为什么宇宙要爆炸?

宇宙大爆炸理论

所有的天体都有其诞生和发展变化至直衰亡的历史。按天体物理学家的论断，宇宙空间也是在一次灾变中降生的，在一次绝无仅有的大爆炸中“诞生”的。

在大爆炸时刻，宇宙的体积是零，所以其温度是无限热的。大爆炸开始后，随着宇宙的膨胀，辐射的温度随之降低。大爆炸1秒钟之后，温度降低到了100亿度，这个温度是太阳中心的1千倍。此时的宇宙中主要包含光子、电子、中微子和它们的反粒子（光子的反粒子就是它本身），以及少量的质子和中子。。此时粒子的能量极高，它们相互碰撞并产生大量不同种类的正反粒子对。这些正反粒子对碰到一起时又会湮灭。但此时它们的产生率远大于湮灭率。

顺便一提的是，中微子和反中微子之间以及它们和其它粒子之间的相互作用非常微弱，所以它们并没有互相湮灭掉，以致于直到今天它们仍然存在。中微子的质量被认为是零，但1981年前苏联和1998、1999年日本的研究显示，中微子可能具有微小的质量。如果被证实的话，有助于我们间接地探测到它们。它们是“暗物质”的一种形式，具有足够的引力去阻止宇宙的膨胀并使其坍缩。

宇宙继续膨胀，温度的降低使得粒子不再具有如此高的能量。它们开始结合。与此同时，大部分正反电子相互湮灭，并产生了更多的光子。大爆炸100秒后，温度降到了10亿度，这相当于最热的恒星的内部温度。质子和中子由于强相互作用力（核力）而结合。一个质子和一个中子组成氚核（重氢）；氚核再和一个质子和一个中子形成氦核。根据计算，大约有四分之一的质子和中子转变为氦核，以及少量更重元素，如锂和铍。其余的中子衰变为质子，也就是氢核。

几个钟头之后氦和其它元素的产生停止下来。在这之后的100万年左右，宇宙什么也没有发生，只是膨胀。当温度降低到了几千度时，电子和原子核不能再抵抗彼此间相互的吸引力而结合成原子。由于宇宙存在着小范围的不均匀，区域性的坍缩开始发生。其中一些区域在区域外物体引力的作用下开始缓慢的旋转。当坍缩的区域逐渐缩小，由于角动量的守恒，它自转的速度就逐渐加快。当区域变得足够小时，自转的速度足以平衡引力的作用，象我们银河系这样的碟状星系就诞生了。另外一些区域由于没有得到旋转而形成椭圆形星系。这种星系的整体不发生旋转，但它的个别部分稳定地绕着它的中心旋转，因而也能平衡引力坍缩。

由于星系中的星云仍有不均匀性，它们被分割为更小的星云，并进一步收缩形成恒星。恒星由于引力坍缩产生的高温引发核聚变，聚变产生的能量又抵抗了继续收缩的趋势，恒星进入稳定地燃烧。质量越大的恒星燃烧的越快，因为它需要释放更多的能量才能平衡自身更强的引力。它们甚至会在1亿年这样短的时间里耗尽自己的燃料。

恒星有时会发生被称为“超新星”的巨大喷发，这种喷发令其它一切恒星都显得黯淡无光。这时一些恒星在晚期产生的重元素就会被抛回到星系中，并成为下一代恒星的原料。我们的太阳就是第二或第三代恒星，它含有大约2%的这种重元素。还有少量的重元素聚集并形成了绕恒星公转的行星，我们的地球也是其中之一。

对于宇宙的起源，我们仍然有很多问题：第一、为什么宇宙在大尺度如此的均匀？背景辐射的温度也一样？除非宇宙的不同区域刚好从同样的温度开始！第二、又为什么我们的宇宙会以如此接近临界的速率膨胀？如果它在大爆炸后1秒钟的时刻其膨胀速率只要小十亿亿分之一，那么我们的宇宙早以坍缩！第三、我们的宇宙非常光滑和规则，而从概率上来讲，紊乱的和无规则宇宙的数量应该占绝对优势，因为宇宙初始状态的选择是随机的。我们为何恰巧遇到这样渺茫的几率呢？

为了解释这些现象，麻省理工学院的学者阿伦·固斯提出了“暴涨宇宙模型”。他认为，早期的宇宙不是象现在这样以递减的速率膨胀，而是存在着一个快速膨胀的时期，宇宙的加速度膨胀使其半径在远远小于1秒钟的时间里增大了100万亿亿亿（1的后面跟30个0）倍。

固斯认为，大爆炸的状态是非常热和相当紊乱的。这些高温表明宇宙中的粒子具有极高的能量。在如此的高温下，强相互作用力、弱相互作用力和电磁力都被统一成为一个力；当宇宙膨胀并变冷，力之间的对称性由于粒子能量降低而被破坏，强力、弱力和电磁力变得彼此不同。这就好象液态水在各个方向上性质都相同，而结冰形成晶体后，就变成了各向异性，水的对称性在低能态被破坏了。

当宇宙暴涨时，它所有的不规则性都被抹平，就如同吹涨一个气球时，它上面的皱摺都被抹平一样。

暴涨模型还能解释为什么宇宙中存在着这么多物质。在量子理论里，粒子可以从“粒子——反粒子对”的形式从能量中创生出来。这些粒子和反粒子具有正能量，而这些粒子的质量产生的引力场具有负能量（因为靠得较近的物体比分开得较远的物体能量低），宇宙的总 能量为零，这保证了能量守恒不被破坏。零的倍数仍然为零，在暴涨时期宇宙体积急剧加倍的过程中，可以制造粒子的总能量变得非常之大，以致于我们的宇宙现在大约拥有1亿亿（1后面跟80个零）个粒子。固斯是这样形容这件事的：“宇宙是最彻底的免费午餐！”

参考资料：