宇宙真的有开始么?第一秒的宇宙是什么样子? 是否有宇宙之始呢?我们举头所见夜空中

傻大方提示您本文标题是：《宇宙真的有开始么?第一秒的宇宙是什么样子?》。来源是宇宙的秘密。

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是否有宇宙之始呢

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我们举头所见夜空中的繁星，一直都存在那里。孩提时所见到的星空，即使长大了再看，仍然没变。在人的一生中，所能看到的星星都没有改变。也就是因为这样，人们认为宇宙从远古时代便已存在，不管时间如何流逝，它都不会改变。

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而科学家也同样抱持着这样的认知。一直到公元1900年，科学家也认为“宇宙从亘古以前便已存在，而且不见丝毫改变”。他们认为即使星座位置有些微变化，但整个宇宙并不会有很大的变化。此外，当时的科学家还认为“宇宙是由我们所居住的银河系，及其周围广大没有边际、且空无一物的空间所构成”。银河系中的恒星也就是整个宇宙的恒星。

出生于德国的物理学家爱因斯坦(Albert Einstein，1879～1955年)也曾认为宇宙是永远不变的。

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1924年，哈勃经由观测得知:在银河系之外也有类似银河系的庞大恒星集团――星系存在。再者，哈勃也观测到:几乎所有星系都在朝逐渐远离银河系的方向运动。同时，星系远离的速率与星系到银河系的距离成正比，越远的星系退离的速率越快。这样的现象究竟意味着什么呢?

倘若我们假设星系在远离银河系，也就是我们认为银河系位在宇宙的中心。但是因为也有人认为“宇宙中没有特别的场所”(这个观念称为“宇宙论原理”(cosmological principle)，所以并不认为银河系是宇宙的中心。

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那么，如果假设不只是银河系，“不管从任何星系来看，其他的星系都是以与观测者的距离成正比的速率在远离中”的话，状况又是如何的呢?

若要让这样的假设成立，那么整个宇宙的空间必须是膨胀的。就像是搀有葡萄干的面包膨胀时一样，不管从哪一颗葡萄干来看，其他的葡萄干看起来都好像远离了一般。此外，如果整体成相同比例膨胀的话，越是位在远处的葡萄干，在相同时间内所能移动的距离越远。也就是说，以与观测者的距离成正比的速率远离。我们可以想像宇宙也发生与此相同的事。

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1940年代后半，出生于俄罗斯的物理学家盖模(George Gamow，1904～1968年)倡议新的宇宙图像，他认为“宇宙曾经是超高温、超高密度的

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”

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。

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盖模会这么推断，主要是根据存在于宇宙中的氢和氦的丰度。

自然界从氢到铀共有92种元素，其明细(原子个数)为约有92.4%是氢(原子序1)，约7.5%是氦(原子序2)。其他元素全部加总大约占0.1%。盖模认为“氢和氦太多了”。氦是在太阳等恒星中，因为氢发生“核融合反应”所产生的。但是，举例来说，若想要说明太阳中所含的氦量，光是核融合反应并不足够，必须考虑到在太阳形成以前，宇宙中便已存在大量的氦。这便是盖模所指出，也是他所认定的想法。

“远古以前，整个宇宙充满了超高温、超高密度的状态的氢。在此时所发生的核融合反应合成出大量的氦”。如果不这么推论，便无法说明宇宙中大量的氢和氦是怎么来的。支持盖模这种想法的就是哈勃的观测结果。如果宇宙膨胀的话，就不难想像过去的宇宙远比现在的宇宙小很多，而且处于超高温、超高密度的状态了。盖模所设想的超高温、超高密度宇宙称为“大爆炸宇宙”。

许多科学家接受了这样的想法。亦即，“宇宙随着时间的经过，会逐渐膨胀变大”的宇宙观成为科学家认定的主流。

如果宇宙诚如盖模所说的，曾经是超高温的灼热状态，那么当时的宇宙应该是充满了“短波长的光”。这是因为物体所发射的光(电磁波)之波长与该物体的温度有关:高温物体多辐射出短波长的光;低温物体则多辐射出长波长的光。

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超高温宇宙中所充满的短波长光，其波长随着宇宙的膨胀而变长了。如果我们可以发现现在的宇宙中充满这些波长变长的光，那么就等于是找到了盖模假说的证据。

1964年，美国的电波天文学家彭齐亚斯(Arno Allan Penzias，1933年～)和威尔森(Robert Woodrow Wilson，1936年～)发现随时都有来自宇宙各个方向的无线电波(波长远比可见光还要长很多的光)。这二人将该无线电波视为干扰天体观测的杂讯，想尽办法想要将之去除。

