宇宙的起源？

大爆炸模型认为原始宇宙是一个超高温高密度的“点”。大约18亿年前，这个“小点”突然爆炸，只用了10-36秒。随着真空相变的过冷现象，“小点”瞬间膨胀了几十个数量级，变成了一厘米尺度的宇宙。之后宇宙继续膨胀，温度从几十亿摄氏度开始下降。在大约5500万摄氏度时，冷却过程的能量产生了中子和质子，它们被合成为原子核。这些过程只用了3分钟。大约30万年后，当宇宙温度降至3000摄氏度时，自由电子被原子核俘获形成原子。这些原子在接下来的3000万年左右继续向外扩张。宇宙也继续冷却。当宇宙温度下降到绝对零度以上167度时，原子开始结合形成稀薄气体。此后由于密度波动和引力，开始向新的天体演化。100多亿年后，呈现出多种物质形态，成为今天的宇宙。从15亿年前的BIGBANG开始，恒星和星系就一直在向外飞。理论上，相互依存的引力应该会减缓膨胀，但事实并非如此。事实上，扩张仍在加速。普林斯顿大学的Steinhardt说，宇宙无始无终，大爆炸永远不会一次又一次地停止。

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上次，我们介绍了宇宙是如何在大爆炸后诞生的。上次我们只讲了宇宙从大爆炸开始，然后，持续了多久？只持续了三分多钟，也就意味着我们宇宙的基本框架形成了。让我们看看宇宙是如何在三分钟内演化的，是如何一步步演化到我们现在的星球和现在的宇宙状态的。然后我要问一个最简单也是最普遍的问题，先有鸡还是先有蛋？应该回答哪些问题？我想回答星系是如何形成的问题。

现在确实有两种理论，那么是哪两种理论呢？让我们来看看。这张图是一个典型宇宙从大爆炸开始逐渐演化的示意图。所以在一开始，那就是大爆炸。大爆炸后，宇宙不断膨胀，温度不断降低。那么中间部分就是宇宙的背景辐射，或者微波背景辐射，就是我们现在看到的。那么我们从外部可以看到，宇宙一点一点减小后物质的温度逐渐降低，减小后物质的分子结构越来越大。换句话说，这个物质一开始靠得更近，就开始形成一些小的团块，这些团块慢慢聚合，一步一步，就形成了后面大家看到的星系。也就是说，通过一点一点的聚合，会聚合成一个星系。

如果按照这个顺序，无论如何，后面一段都是由小块组成，一点一点形成大块，相当于我们说的:先有蛋后有鸡，先有蛋后有鸡，变大了。但是还有另一种可能。突然先形成一些大的硬块，然后一点一点大的硬块分出来，也就是说先有鸡，后有蛋。那么星系是什么时候开始形成的呢？就是我们一开始说的这个宇宙的温度非常非常高，有1000亿度。如果再往前追溯，甚至大于1000亿度。所以在这么高的温度下，我们说不可能形成一团物质。那么当温度下降到四千度的时候，这时候这些物质的温度就会降温，就会降温。然后，大家有可能坐在一起好好谈谈，这样我们就可以更亲近了。所以在4000度时，宇宙中开始形成物质团块。换句话说，重力开始起作用了。这是我们银河系开始形成的时候。这个时间大约是宇宙爆炸后的十亿年。爆炸后，宇宙在十亿年后开始形成物质团块。根据这张图片，称为自上而下，首先形成一个非常大的肿块。宇宙冷却下来之后，突然冷却下来之后，大家都很开心，很欢呼。大家一开始都很激动，谁也不能安宁。突然，它冷却下来以后，所有的物质都结块了，只有结块了，才能沉淀下来。首先，它们形成一个很大的肿块。它有多大？就像一个大蛋糕，这个。这是一种可能性，也就是说，先有什么？先有鸡后有蛋，先形成大块，再形成现在的星系。

还有一种可能，叫做自下而上，就是先形成小物质，也就是块状物。然后这些小物质一点一点凝结，最后凝结成什么？星系一个接一个，总之不管是由大变小，还是由小变大，总之会形成什么？我们现在星系的形成，也就是说在BIGBANG之后，大概十亿年左右，开始出现，形成星系。

