螞蟻看世界：宇宙的歷史和其他奧秘

原創：鄭娟娟

　　每天，在地球上，都會有新生命誕生。我們習慣了一切事物都有始有終，我們的好奇心也免不了產生這樣的疑問：宇宙是怎樣開始的？是怎樣演化的？又將如何結束？根據目前為止已有的天文學和物理學的發現，我們幾乎可以肯定的是，現在的宇宙的確有一個開始。

宇宙的誕生和演化

　　那麼宇宙到底是怎樣誕生的呢？天文學家將數學模型與科學觀測結合在一起，來開發解釋這一問題的可行理論。其中，大爆炸理論（The Big Bang theory）是目前的主流理論。該理論的數學基礎包括愛因斯坦的廣義相對論，以及基本粒子的標準理論。

根據標準理論，138億年前，宇宙從一個難以想像的非常非常小、非常非常炙熱、非常非常緻密的奇點開始。在這個初始狀態之後，宇宙突然膨脹，發生「大爆炸」，它迅速地擴張和冷卻，從最初炙熱而緻密的奇點，一直膨脹和冷卻到現在宇宙的大小和溫度。直到今天，宇宙依然在膨脹和冷卻，而我們就身處其中。如何想像這種大爆炸呢？科學家告訴我們這種大爆炸並不是大規模的爆炸，而是一種急劇的膨脹，可以想像一個被吹大的氣球：從一個極小的氣球瞬間吹大到目前宇宙的大小，並且這個氣球還在加速膨脹。

圖片：大爆炸模擬圖 來自：http://thumbs.media.smithsonianmag.com

如果我們在大爆炸後的1秒鐘看宇宙，我們將看見質子、中子、電子、反電子（正電子）、光子和中微子的汪洋大海，根據美國宇航局（NASA）的數據，此時的溫度大概是55億攝氏度。隨著時間的推移，宇宙逐漸冷卻，中子或衰變成質子和電子，或是與質子結合產生氘（氫的同位素），宇宙持續冷卻，最終達到電子與原子核結合形成中性原子的溫度。在此之前，整個宇宙是混沌無光的，因為自由電子會使光子發生散射。但當自由電子被吸收形成中性原子時，宇宙突然間就變得透明了，這一瞬間，宇宙最早期的光子閃耀出光輝，根據NASA提供的數據，這個時間點大約是大爆炸後38萬年。

這種早期的光，有時被稱為大爆炸的「餘輝」，也被稱為宇宙微波背景（CMB）。1948年，拉爾夫·阿爾弗（Ralph Alpher）和其他科學家第一次預測它的存在，現在，它已經被觀測到。NASA發起了兩個任務來研究宇宙背景輻射，拍攝宇宙誕生後40萬年時的「嬰兒期」照片。第一個是宇宙背景探測（COBE）。1992年，COBE小組宣布，他們已經繪製了宇宙背景輻射中原始的熱點和冷點。這些點與早期宇宙中的引力場有關，形成了在宇宙中伸展數億光年的巨大星系團的種子。

圖片：由COBE項目拍攝的CMB 圖片 來自：http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov

NASA的第二項探測宇宙微波背景任務是威爾金森微波各向異性探測(WMAP)。與COBE相比，WMAP的解析度大大提高，它探測了整個天空，測量了在宇宙中幾乎均勻分布的微波輻射的溫度差異。WMAP的圖片顯示了天空的地圖，熱的區域為紅色，較冷的區域為藍色。通過將這一證據與宇宙的理論模型相結合，科學家們得出結論：宇宙是「平坦的」，意味著在宇宙尺度上，空間的幾何形狀滿足歐幾里德幾何學的規則（例如，平行線從不相交，圓周直徑為pi等）。

圖片：由WMAP項目拍攝的CMB 圖片 來自：http://map.gsfc.nasa.gov

還有一個著名的研究項目，就是2009年開始的普朗克（Planck）任務，由歐洲航天局（ESA）主導，NASA大量參與其中。普朗克任務在2013年發布的觀察結果以前所未有的細節繪製了宇宙微波輻射背景，並揭示了宇宙的年齡比以前想像的更長：138.2億歲，而不是曾經所說的137億歲。

然而，在宇宙閃耀出光輝的那一刻之後，整個宇宙又陷入黑暗，因為當時還沒有任何恆星和其他明亮的天體形成。

大爆炸後的4億年，宇宙的再電離時代使得宇宙黑暗時期逐漸結束，在持續了超過5億年的這段時間裡，氣團坍塌，足以形成第一批恆星和星系，它們釋放的大量紫外線電離並破壞了大部分的中性氫。

　　儘管在大爆炸後的5-6億年間，由於宇宙中的物質通過引力拉近彼此，導致宇宙的膨脹逐漸減緩，但是一種被稱為暗能量（dark energy）的神秘力量卻又開始再一次加速宇宙的膨脹，並且這種現象一直持續到今天。

在大爆炸90億年後的一段時間，我們的太陽系誕生了。

　　對於宇宙年齡的估算，是通過對宇宙中物質和能量密度的組成進行測量來判斷的，這使研究人員能夠計算宇宙在過去膨脹的速度。有了這些知識，他們就可以把時鐘撥回去，推斷大爆炸發生的時間。

　宇宙暴漲

　　從最初COBE的結果所顯示的一個問題，以及更高解析度WMAP數據所顯示的依然存在的問題是，宇宙似乎太均質。從來沒有相互接觸的宇宙碎片如何在同樣的溫度下達到同質？為了解決這個問題，科學家提出了宇宙暴漲理論。然而，如果要發生宇宙暴漲，大爆炸時期的宇宙必須充滿一種不穩定的能量形式，這種能量的性質目前還並不知道。但無論其性質是怎樣的，暴漲模型預測，這種原始能量會由於宇宙非常小時產生的一種量子雜訊而在宇宙空間中不均勻地分布。這種模式將轉移到宇宙的物質中，並將出現在重組時開始自由流動的光子中。

　暗能量

　　上個世紀末之前，人們一直認為宇宙中的物質會減緩宇宙的膨脹速度。理由是，質量產生引力，引力產生拉力，天體之間的拉力必然會減慢宇宙的膨脹。但通過對la型超新星的觀測表明，宇宙的膨脹，不是在減速，而是正在加速。一種並不像物質，也不像普通能量的東西，正在推動星系彼此分開。這種東西就被稱為暗能量，之所以叫暗能量，是因為人們並不了解它。至今，暗能量依然是科學界最難解的謎題之一。

　　本文參考資料來源於NASA，SPACE以及BIG BANG THEORY網站的相關內容。

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