哈勃紅移、宇宙3K背景輻射、宇宙元素豐度和星系演化等一系列獨(dú)立且有力的證據(jù)表明,宇宙有一個(gè)起源時(shí)間,大約在138億年前。最初的宇宙是一個(gè)熾熱致密的奇點(diǎn),宇宙從奇點(diǎn)大爆炸中誕生,隨后不斷膨脹、冷卻和演化。
理論上,宇宙的演化進(jìn)程可以劃分為六個(gè)階段或者說(shuō)時(shí)代:暴脹時(shí)代、原始湯時(shí)代、等離子態(tài)時(shí)代、黑暗時(shí)代、恒星時(shí)代、暗能量時(shí)代。在數(shù)十億年前,宇宙進(jìn)入了第六個(gè)時(shí)代——暗能量主宰的時(shí)代,這也可能是宇宙的最后一個(gè)時(shí)代。
一、暴脹時(shí)代
在宇宙誕生的最初時(shí)期,宇宙中不存在任何物質(zhì)和輻射。那時(shí)的宇宙空間中充滿了一種固有能量,導(dǎo)致宇宙以指數(shù)方式急劇膨脹,在10^-33秒期間,空間大小膨脹了10^26倍,這個(gè)時(shí)代被稱為暴脹時(shí)代。
由于空間暴脹,使得宇宙變得十分平坦,空間曲率接近于零,并且使整個(gè)宇宙的溫度變得均勻。暴脹期間發(fā)生的量子漲落造成了宇宙溫度的細(xì)微差異,這為未來(lái)的宇宙形成龐大的宇宙網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件。
宇宙經(jīng)歷了短暫的暴脹之后,空間本身固有的能量都逐漸轉(zhuǎn)變成各種正反粒子和輻射,宇宙開(kāi)始進(jìn)入第二個(gè)時(shí)代。
二、原始湯時(shí)代
物質(zhì)和輻射不斷從純能量中形成,膨脹的宇宙逐漸冷卻。當(dāng)粒子之間發(fā)生碰撞時(shí),它們會(huì)形成各種正反粒子對(duì)。
隨著宇宙的膨脹冷卻,宇宙中越來(lái)越難形成更大質(zhì)量的正反粒子對(duì),但正反粒子對(duì)的湮滅和其他粒子碰撞仍在繼續(xù)。在宇宙誕生大約1至3秒之后,由于宇宙中出現(xiàn)了一種違反重子數(shù)守恒的現(xiàn)象,反物質(zhì)幾乎被湮滅殆盡,剩下的大部分都是正物質(zhì)。
在宇宙誕生大約3至4分鐘之后,宇宙開(kāi)始了太初核合成過(guò)程,形成了穩(wěn)定的氘和氦原子核。其余大部分質(zhì)子沒(méi)有發(fā)生核反應(yīng),它們也就成了氫原子核(氕原子核)。此后,宇宙中就剩下了原子核、電子、光子和中微子,宇宙呈現(xiàn)為等離子態(tài)。
三、等離子態(tài)時(shí)代
由于光子的數(shù)量?jī)H為的數(shù)量原子核和電子數(shù)量的十億分之一,每當(dāng)一個(gè)原子核與一個(gè)電子結(jié)合在一起時(shí),它們產(chǎn)生的高能量光子就會(huì)原子核和電子分開(kāi),所以中性原子無(wú)法形成。直到宇宙大爆炸之后38萬(wàn)年,宇宙的溫度從數(shù)十億度急劇冷卻到數(shù)千度之時(shí),光子才會(huì)脫離耦合,中性原子才能最終形成。
在等離子態(tài)時(shí)代的開(kāi)始階段,宇宙的能量主要由光子和中微子輻射主宰。到了末期,普通物質(zhì)和暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙。
四、黑暗時(shí)代
雖然宇宙中形成了中性原子,但那時(shí)的宇宙還是黑暗的,并沒(méi)有像現(xiàn)在這樣有大量的恒星來(lái)照亮宇宙。宇宙中存在大量由氫和氦組成的宇宙塵埃,它們能夠有效阻擋可見(jiàn)光。
在宇宙大爆炸之后1億年,由于引力的作用,宇宙中的氣體云結(jié)合形成了恒星。恒星發(fā)出的光會(huì)使宇宙中的氫和氦等中性原子再次發(fā)生電離,演變成等離子態(tài),宇宙開(kāi)始變亮起來(lái),這就是再電離時(shí)期。大約在宇宙形成之后5.5億年,經(jīng)過(guò)充分再電離的宇宙結(jié)束了黑暗時(shí)代,宇宙中第一批星系團(tuán)剛剛開(kāi)始形成。
五、恒星時(shí)代
宇宙中的普通物質(zhì)和暗物質(zhì)占據(jù)主導(dǎo)作用,它們產(chǎn)生的引力誘導(dǎo)了大量的恒星、星系、星系團(tuán)以及宇宙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。恒星形成速率不斷加快,在宇宙形成之后30億年達(dá)到峰值。此后,由于大量恒星形成已經(jīng)消耗了大量的自由氣體,恒星形成速率逐漸緩慢降低,直至低于恒星死亡速率。
隨著宇宙空間的持續(xù)膨脹,物質(zhì)密度不斷下降,暗能量開(kāi)始取代物質(zhì)占據(jù)主導(dǎo)地位。在宇宙形成之后大約78億年,空間的膨脹速度停止減速,并轉(zhuǎn)而開(kāi)始加速。加速的宇宙在我們身上。到了宇宙形成之后92億年,暗能量完全主宰了宇宙,這宣告宇宙進(jìn)入了最后的時(shí)代。
六、暗能量時(shí)代
在暗能量排斥效應(yīng)的作用下,宇宙中的大部分星系都被互相拉開(kāi)。星系群和星系團(tuán)能夠維持住結(jié)構(gòu),它們最終會(huì)在引力的作用下合并成一個(gè)星系。到了那時(shí),遙遠(yuǎn)的星系都在超光速退行,觀測(cè)者無(wú)論身在何處,所能看到的遙遠(yuǎn)宇宙都是黑暗一片。
再經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間之后,由于不斷輻射出引力波,行星的軌道會(huì)逐漸衰減,它們最終會(huì)落入母星之中。即使便是黑洞,最終也會(huì)因?yàn)榛艚疠椛涠г谟钪嬷小?/p>
根據(jù)現(xiàn)有理論推測(cè),由于空間不斷加速膨脹,最終的宇宙將會(huì)變得十分空曠,宇宙的有用能全部耗盡,熵增加到最大,整個(gè)宇宙陷于死寂之中。
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