話說宇宙演化

話說宇宙演化

1、最初三分鐘

宇宙的最初源頭是一個奇點，即所謂的「宇宙蛋」，它凝聚了所有的時空質能，孕育著未來物質世界的一切，包括天體和生命。

大約150億年以前，宇宙蛋在一場無與倫比的大爆炸中猝然爆發。大爆炸震撼出時空，物質世界破殼面出，宇宙史的紀元從此開始。

剛剛誕生的宇宙，空間從無到有並急劇猛增，僅僅10e-32秒後，就暴脹到大約1光年的直徑。在1 秒鐘時，由於大爆炸產生的極強高能輻身均勻地充滿整個空間，宇宙成為100億k高溫的熔爐，所有物質被熬成一鍋基本粒子湯。

緊接著，一場肆虐的原始宇宙風暴開始了，基本粒子之間發生猛烈撞擊，中子熔入質子形成了氦核。這個過程延續了大約三分鐘，直至所有的中子消耗殆盡為止。有約22%質量的物質聚合成氦核，餘下的物質幾乎為沒有聚合的質子，即氫核，僅有十萬分之幾屬於同位素氦3和氘，百億分之幾歸之於鋰。

2、原始星雲形成

構建原始宇宙的原生物質（主要是約78%的氫和22%的氦）的產生過程，在宇宙史的最初三分鐘便告完成；在此後宇宙由於膨脹而冷卻，如此大規模的核合成過程再也不可能發生了，而小規模的核合成也只有等到恆星產生以後。

初生宇宙的空間充斥著極強壯的高能輻射，熾熱驚人。原生物質氫核和氦核均勻分布在整個太空，它們之間的引力微弱，遠不足以克服巨大的擴散壓力和輻射壓，因此無法凝聚成團。看來要打破這種物質均勻分布的狀態，還要等宇宙冷卻到足夠的程度。

光陰一分分，一年年地流逝著，30萬年過去，宇宙的溫度溫度急降到了4000k，然而其均勻狀態依然如故；1000萬年過去，宇宙中高能輻射冷卻變成

微波背景輻射，氫核和氦核形成了各自的原子，原子間的引力也終於戰勝擴散壓力和輻射壓，在它的作用下漸漸形成了一個個物質密度較大的地區，並繼續向中心收縮；原始星雲就這樣形成了。

在宇宙誕生1000萬年以後，由氫、氦兩種元素構成的巨大原始星雲瀰漫著太空，雖然非常稀薄，卻表明宇宙物質不再處於均勻分布的狀態，這預示了宇宙星光燦爛的未來。

3、恆星形成

原始星雲在引力的作用下繼續向中心聚集，並因星雲間的潮汐作用開始旋轉，漸漸形成雙凸透鏡的形狀。星雲收縮使引力不斷增強，從而促使旋轉不斷加速，而旋轉加速又導致星雲緣不穩定，從而裂成兩個旋臂。旋臂上發生局部的凝結，每個凝塊具有適當體積，可以在我們所見的恆星狹小限度內形成恆星。

以上過程不斷進行著，整個星雲最終演化成星系。宇宙中最初形成星系的時間大約是大爆炸後十億年。通過哈勃太空望遠鏡，可以發現在我們星系以外的遙遠空間里正在形成的其它星系，那正是幾十億年前形成這些星系的情形。

目前用天文望遠鏡觀測的星系總數須以10億來計算，我們所在的銀河系只是其中的普通一員而已。這些星系都是龐大的恆星集團，且距離我們極其遙遠，因此稱之為「島宇宙」。十幾個或幾十個星系由引力維繫在一起，組成星系團；隨著宇宙的膨脹，星系團間正彼此遠離。

4、恆星的生命歷程

恆星是宇宙物質凝聚到一定程度的產物，它起源於旋渦星雲臂上的一塊區域。在這塊區域物質較密集的部分，由於自身的引力較強，就會使物質聚集得更快，溫度也上升更快，旋轉得更快。這一過程逐漸加劇，當某一區域的中心溫度上升到約1000萬k時，就會引發熱核反應，向外發放輻射，恆星的生命歷程便開始了；而旋轉速度達到一定值時，恆星就會分裂成互相繞行的雙星或多星。

