温度达到1×10^7℃（1000 万摄氏度）时，氢聚变为氦的热核反应点燃，一颗耀眼的恒星自此诞生。恒星自诞生起，其中心就进行着熊熊的氢聚变反应，每4 个氢原子核（即质子）聚变成一个氦原子核。氢聚变反应放出的巨大核能向恒星外部猛烈冲击，阻止了引力收缩，从而维持了内部压力与引力的平衡，使恒星在这一过程中保持稳定。这一过程稳定而漫长，约占恒星整个核燃烧时长的99%，这一阶段的恒星被称为主序星。我们的太阳就处于主序星阶段，它每秒钟都会失去4.3×10^6t（430 万吨）的质量（6 亿吨氢聚变为5.957亿吨氦），即便如此，它也至少可以燃烧100 亿年。今天的太阳已走过了其生命历程的一半。

当恒星中心的氢全部聚变为氦后，大小不同的恒星接下来会沿着不同的方向演化：（图-13）图片来自网络1、质量比太阳质量的一半还小的恒星，由于中心温度和密度达不206 从量子到宇宙到点燃氦聚变反应的程度，将直接由主序星演化为白矮星。白矮星颜色呈白色，体积很小，多数比地球还小，但密度相当大，每立方米可达几百

万吨到上亿吨之巨。（图-14）图片来自网络2、质量比太阳的一半大、但比8 个太阳质量小的恒星，将由主序星首先演化为红巨星，然后演化为白矮星。这类恒星中心的氢全部聚变为氦后，中心能量剧减，辐射压力不足以与引力抗衡。因此，有着氦核和氢外壳的恒星中心又开始引力收缩，温度、压强、密度随之升高，于是外壳的氢被点燃并猛烈膨胀，恒星的体积变得十分巨大并发出明亮的红光。处于这种状态的恒星被称为红巨星。50 亿年后，太阳将变为红巨星，到那时，它的光亮度将增至如今的100 倍，体积会膨胀100 万倍以上，整个地球都会被膨胀的太阳所吞噬。当恒星中心区收缩到约1 亿摄氏度的高温时，中心的氦被点燃，发生氦聚变反应，氦原子会聚变成碳原子和氧原子：于是恒星又进入了一个新的核燃烧阶段。质量小于8 个太阳质量的恒星在经历了红巨星阶段后，外层物质被大量抛洒到宇宙中形成星云，留下的核心质量小于1.44 倍太阳质量，此核心会继续收缩，但它的引力还不足以引发碳元素的核聚变，所以最后会变成一颗碳−氧型白矮星。3、对于大于8 个太阳质量的恒星，在经历红巨星阶段后会发生超新星爆发，把大部分物质抛洒到太空，最后剩下的核心变为中子星或黑洞。如果恒星质量足够大，氦燃尽后，引力收缩又会使中心区的碳被点燃发生碳聚变，生成氧、氖、钠、镁、硅等较重元素。如此，新的核燃烧会一个接一个地进行：碳之后，氧燃烧，然后是硅、镁等，直到恒星中心区大部分是铁核时，核聚变反应终止。铁是核物质中最稳定的元素，它不会聚变，因此中心铁核不再产生热能，这样，恒星会因为核心失去支撑而极速坍缩，于是发生剧烈的核爆炸，称为超新星爆发。超新星爆发是宇宙中最剧烈的爆炸，大恒星这种炫丽的死亡方式所释放的能