这个图是模拟图，我们来模拟一下这个星系是怎么形成的。现在我们来模拟一下。你看这些团块互相吸引，融合在一起，最后，几个星系就形成了。这个星系就这样形成了。我们的动画呢？一开始我们看到了哈勃太空望远镜拍摄的几个团块，然后我们模拟了一下。根据我们的模拟过程，这些团块最终形成了这个星系。

那么现在宇宙中有多少个星系呢？数不胜数，我们再看几个，那么这就是真实空间的一部分。你会看到什么？有很多物质，这些物质在不断形成新的行星，不断形成新的行星。所以宇宙中像我们银河系这样的星系太多了。宇宙中还有很多类似我们银河系的星系。你要说我们银河系美不美，可能还不如这个星系美。这个星系叫螺旋星系，中间有一个核，非常漂亮。我们再来看另一个，也是星系。这个星系不是那么旋转的。我们称之为椭圆星系。它是椭圆形的，但是这个星系非常大。这个椭圆星系通常比螺旋星系大。那么宇宙中就有很多椭圆星系。让我们看另一个。你认为这个星系的特点是什么？一边有旋转，中间的核不是圆的，有点像棒槌，所以我们称这个星系为棒旋星系。

这是另一个星系，这个星系有一个小弟弟。看星系的左侧。它还与一个小星系相连。好像一个大星系牵着一个小兄弟，两个星系连在一起，看起来很美。就像一只大胳膊，把小星系抱在一起，这也是一个巨大的椭圆星系，比星系大很多。看上面那些点，每个点就是一个星系，星系组合在一起。这是什么？称之为星系团，即星系和星系可以组合成一个更大的家族。我们称之为星系团。这是一个星系团，是目前离我们星系最近的星系团，叫做仙女座星系团，离我们最近。

我们讨论了很久，我们的银河系是不是一个星系。当然，我们的银河系是一个星系。有人问，那你说说银河系是什么样的？这是非常困难的，因为在这个星系中我们看不到我们星系的全貌。我们只能看一部分，看太阳这边是什么状态，再看太阳那边是什么状态，然后一般会画出我们的星系。结果就是出现了一个应该和我们银河系非常相似的星系。这个星系被称为仙女座星云，也是距离我们最近的星云之一。这个星云不仅是我们的姐妹星云，在历史上也做出了巨大的贡献。

上节课我提到过，哈勃证明了在我们的银河系之外还有一个银河系，和我们的银河系是一样的。你是怎么证明的？这个星系证明了。具体来说，它在这个星系中找到了一颗单独的恒星，不仅找到了这颗恒星，还通过这颗恒星测量了仙女座星云的距离，发现这个仙女座星云肯定不在我们的星系中。在哈勃之前，每个人都有一个观点，这是我们银河系中的一些星云，所以我们称之为仙女座星云。这个仙女座菌株不是这样的。它是一个像我们银河系一样的星系。先是有星系，然后各种恒星在星系中诞生，所以恒星周围有恒星家族。那样的话，我们的宇宙就会慢慢诞生，包括人类，各种高等生命都会通过宇宙的进化而诞生。

我们谈到这个地方以后，人们会想，你讲了那么多现在，能不能讲讲未来，我们的宇宙未来会怎么样？所以问题变成了，我们的宇宙会终结吗？虽然我们说宇宙的尽头离我们非常遥远，但是你要考虑一下。尤其是作为科学家和天文学家，我们必须回答这个问题。我们的宇宙会有尽头吗？让我们回顾一下宇宙的演化。你看宇宙从一开始就是一步一步进化的。就像我刚才说的，到了图的右边，你会看到经过星云之后，最后形成了很多星系。星系中有恒星，因此恒星周围可能有行星，这可能导致高等生命的诞生。然后宇宙会向下膨胀。宇宙会无休止地膨胀吗？这对天文学家来说是一个非常严肃的问题，你必须回答。否则，你的天文研究可以说是不完整的，你对宇宙的了解还是很有限的。天文学家试图回答这个问题，所以通过反复研究，我们发现我们宇宙的走向是这样的:先说这张图。这张图的横坐标是时间，纵坐标是宇宙的大小。那么坐标轴附近的绿线就是我们当前的状态，也就是我们当前所处的宇宙位置。在我们的宇宙中有三种可能性。第一种可能是顶部红线。这种可能性就是我们的宇宙一直在膨胀，膨胀，膨胀速度越来越快，这是宇宙的一种可能性。那么在中间，第二种可能是宇宙在膨胀，只是膨胀速度更慢更平缓，也在膨胀，而且还会继续膨胀。那么第三个状态就是底部的蓝线。它说我们的宇宙确实在膨胀，但是膨胀之后会收缩，也就是说在最初离开之后，膨胀了一段时间之后，若干年之后又会收缩回来。