雙星（或多星）是恆星演化的正常規程，而伴有行星的單星（例如太陽）則是恆星演化中極其罕見的事件，大約在十萬個恆星中才有一個，它的起源過程至今仍然只是一個猜想：在恆星演化的某一早期階段，兩個氣體星運行到彼此鄰近時，便產生了潮汐波。及至兩星接近到某一臨界距離時，這潮汐波即射出長臂狀的物質，然後再裂成具有適當大小與特性的物體，形成像地球這樣的行星。

起源於原始星雲中的恆星為第一代恆星，它們是由原生物質組成的氣體星球。宇宙史紀元50億年時，第一代恆星產生了，它們照亮了幽暗的太空，從此一個新的宇宙時代來臨了。

5、恆星的生命歷程

恆星形成後開始進入生命周期中的氫燃燒階段，氫的原子核聚變成氦，並向外發放光和熱。當恆星中的氫消耗掉10%時就發生收縮，恆星中心部位的溫度升高到1 億k以上。同時，由於恆星內部的活動，恆星外層被中心區域推開，膨脹的恆星變成一顆紅巨星。於是，在星球密度很大溫度極高的中心部分開始發生氦的燃燒，氦核聚變成鈹，碳和氧。這一階段一直延續到恆星中心部分的氦消耗殆盡，碳和氧所佔的比例大致相等時才結束。

氦的燃燒階段結束時，星球中心區域收縮，溫度重新上升。在一些質量足夠大（質量至少是太陽的4倍）的恆星里，中心的溫度可以達到10億k，碳和氧的燃燒得以開始，結果形成了鈉、鎂、硅和硫等元素。當恆星中心部分的碳和氧消耗殆盡並富含硅時，便開始了硅的燃燒階段，硅轉化成硫，氬和其它一些更重的元素。如果恆星通過收縮，能使內部溫度升到30億k左右，那麼恆星便開始了它生命周期中的平衡階段，形成鐵及附近的一些元素。鐵在所有元素中，其原子核最為穩定，因此一顆恆星能燃燒到生命的終結，將形成一個鐵球，它的末日也便來臨了。

垂死的恆星與自身的引力作著最後抗爭，但最終還是跌進了引力深淵之中。外圍各層數以萬億噸計的物質以每秒幾萬公里的速度朝核區坍縮，與核區發生了極為強烈的碰撞，這就是「超新星爆發」。爆發的巨大能量使恆星外圍物質得以加熱，鐵吸收中子及能量後，在恆星熔爐的是最後階段煉出了金、鉛、鈾等更重的元素。以上過程表明目前人類所利用的核能（確切說應該是核裂變能）歸根到底是久遠的超新星爆發能，正如煤、石油所含的化學能是古老的太陽能一般。

超新星爆發產生的巨大激波，將恆星外圍的物質拋入廣闊無垠的太空；這些物質由恆星各個燃燒階段產生的92種元素構成。恆星的一生燦爛輝煌，它的光和熱孵育了生命；它亦是宇宙中神奇的煉金爐，組成我們及地球的每一個原子，都曾在那些久已熄滅的古老恆星中經受熔煉。

6、恆星的物質循環

第一代恆星消亡了，它歸宿於白矮星，中子星和黑洞。然而悲壯的死亡中醞釀著燦爛的新生，在它們的廢墟上將升起新一輪的恆星，一個有生命的宇宙時代即將拉開序幕。

超新星爆發拋出的物質，在廣袤的星際空間漫無目的地遨遊，在碰撞和輻射的作用下，被原始星支攜帶著運行。幾百萬年過去了，這些物質因膨脹而變得稀薄，最終與原始星雲混而為一了，因此宇宙中的星雲不再只是由原生物質氫和氦構成，而是遭到重元素的污染；由於這種污染，恆星之外有了出現自然景觀，生命，技術和能源的可能。

在宇宙史紀元100億年時，這種被「污染」的星雲在引力作用下收縮，坍縮和碎裂。核子活動再度爆發，第二代恆星及行星誕生了，太陽便是其中一例。這些恆星也將開始其生命歷程，最終與會因缺乏燃料而死去；它們的碎屑又與尚未聚集成恆星的原生物質一道凝聚成下一代恆星。但這種物質的再循環並非永無止境的，原生物質會一點一點地併入新生的恆星，直至全部用完。當最後一代恆星走完它們的生命輪迴而死亡時，宇宙永恆的長夜就來臨了。

