自古至今,人类对于宇宙的探索始终如一,且随着时间的流逝,我们对它的理解愈发深刻。或许对部分人来说,这些知识并不为人熟知:在人类历史的早期,我们误以为银河系就是整个宇宙,对河外星系的存在一无所知。同时,在19世纪末至20世纪初,牛顿的经典力学被认为是宇宙的唯一真理,它涵盖了宇宙中的一切现象。然而,在短短的一个多世纪后,科学家们已经构建出了宇宙的标准模型,而量子力学和相对论也成为了现代物理学的核心!
人类对宇宙的认识,在过去一百多年间,已远超此前数千年的总和。科学家告诉我们,宇宙自诞生至今已有138亿年的历史。在这漫长的138亿年中,宇宙到底经历了哪些重大的变革?宇宙的未来将走向何方?宇宙是否也有终结的一天?
让我们一同穿越时空的隧道,回到宇宙诞生的瞬间,再跨越到遥远的未来,一同见证宇宙的整个演变历程!
宇宙大爆炸的那一刹那
大约在138亿年前,一个体积无限接近于零、密度却无限接近于满、温度达到了无法想象的高、时空曲率也达到了无法度量的点突然发生了膨胀(爆炸),时间和空间因此而诞生。一些科学家相信,时空源自一个更为广阔的超时空,其他科学家则称之为“量子真空”,那里充满了量子能量的扰动,海森堡的不确定性原理就是对此的阐释。
在宇宙大爆炸后的一个普朗克时间(10的负43次方秒),宇宙的温度达到了惊人的10的32次方度。虽然宇宙大爆炸的瞬间就诞生了时空,但对于人类来说,只有普朗克时间之后的阶段才有意义,因为普朗克时间是我们能理解的最小时间单位。在此之前,宇宙只存在一种力(超力),其密度高达每立厘米10的91次方千克。
在普朗克时间之后,宇宙开始冷却,引力逐渐分离出来,而其他三种力(强力、弱力和电磁力)仍旧是一个整体。
在宇宙大爆炸后的10的负35次方秒,温度仍然高达10的27次方度,最基本的粒子,如夸克、轻子和玻色子等开始形成。随着宇宙的继续冷却,强力也开始分离出来,但弱力和电磁力仍旧未分离。在这个阶段,宇宙经历了一次短暂但极为剧烈的膨胀,即“暴涨”,持续时间仅10的负33次方秒,但宇宙的体积却膨胀了10的30次方倍。这是时空本身的膨胀,并未违反相对论的光速极限。
在宇宙大爆炸后的10的负12次方秒,温度达到了10的15次方度,这一时期是基本粒子形成和稳定化的阶段,质子、中子以及反粒子逐渐形成,而电子、夸克、玻色子、中微子和胶子等基本粒子也趋于稳定。至此,宇宙的四种基本作用力均已形成。
在宇宙大爆炸后的10的负5次方秒,质子和中子也逐渐稳定。一个奇怪的现象是:宇宙中的物质数量略微超过反物质的数量,例如在宇宙中每出现100亿个反质子的同时,会有100亿+6个质子诞生,多出的6个质子,这是“正反物质的不对称性”。目前对于这一现象的解释并没有统一的答案。一些科学家推测,在宇宙大爆炸的瞬间,宇宙环境过于极端,可能存在一些违反重子数守恒的相互作用。
正反物质互相碰撞并湮灭,虽然每100亿个反物质只比物质多出6个,但这6个物质已经足够形成我们今天所看到的宇宙。
在宇宙大爆炸后1秒,温度依然高达100亿度,大量的质子和中子应该会结合在一起形成原子核,但由于温度过高,宇宙中的辐射能量极强,使得质子和中子很难形成稳定的原子核。
在宇宙大爆炸后10秒,温度降至约30亿度,氢和氦的原子核开始形成,但同样由于温度过高,它们无法吸引电子形成中性原子。
在宇宙大爆炸后的30万年,温度降至大约3000度,中性原子开始形成,宇宙中的主要成分是气态物质,这些物质随后会形成恒星系统。宇宙中的光子在旅行过程中逐渐失去能量,同时随着宇宙的加速膨胀,它们的波长被拉伸,形成微波,即我们所知的“宇宙微波背景辐射”。这一切大约发生在宇宙大爆炸之后的38万年,在这之后,宇宙开始变得透明。
在接下来的漫长岁月里,是恒星系统和星系形成的时代。
在宇宙膨胀的过程中,由于密度和温度的不平衡,物质分布变得不均匀,这导致了引力的不平衡。密度较高的区域会因为较大的引力而吸引更多的物质。但由于当时的温度仍相对较高,辐射压力足以抵抗引力,因此引力尚未有机会发挥其强大的作用。
在宇宙大爆炸后的1亿年左右,随着长时间的冷却,辐射压力已经大大降低,不再是万有引力的对手。在引力的作用下,密度较高的区域开始吸引更多的物质,如同滚雪球一般,达到某个临界点后,物质在引力的驱动下开始急剧向内坍缩,中心温度迅速升高,一颗恒星就此诞生!
