宇宙年龄和演化史

宇宙年龄和演化史

宇宙从大爆炸开始到现在所经历的时间就是宇宙年龄，当然这个时间无法直接测量，只能估算。最简单的是假设(当然不严格)爆炸后一直匀速膨胀，则可利用哈勃定律估算。将(8．4)式改写为:

由此看出，星系的物质原本与地球上的物质挤在一起，爆炸后分开到d的距离，此距离除以膨胀速度即退行速度υ，所得时间t大致与宇宙年龄相近。将H₀的数值代入，注意到1兆秒差距为3．09×10¹³千米，1年有3．16×10⁷秒，则得

通过对放射性元素的测定或对天体光度的测定，可以确定一些天体的年龄。当然最老的天体年龄也应该比宇宙年龄短，因为它们是后来才形成的。地球46亿年，太阳50亿年，银河系100亿年，都与此值不矛盾。球状星团的年龄很大，一般在(14．9±3．5)×10⁹年，即最少也有114亿年了。所以，宇宙年龄应大于114亿年。粗略地说就是，宇宙已经150亿年了。

上一节我们逆着宇宙演化的方向，采用回推的方法得出了宇宙产生于大爆炸这一结论。现在我们再顺着宇宙演化的顺序，回顾一下它的简史。

普朗克时代(10^－44秒)

现在引力理论都承认宇宙最初是个奇点，“奇”的含义是空间缩为点，在该点的物质或能量密度趋于无限大，经典物理出现困难。因为涉及到极小的时空，量子理论有个测不准关系:对时间和能量不能同时准确测定，对任何物体的位置和速度不能同时准确测定。普朗克(M．Planck，1858—1947)曾经证明，由相对论、量子论和引力论(广义相对论)的3个常数，即光速c、普朗克常数h和引力常数G，可以确定出可测量的最小时间为:可测量的最小长度为

t_p和l_p分别称为普朗克时间和普朗克长度。在奇点周围10^－35米的空间范围内和10^－44～10^－43秒的时间范围内，谈论长度和时间等概念，是没有意义的。由长度和时间派生出来的其他概念，诸如“早于”、“迟于”、“之前”、“之后”、“上下”、“左右”等，也随之失效。所以，因果律不再适用，经典物理也不再适用。应当建立新的物理理论(如现在有人提出的量子引力论和量子宇宙学)，来描述或研究这一时期的状态和演化过程。目前对此被称作普朗克时代的时期仍然所知甚少，所以，一般讨论宇宙及其演化，只能从10^－43秒开始。但是，宇宙终归是从这里创生出来的。

极早期的宇宙(10^－43～10^－33秒)

一个高温高密的奇点是极不稳定的，它从10^－43秒开始向外扩张产生了空间，宇宙有了半径，约10^－25厘米，这就是宇宙的开端。在10^－33秒时，温度也降到10²⁸ K。此后，从10^－35秒到10^－33秒期间曾有过一段暴涨时期，宇宙突然发生指数式急剧膨胀。整个时期宇宙没有任何实物而只有场，处于完全对称的“真空”或“无”的状态，就是常说的“有生于无”的“无”。在急速膨胀中真空从“高温相”的态变成“低温相”的态，并释放出能量。

早期宇宙(10^－33～10²秒)

暴涨结束时真空发生相变的结果，由对称变为不对称，释放出的能量变成辐射和粒子，这是宇宙不对称和物质的起源(这大概就是“质之始也”吧)，新的时期开始了。此期间宇宙温度从10²⁸ K分几个阶段降到10¹⁰ K，并陆续产生各种实物粒子。根据爱因斯坦的质量－能量关系E=mc²，当温度降到kT_c≈mc²时(k为玻尔兹曼常数)，质量为m的粒子就可存在而不被破坏，这个温度T_c就是临界温度。当T降到10¹⁵ K时产生夸克，降到10¹³ K时夸克结合成强子(参与强相互作用的粒子，种类很多如质子、中子、介子、超子等)并生成轻子(电子等)。此时的宇宙好似沸腾的一锅热粥，里边各种粒子和光子交混在一起。直到近200秒即3分钟时温度降到10¹⁰ K，开始形成很轻的原子核如氦核、氚核和锂核等，所以此时期又称核合成时期。从此，强相互作用也从统一的相互作用中分离出来。不过宇宙仍是各种实物粒子、轻核和电磁辐射光子交混在一起的混沌粥，只是膨胀速度比暴涨时期放慢了。

宇宙的最初3分钟是非常高效的，在空间不断急速膨胀的同时，产生了各种各样的粒子，为宇宙的进一步演化成丰富多彩的物质世界奠定了物质基础。

近期宇宙(10²～10¹²秒)

宇宙从3分钟之后形成了许多轻的原子核以及其他粒子如电子等等，仍与光子交混在一起。到10¹²秒即10万年时，温度降到约3000K，游离的电子和原子核可以结合成稳定的中性原子了。光子能量也低到不足以打碎原子，于是它与原子分道扬镳，自由地充满整个宇宙空间，这就是背景辐射，随着宇宙膨胀，它不断降温(到现在只有2．7K了)。此时那些原子气体均匀地散布在整个宇宙。

当今宇宙(100万至150亿年)

如果原子气体间一直均匀分布或相互间没有引力，则宇宙就永远处于这种无结构的状态，不再演化。但实际上原子间有引力而且分布总有起伏，只要有某个局部区域密度变得稍高一点，则这个区域的引力变得更强，会吸引更多的物质形成更高的密度。相反，密度越低处引力越弱，其中原子更易逃离。总之，小的起伏会彻底破坏均匀状态。可见，引力导致演化方向是:

图8－4　宇宙演化图

宇宙范围内引力引起主导作用。为什么世界由简单变得越来越复杂?为什么原来无序会变得越来越有序?都是因为有引力。于是，原子的结团现象经过大约1亿年的功夫，形成了最早的星系，宇宙也变得透明了。然后是银河系、太阳系的形成，生命的出现和人类的诞生，直到今日宇宙。

从大爆炸算起到现在，宇宙经历了150亿年的演化。可由图8－4直观地表示出它的主要阶段;如果把150亿年折算成整一年的话，那么更容易看出当今宇宙主要事件出现的相对早晚来(表8－2):

表8－2