21.3 宇宙理论的发展
1932 年，比利时天文学家勒梅特首次提出宇宙大爆炸的假设，用这一假设，星系的退行可在爱因斯坦广义相对论框架内得到解释。1948 年，移居美国的苏联物理学家伽莫夫在勒梅特的基础上正式提出宇宙大爆炸理论，认为宇宙是由一个无限致密炽热的“奇点”于一百多亿年前的一次大爆炸后膨胀形成的。
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宇宙模型中的空间是有限的，但没有边界。所以大爆炸中的爆炸并非我们日常生活中见到的爆炸过程，事实上应该理解为空间的急剧膨胀，而整个空间是一个像二维球面一样能弯曲地回到原来位置的三维闭合球面。
伽莫夫在1948 年有一个惊人的预言：宇宙演化过程中残留下来的电磁辐射（以光子的形式）在宇宙中自由传播，成为大爆炸的“遗迹”残存至今，但是其温度已降低到只比绝对零度高几度，这就是所谓的“宇宙背景辐射”。1965 年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在微波波段上探测到具有热辐射谱的宇宙背景辐射，温度大约为3K，验证了伽莫夫的预言。
随后，更多的科学家在更多的波段内验证了背景辐射的存在，从而为大爆炸宇宙学模型提供了令人信服的证据。图21-3 为欧洲航天局根据“普朗克”太空探测器传回的数据绘制的宇宙背景辐射图。
图21-3 宇宙背景辐射全景图
到20 世纪80 年代初，科学家们对大爆炸理论进行了修正，提出了暴胀宇宙模型。暴胀理论认为宇宙初期曾经发生过膨胀速度高到无法想象的超急剧膨胀。就宇宙膨胀来说，这一插曲极其短暂，暴胀仅仅从大爆炸开始后10^?36s 持续到10^?32s，但是暴胀却使宇宙从比原子还小的体积扩张到了直径约10cm 的球体。从某种意义上说，暴胀的速度超过了光速，因为要想通过10cm 的空间，光需要3.3×10^?10s 的时间。不过暴胀是空间自身的膨胀，并非某种物体在以超光速运动，所以这是可能的。
至此，大爆炸理论已经比较完善了，但是还剩下一个最让物理学家们头疼的问题——宇宙诞生时的“奇点”问题。奇点出现了物理上所不期望的无穷大量（无穷大密度、无穷大压强等，我们在第3 章中讨论过，无穷是一个纯数学概念，在物理中是不适用的）。大爆炸奇点处，一切科学定律都失效了，所以奇点是不可能真实存在的，这就构成宇宙学最大的疑难：奇性疑难。为了破解这个难题，出现了用量子理论来研究宇宙起源问题的量子宇宙学。宇宙诞生时的尺度是极小的，显然属于量子力学的研究范畴。
1982 年，霍金等人提出了将量子力学和广义相对论结合在一起的量子引力理论来研究宇宙起源问题，这一理论的特征是用费曼的路径积分方法处理爱因斯坦的引力理论。霍金用宇宙波函数来描述宇宙的量子状态， 这个波函数给出宇宙按照特征量分布的概率幅，因此在量子力学的意义上，这种描述是完备的。霍金的量子宇宙学可以从“无”中生“有”（to give everything from nothing），避免了“奇点”的出现。在霍金的宇宙里，时间和空间构成了一个四维闭合球面。
老子在《道德经》的开篇就指明：“无，名天地之始；有，名万物之母。”这就是一种朴素的宇宙“无中生有”的哲学思想，竟和现在的宇宙起源理论不谋而合。
21.4 宇宙的演化
2013 年3 月21 日，欧洲航天局把宇宙的精确年龄修正为138.2 亿岁。
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尽管宇宙如此古老，物理学家们仍然能根据天文学观测结果和广义相对论等理论提出合理的模型来计算宇宙的过去，推断宇宙的演化图景，实在让人惊叹。根据量子宇宙论、大爆炸宇宙论（含暴胀宇宙论的修正），我们可以大致勾勒出宇宙的起源和演化的历程。
（1）量子引力时代（0
宇宙由一个不存在时间和空间的量子状态（“无”状态）自发跃迁（即所谓“大爆炸”）到具有空间、时间的量子状态。因为量子状态是量子化的，所以不存在中间过程，宇宙“无中生有”地诞生了。在这个时期，物质场的量子涨落导致时空本身发生量子涨落并不断地膨胀，空间和时间以混沌的方式交织在一起，时空没有连续性和序列性，因而前后不分、上下莫辨。此时四种基本力不可区分，是一种统一的力，此时的时空为虚时空。