这个理论告诉我们宇宙有三种可能，天文学家都回答了，哪一种是正确的？怎么回答？所以现在回答这个问题，理论上简单，实践上很难。为什么理论上很简单？宇宙是继续膨胀，还是迅速膨胀，还是缓慢膨胀，或者膨胀后又收缩回去，主要取决于我们宇宙中物质的平均密度，也就是说我们宇宙中有多少物质。如果我们宇宙中物质的平均密度比较高，那么它的引力就会发挥越来越重要的作用，有可能膨胀一段时间后又收缩回来。那么如果宇宙中的物质密度低到容纳不下，我们的宇宙就会不断膨胀，就是这样。理论上来说就是这么简单，但是还有一个天文学家需要注意的问题，就是宇宙中的暗物质。众所周知，我国著名物理学家李政道教授在演讲中提到，21世纪物理学的重要任务之一就是研究宇宙中的暗物质。

所以这些暗物质很重要，那么这就是事情的结局吗？不。事情还没有结束，为什么不呢？最后我们发现还有一个更严重的矛盾，就是把宇宙中的这些暗物质加进去，我们计算出宇宙的年龄是不正确的，而且是不正确的。一定有其他物质造成了我们目前的宇宙状态，并与年龄相匹配。还有什么？一个是看得见的，一个是看不见的，所以看不见的还在。不仅现在看不到，现在还认为不存在的东西真的不存在，这个问题很严重。有吗？答案现在说可能有，而且有些可能性越来越大。这种物质很有趣。是谁首先提出的？它是由爱因斯坦首先提出的。爱因斯坦随便把它加到他的广义相对论方程里，然后再加一个方程来平衡它。那是什么？爱因斯坦也说不清，在他加的那个里，大家都在那里玩游戏。做了很久，爱因斯坦表示歉意，说我的宇宙加的宇宙常数是错的。他说我这辈子犯的最大错误就是在我的方程里加了一个宇宙常数。但没想到爱因斯坦死了半个世纪，现在我们别无选择，只能把他作为救命稻草带回来。应该补充，说老爱因斯坦是对的，或者说应该补充，不仅应该补充，而且很重要。有可能真空中有物质，真空中可以取出物质。那就好好想想。如果天文学家真的证实了这件事，那我们物质的来源呢？它将比以前想象的丰富得多。我们可以从我们的真空中取出物质，这种物质的含量甚至比我们看到的更多，更丰富。真的是用之不竭。想拿什么就拿什么，想拿什么就拿什么。当然，这个问题还是比较复杂的，需要天文学家，包括物理学家来共同解决。天文学家从观察中找到了他存在的证据。因此，李政道教授的预测非常正确。宇宙21世纪物理学的一个重要课题可能是宇宙暗物质的研究。

那么如果宇宙中有足够多的暗物质和大量的物质，会发生什么呢？如这张图所描述的，是底部状态。情况如何？我们的宇宙目前正在膨胀。膨胀之后会发生什么，会慢慢收缩，然后收缩到一个点。

现在天文学家有一个很重要的任务，就是不断研究宇宙中的总质量。大家都知道，我们放一个太空望远镜，一个宇宙飞船，不仅要观测它的光学波段，还要观测它的X射线波段，这还不够，还要观测它的γ射线波段。其中一个目的就是真正了解我们的宇宙到底有多少物质，最重要的是回答我们的宇宙要去哪里，什么时候结束，会不会结束，会不会收缩到一起重新开始。

