自古至今,人類對於宇宙的探索始終如一,且隨著時間的流逝,我們對它的理解愈發深刻。或許對部分人來說,這些知識並不為人熟知:在人類歷史的早期,我們誤以為銀河系就是整個宇宙,對河外星系的存在一無所知。同時,在19世紀末至20世紀初,牛頓的經典力學被認為是宇宙的唯一真理,它涵蓋了宇宙中的一切現象。然而,在短短的一個多世紀後,科學家們已經構建出了宇宙的標準模型,而量子力學和相對論也成為了現代物理學的核心!
人類對宇宙的認識,在過去一百多年間,已遠超此前數千年的總和。科學家告訴我們,宇宙自誕生至今已有138億年的歷史。在這漫長的138億年中,宇宙到底經歷了哪些重大的變革?宇宙的未來將走向何方?宇宙是否也有終結的一天?
讓我們一同穿越時空的隧道,回到宇宙誕生的瞬間,再跨越到遙遠的未來,一同見證宇宙的整個演變歷程!
宇宙大爆炸的那一剎那
大約在138億年前,一個體積無限接近於零、密度卻無限接近於滿、溫度達到了無法想象的高、時空曲率也達到了無法度量的點突然發生了膨脹(爆炸),時間和空間因此而誕生。一些科學家相信,時空源自一個更為廣闊的超時空,其他科學家則稱之為「量子真空」,那裡充滿了量子能量的擾動,海森堡的不確定性原理就是對此的闡釋。
在宇宙大爆炸後的一個普朗克時間(10的負43次方秒),宇宙的溫度達到了驚人的10的32次方度。雖然宇宙大爆炸的瞬間就誕生了時空,但對於人類來說,只有普朗克時間之後的階段才有意義,因為普朗克時間是我們能理解的最小時間單位。在此之前,宇宙只存在一種力(超力),其密度高達每立釐米10的91次方千克。
在普朗克時間之後,宇宙開始冷卻,引力逐漸分離出來,而其他三種力(強力、弱力和電磁力)仍舊是一個整體。
在宇宙大爆炸後的10的負35次方秒,溫度仍然高達10的27次方度,最基本的粒子,如夸克、輕子和玻色子等開始形成。隨著宇宙的繼續冷卻,強力也開始分離出來,但弱力和電磁力仍舊未分離。在這個階段,宇宙經歷了一次短暫但極為劇烈的膨脹,即「暴漲」,持續時間僅10的負33次方秒,但宇宙的體積卻膨脹了10的30次方倍。這是時空本身的膨脹,並未違反相對論的光速極限。
在宇宙大爆炸後的10的負12次方秒,溫度達到了10的15次方度,這一時期是基本粒子形成和穩定化的階段,質子、中子以及反粒子逐漸形成,而電子、夸克、玻色子、中微子和膠子等基本粒子也趨於穩定。至此,宇宙的四種基本作用力均已形成。
在宇宙大爆炸後的10的負5次方秒,質子和中子也逐漸穩定。一個奇怪的現象是:宇宙中的物質數量略微超過反物質的數量,例如在宇宙中每出現100億個反質子的同時,會有100億+6個質子誕生,多出的6個質子,這是「正反物質的不對稱性」。目前對於這一現象的解釋並沒有統一的答案。一些科學家推測,在宇宙大爆炸的瞬間,宇宙環境過於極端,可能存在一些違反重子數守恆的相互作用。
正反物質互相碰撞並湮滅,雖然每100億個反物質只比物質多出6個,但這6個物質已經足夠形成我們今天所看到的宇宙。
在宇宙大爆炸後1秒,溫度依然高達100億度,大量的質子和中子應該會結合在一起形成原子核,但由於溫度過高,宇宙中的輻射能量極強,使得質子和中子很難形成穩定的原子核。
在宇宙大爆炸後10秒,溫度降至約30億度,氫和氦的原子核開始形成,但同樣由於溫度過高,它們無法吸引電子形成中性原子。
在宇宙大爆炸後的30萬年,溫度降至大約3000度,中性原子開始形成,宇宙中的主要成分是氣態物質,這些物質隨後會形成恆星系統。宇宙中的光子在旅行過程中逐漸失去能量,同時隨著宇宙的加速膨脹,它們的波長被拉伸,形成微波,即我們所知的「宇宙微波背景輻射」。這一切大約發生在宇宙大爆炸之後的38萬年,在這之後,宇宙開始變得透明。
在接下來的漫長歲月裡,是恆星系統和星系形成的時代。
在宇宙膨脹的過程中,由於密度和溫度的不平衡,物質分佈變得不均勻,這導致了引力的不平衡。密度較高的區域會因為較大的引力而吸引更多的物質。但由於當時的溫度仍相對較高,輻射壓力足以抵抗引力,因此引力尚未有機會發揮其強大的作用。
在宇宙大爆炸後的1億年左右,隨著長時間的冷卻,輻射壓力已經大大降低,不再是萬有引力的對手。在引力的作用下,密度較高的區域開始吸引更多的物質,如同滾雪球一般,達到某個臨界點後,物質在引力的驅動下開始急劇向內坍縮,中心溫度迅速升高,一顆恆星就此誕生!
