畢昇
創造的爆炸
在宇宙誕生之前，沒有時間，沒有空間，沒有物質，也沒有能量。大約6543.8+05億年前，在這個空無壹物的“虛無”中，壹個無限小的點爆炸了。從這壹刻開始，產生了物質和能量，這就是宇宙創造的大爆炸。
新生的宇宙又熱又密。隨著宇宙的迅速膨脹，其溫度迅速下降。在第壹個1秒之後，宇宙的溫度下降到大約1000億度。此時的宇宙是由質子、中子、電子形成的壹鍋基本粒子湯。隨著湯繼續變冷，核反應開始發生，產生各種元素。這些物質的粒子相互吸引融合，形成越來越大的團塊，逐漸演化成星系、恒星和行星，個別天體上也出現了生命現象。然後，能夠理解宇宙的人類終於誕生了。
這張大爆炸的圖片是目前關於宇宙起源最可能的解釋，被稱為“大爆炸模型”。生活大爆炸理論誕生於20世紀20年代，在40年代得到了補充和發展，但壹直默默無聞。直到20世紀50年代，人們才開始廣泛關註這壹理論，但只是覺得好笑，不服氣。人們更願意認為宇宙是穩定永恒的。
但是，越來越多的證據表明，大爆炸模型在科學上是強大的，至少現在沒有比它更好的理論了。我們必須相信宇宙有始有終。它來源於“無”，也可能最終回到“無”。
永恒的沈默
在人類歷史的大部分時間裏，創造的問題總是留給上帝去解決。宇宙起源於哪裏？終點在哪裏？生命是如何產生的？人類是如何出現的？對於這些問題，很多宗教都能給出系統的答案。至於上帝從哪裏來，這種問題不應該問。直到最近幾個世紀，人們才開始學會把上帝放在壹邊，從宗教之外的角度思考世界的起源。這樣就有壹個重大的原則問題需要解決:宇宙是永遠存在的還是有開端的？
這個問題長期困擾著科學家、哲學家和神學家，更不用說普通人了。不同版本的宗教和神話都認為世界是有開端的，並將創世時間設定在不太遙遠的過去——通常是幾千年前。這當然不可信，因為後來的地質和天文觀測表明，地球和其他天體的年齡都有幾億年之久。很難想象這麽長的時間，所以很多人傾向於認為宇宙壹直存在，在時間上沒有起源，也就是宇宙的年齡是無限的。無限的概念讓人暈頭轉向:既然過去了無限的時間，那我們的“現在”是什麽？而如果宇宙有壹個開端，它是如何從“無”中突然冒出來的？我們真的需要壹個創造世界的上帝嗎？
以人類短暫壹生所獲得的知識，很難完全理解這些。但是，我們可以尋求壹些科學證據來盡可能地接近真相。大爆炸模型的壹個基本假設是宇宙的年齡是有限的。這種說法令人信服的直接原因來自熱力學第二定律，這是物理學中最基本的定律。這個科學史上最可悲最絕望的定律，似乎已經規定了宇宙的命運。
簡而言之，第二定律認為熱量從熱的地方流向冷的地方。對於任何物理系統來說，這都是壹個顯而易見的特征，並沒有什麽玄機:沸水冷卻，冰淇淋變成糖水。如果妳想逆轉這些過程，妳必須消耗額外的能量。最廣義的第二定律認為宇宙的“熵”(無序度)與日俱增。比如機械表的發條總是越來越松；可以擰緊，但是需要壹點能量；這種能量來自妳吃的壹片面包；面包用小麥在生長過程中需要吸收陽光的能量；為了提供這種能量，太陽需要消耗它的氫進行核反應。總之，宇宙每壹部分熵的減少，必然是以其他地方熵的增加為代價的。
在壹個封閉的系統中，熵總是增加，直到不能再大。此時系統內部達到完全均勻的熱動態平衡狀態，除非外界給系統提供新的能量，否則不會發生變化。對於宇宙來說，不存在“外界”，所以宇宙壹旦達到熱力學平衡狀態，就會徹底消亡，萬劫不復。這壹幕被稱為“熱寂”。
宇宙正緩慢而堅定地走向這不可抗拒的命運，壹代又壹代的智者懷疑人類的存在是否有意義。讓我們拋開這種壓抑，做壹個簡單的推理，就可以發現宇宙不可能有無限的過去。很簡單，如果宇宙無限古老，它早就死了。以有限速度進化的事物不可能永遠持續下去。換句話說，宇宙壹定是在有限的時間之前誕生的。
