望远镜（名词）：一种装置，它与眼睛之间的关系就像电话之于耳朵，能使远处的物体以大量不必要的细节折磨我们。

——安布罗斯·比尔斯（Ambrose Bierce）

星系的宇宙

我已经介绍了元素周期表中的原子是如何形成的：我们皆来自恒星的星尘。如果不用这么浪漫的表述，那就是都来自“核废料”，即能使恒星发光的燃料。原子形成的过程取决于“核力”的大小，这种力将原子核内的质子和中子黏合在一起，其大小由宇宙常数 ε =0.007来衡量，这个数字表示氢聚变成氦时释放的能量比例。那么，最初的质子和氢原子是从哪里来的呢？这些原始物质又是如何聚集成第一批星系和恒星的呢？若想回答这些问题，我们必须拓展自己的时空视野，放眼银河系以外的领域，回到第一颗恒星诞生之前的时代。在这个过程中，我们将会遇到更多可以描述整个宇宙的数字，人类的出现也依赖于这些数字的精细调谐。

恒星聚集成星系，星系构成了宇宙的基本单位。银河系就是一个典型的星系，其千亿颗恒星主要分布在一个圆盘中，围绕着明亮的内部“核球”运转，相比于平均情况，“核球”里的恒星彼此靠得更近。“核球”正中心潜藏着一个质量为250万个太阳质量的黑洞。从银河系中心发出的光大约需要2.5万年才能到达地球，而地球到银河系中心的距离则比圆盘半径的一半还远。从太阳的位置来看，圆盘中的其他恒星集中分布在一条横贯天空的玉带中，我们称之为银河。平均而言，恒星围绕银河系中心运行一周（有时被称为“银河年”）需要1亿多年。

仙女星系是离银河系最近的太空邻居，距离地球大约有200万光年。对于仙女星系中围绕一颗恒星运行的某颗行星上的天文学家来说，银河系看起来就像我们眼中的仙女星系：一个由恒星和气体组成的倾斜圆盘正围绕中心一个“轮毂”运转。借助大型望远镜，我们还可以看到数百万个其他星系。不过，并不是所有的星系都是圆盘状的，另一种重要的类型是所谓的“椭圆星系”。在这类星系中，恒星没有组织成圆盘状，而是聚集在任意的轨道上，而且每一颗恒星都能受到其他所有恒星的引力作用。

星系并不是随意地散布在空间中，大多数都通过引力成团地聚集在一起。我们所在的本星系群的直径达几百万光年，包括银河系、仙女星系以及34个较小的星系。不过，这只是最新的统计结果，还有许多暗淡的小成员仍待发现。引力正在以100千米每秒的速度将仙女星系拉向银河系，大约50亿年后，这两个星系可能会彼此相撞。这样的碰撞事件在宇宙中很“常见”。实际上，在太空深处，许多星系看上去正在经历这样的碰撞。

星系的分布非常广阔和分散，恒星排列得也非常稀疏，因此恒星之间的碰撞极为罕见，在太阳附近明显如此，因为即使最近的恒星，看起来也像一个微弱的光斑。即使两个星系发生碰撞并合并在一起，恒星之间的碰撞概率也极低。当两个星系发生碰撞时，每颗恒星都会受到另一个星系中所有物体的联合引力作用，导致其轨道发生变形，从而使所有恒星最终混合成一个群体，而不再是两个独立的圆盘，这就形成了所谓的椭圆星系。我怀疑大型的椭圆星系就是这样形成的，尽管这个问题仍然存在争议。

宇宙的结构：宇宙网

我们所在的星系群位于室女星系团的边缘。室女星系团是由数百个星系组成的宇宙岛，其中心距离地球约5 000万光年。星系群和星系团又会聚合成更大的集群，在这些巨大的集群中，离地球最近且最显著的是所谓的“巨壁”（Great Wall），这是由星系组成的片状集群，距离地球约2亿光年。另一种物质集中的集群叫作“巨引源”（Great Attractor），它对银河系和整个室女星系团施加引力，使两者以几百千米每秒的速度向它靠近。

