從現(xiàn)在測(cè)量到的哈勃參數(shù)值的倒數(shù)，計(jì)算出的宇宙年齡大約為138億年。上一節(jié)中介紹的元素太初核合成，卻在宇宙年齡從3分鐘到20分鐘左右就完成了。宇宙在3分鐘之內(nèi)發(fā)生了些什么？20分鐘以后面貌又如何？這是人們感興趣的問(wèn)題。
我們首先給宇宙20分鐘之后到138億年，從胚胎、嬰兒、青年、到如今，勾畫一個(gè)大概的年表，以便讀者對(duì)宇宙演化有一個(gè)粗略輪廓。
再回到弗里德曼的宇宙膨脹模型，重溫本章第一節(jié)中解出的描述宇宙膨脹的尺度因子a(t)的幾種主要情況：如果物質(zhì)（塵埃）起主導(dǎo)作用，a(t) ～ t(2/3) ；如果輻射起主導(dǎo)作用，a(t) ～ t(1/2) ；如果真空能量密度（暗能量）起主導(dǎo)作用， a(t) ～ eHt。這兒暫時(shí)假設(shè)了宇宙空間平坦，曲率因子k=0。
圖8-6-1：用弗里德曼模型解釋宇宙膨脹過(guò)程
此外，我們也知道各種宇宙物質(zhì)密度與尺度因子的關(guān)系，這樣便能得到不同物質(zhì)密度隨著時(shí)間變化的關(guān)系。圖8-6-1a中三條不同的曲線分別表示物質(zhì)密度、輻射密度、暗能量密度與時(shí)間（宇宙年齡）的關(guān)系。
圖8-6-1a中的三條曲線有兩個(gè)交叉點(diǎn)值得注意：一個(gè)（A）發(fā)生在宇宙年齡大約4萬(wàn)7千歲左右，那時(shí)候塵埃物質(zhì)密度與輻射密度相等。另一個(gè)交叉點(diǎn)B是在宇宙年齡大約98億歲左右，那時(shí)候暗能量密度超過(guò)塵埃物質(zhì)密度，顯然早已大大超過(guò)輻射密度，暗能量密度成為宇宙膨脹的主導(dǎo)因素。
根據(jù)熱大爆炸理論，宇宙早期處于高壓高密度高溫狀態(tài)，不僅星系和恒星不可能存在，也沒(méi)有形成穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)。早期一片混沌時(shí)的宇宙，能量主要由光子主導(dǎo)。太初核合成結(jié)束后，光子頻繁地與質(zhì)子電子相互作用，但仍然是輻射能量大大超過(guò)物質(zhì)能量。因此，在大爆炸后直到4萬(wàn)7千年的宇宙，稱之為輻射主導(dǎo)時(shí)期。之后，隨著溫度下降，原子形成，原子類物質(zhì)和暗物質(zhì)的能量逐漸超過(guò)輻射，成為主導(dǎo)部分。
熱大爆炸。圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
但是，無(wú)論是輻射相關(guān)的密度，還是明暗物質(zhì)相關(guān)的密度，都隨著宇宙空間尺度的膨脹而迅速下降，如圖8-2-1a中的藍(lán)色和紅色曲線所示。因?yàn)榘的芰棵芏龋ňG色曲線）始終保持在一個(gè)常量，不隨時(shí)間而變化，最后在圖中的B點(diǎn)開(kāi)始，成為宇宙演化的主導(dǎo)因素，使得宇宙尺寸隨著時(shí)間指數(shù)增長(zhǎng)。因此，宇宙從4萬(wàn)7千年到B點(diǎn)代表的98億歲這段漫長(zhǎng)的歲月，都算是物質(zhì)主導(dǎo)時(shí)期。在圖8-2-1中沒(méi)有討論曲率k的作用，k只能取-1、0、1三個(gè)數(shù)值，分別代表三種不同宇宙幾何形狀，并不影響宇宙膨脹的基本特征，此外，根據(jù)天文觀測(cè)資料證實(shí)，宇宙是基本平坦的，即k等于0。