星星離我們很遠
第二定律表明宇宙有壹個開端。19世紀的壹些科學家已經模糊地談到了這個結論。比如英國哲學家威廉·傑文斯提出1873中應該有壹個“創造時刻”。然而，大多數科學家忽略了這壹推論，這只是後來成為大爆炸模型的證據之壹。這個模型最早的理論基礎是愛因斯坦的廣義相對論，經驗基礎是19年末20世紀初的天文觀測。
大家都非常熟悉多普勒效應。最常見的例子是火車經過時的汽笛聲:當火車快速靠近我們時，汽笛聲的音調升高，但當它遠去時，音調降低。音調的變化是由於聲波相對於我們頻率的變化。
多普勒效應不僅適用於聲波，也適用於光波。當移動光源的光波到達我們的眼睛時，光波的頻率會相應發生變化。如果光源向我們移動，我們看到的光會向光譜的高頻端(紫端)偏移；相反，如果光源離我們很遠，光波就會向光譜的低頻端(紅端)偏移。
多普勒效應是奧地利天文學家多普勒在1842年首先發現的。它首先被用來觀察太陽和行星的旋轉。1968年，英國天文學家w·哈金斯首次應用這壹原理測量了天狼星的視速度，並宣布它正以每秒47公裏的速度離開我們。這個數字不準確，但基本結論是正確的。此後，世界各地的天文學家對其他恒星甚至河外星系進行了大量類似的觀測。發現星系光譜存在普遍的紅移。除了最近的星系，所有的星系都在遠離我們。
1929年，天文學家埃德溫·哈勃提出，這些星系的退行速度是有規律增加的，壹個星系的退行速度與它的距離成正比。這個定律被稱為哈勃定律，很快就被天文觀測所證實。
星系離得越遠，速度越快。為什麽？想象壹個表面有圓點的氣球。當氣球膨脹時，這些點相互遠離。假設有壹個小人站在任何壹點。在他看來，其他所有的點似乎都在遠離它，離它越遠，速度越快。不管站在哪裏，效果都壹樣。這也意味著哈勃定律絕不意味著地球是宇宙的中心。
星系的遙遠行為讓人覺得宇宙在膨脹，就像壹個膨脹的氣球。天文學家現在大多承認宇宙正在膨脹的事實。而且愛因斯坦廣義相對論中“場方程”的解釋可以和膨脹的宇宙相壹致。
爆炸的起點
由於宇宙壹直在不斷膨脹，因此有理由想象它過去應該比現在小。如果能把宇宙的電影史倒過來看，應該會發現很久以前的某個時候，所有的恒星都在壹起，宇宙本來就是壹個致密的物質核心。
1922年，蘇聯數學家A·A·弗裏德曼首先提出了這種可能性。當時還沒有提出哈勃定律，弗裏德曼完全是通過理論推導得出這個結論的。在此之前，愛因斯坦發現他的方程只能描述膨脹或收縮的宇宙。然而，這位科學大師缺乏預言宇宙不是靜態的信心，於是他強行在方程中引入壹種排斥力，描述了壹個靜態的宇宙。
弗裏德曼指出，愛因斯坦的靜態宇宙極不穩定，不可能維持，壹個膨脹的宇宙雖然聽起來有點怪異，但更合理。愛因斯坦被說服了。年輕的弗裏德曼率先預言了宇宙的膨脹。不幸的是，天才羨慕他，弗裏德曼未能看到他的理論被哈勃證實。他於1925年死於傷寒，年僅37歲，功績鮮為人知。
1927年，比利時天文學家勒邁特獨立發展了壹個類似的宇宙膨脹理論。因為宇宙壹直在膨脹，所以在過去的某個時刻會很小很密。這個東西被勒邁特稱為宇宙蛋。他還提出，宇宙壹直在膨脹，是從過去的壹次超級爆炸開始的；今天的星系是宇宙蛋的碎片；而星系互相撤退，這是很久以前那次爆炸的回聲。
勒邁特的成就當時並沒有引起人們的註意，直到壹位更有聲望的英國科學家愛丁頓闡述了膨脹宇宙論，才引起科學界的普遍關註。直到上世紀三四十年代，俄裔美國物理學家加莫夫才真正普及了宇宙起源於爆炸的觀點。有趣的是，“大爆炸”這個詞是由壹個大爆炸理論的反對者創造的。天文學家霍伊爾認為，認同宇宙大爆炸模型就等於“公開邀請創世論”，向上帝妥協，這不是壹種嚴肅的科學態度。
