原始的混沌和膨脹的宇宙
縱觀整個宇宙拇砰，我們立即面臨一個極其重要的問題梅忌，即它是否隨著時間的推移而演變。在過去除破、現(xiàn)在和將來牧氮，宇宙是與我們迄今為止看到的樣子大致相同，還是它正在經(jīng)歷了不同的進化階段瑰枫？
總結(jié)從不同科學(xué)領(lǐng)域獲得的經(jīng)驗踱葛，我們有一個明確的答案： 是的丹莲，我們的宇宙在不斷變化。它的過去尸诽、現(xiàn)在甥材、遙遠的未來， 是三個截然不同的狀態(tài)性含。從各個學(xué)科收集的大量科學(xué)事實進一步表明洲赵，我們的宇宙有一個開端。從這個開端起商蕴，宇宙不斷演化叠萍， 最終發(fā)展變成今天的樣子。
眾所周知绪商，行星系統(tǒng)的年齡已達數(shù)十億年苛谷，在各種獨立研究中這個數(shù)字不厭其煩地反復(fù)出現(xiàn)。顯然月亮是被太陽的引力從地球上扯下來的一部分物質(zhì)部宿，也應(yīng)該是數(shù)十億年前形成的抄腔。
對恒星演化的研究表明，我們在天空看到的大多數(shù)恒星都有數(shù)十億年的歷史理张。通過對恒星運動的普遍研究赫蛇，特別是對雙星、三星和更復(fù)雜星系的相對運動的研究雾叭，天文學(xué)家得出結(jié)論悟耘，這些結(jié)構(gòu)的持續(xù)時間不會超過數(shù)十億年。
另一個獨立的證據(jù)是织狐，各種化學(xué)元素暂幼，尤其是緩慢衰變的放射性元素，如釷和鈾移迫，雖然它們不斷衰變旺嬉，但它們?nèi)源嬖谟谟钪嬷校@使我們有理由相信厨埋，要么這些元素仍然由其他輕元素原子核不斷形成邪媳，要么這些元素只是大自然貨架上年代久遠的庫存罷了。
我們目前對原子核嬗變的了解迫使我們放棄第一種可能性荡陷。因為即使在最熱的恒星內(nèi)雨效，溫度也不會達到足以“制造”重原子核的溫度。事實上我們已經(jīng)知道废赞，恒星內(nèi)部的溫度是幾千萬度徽龟，而要想用輕元素的原子核制造出放射性的原子核，溫度得達到幾十億度才行唉地。
因此据悔，我們必須假設(shè)這些重元素的原子核是在宇宙的某個時代產(chǎn)生的传透，在那個特殊的時刻，所有的物質(zhì)都經(jīng)受了極其可怕的高溫和高壓屠尊。
我們可以粗略計算這個宇宙的“煉獄”時期旷祸。我們知道釷和鈾238的半衰期分別為180億年和45億年，而它們還沒有衰變太多讼昆，因為它們到目前位置與其他穩(wěn)定元素的數(shù)量近似相同托享。至于鈾235，其半衰期僅為5億年浸赫，其數(shù)量則比鈾的數(shù)量少140倍闰围。
釷和鈾238的大量存在表明這些元素的形成不會超過數(shù)十億年，我們可以從較少的鈾235中進一步計算這個時間既峡，因為這個元素每5億年削減一半羡榴，所以你必須經(jīng)歷7個這樣的半衰期（即35億年）才能減少到原來數(shù)量的1/128，因為：
從核物理學(xué)角度計算出的化學(xué)元素的年齡运敢，與從天文數(shù)據(jù)計算出的星系校仑、恒星和行星的年齡非常一致！
然而传惠，在數(shù)十億年前形成一切事物的早期階段迄沫，宇宙處于什么狀態(tài)？宇宙經(jīng)歷過哪些變化卦方，才能變成今天的樣子羊瘩？
對這兩個問題最恰當(dāng)?shù)拇鸢福峭ㄟ^研究“宇宙膨脹”現(xiàn)象得出的盼砍。正如我們以前所見尘吗，在宇宙的巨大空間中，有大量巨大的星系浇坐。太陽所屬的并且包含數(shù)百億顆恒星的銀河系只是其中之一睬捶。我們也看到了視野范圍內(nèi)（當(dāng)然，這個視野是由200 英寸望遠鏡幫助下實現(xiàn)的）這些星系基本上是均勻分布的近刘。
當(dāng)威爾遜的天文學(xué)家哈勃研究來自遙遠星系的光時擒贸，他發(fā)現(xiàn)它們的光譜略微向紅色端移動；星系越遠跌宛，“紅移”就越明顯。事實上积仗，我們發(fā)現(xiàn)每個星系的“紅移”大小與它們離開我們的距離成正比疆拘。