圖8-6-1b顯示了宇宙物質(zhì)密度從“輻射為主”，過(guò)渡到“物質(zhì)為主”，再變成“暗能量為主”期間內(nèi)宇宙尺度的變化。如圖所示，在輻射起主導(dǎo)作用時(shí)宇宙大小的時(shí)間平方根（ t(1/2)）規(guī)律，塵埃物質(zhì)主導(dǎo)時(shí)宇宙大小的三分之二次方（ t(2/3)）規(guī)律，這兩種情形都是減速膨脹，即標(biāo)度因子a(t)對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)為負(fù)值。
在1998年之前，物理學(xué)家們尚未意識(shí)到“暗能量”的重要性，根據(jù)上面所說(shuō)的，無(wú)論是輻射密度導(dǎo)致的膨脹，還是物質(zhì)密度導(dǎo)致的膨脹，都是減速膨脹。所以，科學(xué)家們認(rèn)為，雖然宇宙在膨脹，但膨脹的速度會(huì)越來(lái)越慢。但是，1998年，三位物理學(xué)家索爾·珀?duì)栺R特、布萊恩·施密特和亞當(dāng)·里斯“透過(guò)觀測(cè)遙遠(yuǎn)的超新星而發(fā)現(xiàn)了宇宙正在加速膨脹”。這個(gè)觀測(cè)事實(shí)改變了人們的看法，三位學(xué)者也因此而榮獲2011年諾貝爾物理獎(jiǎng)。之后十幾年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，也證實(shí)了宇宙膨脹的速度并非越來(lái)越慢，而是越來(lái)越快。
索爾·珀?duì)栺R特。圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
加速膨脹意味著標(biāo)度因子a(t)對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)為正值，在弗里德曼方程的4個(gè)解中，只有與愛(ài)因斯坦常數(shù)有關(guān)的“暗能量密度”一項(xiàng)，符合這點(diǎn)要求。也就是說(shuō)，愛(ài)因斯坦原來(lái)加到場(chǎng)方程中的宇宙常數(shù)L不能為零，將它請(qǐng)回來(lái)便有可能解決這個(gè)問(wèn)題，這便是大家知道的宇宙常數(shù)死灰復(fù)燃的故事，暗能量的來(lái)龍去脈。
宇宙從輻射主導(dǎo)變成物質(zhì)主導(dǎo)之后不久，還有一個(gè)被稱為“最后散射面” 的重要年齡點(diǎn)，這是發(fā)生在大爆炸之后的38萬(wàn)年左右，見(jiàn)圖8-2-1a中的標(biāo)志。在這個(gè)年齡之前，氫和氦原子開(kāi)始形成時(shí)，原子核處于電離狀態(tài)，電子游離在離子之間，并不斷地與光子和質(zhì)子相互作用。也就是說(shuō)，當(dāng)電子尚未被原子核俘獲形成穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)之前，宇宙處于“等離子體狀態(tài)”，是由質(zhì)子中子電子光子以及少量其它粒子混合起來(lái)的一大碗等離子體“熱湯”，其中的光子不斷被其它粒子反射和吸收，自由傳播的距離非常短。
但因?yàn)橛钪娌粩嗯蛎?，這碗熱湯的體積不斷增大，溫度持續(xù)降低，電子跑不快了，便逐漸被離子捕獲，兩者結(jié)合形成中性原子，這個(gè)過(guò)程稱為復(fù)合。在復(fù)合結(jié)束后，宇宙中大部分的質(zhì)子都捆綁了某些電子，成為電中性的原子。中性原子與光子的相互作用大為減少，使得光子的平均自由路徑幾乎成為無(wú)限，意味著光子可以在宇宙中自由通行，宇宙變得透明。這個(gè)事件通常被稱為 退耦。