说完这些，我就不用问你了。自然，你有很多疑问。这真的很神秘，不可思议。肯定有很多不可思议的问题。比如这个宇宙有多大？你已经说了很久了。这个宇宙有边缘吗？宇宙是一个大爆炸。大爆炸开始时发生了什么？大爆炸之前是什么？大爆炸的空间有多大？大爆炸发生的时候，这么大的宇宙能装进这么小的空间吗？这样的问题太多了。我先回答一个。有什么问题？不管我们的宇宙有没有边界，有多大，天文学家都会告诉你，宇宙是无限的，你走不到尽头，不管走多远。你不相信我去哪里，我从这个地方到另一个地方，所以我总能走很久，最远的是绕着地球转。我也可以转身。为什么我不能走到最后？我先给你做个最简单的演示。你看，这是一张纸。我将把这张纸稍微弯曲一下，形成这样一个环。每个人都知道这个戒指。如果有一只小蚂蚁在这个表面行走，你会发现什么？它不能走到最后吗？我走不动了。它绕着圈回来了。你说这一面有几面？仔细看看，只有一面。这是什么意思？我告诉你一件事，只要我在这个空间把它弯曲，你就会有这个现象，不会再走到最后。就是这么简单的一件事，你放一只蚂蚁在上面，它就在上面走，永远走不到尽头。所以只要空间是弯曲的，就走不到尽头。这是我刚才弯曲的曲面的漫画。看这只蚂蚁在这个表面上走来走去。你感觉如何？它认为它能走到尽头吗？永远不会走到尽头，这个宇宙永远不会走到尽头。

然后回来说，为什么不能永远走到最后？只是因为在我们现在的宇宙中，我们如何测量宇宙的距离？但是通过光，根据广义相对论，这种光在宇宙中是弯曲的，这种弯曲已经被实验证实了。据说日全食的观测已经证明了光确实是弯曲的，所以永远看不到宇宙的尽头，所以我们的宇宙是无限的。

还有一点我们想说的是，你们一直在寻找谁作为宇宙的中心？谁是宇宙的边缘？这个不存在。我们说在这个宇宙中，根据这个理论，我们宇宙中的一切都是平等的。我们说哥白尼把地球的中心移到了太阳的中心，所以我们引用了他的名字，把这个原理叫做哥白尼原理。哥白尼原理被用于宇宙。在宇宙中，所有的点都是平等的，相同的。在我们的宇宙中，如果你站在任何一点观察宇宙，都会得到同样的效果，人人平等。也就是说，我们的宇宙是一个没有边界和特殊位置的宇宙。

然后回答另一个问题。你说宇宙是从大爆炸开始的，那么大爆炸之前是什么？我只是在图中演示了一下，但有一种可能是，在大爆炸之前，它也是一个宇宙，它收缩了，开始爆炸。那么可能还有其他的可能性，目前我们也不是很清楚。而且宇宙最初的物理状态是如此极端，我们没有研究透彻，也没有现实地研究过。这种状态还是很特别的。但无论如何，到目前为止，大爆炸理论在理论和观测上都是被大多数人接受的。所以有一种说法，我们称现在的大爆炸理论为标准宇宙。因为这个大爆炸是热大爆炸，而不是冷大爆炸，所以我们把这个模型叫做热大爆炸宇宙模型。目前，这种大爆炸宇宙模型已经被广泛接受。

虽然被广泛接受，但毕竟有很多不尽如人意的地方，很难去想。尤其是我介绍宇宙的前三分钟，你很难想象是0.01秒，我们把整个宇宙都放进去了，所以你会觉得很难说整个宇宙把地球放进去了。所以不太满意，就问了？有没有更理想更满意的理论？这个答案应该说是肯定的。有些理论虽然没有被完全普遍接受，但也不是没有道理。有许多这样的理论，其中之一是霍伊尔的。霍伊尔是英国的天文学家。他前年去世了。这个人对天文学做出了许多重要贡献。然后在这其中，他创立了一个理论，叫什么？这叫做稳态理论。他说我不可思议。你的宇宙一开始只是一个大爆炸。这个不可思议在两个方面:一方面，你的身体状态不可思议。你说那是夸克汤。哪里来的这么多夸克汤？谁来煮这夸克汤？谁会做这样的锅？所以这种身体状态是不可思议的。另一个说你的物理定律不可思议。在这样的极端条件下，我们目前所理解的物理定律早就在那个地方被破坏了。所以他说你的理论是错的。现在我在建立另一个理论。它叫什么？这叫做稳态理论。