壹般來說，大爆炸模型是這樣的:宇宙在不斷膨脹，膨脹的速度會因引力而隨時間變化。萬有引力作用於宇宙中所有的物質和能量，起到剎車的作用，阻止星系耗盡，從而使膨脹速度越來越慢。在誕生初期，宇宙從高密度狀態迅速膨脹。隨著時間的推移，宇宙的體積越來越大，膨脹速度越來越小。把這個過程追溯到宇宙產生的那壹刻，可以發現宇宙的體積為零，膨脹速度無窮大。這就是大爆炸。
大爆炸是空間、時間、物質和量的起點。在大爆炸之前，這些概念都無法推斷。大爆炸之前是什麽，是什麽導致了大爆炸，在邏輯上是沒有意義的。在那之前的壹切都只是“虛無”。
這個結論不容易接受。1948年，創可貼和黃金兩位奧地利天文學家提出了另壹種理論，承認宇宙膨脹，但否認大爆炸。後來，英國天文學家霍伊爾發展並推廣了這壹理論，稱之為“連續創造理論”。該理論認為宇宙是穩定的；在星系彌散的過程中，不斷有新的星系從太空中產生；形成星系的物質是無中生有的，其移動速度非常慢，現有技術無法探測到。結論是宇宙始終處於同壹狀態，在無限的過去和無限的未來中壹直是這樣，沒有開始，也沒有結束。
十幾年來，宇宙大爆炸和連續創造理論和爭論壹直很激烈，但沒有實際證據來決定哪壹個是對的。這期間“大爆炸”壹詞是貶義詞，引申的意思是“不正經”“可笑”。
火焰的余輝
熱寂靜和宇宙膨脹等理論似乎不足以讓大多數人相信大爆炸的存在。如果在過去的某個時間發生了大爆炸，那麽如此驚天動地的力量是否給今天的宇宙結構留下了某種印記？既然那麽多宗教考古學家熱衷於尋找伊甸園舊址和亞當夏娃的文化遺跡，科學家是否應該探索宇宙創造的遺跡？
1948年，加莫夫指導的年輕研究生R·A·阿爾夫在博士論文中提出，宇宙起源於約14億年前的壹次大爆炸，並詳細描述了宇宙誕生最初幾分鐘內基本粒子結合成元素的過程。論文題目是《化學元素的起源》，發表在《物理評論與通訊》雜誌上。在這篇文章中，Gamov玩了壹個文字遊戲，在論文中添加了沒有對這項研究做出貢獻的物理學家H Bate的名字。這樣，論文的三位作者阿爾夫、伯特和加莫夫的名字就和希臘字母表的前三個字母阿爾法、貝塔和伽馬頗為相似。這對於壹篇關於宇宙起源的論文來說真的很合適。
本文給出了大爆炸理論的第壹個數學模型。此後不久，阿爾夫與另壹位科學家赫爾曼壹起在《自然》雜誌上發表了另壹篇論文，提出了證明宇宙大爆炸理論的方法。
根據大爆炸理論，在最初的幾分鐘，宇宙是壹個充滿光輻射的熾熱火球，溫度高達幾十億度。由於此時宇宙處於熱平衡狀態，這種輻射具有獨特的光譜特征，稱為“黑體光譜”。隨著宇宙的膨脹，輻射的溫度不斷降低，但仍然保留了黑體光譜和整體均勻性的特征。根據計算，現在的宇宙中應該存在溫度在5K左右的背景黑體輻射。
這個傑出的預言在當時並沒有引起重視，而是被埋沒在浩如煙海的物理文獻中。1948年，沒有電腦和互聯網的時候，科學家之間的交流是無法和今天相比的。阿爾夫和赫爾曼不是射電天文學家，所以他們無法設計合適的探測器在太空中搜尋宇宙大爆炸的殘余輻射——即使他們願意那樣做，他們當時也沒有足夠的技術實力。此外，在20世紀40年代和50年代，對於大多數物理學家來說，重現宇宙早期歷史的細節並不是壹項嚴肅的學術活動。
許多年以後，在1965年，貝爾實驗室的兩位無線電工程師A·彭齊亞斯和R·威爾遜在校準壹個用於跟蹤衛星的非常靈敏的天線時，偶然發現接收機中有壹些噪聲。這說明宇宙沈浸在壹種輻射中，這種輻射相當於電磁波譜的微波波段中波長為7.35厘米的某種無線電信號，以相同的強度從空間的各個方向發射到地球，在大尺度上分布非常均勻。它的溫度約為3K，其譜線具有完美的黑體光譜特性。與此同時，由普林斯頓大學的R·迪克領導的科學家團隊獨立地重新發現了阿爾夫和赫爾曼做出的更早的預測，並著手設計壹種探測器來搜索宇宙大爆炸的殘余輻射。當他們聽說貝爾實驗室發現的輻射後，立即將其解讀為宇宙大爆炸後宇宙中原始高熱的殘余，也就是大爆炸火球的最後光芒。