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圖8-6-2中左邊是放大了的最后散射面附近的輻射示意圖。圖中的水平方向代表時(shí)間，從左到右表示宇宙年齡增大。在最后散射面之前（左邊），因?yàn)橛钪媸腔煦缫黄牡入x子體，宇宙更早期輻射的光子，傳播很短的距離便在等離子體中被多次反射折射或吸收了，到不了右邊。所以說(shuō)，這一段等離子體期間像是一團(tuán)"大霧"，對(duì)宇宙更早期的光輻射而言是不透明的，宇宙更早期雖然也有光，但不能被“最后散射面”之后的觀測(cè)者通過(guò)望遠(yuǎn)鏡看見(jiàn)。直到宇宙38萬(wàn)歲-40萬(wàn)歲左右，原子核和電子結(jié)合成原子，電子被原子核綁住了，行為規(guī)矩起來(lái)，不再輕易與光子作用，光子傳播的空間大大增大，一直在宇宙中奔跑。
再后來(lái)，宇宙繼續(xù)膨脹，恒星形成了，星系形成了，原來(lái)輻射的可見(jiàn)光的波長(zhǎng)也因?yàn)榭臻g膨脹而被拉長(zhǎng)，最后，當(dāng)我們地球上的觀測(cè)者接收到這些光子時(shí)，它們的波長(zhǎng)已經(jīng)被拉長(zhǎng)到了微波的范圍，宇宙的溫度也從最后散射面時(shí)期的3000K左右降低到了3K左右，這便是我們提到過(guò)多次，后來(lái)還要詳細(xì)介紹的微波背景輻射，簡(jiǎn)稱為CMB。
圖8-6-2：最后散射面的輻射
最后散射面時(shí)期的宇宙，有大量的可見(jiàn)光輻射，如果近距離看的話，整個(gè)宇宙“天空”都如同我們現(xiàn)在看見(jiàn)的太陽(yáng)。怎么才叫“近距離”看？只能想象在宇宙40萬(wàn)年左右就進(jìn)化出了某種生物，它們那時(shí)看到的宇宙就應(yīng)該是滿天一片“燦爛的太陽(yáng)”！但這種想象的生物是不可能存在的，從復(fù)合成原子到出現(xiàn)生命，宇宙還有漫長(zhǎng)的路要走！路漫漫其修遠(yuǎn)兮，走到如今，大自然中終于進(jìn)化出了能夠探測(cè)到這種輻射的人類。不過(guò)，遺憾的是，我們現(xiàn)在只能從距離散射面138億光年的“遠(yuǎn)距離”來(lái)觀測(cè)它，當(dāng)初的燦爛太陽(yáng)，如今已經(jīng)變成了滿天“看不見(jiàn)的微波”！
雖然宇宙演化至今的時(shí)間漫長(zhǎng)，但其中使宇宙學(xué)家們感興趣的“亮點(diǎn)”卻好像暫時(shí)不太多。原因固然是因?yàn)槲覀冇^測(cè)手段的限制，探測(cè)宇宙的演化可不是那么容易的。宇宙學(xué)就像“考古”一樣，越久遠(yuǎn)的事情就越難以搞清楚，何況宇宙學(xué)“考”的是100多億年之前的廣漠宇宙之“古”。宇宙演化漫長(zhǎng)的歲月中，有無(wú)限多的未知“時(shí)間段”需要“考證”。
最后散射面之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，大約從大爆炸之后的1億5千萬(wàn)年到8億年左右，被稱為宇宙的黑暗時(shí)期。最后散射面的光子可以毫無(wú)阻攔地自由穿過(guò)這段黑暗時(shí)期，但黑暗時(shí)期本身的輻射現(xiàn)象卻產(chǎn)生得很少，因?yàn)槟菚r(shí)候的宇宙中只有電中性的原子到處晃蕩，星系和恒星尚未形成，沒(méi)有核聚變提供大量輻射能量，唯一的輻射是中性氫的電子自旋釋出的21公分氫線。