對這種現(xiàn)象最自然的解釋是假設(shè)所有星系都正在離開了我們，離開的速度隨著距離的增加而增加寂曹。這種解釋是基于所謂的“多普勒效應(yīng)”哎迄。也就是說回右，當(dāng)光源接近我們時，光的顏色向光譜短波長的藍紫色端移動漱挚；當(dāng)光源離開我們時翔烁，光的顏色向光譜長波長的紅色端移動。當(dāng)然旨涝，為了實現(xiàn)顯著的譜線移動蹬屹，光源和觀察者之間的相對速度必須很大。
伍德（R. W. Wood）教授因在巴爾的摩闖紅燈而被捕白华，他告訴法官慨默，由于我們上面提到的多普勒現(xiàn)象，他把紅色信號燈看成綠色的了弧腥。教授只是在欺騙法官罷了厦取。如果法官的物理學(xué)習(xí)得很好，他會問伍德教授說管搪，紅燈能夠被視為綠燈虾攻，汽車得以極高的速度行駛才行，然后再以超速的理由處以罰金更鲁！
讓我們回到銀河系的“紅移”問題霎箍。乍一看，這個問題有點令人尷尬：為什么宇宙中的所有星系都正在離開我們呢岁经？銀河系是能把所有東西都嚇跑的怪物嗎朋沮？如果是這樣，我們銀河系的可怕性質(zhì)是什么缀壤？為什么它看起來如此不同樊拓？如果你想到這個問題，很容易發(fā)現(xiàn)銀河本身沒有特殊的功能塘慕。其他星系實際上并沒有故意避開我們筋夏。
事實是，所有的星系都是相互分離的图呢。想象一個帶有小圓點的氣球（圖1）条篷。如果你吹入氣球并使其膨脹地越來越大，點之間的距離將增加蛤织。因此赴叹，任何一個點上的螞蟻都會認(rèn)為所有其他點都從它所處的位置“逃脫”。不僅如此指蚜，在這個膨脹的氣球上乞巧，點退后的速度與它們與螞蟻之間的距離成正比。
圖1 地球膨脹時摊鸡，氣球上的每一個點都與其他點逐漸遠離
這個例子清楚地表明绽媒，哈勃觀測到的星系退后的現(xiàn)象與我們銀河系的位置或其性質(zhì)無關(guān)蚕冬。這種現(xiàn)象僅僅是由于星系分散的宇宙空間正在經(jīng)歷了普遍均勻的膨脹。
根據(jù)觀測到的膨脹率和今天相鄰星系之間的距離是辕，可以很容易地計算出這種擴張至少在50億年前就開始了囤热。
在此之前，當(dāng)時的星云（現(xiàn)在的星系）正在形成整個宇宙中均勻分布的恒星获三。再往前旁蔼，這些恒星也緊緊地堆積在一起，使得宇宙充滿了連續(xù)的熾熱氣體石窑。再往前牌芋，氣體更為緊密而熾熱，這個階段顯然是生產(chǎn)各種元素（特別是放射性元素）的時代松逊。
現(xiàn)在讓我們總結(jié)這些情況躺屁，并以正常順序觀察宇宙的演變。
在整個歷史的開端经宏，在宇宙的萌芽階段犀暑，今天的威爾遜山望遠鏡（觀測半徑為5 億光年）所見的所有材料被擠壓成太陽半徑8 倍大小的球體，但這種非常致密的狀態(tài)無法長期存在烁兰。在短短的兩秒鐘內(nèi)耐亏，宇宙經(jīng)歷迅速的擴張，密度將達到水的數(shù)百萬倍沪斟； 幾個小時后广辰，將達到水的密度。
可能在這個時候主之，原本連續(xù)的氣體將分裂成單獨的氣體球择吊，這就是今天的恒星。在不斷擴張的情況下槽奕，這些恒星后來被進一步分開几睛，形成各種星云系統(tǒng)，這些系統(tǒng)就是現(xiàn)在的各種星系粤攒，并且仍在向遙不可測的宇宙深處不斷退去所森。
我們現(xiàn)在可以問自己：導(dǎo)致這種宇宙擴張的力量是什么？這種擴張會在未來停止并變成收縮嗎夯接？宇宙是否有可能轉(zhuǎn)過頭焕济，將銀河系、太陽盔几、地球和人類重新擠成原子核密度的一整塊呢晴弃？
根據(jù)現(xiàn)有最可靠的信息，這種事情永遠不會發(fā)生。很久以前肝匆，在宇宙演化的早期，宇宙沖破了束縛自己的鎖鏈——這條鎖鏈就是阻止宇宙中物質(zhì)分離擴張的重力——而膨脹顺献，因此旗国，他們會遵循慣性定律一直膨脹下去。
