宇宙起源 （关于宇宙起源与演化的理论）

简介

宇宙起源问题归属于现代宇宙学，是天体物理学的分支，源头可以追溯到20世纪初。1915年，美籍犹太裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表广义相对论并提出了场方程，为宇宙起源的理论模型奠定了理论基础。1929年，哈勃（Hubble）观测到星系的退行速度和距离成正比，推断出宇宙正在膨胀。1946年，伽莫夫（Gamow）提出宇宙起源的“大爆炸理论”（The Big Bang Theory）并推导出宇宙早期的核合成，他的学生阿尔菲（Ralph Asher Alpher）进一步完善了他的结论，阿尔菲认为辐射主导着早期宇宙，且这个背景辐射场今天依然存在，其特征温度为几K，处于微波波段。这种微波背景辐射在1965年被阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）偶然间观测到，伽莫夫提出的“大爆炸理论”也逐渐得到重视。1989年，COBE卫星升空，通过观测得到了很多重大发现，现代宇宙学也进入了精确宇宙学时代，推动了人类对宇宙起源的认知。

“大爆炸理论”是科学家通过对宇宙的观测和研究确认的、在今天被普遍认可的宇宙起源的理论，该理论认为宇宙起源于一个无维度的点，而宇宙诞生于一次“爆炸”，从而创造了时间、空间和一切物质。然而，大爆炸无法解释”大爆炸之前的宇宙”，也就是最初的“奇点”，一部分科学家认为“宇宙确实是从大爆炸开始的，但我们没有理由相信真正的物理宇宙也是如此”。对此，也有科学家尝试根据弦理论（String theory）或圈量子理论（Loop quantum gravity）等量子引力理论解释”大爆炸之前的宇宙”，但由于缺乏可验证的量子引力理论，且其它关于宇宙起源模型也存在一些问题，而现有的观测数据也无法排除或确认这些模型中的任何一个，因此现在被广泛认可、应用的宇宙起源的模型依然是“大爆炸理论”。

研究经历

宇宙起源研究的历史可以追溯到古希腊的哲学家，如亚里士多德（Aristoteles）提出了有关天体运动的理论。当时理论更多地基于哲学推断，缺乏观测支持。欧洲中世纪时期，一些天文学家的著作被翻译成拉丁文，促进了天文学的研究。然而，这个时期天文学受到教会的支配，而科学观点受到限制。文艺复兴时期，哥白尼（Nicolaus Copernicus）等人提出了日心说，带来了自然科学的复兴。17世纪，牛顿发表了引力理论；1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，两者为研究宇宙起源提供了理论支持。17世纪，伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）、艾萨克·牛顿（Isaac Newton）先后发明制造了折射式望远镜和反射式望远镜并将之对准太空，从此开启了真正意义上的天文观测。此后，工业革命带来的照相技术与光谱分析技术成为天文学和宇宙起源研究的重要组成部分。

古代研究

远古时期，人类祖先在观测天象变化的同时，也开始了对宇宙的思考。世界各民族都有自己最初关于宇宙结构的看法，以及关于宇宙起源的神话。远在中国战国时期的尸佼，就曾给宇宙下过一个定义：“四方上下曰宇，往古来今为宙”，也就是说，宇宙即是时空。相比于西方的“Cosmos”（原意为和谐、秩序）或“Universe”（原意为天地万物），尸佼的这一定义与现代宇宙学更相符。中国古代文献也有丰富多彩的关于宇宙起源的论述。例如《老子》的“天下万物生于有，有生于无”，这和现代宇宙学关于宇宙起源于真空的说法不谋而合。又如三国时期徐整的《三五历记》中关于盘古开天的故事，其中描述的图像和现代宇宙学中膨胀宇宙的图像非常类似。当然，古人的看法并不是建立在科学实证基础之上的，当时也没有对之进行科学证实的条件，故它们只能属于猜测或神话传说。但在这些猜测或神话中，蕴含了深刻的启示和哲理：宇宙并不是生来如此、亘古不变的，它会经历一个从创生到成长的演化过程，这一点与现代科学的宇宙观一致。

与古代中国类似，世界上许多古代文明发源地都有它们自己的关于宇宙起源的神话。古希腊的哲学家们相信宇宙本身包裹着一个球形外壳，地球居中，例如：毕达哥拉斯（Pythagoras）认为，一切立体图形中最美好的是球形，一切平面图形中最美好的是圆形，而整个宇宙是一个和谐体系（Cosmos）的代表物；柏拉图（Plato）认为，各种天体都是神灵，神灵美好的心使得它们作有规律的运动，它们分别在以地球为中心的同心球壳内运转；亚里士多德在《天论》中写到，“亘古以来，最外层的天整个都无变化……必须是球形的。地球不用说是动的，它的地位不在别处，只在宇宙的中心”。托勒密（Claudius Ptolemaeus）在古希腊天文学家喜帕恰斯（Hipparkhos）观测结果的基础上，结合自己的大量观测，写出了古代欧洲最详尽、最完整的天文学巨著一一《大系统论》。他用一套复杂的本轮—均轮系统来解释日、月、行星的运动，提出“地心说”，这成为古代欧洲的标准宇宙模型。到了欧洲中世纪，托勒密的宇宙体系成为了宗教神学的理论支柱，而此时的宇宙学已沦入经院神学的深渊。