因為這種背景輻射的頻率集中在微波波段，所以稱為微波背景輻射。大多數天文學家認為它的發現為大爆炸理論提供了確鑿的依據。所以大部分人接受大爆炸曾經發生過，拋棄了連續創造論。因為這個發現，彭齊亞斯和威爾遜獲得了1978諾貝爾物理學獎。然而，最早預言微波背景輻射的阿爾夫和赫爾曼並沒有因此獲得榮譽，甚至在許多總結大爆炸理論發展史的文獻中被遺忘。
還需要提到的是，1983年，人們開始了解到蘇聯射電物理學家西蒙諾夫可能早在1958年就發現了這種輻射，並用俄語宣布了這壹事實。Shimanov建造了壹個對微波信號敏感的天線，並報告說他在天空的各個方向上探測到了某種均勻的信號，相應的輻射的溫度在1K到7K之間。當時，他和其他任何人都不知道這個發現的重要性。事實上，直到1983，希曼諾夫才聽說了宇宙大爆炸的預言，以及彭齊亞斯和威爾遜的發現，那是他們獲得諾貝爾獎之後的五年。和阿爾夫、赫爾曼壹樣，西蒙諾夫也沒能得到應有的榮譽，科學史上也常有很多這樣的遺憾。
前三分鐘
大爆炸是什麽時候發生的？因為紅移很容易測量，所以我們相當準確地知道星系回歸的速度。但是要確定宇宙的年齡，還必須確定星系之間的距離。距離越長，星系回到現在位置的時間就越長。但是距離不好確定。關於宇宙的年齡，科學界眾說紛紜。壹般來說是在100-2000億年之間，比較流行的觀點是150億年。我們不知道宇宙大爆炸到底過去了多久，但我們更了解宇宙大爆炸後1秒到幾分鐘內發生了什麽。
第壹個1秒是宇宙歷史的分水嶺。在這壹瞬間之後，宇宙的溫度下降到了壹定程度，可以用我們現有的物理知識來描述，從而獲得壹個大致準確的宇宙鳥瞰圖。1秒之前，稠密、炙熱的宇宙是壹堆人類無法理解的粒子，現有的物理定律無法描述它們的行為。這是1秒的黑盒類型。
在1秒之前，宇宙中應該有等量的質子和中子，因為弱相互作用會使質子和中子相互轉化，維持它們數量的平衡。但在1秒，膨脹速度變得過大，弱相互作用不再能維持質子和中子數的平衡。因為中子比質子略重，所以質子轉化為中子需要更多的能量，這比中子轉化為質子更困難。然後，弱相互作用停止，中子和質子不再大量相互轉化，剩下壹定比例的中子和質子的相對數量——大約1比6。
在最初的1秒後，3分鐘內，中子和質子發生劇烈聚合，形成氘、氦和鋰原子核，主要是氦原子核。這個過程耗盡了所有的中子，剩余的質子變成了氫原子核。3分鐘後宇宙溫度降到100億度以下，物質密度也迅速下降，於是這種核反應就停止了。計算表明，在最初的三分鐘內，約有22-24%的物質形成氦4，剩下的物質幾乎都以氫的形式存在，只有十萬分之幾的部分變成氦3和氘，百億分之幾的部分變成鋰。
所以大爆炸模型預測宇宙中22-24%的物質應該是氦，其余大部分是氫。前三分鐘形成的氫和氦構成了宇宙中99%以上的物質。形成行星和生命的豐富多彩的重元素，只占宇宙總質量的不到1%，大部分形成於大爆炸後很久。
對全宇宙氦、氘等元素的觀測證明了上述豐度值的普適性。簡單的大爆炸模型和嚴格的天文觀測之間有著奇妙的壹致。這個預言是大爆炸最大的成功。
時空的盡頭
大爆炸模型並不是終極真理。它只是現有的宇宙起源理論中最好的，但仍有許多未解決的問題。比如前三分鐘之後的很多年，物質如何聚集成團形成星系和恒星，仍然是壹個模糊的過程。另外，把“大爆炸前是什麽”簡單歸類為邏輯上不合理的問題而不去回答，似乎有點不負責任，雖然很聰明。
對於大爆炸模型，科學界的壹個主要分歧是宇宙是“開放的”還是“封閉的”。這個問題關系到宇宙的終結。