辨识出杂讯之真正身分的是美国的宇宙论研究者狄基(Robert Henry Dicke，1916～1997年)和皮布斯(Philip James Edwin Peebles，1935年～)。1965年，狄基等人得到下列结论:“假设经过大爆炸之宇宙的光波波长变长的话，那么目前观测到的波长，将会与彭齐亚斯等人所观测到的杂讯波长差不多一致”。彭齐亚斯等人观测到的杂讯，意外地成为改写宇宙论的大发现。于是，盖模所倡议的大爆炸假说，也因为这项观测而取得强而有力的证据。

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彭齐亚斯等人的观测成为盖模预言之大爆炸强而有力的证据。但是，假设真有大爆炸的话，那么便会浮现一个疑问:“大爆炸以前，在该处是否发生什么事了?”

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如果将膨胀的宇宙往回追溯的话，我们可以想像它曾经是个所有物质都聚集在一处，像原子一般的东西。科学家中有人认为就好像植物是从种子发育成长一般，宇宙也是从这个像原子的东西发育而成的。

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然而，这个“宇宙种子”是从何诞生的呢?真的有宇宙种子吗?那宇宙种子的种子呢?结果，只要认为宇宙之始有个“种子”，那么问题就没完没了，只能围着这点打转，不能有所进展。

那么，有关宇宙之始的探讨应该如何进行较好呢?这方面，我们只能将情况想像成“在一无所有的状态中，宇宙诞生了”。实际上，在1980年代，已经有科学家根据理论上的思考，构想出宇宙从无中诞生的过程。

现在，大部分的科学家认为“宇宙从无中诞生，其后立即发生大爆炸”。

宇宙诞生的第一秒钟

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“宇宙从无中诞生”是关于宇宙起源的一个有力理论。但是，若以现在的标准物理学，则无法得知诞生瞬间的情形

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。这是因为物理学家理论上所能设想、处理的空间大小范围是有极限的，这个极限值大约是10的负33次方(10-33)公分。10-33是小数点以下有32个零，差不多是接近零的值。以原子的平均大小(约10-8公分)来看，这个数值还小了二十五位数。

就像空间大小有极限一般，时间段落的长短也有极限，这个值大约是10-43秒。相当于光在真空中通过先前提过之10-33公分距离所花的时间(光速约每秒30万公里)。从宇宙诞生到10-43秒间，是科学家想尽办法都无法超越的障碍，也正是最后依然成谜的部分。虽然目前全世界的科学家都还在竭尽心力想要突破，不过现在仍然未能找到答案。这个10-43秒间便称为“普朗克时期”(Planck epoch)。

想要了解“普朗克时期”中发生的过程，需要新的理论，其中最有力的候补便是“超弦理论”(superstring theory)。

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现在的研究目标便是早日确立理论体系。

1980年代，日本的佐藤胜彦博士(1945年～)和美国的谷史博士(Alan Harvey Guth，1947年～)分别倡议“宇宙在一诞生之后，便以惊人之势急速地巨大化”。谷史博士将这样剧烈的膨胀命名为“暴胀”(inflation)。

倡议暴胀的理由在于大爆炸假说和观测事实有矛盾点。举例来说，现在的宇宙温度从宏观的角度来看，不管在任何场所看起来都没有差异。但是，即使像地球这样大小的区域，其中各位置上的温度就不是都相同，因此这样的观测结果非常不易理解，如果仅用大爆炸是无法说明的。为了说明这样的观测事实，就必须想像在大爆炸之前，微宇宙曾经出现急速的膨胀，这就是谷史博士和佐藤博士的想法。急速膨胀的比率十分惊人，勉强譬喻的话，就像是病毒在瞬间变得比银河还要巨大。

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根据暴胀理论的某个模型，微宇宙在诞生后10-36秒到10-34秒之间的极短时间段落里，膨胀了1030倍※，这是1兆×1兆×100万倍。总之，不管怎么说，在暴胀之前的宇宙极为微小，只有10-26公分，所以暴胀结束后的宇宙也不过是100公尺左右的大小。

虽然目前我们还不太清楚暴胀的机制，但是可以想像是由当时充满整个宇宙的能量(特别称之为“暴胀子”(inflaton))所引发的。在发生暴胀之后，宇宙的情况出现很大变化。形成物质的基本粒子诞生，充斥整个宇宙。此时，宇宙变成超高温的灼热状态，这就是盖模所倡议的“大爆炸宇宙”。这是在宇宙诞生10-27秒后左右的事，科学家认为此时的宇宙大小约为1000公里。