现代科学

地心说作为宗教神学的核心，在欧洲中世纪统治了人们对宇宙的认知，直到1543年，波兰天文学家哥白尼的不朽巨著《天体运行论》书稿得以出版问世，书中提出了中提出了更符合观测的日心说，战胜了此前主流的地心说，自然科学才开始从神学的束缚中解放出来，宇宙学逐渐从宗教本位回归科学本位。随后，意大利哲学家布鲁诺（Giordano Bruno）提出宇宙是无限的。不久，开普勒（Kepler）把他的老师第谷（Tycho）和他自己的大量天文观测记录加以整理、计算，得到了著名的行星运动的开普勒三定律。他发现行星的运动轨道并非圆形，而是椭圆形，太阳位于椭圆的一个焦点上。从此，从柏拉图、亚里士多德以来被认为“最完美、最神圣的圆运动”的神话被彻底结束了。虽然开普勒并不了解支配天体运动的根本原因所在，只是用“宇宙和谐的韵律”来解释观测到的天体运行规律，但他的工作为牛顿（Newton）引力理论的发现奠定了坚实的观测基础。

伽利略于1609年亲手制造了一架折射式望远镜。他用它发现了月亮上的环形山和“海”（月面上平坦的陆地），木星的四颗卫星以及太阳黑子和金星的盈亏。此外，他还看到了许多肉眼看不到的恒星。1668年，英国物理学家艾萨克·牛顿也制造出了第一架反射式望远镜。牛顿在开普勒和伽利略的大量观测和实验基础上，开创了经典力学，他的引力理论开辟了以力学方法研究宇宙的途径。伽利略和牛顿这两位近代物理的先驱不仅创立了完美的经典力学理论，还首次将望远镜指向太空，从此开启了真正意义上的天文观测。工业革命带来的照相技术与光谱分析技术促进了天体物理学的发展，这些观测技术是探索宇宙起源不可或缺的技术手段。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，提出了著名的场方程，将物质、能量与时空联系了起来。牛顿和爱因斯坦的研究成果都为研究宇宙起源提供了理论基石。

在20世纪40年代末，科学家更喜欢所谓的“恒稳宇宙模型”，该模型认为宇宙在时间和空间上是不变的，对恒稳宇宙而言，“宇宙起源”这个问题实际上并不存在。直到1927年，通过研究爱因斯坦的广义相对论，比利时神父乔治·勒梅特（Georges Lemaître）推断，如果爱因斯坦的理论是正确的（自 1919 年以来就有充分的证据证明这一点），则宇宙必定在膨胀，并通过理论计算出了宇宙膨胀的速度。而这一理论在1929年，被美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）通过观测证实。此后，伽莫夫提出宇宙通过一次“大爆炸”创生，阿尔菲据此推断早期宇宙充满了辐射，该辐射场在今天处于微波波段，这个“宇宙微波背景辐射”在1965年被观测到，之后，“大爆炸理论”逐渐成为主流的宇宙起源模型。

标准模型

今天，为了在不同波段对宇宙中的天体进行观测，科学家建立了不同的天文望远镜，人类对宇宙的理解也从定性描述阶段进入了高精度测量阶段，现在被广泛接受的宇宙学标准模型，是大爆炸理论框架下有宇宙学常数的冷暗物质模型（Cosmological Constant–Cold Dark Matter,

观测证据

标准模型之所以得到科学界的普遍认可，是因为该模型能解释红移现象、氦元素丰度以及微波辐射背景等观测事实。

1. 红移现象：美国天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃通过观测若干近邻星系中的恒星和星团，发现这些天体的谱线具有普遍的红移现象，即这些天体发出的电磁波波长会变长。这个现象意味着这些星系以某个退行离我们远去，在非相对论条件下，通过多普勒频移关系，可推得星系的退行速度为

   

   大爆炸

   20世纪40年代，美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）基于“宇宙在不断膨胀”这一观点，推测如果时间倒退演进，宇宙早期应该处于一个高温又致密的状态下，当宇宙年龄不到 200 秒的时候，温度高达10亿度，这足以引发核反应，时间越早温度密度就越高，所以宇宙的一开始只存在最基本的粒子。而只有随着宇宙的膨胀，温度、物质密度的逐渐降低，最基本粒子才有可能进行相互转化，通过核合成过程形成原子、分子等。这个假设同时预测了早期核合成过程会导致宇宙中充满背景辐射，虽然宇宙的膨胀会使辐射温度降低，但这个背景辐射场今天依然存在，其特征温度为几K，处于微波波段，该辐射场即宇宙微波背景辐射。大爆炸理论起初并未得到广泛的认同，直到 20 世纪 60 年代，CMB的首次发现，伽莫夫的理论才逐渐受到重视，其理论被称为大爆炸宇宙学模型，随着更多观测事实证实了模型的预言，大爆炸模型逐渐成为最被广泛认可的理论，在此基础上，现代宇宙学又向前迈进了一大步。