（2）普朗克时代（5.4×10^?44s
当时间等于普朗克时间（5.4×10^?44s）时，虚时空发生超统一相变，实时空形成，粒子产生。相变点的能量是10^19GeV，温度为10^32K。此时时间和空间可以测量，但夸克和轻子不可区分，二者可以相互转化。相变破坏了力之间的对称性，引力首先分化出来，但强力、弱力、电磁力三种力仍不可区分。
（3）大统一时代（10^?36s
随着宇宙温度继续下降，时间继续膨胀，当t=10?36s 时，温度降至10^28K，发生大统一真空相变。相变过程中释放的巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀，直到10^?32s 最后完成大统一相变。相变后，宇宙的空间尺度增加了10^50 倍，强力分化出来，夸克与轻子相互独立。
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（4）夸克—轻子时代（10^?32s
这段时期开始时，弱、电两种力不可区分。直到t=10^?12s，温度降至10^16K 时，发生电弱统一相变，中间玻色子基本消失，电磁力与弱力成为两种力。
（5）强子—轻子时代（10^?6s
t=10?6s 时，温度降至1012K（1 万亿开尔文），发生夸克禁闭，凝聚成强子（即重子和介子）。在这一时期的粒子– 反粒子对不断产生和湮灭，但产生的重子比反重子多了近十亿分之一，因而今天的宇宙是以正物质为主的宇宙。t=10?4s 时，温度降至1000 亿开尔文，宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位的时代，重子中则主要只剩下质子和中子。这时的主要特征是粒子间的转化产生了大量的光子和中微子。
（6）辐射时代和核合成时代[1s
当t=1s 时，温度降为100 亿开尔文，中子转变为质子的反应率超过质子转变为中子的反应率，因而总体上中子开始衰变为质子。正负电子不断湮灭转化为光子。这时，光子数大大超过具有静质量的粒子，每个质子或中子都对应着10 亿个光子，宇宙以光子辐射为主，进入辐射时代。辐射（即光子）是一种能量形式，辐射密度（单位体积空间中的辐射能量）可以用温度来表示。
t ≈ 3min 时，温度降为10 亿开尔文，中子数与质子数之比约为1：7。此时，质子和中子开始结合成包含一个中子和一个质子的氘核，氘核又很快结合成氦核。t ≈ 30min 时，中子基本上都和质子结合为氦核，剩余的质子就是氢核，所以氦核与氢核质量比约为2 ：6。中子在原子核中很稳定，于是宇宙中的中子数与质子数之比不再改变，一直延续至今。虽然有自由的原子核和自由的电子，但此时光子能量极高，足以击碎任何刚形成的原子，所以没有稳定原子形成，宇宙处于等离子体状态。等离子体像一团糨糊一样布满宇宙，光子在其中四处乱撞。光子、核子和电子之间通过电磁相互作用紧密地耦合在一起，互相碰撞散射，从而形成平衡态。
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t ≈ 3.8×10^5a（38 万年）时，温度降至3000~4000K，物质密度与辐射密度基本相等，光子能量不足以击碎原子，自由电子开始被原子核俘获，形成稳定的原子（主要是轻元素）。从此，自由核子和电子数大大减少，光子终于获得了自由运动的空间，宇宙开始变得透明，进入以物质为主的原子时代。这个3000~4000K 的光子辐射不再被吸收，不断冷却至今，成为温度为3K 左右的宇宙背景辐射。
（7）星系形成时代[3.8×10^5a（38 万年）
在这个阶段，宇宙内的实物粒子从等离子气体演化为气状物质。随着宇宙进一步膨胀和温度下降，气状物质被拉开，形成原始星系，并进而形成星系团，然后再从中分化出星系。理论和观测结果共同显示，最初的一批星系和类星体诞生于大爆炸后10 亿年，从那以后更大的结构（如星系团和超星系团）开始形成。再后来，星系进一步凝聚成亿万颗恒星。在恒星演化过程中，又形成了行星和行星系统。
以上我们对宇宙的演化史做了一个概略的介绍，其中一些具体的数据尚有争议，但大致的过程基本上已取得广泛的共识，目前的实验数据也基本上是支持上述理论假说的。但是，宇宙学还在发展之中，未来人们会对此模型进行如何修正就很难说了。