我們舉一個簡單的例子來說明這種情況注整。從地球表面發(fā)射火箭到星際空間能曾。我們知道過去的所有火箭，包括著名的V-2 火箭肿轨，都沒有足夠的驅(qū)動力進入太空; 它們會被重力阻擋寿冕，并在它們上升時落回地球。但是椒袍，如果我們能夠使火箭有足夠的動力以超過11公里/秒的速度啟動驼唱，那么火箭就可以克服重力，進入自由空間并且暢通無阻驹暑，這個速度就是克服地球重力的“逃逸速度”玫恳。
想象一下，一發(fā)炮彈在空中爆炸了优俘，它的碎片向四面八方飛去（如圖2a所示）京办。爆炸期間產(chǎn)生的力抵抗了將它們拉到一起的引力，使彈片彼此飛離帆焕。不用說惭婿，在這個例子中，彈片之間的引力非常弱叶雹，不足以影響它們在空間中的運動财饥，因此可以忽略。然而浑娜，如果這種重力很強佑力，彈片將在中途停止并轉(zhuǎn)向，以返回其共同的重心（如圖2b所示）筋遭。根據(jù)動能和引力勢能的相對大小打颤，就決定了它們最終會返回，還是不受限制地持續(xù)飛行下去漓滔。
圖2 a b
通過用星系代替炮彈编饺，你就能獲得上面提到的膨脹宇宙的圖景。只不過响驴，此時每個星系的巨大質(zhì)量會產(chǎn)生強大的引力勢能透且，與動能相當(dāng)。因此，只有仔細(xì)研究這兩種能量秽誊，才能確定宇宙膨脹的前景鲸沮。
根據(jù)目前可用星系質(zhì)量最可靠的數(shù)據(jù)，每個相互離開的星系的動能都是其引力勢能的數(shù)倍锅论。在這種情況下讼溺，宇宙將無限擴展，而不會被它們之間的引力拉回來最易。但是怒坯，請記住，有關(guān)宇宙的數(shù)據(jù)通常不是很準(zhǔn)確藻懒，未來的進一步研究可能會扭轉(zhuǎn)整個結(jié)論剔猿。
然而，即使宇宙真的停止擴張并開始收縮嬉荆，也需要數(shù)十億年归敬。因此，在黑色詩歌中預(yù)測的那種“星星開始下降”鄙早，以及在坍縮星系的重壓下我們粉身碎骨的場景弄慰，眼下應(yīng)該還不會發(fā)生。
這種導(dǎo)致宇宙的各個部分以極快的速度飛離的高爆炸性物質(zhì)到底是什么呢蝶锋？這個問題的答案可能讓你失望：事實上陆爽，很可能從未發(fā)生過所謂的爆炸事件。宇宙現(xiàn)在正在擴張扳缕，只是因為它從一個無限廣闊的區(qū)域縮小到非常致密的狀態(tài)（當(dāng)然慌闭，這個過程沒有任何歷史記錄保存），然后像具有強大彈性的壓縮物體一樣反彈回來躯舔。如果你走進一個舞廳驴剔，恰好看到一個乒乓球從地板跳到空中，你當(dāng)然會得出結(jié)論（根本不需要考慮）說在進入這個房間之前粥庄，球一定是先落到地板上丧失，由于彈性作用才再次跳躍起來。
現(xiàn)在惜互，我們讓想象力自由發(fā)散一下布讹，想象一下在宇宙的收縮階段，是否所有事物都會被逆轉(zhuǎn)训堆？
是否在80 億年或100 億年前描验，你會從這本書的最后一頁一直讀到書的第一頁？那時的人是否會把炸雞從嘴里拿出來坑鱼，在廚房里將其復(fù)活膘流，并把它來送到養(yǎng)雞場？在那里，它從一只大雞長成一只小雞呼股，最后縮進蛋殼耕魄，然后在幾周內(nèi)又變成新鮮的雞蛋？ 這實在是很有趣彭谁。
然而屎开，對于這些問題，不可能從純科學(xué)的角度來回答马靠，因為在這種情況下，宇宙內(nèi)部的巨大壓力會將所有物質(zhì)擠壓成均勻的核液體蔼两，從而將所有的痕跡完全抹除掉甩鳄。
《從一到無窮大》
（知乎重磅推薦，小學(xué)生都能讀懂的全新譯本额划∶羁校科普讀物宗師之作，愛因斯坦親自推薦俊戳，清華大學(xué)新生入學(xué)禮物揖赴。融匯數(shù)學(xué)、物理學(xué)抑胎、生物學(xué)燥滑、天文學(xué)于一體，理解科學(xué)底層邏輯的入門級權(quán)威作品０⑻印）