它有两层意思，之前我们介绍的时候，往往不是很清楚。这两个意思是什么？假设我们的物质，宇宙目前的物理状态，是比较稳定的，不会有大起大落，不会有破坏性。这是一种稳定的状态。第二层意思是，无论宇宙如何演化，其物理规律从开始到现在到未来都是一致的，也就是说，这个物理规律从宇宙最初演化到现在应该是不变的。他说我们目前的宇宙模型是好的，它正在膨胀。原始宇宙呢？一样，只是比现在小一点。如果这么小，那里面的材质呢？他说是少了点，那过去的身体状态呢？它比现在密度更大，所以如果它以前更小，里面的物质就会更少。现在更大了，材质也会增加。如果我的宇宙在膨胀，那么物质也会增加。人家问你这种物质是怎么来的。他说很简单。怎么可能简单？随着宇宙的膨胀，物质也同时产生。随着宇宙的膨胀，我的物质在那里不断产生。说起来当年的这个理论，简直是大逆不道。我们说我们认为物质是不朽的，等等。然后你无中生有。如果不是大叛乱那是什么？现在看来是有道理的，既然物质可以在真空中产生，那么它就会在膨胀的同时产生。这是霍伊尔宇宙学的基本思想。然后他的理论受到了批评，但是支持的人也很多。有很多观察想支持他的理论，他自己也很聪明，想了很多办法解释。

说了这么多，现在来说说我们中国古代的天文观念。我们中国人很聪明。不仅是现在，在古代，我们也想过很多模式。让我们来看看。这幅画告诉我们关于我们中国人在古代想出的宇宙。所以这个模型很简单，但是我要告诉你，它是周朝发明的，你觉得不简单。它就像一个锅盖。叫什么理论？盖田说那个地方天上有很多星星像锅盖，在这个基础上编了很多故事。我们的锅盖可能有很多柱子支撑在那里，有八根柱子。起初，据说有四根柱子。后来又说四根柱子支撑的锅盖支撑不住，八根柱子支撑不住。那么女娲应该怎么做呢？为了修补天空，她修补了它。所以我们的想象力非常丰富。这是什么意思呢？盖田说。后来发现盖田的理论是不充分的。到了春秋战国时期，我们想到了另外一个。它叫什么名字？上面不仅有锅盖，下面也有。它叫什么？据说我们整个宇宙就是这么大的一个球，我们的地球就像一个蛋黄，在这个宇宙的中间，这就是所谓的混合天空理论。因此，我们的想象力非常丰富。根据混合天空理论，我们建造了一台混合仪器。这是通过混合天空的视点制作的混合乐器。我们古代的天文学家叫张衡。说到这个地方，我想到了这样一件事，就是天文学有用吗？有多大用处？

讲了很久，好像大家都觉得很深刻。有实际意义吗？我可以回答你，虽然这个天文学很深奥，但它是我们人类接触自然科学的第一个学科。我说天文学是人类接触自然的第一门科学。为什么这么说？古代人想种地。想种地，就要了解春夏秋冬。他是怎么知道春夏秋冬的？你怎么知道的？仅仅是看天上的星星，那么这个季节我们看太阳，看月亮，看月呢？要靠天文学看天上的星星，什么星星出来了，什么季节到了，也就是季节的划分等等。所以从最早的时候开始，人类赖以生存的自然科学就是天文学，所以这一天还是很美好的。研究宇宙！还是很有意义的。看这个小女孩，凝视着天空，思考着宇宙的各种可能模型，思考着我们宇宙未来的发展。谢谢大家！