7、生命的形成與進化

生命是宇宙物質演化的最高級形式，也有人認為生命只是宇宙演化的副產物中微不足道的偶然現象，由於發生了種種時間和空間的巧合，才得以在地球上出現。

的確，在宇宙中滿足生命形成與演化所必需的地方，即使不是唯有地球，也是很少的。地球所繞轉的太陽是恆星中少有的單星，使得它外圍有穩定的生態圈存在；太陽又是第二代恆星，使得其行星從一開始形成就有生命所必需的碳，氧等重元素存在；太陽大小適宜，使它既有足夠的存在時間供生命形成與進化，又有足夠的光和熱去孵育和養育生命；地球本身也是一個特殊的行星，它的軌道全部在太陽的生態圈內；它大小適宜，使它的引力能保留住水和大氣，且大氣層厚薄適當，既擋掉了大多數紫外線，又不至於遮住過多的陽光；地球有較強的磁場，使生命免遭宇宙帶電粒子的致命轟擊……，總之地球在許多方面擁有得天獨厚的生命存在條件,使其成為宇宙中少有的生命家園。

地球在46億年前形成後,便開始了生命形成歷程：原始地球中的無機物在太陽紫外線的作用下，形成了簡單有機物,它們通過水流彙集于海洋,在那裡化合成複雜的有機物。這些複雜有機物形成生命的過程,至今仍然是個疑案,但其中必定有不計其數的巧合,在地球形成生命的過程中幸運地發生了；這樣，原始生命在地球形成15億年後出現了。

原始生命在漫長的歲月里不斷進化:16億前有細胞核的單細胞生物出現,7億年前多細胞生物出現,3.7億年前陸地生物出現,2.8億年前爬行動物出現,1.8億年哺乳動物出現,7000萬年前靈長目動物出現,3500萬年前類人猿出現,400萬直前原人出現,50萬年前直立人出現,直至3.5萬年前出現了現代人類;於是在宇宙史紀元150億年時,宇宙中便有了智慧生物創造的技術和文明。我們目前所知的生命僅限於地球生命,而科學家對地外生命和文明的樂觀估計是：僅銀河系就可能有6億個行星有生命存在，其中擁有技術和文明的的行星也多達100萬個!

8、宇宙的終結

宇宙的未來命運如何?科學家、哲學家和神學家都提出了自己的觀點。一個目前被普遍認同的觀點是：宇宙作為物質世界的全部，也就遵守物質自身和規律；而根據熱力學第二定律，得出的結 論實在令人難以接受：宇宙將在遙遠的未來走向死亡——永恆的死亡。

設想在非常非常遙遠的未來，所有恆星因缺乏燃料而熄滅，宇宙一片黑暗。在這漆黑的浩瀚太空中，潛伏著許多帶自轉的黑洞、離散的中子星和黑矮星，另外還有一些行星級的天體，它們在引力的作用下進行著一場戰爭，戰爭的結局是星系解散了，絕大多數天體被引力彈弓拋入星系際空間，永遠漫遊在膨脹著的太空中；而星系中心的黑洞取得了兼并戰的局部勝利，它吞併了百分之幾的天體，形成了更大的黑洞。這場戰爭持續時間長得超乎想像，大約是今天宇宙年齡的十億倍。

在又一段長長得超乎想像的時間裡，當宇宙背景輻射由於膨脹降至足夠低的程度時，所有的黑洞最終都會在一陣快輻射中一下子化為烏有，在宇宙永恆夜幕中划出一道道瞬現即逝的閃光；而其它天體也將在這漫長和時間裡發生衰變而漸漸蒸發，直至完全消失，變成正電子或其它粒子；宇宙變成一鍋令人難以置信的稀湯，其中有光子、中微子及數量正在逐漸減少的電子和正電子。宇宙曾經擁有的輝煌，包括閃爍的群星以及智慧生命創造的無數奇蹟，都湮沒在這荒涼而又空虛的宇宙中，不留下任何記憶，只有時間在無休止地流逝，空間在無止境地膨脹……