宇宙的最初三分钟

王艳红
道生一，一生二，二生三，三生万物。道者，无也。 —老子《道德经》

　　宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量。大约150亿年前，在这四大皆空的“无”中，一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。

　　刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的，随着宇宙的迅速膨胀，其温度迅速下降。最初的1秒钟过后，宇宙的温度降到约100亿度，这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷，核反应开始发生，生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块，并逐渐演化成星系、恒星和行星，在个别天体上还出现了生命现象。然后，能够认识宇宙的人类终于诞生了。

　　这幅大爆炸图景，是目前关于宇宙起源最可能的一种解释，被称为“大爆炸模型”。大爆炸理论诞生于20年代，在40年代由伽莫夫等人进行补充和发展，但一直寂寂无闻。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论，不过也只是觉得它很好玩，并不信服。人们更愿意认为，宇宙是稳定的、永恒的。

　　但是，越来越多的证据表明，大爆炸模型在科学上有强大的说服力。我们不得不相信，宇宙有一个开始，也将有一个终结。它产生于“无”，也终将回归于“无”。

宇宙：可有始，可有终？

　　在人类历史的大部分时期，有关创世的问题，一向是留给神去解决的。宇宙起源于何处？终点又在哪里？生命如何产生？人类怎样出现？对这些疑问，许多宗教都能给出一份体系完备的答案。至于上帝从哪里来，这种问题是不该问的。

　　直到最近几个世纪，人们才开始学着把神撇开，以超越宗教的角度，去思考世界的本源。这样一来，就有一个重大的原则性问题需要解决：宇宙是永恒存在的，还是有起始的？

　　这两种说法长久以来一直困扰着科学家、哲学家和神学家，对于普通人来说，更是难以理解。假设宇宙在时间上没有起源，即过去一直存在，那么宇宙的年龄就是无穷大了。无穷大这个概念，一听就让人头昏脑胀：既然是已经过去了无穷久的时间，我们的“现在”又是什么呢？而如果说宇宙是有起始的，那么它就是从“无”中突然产生的了，这最初的一刹那，又是怎样呢？

　　凭着人类在短暂的生命中获得的常识，实在是很难想明白这些东西。不过，我们可以从科学上寻求一些佐证。大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄有限，这个说法令人信服的直接理由，来自物理学中一条最基本的定律——热力学第二定律。这条科学史上最令人伤心绝望的定律，冥冥中早已规定了宇宙的命运。

　　简而言之，第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。对任何物理系统，这都是众所周知并且显而易见的特性，毫无神秘之处：开水变凉，冰淇淋化成糖水。要想把这些过程倒过来，就非得额外消耗能量不可。就最广泛的意义而言，第二定律认为宇宙的“嫡”（无序程度）与日俱增。例如，机械手表的发条总是越来越松；你可以把它上紧，但这就要消耗一点能量；这些能量来自于你吃掉的一块面包；麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量；太阳为了提供这些能量，需要消耗它的氢来进行核反应。总之宇宙中每个局部的嫡减少，都须以其它地方的嫡增加为代价。

　　在一个封闭的系统里，嫡总是增大的，一直大到不能再大的程度。这时，系统内部达到一种完全均匀的热动平衡状态，不会再发生任何变化，除非外界对系统提供新的能量。对宇宙来说，是不存在“外界”的，因此宇宙一旦到达热动平衡状态，就完全死亡，万劫不复。这种情景称为“热寂”。

　　宇宙正在缓慢地、但坚定不移地走向这无法抗拒的命运，几代智者为此怀疑人类的存在是否有意义。暂且撇开这种沮丧的情绪，作一个简单的推理，我们就可以发现，宇宙不可能有无限的过去。很简单，如果宇宙无限老，那它早就已经死了。以有限速率演变的东西，是不可能永远维持下去的。换句话说，宇宙必然是在某个有限的时间之前诞生的。

大爆炸：有推论有根据

　　第二定律明示了宇宙有起始，但这个重要推论竟然被19世纪的科学家忽略了，它只是在后来成为大爆炸模型的佐证。该模型的提出，是基于20世纪初的天文观测。

　　20年代，天文学家埃德温·哈勃注意到，不同距离的星系发出的光，颜色上稍稍有些差别。远星系的光要比近星系红一些，即波长要长一些，这种现象被称为“哈勃红移”。它说明，各星系正以很高的速度彼此飞离。一列火车快速驶远时，它的汽笛声听来会沉闷很多，因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了，这就是多普勒效应。把声波换成光，产生的效果就是红移。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认，红移是一种普遍现象，这表明宇宙正在膨胀。　　这一发现，奠定了现代宇宙学的基础。

　　如果宇宙正在膨胀，那它过去必定比较小。如果能把宇宙史这部影片倒过来放，我们势必会发现，在过去的某个时刻，所有的星辰都是聚合在一起的。这个时间大概是100多亿年前，要准确推断它比较困难。

