宇宙的演化过程分为哪几个阶段？
2010-06-22 15:54阅读：
宇宙的演化过程分为哪几个阶段？
根据大爆炸宇宙学模型的观点，宇宙150亿年的演化过程分为三个阶段。大爆炸的整个过程大致是这样的：
大约150亿年前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大。突然，这个体积无限小的点在四大皆空的“无”中爆炸了，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。人们将大爆炸的瞬间定作宇宙年龄“零”时。
第一个阶段是宇宙的极早期。宇宙处在这个阶段的时间特别短，短到以秒来计，称为“太初第一秒”。刚刚诞生的宇宙是极其炽热、致密的，随着宇宙迅速膨胀，温度急速下降。宇宙年龄为百分之一秒时，温度降到1000亿摄氏度；宇宙年龄为1秒时，温度继续下降，但仍高达100亿摄氏度以上，宇宙处于一种极高温、高密的状态，当时除氢核——质子外，没有任何别的化学元素，只有由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成，成为热平衡状态下的“宇宙汤”。
第二个阶段是化学元素形成阶段，大约经历了数千年。在“宇宙汤”中，原先只有中子和质子等基本粒子，在3分钟时中子和质子之比为1：6。随着整个宇宙体系不断膨胀，温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，化学元素从这一时期开始形成。中子和质子开始核聚变过程，所有的中子迅速合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中，余下的质子就成了氢原子核。这一时期还合成了其它轻元素，如氘、氚、锂、铍、硼等，数量较少。各种轻元素的丰度——即与氢的比例在宇宙各处都是一定的。当温度进一步下降到100万摄氏度时，早期形成化学元素的过程就结束了。此时宇宙间的物质主要是这些比较轻的原子核和质子、电子、光子等，光辐射很强，但是没有星体存在。
第三个阶段是宇宙形成的主体阶段。这个阶段的时间最长，至今我们仍生活在这一阶段中。这一阶段起始于温度降到几千摄氏度时，此时上述各种原子核开始与电子结合为中性原子，这一过程称为复合。由于温度的降低，辐射也逐步减弱，宇宙间主要是气态物质，这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块。又过了几十亿年，中性原子在引力作用下逐渐聚集，先后形成了各级天体。气体逐渐凝聚成星云，并逐渐演化成星系、恒星和行星，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天所看到的五彩缤纷的星空世界。在
个别天体上还出现了生命现象，人类也终于在地球上诞生了。
这就是宇宙大爆炸产生的大体图像。
支持大爆炸理论的依据有哪些？
宇宙大爆炸理论之所以能从刚提出的时候不受关注，到后来的异军突起，是因为大爆炸理论有实际依据，在它诞生前后不断得到了大量天文观测事实的支持。
观测宇宙学已经发现，在目前观测所及的范围内存在着许多重要的系统性特征，例如：星系红移、微波背景辐射、宇宙元素的丰度、宇宙的年龄等，这些观测事实都可以用大爆炸模型来论证：
1〕星系红移
天文学家观测到河外天体有系统性的谱线红移，用多普勒效应解释，红移就是宇宙膨胀的反映，这完全符合大爆炸理论。
1929年，哈勃发现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，它说明各星系正以很高的速度彼此飞离。这一现象可以用火车远离我们行驶时汽笛的声调（即频率）所发生的变化来比拟：当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，它被解释为是由星系系统地向远离我们的方向运动时的多普勒效应产主的，可见星系都在做远离我们的运动。
哈勃总结出谱线红移的规律是：越远的星系它的光谱线红移量就越大，因而远离我们而去的速度就越大，也就是说，对遥远星系，红移量与星系离我们的距离成正比，这红移叫宇宙学红移，或称为“哈勃红移”，这就是著名的哈勃定律。此后，在红外及整个电磁波波段都观测到了这个规律。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。
河外星系普遍远离我们而去，是因为宇宙正处在宏伟的整体膨胀之中。把宇宙中的星系想象成面包中的葡萄干，有助于理解它们随宇宙膨胀而彼此远离的图景：当一只嵌有许多葡萄干的巨大的面包膨胀时，其中的葡萄干就会随之彼此远离，其中每一颗葡萄干都会发现其它所有的葡萄干都在离开自己。相距越远的葡萄干彼此分离的相对速度也越大。在任何一个星系上，都会看到同样的情景。