據推斷，宇宙的形成大約是10-200億年前。天文觀測表明，各種天體的年齡都不到200億年，這與宇宙大爆炸理論非常吻合。我們的地球大約形成於50億年前，人類出現的歷史太短，無法提及。宇宙還年輕，擔心末日對壹個單身的人來說是很無聊的。但是，為了全人類的命運，有必要思考這個問題。
根據大爆炸模型，宇宙誕生後不斷膨脹，同時物質間的引力約束了膨脹過程。如果宇宙總質量大於某個值(臨界質量)，那麽總有壹天宇宙會在自身引力的作用下收縮，造成與大爆炸相反的“大坍縮”，這樣的宇宙就是“封閉的”。如果宇宙總質量小於這個值，引力不足以阻止膨脹，宇宙將永遠膨脹，也就是“開放”。
開放宇宙理論和封閉宇宙理論都很流行，而且相持不下。這是因為衡量宇宙太難了，無論從實際觀測還是理論推導都不容易做到。近年來的天文觀測似乎更支持開放理論，即宇宙總質量太輕，達不到引起收縮的臨界質量；甚至有人聲稱發現了導致宇宙加速膨脹的“反引力”。然而，這些結果都不是決定性的。
有趣的是，科學家發現無論宇宙是開放的還是封閉的，都必須非常接近臨界質量。如果質量太大導致引力太大，宇宙膨脹後很快就開始收縮，活不長。這樣壹來，恒星形成都來不及了，更別說生命和人類了。如果宇宙的質量太小，宇宙就會膨脹得太快，物質很快就會變得太稀薄而無法聚集成恒星和星系，生命也就無法誕生。在這兩種宇宙中，不會有人類尋找宇宙起源這種麻煩事。在某些地方可能存在壹個遠離臨界質量的宇宙，但既然我們存在於這個宇宙中，那麽它的質量壹定與臨界質量相差不大。這個事實無形中增加了確定宇宙是開放還是封閉的難度——我們需要非常精確的數據來確定宇宙的質量是大於還是小於臨界質量。
因此，我們必須對兩種未來做出預測。
如果宇宙永遠膨脹，在非常遙遠的未來——比如6543.8+億年後，所有的恒星都已經燃盡，在茫茫黑暗中潛伏著壹些黑洞、中子星等天體。宇宙的規模已經膨脹到今天的65438+億倍，而且還在膨脹。在這個系統中，引力不足以阻止膨脹，但它悄悄地消耗了系統的能量，使宇宙慢慢衰退。黑洞在霍金效應下發出微弱的輻射，最終全部以光和熱的形式蒸發。經過足夠長的時間後，即使是質子這樣穩定的基本粒子也會衰變並消亡，宇宙最終成為壹個難以置信的稀湯，其中包含光子、中微子以及越來越少的電子和正電子。這些粒子運動緩慢，彼此距離越來越遠，不會有基本的物理過程。這是壹個寒冷、黑暗、荒涼、空虛的宇宙。它已經走完了自己的路程，正面臨永生或者永恒的死亡。這種場景和傳統的“熱寂”不太壹樣，但荒涼程度很像。
如果宇宙的質量大於臨界質量，有壹天開始收縮怎麽辦？在大尺度上，收縮過程與大爆炸後的膨脹是對稱的。就像壹部上下顛倒的電影，收縮過程壹開始很慢，然後越來越快。從膨脹到收縮的轉折點之後，宇宙體積開始縮小，背景輻射溫度上升。黑暗冰冷的宇宙變成了越來越熱的大熔爐，生命無處可逃，壹切都被煮熟烤焦。最後行星恒星毀滅，分布在當今浩瀚宇宙空間的物質被擠壓成壹個小體積，最後的三分鐘來了。
溫度變得很高，連原子核都被撕裂了，宇宙變成了壹鍋基本粒子湯。但是，這種狀態只能維持幾秒鐘。最後1秒，質子和中子分不清，被擠成壹堆由誇克組成的等離子體。在最後時刻，引力成為主導力量，毫不留情地碾壓物質和空間，時空曲率不斷增大。在這場“大坍縮”中，所有的物質都不復存在，存在的壹切，包括時間和空間本身，都被消滅了。剩下的只是時間和空間的奇點。
這就是結局。這是壹切的終結。大爆炸中在虛無中誕生的宇宙現在也是虛無。億萬年的輝煌，連壹絲回憶都不會留下。
畢升註:我曾經給《環球》雜誌寫過壹篇同主題的短文，到處被網友轉載。後來又補充成了現在的這篇，算是2.0版本。但是還是有壹些地方經不起推敲，比如熱寂問題，宇宙的終結。我正在努力學習，也許有壹天我會拿出壹個更好的版本。
鄉間將長滿野草，雨雪交加，胡將泥中。
超德