　　另外，宇宙膨胀的速度会随时间发生变化，这与引力有关。万有引力作用于字宙中一切物质与能量之间，起到刹车的作用，阻止星系往外跑，从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期，宇宙从高密度状态迅速膨胀，随着时间的推移，体积越来越大，膨胀速度越来越小。将这个过程向回追溯到宇宙创生的那一刻，可以发现当时宇宙体积为零，而膨胀速度为无限大。这就是大爆炸。

　　大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源。这些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前发生了什么、是什么引起了大爆炸，这些问题在逻辑上就是没有意义的。那以前所有的，只是“无”。

　　以上所述仅是旁证，似不足以令大多数人信服。如果150亿年前发生了一场大爆炸，如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹？于是，有一阵子，科研人员热衷于寻找宇宙创生的遗迹，劲头赛过当年的宗教考古学家寻找伊甸园。亚当和夏娃的文物是一样也没发现，原初宇宙最重要的遗迹倒真给找出来了，这就是微波背景辐射。

　　按照大爆炸理论，最初的几分钟里，宇宙是一个炽热的火球，到处充满温度高达几十亿度的光辐射。由于此时的宇宙处于热动平衡中，这种辐射具有独特的光谱特征，称为“黑体谱”。1965年，贝尔电话公司的两位物理学家彭齐亚斯和威尔逊偶然发现，宇宙确实浸润在一种热辐射之中。这种辐射以相同的强度从空间各个方向射向地球，其温度约为3K，谱线具有完美的黑体谱特征。微波背景辐射的发现，是对大爆炸模型最有力的支持。

　　知道了今天宇宙背景辐射的温度，就很容易推算出，宇宙诞生后约1秒钟各处的温度约为100亿度。在如此高温下，不仅我们熟悉的物质无法存在，连原子核也会被撕得粉碎。宇宙只能是一锅由质子、中子和电子等构成的基本粒子汤。

　　随着这锅汤变冷，核反应发生了。中子和质子很容易聚合在一起，产生由两个质子、两个中子组成的氦核。计算表明，氦核形成的过程持续了大约3分钟，形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一。这个过程用完了所有的中子，余下的质子就成了氢原子核。

　　因此，大爆炸模型预言宇宙应当由大约25％的氦和75％的氢组成，这与天文测量结果极为符合。最初三分钟里形成的氢与氦，构成了宇宙中99％以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素，只占宇宙总质量的不到l％，它们大部分是在恒星内部形成的。

　　根据推断，宇宙的形成距今约100～200亿年。　　

生命：既永恒又无恒

　　天文观测表明，各种天体的年龄均小于200亿年，这与大爆炸理论契合得非常好。我们的地球大概是50亿年前形成的，人类出现的时间更短得不值一提。宇宙现在还算得上年轻，担忧末日的来临，对单个人来说是十分无聊的事。然而，为全人类的命运想一想这个问题，还是有必要的。

　　按照大爆炸模型，宇宙在诞生后不断膨胀，与此同时，物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。如果宇宙的总质量大于某一特定数值，那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩，造成与大爆炸相反的“大坍塌”。如果宇宙总质量小于这一数值，则引力不足以阻止膨胀，宇宙就将永远膨胀下去。

　　在非常遥远的将来，比如1亿亿亿年以后，所有的恒星都燃烧完毕，茫茫黑暗中，潜伏着一些黑洞、中子星等天体。宇宙的尺度已经膨胀到如今的1亿亿倍，而且还在扩张下去。在这个系统里，引力虽不足以使膨胀停止，但会不露声色地消耗着系统的能量，使宇宙缓慢地走向衰亡。黑洞在霍金效应的作用下释放出微弱的辐射，最终全都以热和光的形式蒸发掉。足够长的时间之后，连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了，宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤，其中有光子、中微子，越来越少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动，彼此越来越远，不会再有任何基本物理过程出现。

　　这是寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙，它已经走完了自己的历程，面对的是永恒的生命，抑或永恒的死亡。这种情景，差不多就是“热寂”了。

　　如果引力足够强大，宇宙终有一天开始收缩，又将如何呢？在大尺度上，收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的，像一场倒放的电影。收缩的过程起初很缓慢，随后越来越快。在转折点过后，宇宙的体积开始缩小，背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉，生命无处可逃，全都被煮熟烤焦。最后，行星、恒星也毁灭了，分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内，最后三分钟来临了。

　　温度变得如此之高，连原子核也被撕毁，宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。随后，质子和中子也无法区分，挤成一堆由夸克构成的等离子体。在最后的时刻，引力成为占绝对优势的作用力，它毫不留情地把物质和空间碾得粉碎。在这场与大爆炸的“暴胀”相对的“暴缩”中，所有的物质都因挤压不复存在，一切有形的东西，包括空间和时间本身，都被消灭。

　　这就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中诞生于无的宇宙，此刻也归于无。无数亿年的辉煌灿烂，连一丝回忆也不会留下。