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不過(guò)，這種中性原子主導(dǎo)的“黑暗”宇宙只是處于一種暫時(shí)的“動(dòng)態(tài)平衡”中，不安分的種子早就已經(jīng)暗藏在貌似光滑均勻的“最后散射面”上，在經(jīng)歷了時(shí)長(zhǎng)日久的潛伏之后終將耐不住，一個(gè)一個(gè)在黑暗中爆發(fā)。事實(shí)上，早期宇宙的均勻混合物表面上有很小的密度起伏，這些密度漲落，即均勻宇宙中的小偏離，按照引力規(guī)律演化后結(jié)團(tuán)，后來(lái)，大量的物質(zhì)坍縮形成星系。
目前觀測(cè)到的最早的星系形成于大爆炸后3億8千萬(wàn)年左右，大多數(shù)人認(rèn)為恒星是星系物質(zhì)進(jìn)一步碎裂的產(chǎn)物，大爆炸之后約5億6千萬(wàn)年，第一代恒星開(kāi)始形成。最初的恒星和類星體在引力坍縮下形成。它們發(fā)出強(qiáng)烈的輻射使周圍的宇宙再電離。
之后，大量的小星系又合并成大星系，星系的引力彼此拉扯形成星系群、星系團(tuán)、和超星系團(tuán)。天文學(xué)家們估計(jì)銀河系的薄盤形成于大爆炸之后50億年左右，再過(guò)了幾十億年，太陽(yáng)系開(kāi)始形成和演化，形成地球，產(chǎn)生生命，進(jìn)化繁衍，直到如今。
然后，我們?cè)俸?jiǎn)略描繪一下大爆炸后3分鐘內(nèi)宇宙演化過(guò)程中最精彩又最不可思議的一段。這一部分的故事首先由粒子物理的統(tǒng)一理論主宰。
普朗克時(shí)期，開(kāi)始于普朗克時(shí)間10-43秒，所有4個(gè)基本作用無(wú)法區(qū)分。大一統(tǒng)時(shí)期，始于10-36秒，引力與其它作用分開(kāi)，溫度約為1027 K。然后，是我們后面將介紹的宇宙暴脹階段，在10-36秒到10-33秒之間，宇宙的尺度增長(zhǎng)了不可思議的大約30個(gè)數(shù)量級(jí)。
普朗克時(shí)間。圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
暴脹停止后，宇宙從重新加熱到冷卻，成為夸克、膠子等離子體。這個(gè)階段持續(xù)到10-12秒。從10-12秒到10-6秒為夸克主導(dǎo)時(shí)期，宇宙膨脹，溫度急劇下降，允許四種基本力和基本粒子出現(xiàn)，表現(xiàn)為它們?cè)谀壳八?jiàn)的形式。
第1秒中之前是質(zhì)子和中子等強(qiáng)子形成的時(shí)期，再進(jìn)入到輻射為主的光子時(shí)期。然后，最初三分鐘結(jié)束，開(kāi)始核合成，直到第17分鐘左右……
宇宙演化過(guò)程還有最后一個(gè)問(wèn)題：宇宙的未來(lái)如何？這方面的研究就要用到宇宙空間的曲率因子k的作用了，因?yàn)樵谟钪鏄?biāo)準(zhǔn)模型中，其未來(lái)的演化情況與空間的幾何形狀有關(guān)。
仍然可以從弗里德曼方程來(lái)探討這一問(wèn)題。根據(jù)弗里德曼的理論，宇宙空間的形狀有三種可能性：開(kāi)放、閉合、平坦，取決于宇宙的質(zhì)量密度。更準(zhǔn)確地說(shuō)，是取決于宇宙的質(zhì)量密度與臨界質(zhì)量密度的比值W0（相對(duì)質(zhì)量密度）。如圖8-6-3右圖所示，臨界質(zhì)量密度：
r0 = 3H2/8pG
定義為當(dāng)設(shè)定宇宙常數(shù)為0時(shí)產(chǎn)生平坦的弗里德曼度規(guī)的質(zhì)量密度。以上r0的表達(dá)式中，H為現(xiàn)在的哈勃參數(shù)，G是萬(wàn)有引力常數(shù)。這個(gè)臨界質(zhì)量密度大概是多大呢？據(jù)說(shuō)大約是每立方米三個(gè)核子（質(zhì)子或中子）。
圖8-6-3：三種宇宙模型