我们可以想像大爆炸的发生也跟引发暴胀的能量(暴胀子)有关。科学家认为该能量转变成为形成物质的各式各样基本粒子。此外，该能量不仅生成基本粒子，也转化成该等粒子运动的动能。因此，宇宙的温度高达摄氏1023度，这样的高温比太阳内部温度(约摄氏107度)高了十几位数，也是人工绝对不可能制造出来的超高温度。

在宇宙诞生10-10秒后的某处，基本粒子发生一件大事。这是宇宙史上最神秘的事件。

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电子带有负电荷，但是事实上在实验室等特殊环境中，也存在“带正电荷的电子”。指出这件事的是英国的理论物理学家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac，1902～1984年)。狄拉克发现:不仅是电子，所有的基本粒子皆有电荷相反的对应粒子存在。像这样的一对称为“粒子(particle)与反粒子(antiparticle)”。

粒子与反粒子一定成对产生(pair creation)，而后一旦碰撞就会成对消灭(pair annihilation)

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。科学家认为在大爆炸宇宙中，基本粒子也是这样成对产生、成对消灭的。不过在该理论中出现一个大问题。在现在的宇宙中，除了特殊环境以外，我们完全看不到反粒子。反粒子究竟到哪里去了呢?

理论物理学家所想像的情节如下:“在宇宙诞生10-10秒后的阶段，与10亿个反粒子相比，粒子恰好多了1个。最后粒子与反粒子成对消灭，反粒子全部消失了，但是粒子还剩下1个。”

粒子的种类不同，消灭的时机也不一样，科学家认为在宇宙诞生4秒后，所有的反粒子都消失不见了。为了解开这个神秘事件，我们必须了解造成粒子与反粒子之数目差异的机制。

在此之前我们已经看过几个“事件”了。那么在宇宙诞生1秒钟以后，整个宇宙的状况变成什么样子呢?科学家认为在宇宙诞生100万分之1秒后，宇宙处于摄氏数兆度的超高温状态。此时，电子和称为“夸克”(Quark)的基本粒子以及它们的反粒子成分散四处的状态，并且高速飞行穿梭。大约在宇宙诞生10万分之1秒后，宇宙的温度下降到摄氏1兆度左右，此时宇宙的样态出现极大的转变。在这样的温度下，基本粒子的动作变得迟钝，结果每3个夸克便结合在一起，形成“质子”和“中子”。

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质子和中子是“原子核”的材料，原子是由原子核和电子所组成。换句话说，在宇宙诞生10万分之1秒后，形成原子的材料便齐全了。

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在宇宙诞生1秒后，夸克的反粒子消失，不过电子的反粒子──正子，还是存在的。这是电子、质子、中子、正子穿梭飞舞的宇宙，也是宇宙诞生1秒后的宇宙样貌。正子消失是在宇宙诞生4秒后的事。

随着膨胀，宇宙的温度逐渐下降，先前四处飞行穿梭的粒子动作开始变钝，最后因为电引力(Electrical attraction)结合在一起。在宇宙诞生三分钟后，四处穿梭的质子和中子结合，形成氦的原子核。

当温度下降得更低，电子终于被原子核补获，于是电中性的原子诞生了。氢原子的诞生约在宇宙诞生38万年后，宇宙温度大约是摄氏2700度，科学家认为氦原子也约在同一时期诞生。

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原子的诞生让存在于宇宙的光产生剧烈的变化，光具有易与带电荷的电子、质子等粒子碰撞的特性，因此在温度高的时代，简直就像在雾中不断地与水滴碰撞一般，光不断的与电子碰撞，完全无法笔直前进。

但是当形成电中性的原子之后，因为电子和质子不再裸露于外，与光碰撞的对象消失，光便可以笔直前进。这种情形就像是浓雾散去，天空放晴一般，因此称之为“宇宙放晴”。

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总结来说,宇宙最初的状态大致如下:

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暴胀:

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在诞生后立即发生的宇宙急速膨胀。在瞬间，宇宙从10-26cm一下膨胀到100m。

大爆炸的开端:

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形成物质的基本粒子暴发性地诞生。因为基本粒子以飞快的速度来回穿梭，宇宙变成灼热状态。

粒子变得比反粒子多:

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大约在10-10sec后，粒子比反粒子略多一点，于是反粒子在宇宙诞生4sec后完全消失。

1秒后的宇宙样态:

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在10万分之1秒后出现质子和中子。而在1秒后的宇宙则有质子、中子、电子和正子。

轻原子核的合成:

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3分钟后，2个质子和2个中子结合成氦的原子核，而单个质子则是氢的原子核。

原子的诞生:

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38万年后，电子被原子核捕获，形成氢原子和氦原子，这是数亿年后诞生恒星的材料。

最后，你对宇宙的诞生有什么想法呢?

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