   

   暴胀理论

   大爆炸宇宙论虽然成功预言了微波背景辐射，但依然存在“视界疑难”（horizon problem）与“平坦性疑难”（flatness problem）两个问题。对此，美国物理学家阿兰·哈维·古斯（Alan Harvey Guth）对标准模型进行改良，提出了暴胀理论，该理论描述了宇宙在极早期经历了一个暴胀阶段，从大爆炸后约

   

   1. 视界疑难（或因果疑难）：由于观测到的宇宙微波背景辐射是高度各向同性的，这说明不同方向上、距离极其遥远的两点之间也一定存在因果联系，即由某种共同的物理过程造成这两点之间有所关联。换句话说，我们今天看到的全部宇宙，历史上曾经处于同一个有因果联系的区域，即“视界”，视界的大小近似正比于宇宙时间。若不考虑暴胀，从现在倒退到普朗克时间，视界将缩小约

      

      虽然除了引力作用之外，重子物质的其他物理过程也会对小尺度(星系以下)的结构形成起到作用，但是这些过程对大尺度结构的影响可以忽略。标准模型认为暗物质粒子无碰撞、无耗散，只通过引力相互作用，且这种粒子低速运动，称之为“冷暗物质”。这些特点使其很难被探测到，目前还没有直接观测证据，科学家已经设计了一些实验，用来区分和探测理论预言的暗物质粒子的候选者：低温粒子探测器(如DAMA、Xenon10、CDMS、CRESST等)被用来直接探测暗物质粒子；欧洲的大型强子对撞机的能量已经达到了可以揭示或者排除潜在的暗物质粒子候选者的能力；星系团中心被认为是暗物质最密集的区域，因此利用卫星(PAMELA、Fermi)，测量星系团中心暗物质粒子碰撞湮灭时发射的

      

      在标准宇宙学模型下，宇宙中约70%的物质能量密度被归结于暗能量（dark energy），暗能量主导了宇宙的加速膨胀。为了平衡引力以得到静态的宇宙学模型，爱因斯坦在相对论场方程中引入了宇宙学常数

      

      普朗克时期

      普朗克时期是标准模型认定的宇宙历史中最早的时间阶段，从

      

      1. 宇宙温度为

         

         由于空间中较冷的区域拥有更密集的气体云，随着这些气体团块的增长，它们的引力吸引了更多物质，其中心变得炽热，最终发生核聚变。这时第一代恒星形成了，即星族III恒星（Population III stars）。它们的质量是太阳的30到300倍，亮度是太阳的数百万倍。几亿年来，第一代恒星聚集成了第一批星系。

         许多研究认为，第一代恒星可能形成于复合时期后约2-3亿年，而这一时期，由于氢原子的吸收效应，宇宙再次变得不透明，因此宇宙保持黑暗，即宇宙的黑暗年代（Dark Age）。此时的宇宙由大量的氢原子、氦和少量的重元素组成，而这一时期的宇宙发生了什么，还没有人知道。因此，第一代恒星的形成是从理论能推导得到的结论，还没有明确的观测证据证实其存在。

         理论基础

         为了描述标准模型下的宇宙是如何随时间而膨胀的，在宇宙学原理和爱因斯坦场方程的基础上，苏联科学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）建立了弗里德曼方程描述空间上均一且各向同性的膨胀宇宙。理论上，只需要两类方程就可以描述宇宙的演化：把宇宙中所有的组分（重子物质，暗物质，光子，中微子，暗能量）和宇宙的膨胀联系起来；所有组分满足能量守恒。

         宇宙学原理

         宇宙学原理（Cosmological principle）是一个通设，严格地限制了许多合理的宇宙学的理论。宇宙学原理表述为：宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的。即，在宇宙不同地点、同一时刻看到的宇宙图像及宇宙演化图景都相同。

         爱因斯坦场方程

         爱因斯坦场方程（Einstein field equations）是爱因斯坦在广义相对论的基础上提出的，用来描述引力、时空几何同物质间关系的方程，即“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”。其数学形式为

         

         

         

         包含暗物质和重子物质的物质密度参数：

         

         注释

         展开[a]

         宇宙在不断膨胀，光子的波长在传播过程中会被拉伸，光子的能量在不断衰减，到达地球时候的频率相对于发出时的固有频率会有偏移，这种现象被称为宇宙学红移（redshit）。在天体物理学中，常用红移表示宇宙学时间。