圖8-6-3左圖表示大爆炸之后，由于質(zhì)量密度的不同而形成了三種不同的宇宙演化模型。這些模型預(yù)測(cè)了宇宙的未來(lái)。當(dāng)W0>1的時(shí)候，說(shuō)明宇宙中的物質(zhì)足夠多，將產(chǎn)生足夠大的重力，在一定的時(shí)候?qū)⑹褂钪嫱Ｖ古蛎?，開(kāi)始收縮，最后變成與大爆炸過(guò)程相反的大擠壓，讓宇宙回復(fù)到爆炸誕生時(shí)的炙熱狀態(tài)。
反之，當(dāng)W0<1的時(shí)候，沒(méi)有足夠的質(zhì)量產(chǎn)生足夠的重力來(lái)使得物質(zhì)保持在一起，因而宇宙將永無(wú)止境地膨脹，也有可能最終走向“熱寂”，也許千億年以后，宇宙又將回到孤獨(dú)的“宇宙島”？前面所述的這兩種情況似乎都會(huì)使得人們對(duì)宇宙的未來(lái)憂心忡忡，盡管像是在杞人憂天，但大家總希望給宇宙一個(gè)好一點(diǎn)的結(jié)局。第三種平坦宇宙，對(duì)應(yīng)于W0=1，則介于上述兩種情形之間。
我們的宇宙屬于哪一種模型？實(shí)際上，直接測(cè)量與估算宇宙的平均密度復(fù)雜而困難，能夠估算的，頂多也只是可見(jiàn)物質(zhì)構(gòu)成的星體對(duì)平均密度的貢獻(xiàn)。反之，從現(xiàn)有的天文觀測(cè)資料，天文學(xué)家們得到大范圍內(nèi)的宇宙是基本平坦的結(jié)論。這個(gè)平坦無(wú)限然而動(dòng)態(tài)的宇宙圖景，總算讓人們心情舒暢了一些。
平坦宇宙需要滿足（W0=1），也就是說(shuō)，總的物質(zhì)密度要等于臨界密度。但從觀測(cè)資料得到的發(fā)光物質(zhì)的密度不超過(guò)臨界密度的1／10。加上看不見(jiàn)，但明顯表現(xiàn)出引力效應(yīng)的暗物質(zhì)，能達(dá)到百分之二十幾，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，剩下的便只好請(qǐng)“暗能量”先生來(lái)補(bǔ)充了。
平坦宇宙。圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
在此澄清幾點(diǎn)對(duì)大爆炸和無(wú)限宇宙的誤解（第9章中將有更多的討論）。一是大爆炸并不是發(fā)生在空間中的某一點(diǎn)，而是發(fā)生在三維空間的所有點(diǎn)。如果對(duì)空間曲率為0的平坦宇宙模型，即是發(fā)生在整個(gè)“無(wú)窮大空間”的時(shí)間奇點(diǎn)上。因?yàn)槲覀兪褂玫氖瞧教谷S空間宇宙模型，其空間曲率總是為零，但時(shí)空曲率不會(huì)總是0。
實(shí)際上，在大爆炸發(fā)生時(shí)的那個(gè)奇點(diǎn)，時(shí)空曲率為無(wú)限大。三維空間雖然是平坦的，但溫度卻是無(wú)限高，質(zhì)量密度無(wú)限大，爆炸發(fā)生在空間的每一點(diǎn)。大爆炸之后，時(shí)空膨脹，奇點(diǎn)轉(zhuǎn)為正常的時(shí)空點(diǎn)。溫度下降，質(zhì)量密度降低，時(shí)空曲率減?。臻g曲率始終為0），原來(lái)體積就是無(wú)窮大的宇宙空間繼續(xù)不斷膨脹。
另外，需要把宇宙可能的三種演化模型與“可觀測(cè)宇宙”區(qū)別開(kāi)來(lái)。無(wú)論宇宙模型預(yù)料的宇宙是有限還是無(wú)限，可觀測(cè)宇宙總是有限的。就我們所知，根據(jù)對(duì)宇宙微波背景的觀測(cè)，大爆炸理論估計(jì)的宇宙年齡大約為137億年。而光傳播的速度有限，因而我們可以觀測(cè)到的宇宙范圍是有限的。我們頂多能夠探測(cè)到距離我們137億光年遠(yuǎn)的星球。