量超过太阳在100 亿年中放出的能量总和的100 倍。如此巨大的能量会在一瞬间聚变出宇宙中所有的元素，这些元素就成为生命诞生的原材料。超新星爆炸喷发出的星尘在宇宙中飘荡，我们的星球和我们的身体都由这些星尘组成。可以说，生命产生的代价是昂贵的，它需要一颗大恒星壮烈的牺牲。超新星爆发后恒星的中心残骸质量大于1.44 倍太阳质量，巨大的压力会把电子挤压到原子核里与质子形成中子。最后形成的稳定天体就是中子星。中子星几乎就是把中子一个个紧挨着排列而成的巨大原子核。中子星的密度可达每立方厘米1×10^9t（10 亿吨）。中子星的质量上限为3.2 倍太阳质量。如果超新星爆发后恒星的中心残骸质量大于3.2 倍太阳质量，那么中子也无法抵挡引力坍缩，这时天体就会坍缩为黑洞。之所以称为黑洞是因为任何物质和辐射，包括光，在如此强大的引力作用下都不能逃离该天体，外部观测者无法观测到它。以上就是恒星的生命过程，壮丽而多变。恒星的能量来自核能，但宇宙中还有一种叫类星体的类似恒星的天体，其辐射功率（光度）可达恒星的10^10~10^15 倍，而且其辐射功率可以在一天之内增加一倍，其能量显然不可能来自核能。它们的能量到底从何而来，至今仍是个谜。六、暗物质与暗能量之谜1932 年，荷兰天文学家琼·奥尔特研究了银河系外缘星体所受的万有引力，他惊讶地发现，这些星体受到的引力与比我们能看到的发光星体所产生的引力大得多。他据此估算了银河系的总质量，发现这个质量大于可见星体总质量的两倍。当时人们对宇宙的研究还处于初级阶段，没有人重视这个发现。一晃几十年过去了。到了20 世纪60 年代，美国女天文学家薇拉·鲁宾等人在观测螺旋星系转速时，又发现了这个现象。按正常情况，离星系中心越远，受到的引力越弱，所

以星系外缘的星体运动速度应该随距离增加而越来越小。（图-16）图片来自网络但结果却令人吃惊，处于不同距离的外缘星体运动速度基本一致，基本不受距离影响。也就是说，有别的看不到的东西在吸引着它们，补足了引力强度。于是他们只能得出这样的结论：螺旋星系中大部分物质都是弥散开、看不见的，除了显露出它们的质量影响之外，别的什么也没有显露出来。1983年，人们发现距银河系中心20 万光年的一个星体，它的视向速度大于465km/s。根据天体物理学理论，产生这样高的速度只有在银河系总质量十倍于可见物质时才有可能。这些现象都表明：宇宙中的确存在暗物质。所谓暗物质，是指无法通过电磁波的观测进行研究，也就是不与电磁力产生作用的物质。暗物质自己不发光，别的光线也能直接穿过它，不与它产生任何作用，所以看起来空无一物，但它就在那里。人们目前只能通过引力效应判断宇宙中暗物质的分布。2006 年，美国天文学家无意间观测到星系碰撞的过程。星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测，但其组成成分至今仍是个谜。让人们无奈的是，暗物质的谜团还没解开，另一个更大的谜团又出现了——暗能量。1998年，美国的天文学家们利用遥远星系中的超新星来进行距离测量，从而追溯宇宙随时间的膨胀情况。这些超新星距离我们都在几十到上百亿光年远，所以它们实际上都是在几十到上百亿年前爆发的，这样可以利用它们来研究宇宙早期的情况。观测的结果是：超新星的星系距离比按哈勃定律计算的星系距离大，那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们，这意味着我们的宇宙正在加速膨胀！宇宙膨胀在加速是个极其令人惊讶的结果，它与宇宙学家们原先所预测的宇宙在减速的图像完全相反。因为万有引力的吸引特性意味着，任何有质量物体的集合在分散开的时候，其向外膨胀的速度必然会因为物质之间的引力作用而越来越小。所以，人们本以为宇宙膨胀是在踩刹车的，但结果发现它却是在踩油门。这实在是太出人意料了，从根本上动摇了人们对宇宙的传统理解。到底是什么样的力量在推动宇宙加速膨胀呢？这种力表现为与引力相反的排斥力，它能超越引力作用而使宇宙加速膨胀，这不可能是任何一个已知的力，所以人们将导致这种