自然界中的许多现象（如山地景观、海岸、树木，血管等）都是“分形” 。分形具有特殊的数学特征：其中一小部分被放大后与整体具有相似的特征。如果宇宙也是如此：它是星系团套星系团，直到无穷，那么，无论我们对空间的探测范围有多广，以及所研究的样本体积有多大，星系的分布仍然不均匀，并且随着探测范围的增大，我们采样的星系团的规模也会越来越大。然而，宇宙看上去并非如此。借助高分辨率望远镜，我们可以观测到星系的分布范围达数十亿光年。在这样的大尺度空间中，天文学家已经发现了许多像室女星系团和“巨壁”这类星系团，以及星系集群的更多特征。但是，随着探测范围的增大，我们并没有在更大的尺度上发现任何显著的特征，用天文学家罗伯特·科什纳（Robert Kirshner）的话来说，我们到达了“伟大的终点”。一个边长为两亿光年的正方体盒子 足以容纳最大的星系团，成为宇宙的一个“恰如其分的样本”。无论放置在哪里，这样一个盒子都会包含数目大致相同的星系，以统计上相似的方式组成星系团和丝状结构等。星系集群的层次结构不会无限度增大。

因此，宇宙不是一个简单的分形。此外，与望远镜可以探测到的最大距离相比，这个分形的“平滑度”很小。打个比方，假设你在大海中的一艘船上，周围是复杂的波纹，并且一直延伸到地平线。你的视野所及之处有数量足够多的波纹，因此你可以对它们进行统计研究。即使海面上最大的波纹也比你视野的极限距离小得多，因此你可以将看到的所有波纹分成许多单独的区域，每个区域都大到足以成为适合的样本。然而，陆地风景和海上风景却显著不同：在山地中，一座山峰通常就能填满你的视野，这时你无法像在海面上那样定义出具有平均大小的适合样本。

宇宙结构由相当多的层次组成：恒星、星系、星系团和超星系团。在比视野小1/300的尺度上，星系密度在不同地方的变化超过了2倍；而在更大的尺度上，星系密度的波动很小，即使存在像巨引源那样显著的集群。超星系团就像上述提到的海上引人注目的最长波纹。在第8章，我们将会看到这个尺度取决于一个唯一的宇宙常数 Q ，而该常数则在宇宙极早期就已经确定下来了，而星系团和超星系团的“胚胎”（大小延伸至数百万光年的结构）可以追溯到整个宇宙尚处于微观尺度的时期。这也许是宇宙的外层空间与微观内在空间之间存在的最令人惊讶的联系。

人们起初可能会猜想：宇宙在巨大尺度上的结构与太阳系内局部的栖息地并无联系。银河系的恒星数目究竟是1 000万亿颗，或者仅仅是100万颗，而不是我们观测到的1 000亿颗，这似乎并不重要；银河系所属的星系团含有的星系数目究竟有数百万个，还是仅仅几个，这也无足轻重。过于平滑的宇宙将会了无生趣，因为恒星和星系不会形成，所有物质将会稀疏而无序地分布在太空之中。

这将是第8章的主题。不过现在，我们将注意力放到大尺度上的平滑性的另一个重要作用上：它使我们能够定义宇宙的一般属性，从而使宇宙学的兴起成为可能，包括对星系和星系团的统计等。除了星系和星系团以外，我们还可以思考宇宙的平滑性，就如同我们将地球描述为“圆的”，而不用考虑山脉和海洋深处的复杂地形。然而，如果地球的山脉有几千千米高，而不只有几千米，那么用“基本上是圆的”来描述地球就不可行了。