第一批恒星的出现具有重要意义,它们为宇宙带来了光明,结束了宇宙的黑暗时代。
然而,第一代恒星的寿命非常短暂,通常不会超过几百万年,最终在走向死亡的过程中形成白矮星、中子星或黑洞。在这个过程中,还会出现对宇宙演化至关重要的宇宙超级爆发——超新星爆发。
超新星爆发的瞬间,强大的爆发力会将外层物质喷射到广袤的星际空间中,这些物质将成为下一代恒星和行星的组成部分!
在宇宙大爆炸后的6亿年左右,星系开始形成。
在宇宙大爆炸后的18亿年左右,星系开始互相合并,形成更大的星系或星系团,比如我们今天所见的椭圆星系、螺旋星系、矮星系和不规则星系等。
星系的合并从未停止,直至今日仍在继续。例如我们的银河系和邻近的仙女座星系正不断接近,科学家预测大约在35亿年后,这两大星系将合并为一个更大的星系。
在宇宙大爆炸后大约90亿年,一个重要的事件发生——太阳和太阳系的诞生。太阳虽然只是宇宙中众多恒星中的一个,但对于人类而言,它的存在意义非凡。在太阳诞生之后,它开始用其强大的统治力塑造太阳系。
在宇宙大爆炸后大约100亿年,也就是地球诞生大约10亿年之后,地球上诞生了最原始的生命,这无疑是地球漫长演化史中的又一里程碑。
在随后的漫长岁月中,地球生命经历了五次大规模的物种灭绝,但生命依然顽强地生存和进化,从低级生命形态发展到高级生命形态,最终形成了我们今天所见的丰富多彩的生命世界。
以上就是从宇宙大爆炸到今天的全部宇宙故事,那么宇宙的未来又将如何发展呢?
10亿年之后,太阳将变得更大、更热,地球可能因此不再适合生命生存,海洋将全部蒸发。事实上,太阳自诞生以来就不断变大变热,只是速度相对较慢。随着太阳内核燃料的逐渐减少,太阳变大变热的速度开始加快。
35亿年之后,我们的银河系和仙女座星系将合并为一个更大的椭圆星系。
50亿年之后,太阳燃料耗尽,向内急剧坍缩,最终成为一颗白矮星。
1000亿年之后,在暗能量的作用下,宇宙膨胀速度越来越快,星系间的距离变得越来越远,宇宙空间变得更加空旷。
未来将有新的恒星诞生,但更多的恒星走向死亡。然而,由于氢燃料是有限的,这意味着最终所有的恒星都将走向终结。红矮星作为寿命最长的恒星(由于质量较小,燃烧速度较慢),随着最后一颗红矮星的死亡,宇宙的光明时代宣告结束,黑暗时期降临!
大约10的15次方年之后,宇宙中仅剩下黑矮星、中子星和黑洞。
大约10的1000次方年(一个无法想象的漫长时间)后,连最顽强的黑洞也会因为“霍金辐射”而走向终结。此时的宇宙已经变得面目全非,因果关系不再存在,或者说时间已经消失,只剩下现在,宇宙中只有各种虚粒子忽隐忽现,一个极其怪异的宇宙,这样的宇宙可以说已经走向了“死亡”!