此外由于万有引力的作用，宇宙膨胀的速度会随时间发生变化。万有引力作用于宇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，膨胀速度则越来越小。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。
宇宙整体膨胀的发现，乃是20世纪最大的科学成就之一。如今人们不断探测到更多更远的星系，但哈勃定律对它们依然成立。这个模型就叫做宇宙膨胀模型或大爆炸模型。
2〕微波背景辐射
微波背景辐射是150亿年前发生的大爆炸在今天的宇宙结构上留下的印迹。根据大爆炸理论，通过宇宙膨胀速度等可以具体计算宇宙每一历史时期的温度，伽莫夫等人在1948年就断言，我们的宇宙从最初的高温状态膨胀到现在已经很冷了，目前宇宙中应到处存在着一定温度的背景辐射，相应的温度大约是5K。由于它的辐射峰值在微波波段，故称为宇宙微波背景辐射。
1964年，原初宇宙这一最重要的遗迹被发现了。美国贝尔电话公司工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试巨大的喇叭形天线时，出乎意料地收到一种无线电干扰噪声，这种噪声在天空中的任何方向上都能接收到，各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月而无变化。这种噪声的波长在微波波段，这一发现正是大爆炸宇宙论预言的宇宙微波背景辐射，经过进一步测量和计算，得出辐射温度是2．7K，一般称之为3K宇宙微波背景辐射。1989年，美国航空和航天局专门发射了宇宙背景探测器卫星，对宇宙背景辐射进行更精密的测量。
宇宙微波背景辐射的发现，是继1929年哈勃发现星系谱线红移之后的又一重大的天文成就，因此它被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。微波背景辐射的发现有力地支持了宇宙大爆炸理论。
3〕宇宙元素的丰度
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。在宇宙中，氢和氦是最丰富的元素，二者丰度之和约占99％。而且氢和氦的丰度比在许多不同的天体上均约为三比一左右。
按标准宇宙模型，在热平衡的“宇宙汤”阶段，中子与质子的数量相等。随着宇宙的膨胀，宇宙变冷，二者比例降低。中子和质子很容易聚合在一起，开始了形成氦核的核反应，产生由两个质子、两个中子组成的氦核。这个过程用完了所有的中子，形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一，余下的质子就成了氢原子核，即氦同氢的质量分别占25％和75％。这也说明元素形成时其它元素的份量很少，宇宙中几乎全是氢和氦。从太阳系、其它恒星、星际介质、不同星系以及宇宙射线观测和研究中获得的数据表明，宇宙氦的含量在22％～25％之间，而氢与氦的质量比约为3：1，理论值与观测值接近。另外同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素尽管数量比氢、氦少得多，但理论给出的丰度值与实际观测也较接近。这些事实对“大爆炸宇宙”模型是有力的支持。因此，宇宙中99％以上的物质是由最初形成的氢与氦构成的；而造成行星和生命的丰富多彩的重元素还不到宇宙总质量的l％，它们大部分是在形成恒星后产生的。
4〕宇宙的年龄
宇宙有开端就有年龄。根据宇宙膨胀的速率倒推，大爆炸发生在约150亿年前。如果宇宙正在膨胀，星系正在彼此远离，那宇宙过去必定比较小，星系过去必定靠得更近。如果能把宇宙史这个过程倒过来进行，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。也就是说，较早时代的宇宙，物质密度会更高。继续这一推理就意味着过去必定存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被压缩为极其高密的状态。按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度，就可估计出那一时刻距今约150亿年。