不過(guò)，因?yàn)橛钪嬖诓煌５嘏蛎?，這些星球（星系）發(fā)射光波之后，與地球之間的空間又經(jīng)過(guò)了137億年的“膨脹效應(yīng)” 。根據(jù)宇宙膨脹的模型以及天文觀測(cè)得到的哈勃參數(shù)，可以估算出這些星系現(xiàn)在離我們的距離。這個(gè)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)137億光年，大約是460億光年左右。
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將這個(gè)距離（460億光年）為半徑，地球?yàn)橹行模勺饕粋€(gè)球面。球面包圍的三維空間便是我們的“可觀測(cè)宇宙”，球面是可觀測(cè)宇宙的邊界，稱之為“視界”，或過(guò)去視界。
視界之外是什么？是“可觀測(cè)宇宙” 的延續(xù)，或許有限或許無(wú)限，根據(jù)圖8-6-3中的W0而定。雖然其中星球發(fā)射的光波暫時(shí)還到達(dá)不了地球，但它應(yīng)該與我們能看到的宇宙部分大同小異，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為整個(gè)宇宙是處處均勻且各向同性的，這是宇宙學(xué)原理的基本假設(shè)。
可舉一個(gè)通俗例子來(lái)解釋“可觀測(cè)宇宙”。想象在一個(gè)正在膨脹的大氣球上，住著超過(guò)100群螞蟻，每群螞蟻之間互通消息的最快方式是靠一種爬得最快的“快速螞蟻”來(lái)傳遞。有一天，螞蟻群A的群主派出一名叫“小馬”的快速螞蟻，去探索它們的世界中有幾群螞蟻，小馬以最快的速度爬呀爬，發(fā)現(xiàn)了其它4群和它們一樣的螞蟻。它繼續(xù)再往遠(yuǎn)處爬，卻怎么也看不到另外的螞蟻群了，因?yàn)榇髿馇蛘谂蛎?，離螞蟻群A越遠(yuǎn)，分離的速度就越快，快到已經(jīng)超過(guò)了它的爬行速度。所以，群主根據(jù)小馬探測(cè)的結(jié)果，得到它們的“宇宙”中有5群螞蟻的結(jié)論。它們永遠(yuǎn)也不可能知道，除了這5群螞蟻之外，還有好多別的螞蟻群。這5群螞蟻的范圍，是螞蟻群A的“視界”，也就是它們的“可觀測(cè)宇宙”。
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既然視界之外的東西觀測(cè)不到，何不讓想象力盡量飛翔馳騁，也包括想象一個(gè)多宇宙的圖景，假設(shè)除了我們觀測(cè)到的宇宙之外，還有觀測(cè)不到的其他宇宙“存在”，如果這個(gè)想象的假設(shè)對(duì)解釋我們?cè)凇斑@個(gè)”宇宙得到的觀測(cè)資料或者理論有幫助的話，又未嘗不可呢？
再加上幾句話，以強(qiáng)調(diào)和理清本書中對(duì)“宇宙”一詞的使用。當(dāng)我們談到宇宙時(shí)，所指的可能有以下情形：宇宙學(xué)中泛指的作為研究對(duì)象的宇宙模型；或是指真實(shí)的宇宙。真實(shí)宇宙又有可能說(shuō)的是有限的“可觀測(cè)宇宙”，或者是包含了更多，或有限或無(wú)限的所有部分，我們?cè)诤竺嬲鹿?jié)中將這個(gè)真實(shí)的可能是無(wú)限的宇宙稱為“大宇宙”。其他大多數(shù)情況下的宇宙，則指以銀河系為中心的“可觀測(cè)宇宙”。
（摘自《永恒的誘惑：宇宙之謎》，作者：張?zhí)烊兀?/p>
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