力的能量命名为“暗能量”。（图-17）图片来自网络

尽管暗能量与暗物质都有着神秘的身份，但它们是不同的。暗物质和普通物质一样有着相同的万有引力作用，而暗能量则刚好相反，它是一种“反引力”，会产生向外的加速度。科学家们对暗物质的组成都摸不着头脑，对暗能量更是只能望而兴叹了。虽然提出了一些模型，但都没有得到证实与公认。（图-18）图片来自网络2002 年，天文学家们获得了宇宙中大部分能量是以神秘“暗能量”形式存在的新证据，这是通过对遥远的类星体进行长期观测而得出的。研究结果显示，约2/3 的宇宙能量由暗能量组成。目前最新的数据显示，在整个宇宙的质量构成中，我们常说的可见物质只占4.9%，暗物质占26.8%，还有68.3% 是暗能量（质能等价）。虽然看上去我们对宇宙已经了解了很多，但实际上人类对宇宙的认识还处于起步阶段，暗物质、暗能量、类星体等未解之谜预示着人类在宇宙探索的道路上还有很长很长的路要走。

（图-19）图片来自网络七、时空的颤抖：引力波1887 年，在麦克斯韦做出存在电磁波的预言近二十年后，赫兹在实验室中发现了电磁波。现在，有关电磁波的应用已经融入人们生活的各个角落。人们已经知道，电磁场的传播，也就是电磁波的产生是由电荷的加速运动导致的，电荷无论具有直线加速度还是向心加速度，都会产生电磁波。像麦克斯韦一样，爱因斯坦也做出了关于另一种波的预言。1918 年，广义相对论发表两年后，爱因斯坦注意到，广义相对论方程式中存在着这样的解：当物体作加速运动时会产生一种波——引力波，它随着时空自身的波动而传播。爱因斯坦指出：引力场也会像电磁场存在电磁波那样以波动的形式离开场源传播下去。根据广义相对论推导得知，引力波与电磁波既有相似之处，又有不同之处。引力波同电磁波一样，以光速传播；电磁波是由交变的电场和磁场组合而成，引力波也是一种交变的场，但这种场是时间曲率和空间曲率的起伏，代表着时间和空间的形变；引力波与电磁波都是横波，即波的振动方向与传播方向垂直；但是，电磁波是矢量波，而引力波是张量波，具有极强的穿透力。矢量波和张量波都是专业术语，我们无须深究，只要通过图21-4 就能观察到它们的不同。从图中可以看到，电磁波中的电场和磁场方向是固定的，而在引力波中，交变场的方向随着波的前进在连续地变化着的，看起来像一个电钻的钻头，是一种螺旋状的波。

引力波代表的是时空的振动，要知道，时空的坚硬程度是超乎想象的，所以其振动是相当微弱的。爱因斯坦曾经做过一个估算：取长度为1m 的棒，令其以最大的可能速度作旋转，由此产生的引力波功率是10^−37W。这个功率小得可怜，假设一只蚂蚁沿着墙向上爬行，其所用的能量都能达到10−7W。引力波如此微弱，以至于爱因斯坦曾认为引力波可能永远都不会被探测到，他甚至两次宣布引力波不存在，然后一次再一次地修正他自己的预测。随着时间的推移，人们对天体认识得越来越丰富，科学家们意识到某些天体的运动会产生极强的引力波，比如超新星爆发、双脉冲星体系的运动，以及黑洞的碰撞等。黑洞的质量可以达到10 ～ 109 个太阳的质量，这样巨大质量的物质坍缩将产生极强的引力波。对于离得较近的两个黑洞，它们在长久的轨道运行中会慢慢地螺旋着彼此靠近。由于黑洞的逃逸速度等于光速，两个黑洞最终将以极高的速度碰撞并合并在一起。当它们碰撞时，其所产生的引力波的能量可达到10^52W 的水平，但这个能量水平无法持久，只能维持1ms 左右。这里出现的问题是：两个黑洞碰撞形成的引力波是以爆发的形式出现，而不是一种有规律的周期振荡，所以它什么时候能传递到地球上并被我们探测到，只能靠运气了。（文：转自网络，图片：网络，编辑：赵启英2021年1月14日星期四）