这段时间对所有星系来说是共同的。根据大爆炸理论，宇宙中一切天体都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度降至今天这一段时间为短，所有恒星的年龄都不应超过由宇宙年龄所确定的上限。各种天体年龄的测量证明了这一点。利用放射性同位素含量测定年代的方法，人们测量了地球上最古老的岩石，测量了宇航员从月球上带回的土壤、岩石样品，测量了来自行星际空间的陨石，发现它们的年龄均不超过47亿年。恒星的年龄可从它们的发光速率与能源储备来估算，根据热核反应提供恒星能源的理论，人们估计出银河系中最老恒星的年龄为100－150亿年。用这两种完全不同的方法得到的天体年龄与“宇宙龄”是协调一致的，这对大爆炸宇宙模型是十分有力的支持。
上述天文观测事实极大地支持了大爆炸模型。当然大爆炸宇宙论也还存在许多未解决的难题，还有待于深入研究和取得更多的观测资料，才能得到进一步的结论。
宇宙的未来是怎样的？
大爆炸宇宙论指出150亿年之前的大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源，这一学说是有关宇宙起源和演化的种种学说中最有说服力，观测事实最为丰富，因而也最广泛地为人们所采纳。但我们的宇宙是否会永远膨胀下去？宇宙今后的图景和未来的命运又是怎样的呢？大爆炸宇宙论并没有给出明确的答复。
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。这里有两种可能：
一种可能是宇宙膨胀将永远继续下去。如果宇宙总质量小于某一特定数值，则引力不足以阻止膨胀，宇宙就将一直膨胀下去。在这个系统里，引力虽不足以使膨胀停止，但会不断地消耗着系统的能量，使宇宙缓慢地走向衰亡。宇宙越来越稀薄和寒冷，直至物质本身最后衰亡，只剩下宇宙背景辐射。到非常遥远的将来，所有的恒星燃尽熄灭，茫茫黑暗中潜伏着一些黑洞、中子星等天体。黑洞释放出微弱的辐射，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，出现寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙，它已经走完了自己的历程，达到了“热寂”的状态。
另一种可能是膨胀停止而代之以收缩。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”。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。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，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，任何天体都在劫难逃。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，挤成一堆等离子体。在最后的时刻实现“大紧缩”，宇宙逆转回到出发点。引力成为占绝对优势的作用力，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，成为一切事物的末日。宇宙在大爆炸中诞生于无，此刻也归于无。
宇宙是膨胀还是收缩这两种可能主要取决于宇宙物质的总量。根据目前的估算，宇宙物质的总量只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右，因此如果仅仅依据观测证据，则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。但是可能还有其他种类的暗物质未被我们探测到，可能最普通的基本粒子中微子也存在静止质量，只要其中任何一个问题的答案是肯定的，那么总引力便足以阻止膨胀，宇宙最终可能会坍缩。
此外，宇宙大爆炸学说在两个关键问题上无法解释：其一，大爆炸以前宇宙的图景如何？大爆炸宇宙的理论不能外推到大爆炸之前，尚不能确切地解释“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西，是什么引起了大爆炸。其二，如果宇宙最终重新坍缩回到原点，又会发生什么？有天文学家提出了宇宙“无始无终”
论：宇宙一直在反复地收缩然后又膨胀着。宇宙曾经处于体积非常大、物质密度非常小的状态，它在万有引力作用下渐渐收缩、聚拢起来，直到所有的物质统统撞到一起为止。这样的宇宙被称为收缩宇宙。然后，它突然爆炸了，结果形成我们今天观测到的这个膨胀宇宙。今天的宇宙膨胀将被不断起作用的引力所抵消，最终引力迫使宇宙的膨胀完全停顿下来，进而又转为收缩。因此有可能宇宙并没有什么开端，它一直在反复地聚拢然后又分开，分开而后又聚拢，聚拢分开永无止境。这样的一幅图景被称为振荡宇宙。
宇宙的过去和未来究竟是怎样的？相信科学终将会作出令人信服的回答。