第一批恆星的出現具有重要意義,它們為宇宙帶來了光明,結束了宇宙的黑暗時代。
然而,第一代恆星的壽命非常短暫,通常不會超過幾百萬年,最終在走向死亡的過程中形成白矮星、中子星或黑洞。在這個過程中,還會出現對宇宙演化至關重要的宇宙超級爆發——超新星爆發。
超新星爆發的瞬間,強大的爆發力會將外層物質噴射到廣袤的星際空間中,這些物質將成為下一代恆星和行星的組成部分!
在宇宙大爆炸後的6億年左右,星系開始形成。
在宇宙大爆炸後的18億年左右,星系開始互相合並,形成更大的星系或星系團,比如我們今天所見的橢圓星系、螺旋星系、矮星系和不規則星系等。
星系的合併從未停止,直至今日仍在繼續。例如我們的銀河系和鄰近的仙女座星系正不斷接近,科學家預測大約在35億年後,這兩大星系將合併為一個更大的星系。
在宇宙大爆炸後大約90億年,一個重要的事件發生——太陽和太陽系的誕生。太陽雖然只是宇宙中眾多恆星中的一個,但對於人類而言,它的存在意義非凡。在太陽誕生之後,它開始用其強大的統治力塑造太陽系。
在宇宙大爆炸後大約100億年,也就是地球誕生大約10億年之後,地球上誕生了最原始的生命,這無疑是地球漫長演化史中的又一里程碑。
在隨後的漫長歲月中,地球生命經歷了五次大規模的物種滅絕,但生命依然頑強地生存和進化,從低階生命形態發展到高階生命形態,最終形成了我們今天所見的豐富多彩的生命世界。
以上就是從宇宙大爆炸到今天的全部宇宙故事,那麼宇宙的未來又將如何發展呢?
10億年之後,太陽將變得更大、更熱,地球可能因此不再適合生命生存,海洋將全部蒸發。事實上,太陽自誕生以來就不斷變大變熱,只是速度相對較慢。隨著太陽核心燃料的逐漸減少,太陽變大變熱的速度開始加快。
35億年之後,我們的銀河系和仙女座星系將合併為一個更大的橢圓星系。
50億年之後,太陽燃料耗盡,向內急劇坍縮,最終成為一顆白矮星。
1000億年之後,在暗能量的作用下,宇宙膨脹速度越來越快,星系間的距離變得越來越遠,宇宙空間變得更加空曠。
未來將有新的恆星誕生,但更多的恆星走向死亡。然而,由於氫燃料是有限的,這意味著最終所有的恆星都將走向終結。紅矮星作為壽命最長的恆星(由於質量較小,燃燒速度較慢),隨著最後一顆紅矮星的死亡,宇宙的光明時代宣告結束,黑暗時期降臨!
大約10的15次方年之後,宇宙中僅剩下黑矮星、中子星和黑洞。
大約10的1000次方年(一個無法想象的漫長時間)後,連最頑強的黑洞也會因為「霍金輻射」而走向終結。此時的宇宙已經變得面目全非,因果關係不再存在,或者說時間已經消失,只剩下現在,宇宙中只有各種虛粒子忽隱忽現,一個極其怪異的宇宙,這樣的宇宙可以說已經走向了「死亡」!