更重要的是，我们可以提出这样一个有意义的问题：整个宇宙是静态的，还是正在膨胀或坍缩呢？

宇宙膨胀

星系是宇宙的“建筑基石”，通过研究它们发出的光，我们可以推断出它们是如何运动的。在一个典型的星系中，数千亿颗恒星中每一颗的亮度太过微弱，无法被单独观测到，而望远镜只能看到许多恒星汇聚在一起的光。不过，我们可以对这些光进行光谱分析。来自单颗恒星的光可以揭示该恒星靠近或远离我们的速度，反复地测量甚至能够捕捉到由绕该恒星运转的行星引起的微小振动。同样，整个星系的光谱揭示了它的移动速度，要么是向我们移动，也就是朝光谱的蓝端移动，要么是远离我们，也就是朝光谱的红端移动。

关于宇宙的一个最重要的事实是，所有遥远星系的光都向光谱的红端移动：它们全都在离我们远去，除了与我们同在一个星系团中的少数几个邻近星系。此外，那些距离我们更遥远的星系，红移 更大。我们似乎处于一个不断膨胀的宇宙中，随着时间的推移，星系团之间的距离将越来越远，它们在空间中的分布也变得越来越稀疏。

红移和距离之间的简单关系被称为“哈勃定律”，这是根据埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名的，他在1929年首次提出了这一定律。位于其他星系的观测者也会发现，离他们较遥远的星系也因膨胀而相互远离。这种膨胀是一种广义效应：单个星系（甚至星系团）本身并没有膨胀，而且，范围越小，受膨胀的影响就越小，对太阳系来说就是如此。

在图形艺术家莫里茨·柯内里斯·埃舍尔（Maurits Cornelis Escher）所画的《空间立体划分图》这幅画中（图5-1），假设节点之间的“棒子”以同样的速度伸长，那么任何节点上的观测者都会看到其他节点都在远离他们，远离的速度取决于观测者和节点之间有多少根棒子。换句话说，节点之间的远离速度与它们之间的距离成正比。虽然宇宙中的星系并不是按照比例呈网格状分布，而是组成了星系群或星系团，但你仍然可以对宇宙的膨胀进行这样的设想：星系团都由棒子连在一起，并且都以相同的速率伸长。图中的任何节点都没有什么特殊之处，银河系在宇宙中的位置也是如此（虽然星系是随机分布的，但我们观测它们的时间并不是随机的；我将会在后文阐明原因）。宇宙学之所以取得进展，只是因为宇宙结构在大尺度上是均匀的，所有节点都在以类似的方式膨胀，只需用“哈勃膨胀”就可以进行简单的描述。对于局部区域来说，这种膨胀可以被看作一种多普勒效应，但在大尺度上，当光远离的速度加快并且可与光速相比拟时，红移应该被看作光传播通过的空间的“伸长”。换句话说，光的红移量，即波长被拉长的量，等于宇宙已经膨胀的程度，用埃舍尔的网格来描述就是，棒子也变长了。

我们可能想确切地知道，红移是否真的意味着宇宙的膨胀，而不是在长距离上才能发挥作用的新的物理效应。有人时常提及“光疲倦”效应，但目前还没有人能提出与所有事实相一致的可靠理论，例如，这种效应必须使所有颜色的光产生相同的波长变化，而且不会使遥远物体的图像变模糊。与“大爆炸”理论相比，一个不膨胀的宇宙会导致更糟糕的悖论。恒星的能量储备不是取之不竭的，随着不断地演化，它们最终会耗尽燃料。星系也是如此，它们本质上是恒星的聚合体。通过对恒星的演化方式进行理论上的计算，并将银河系和其他星系中最古老恒星的性质同计算结果进行比较，我们就可以确定它们的年龄。最古老的恒星大约有100亿年的历史，这与当前的可见宇宙只比这个时间稍微长一点儿的观点完全一致。如果宇宙是静态的，那么在大约100亿年前，所有的星系肯定在现在的位置上同步被神秘地“开启”。一个不膨胀的宇宙会带来概念上的令人费解的难题。

几乎可以肯定的是，宇宙的膨胀开始于100亿～150亿年前，最精确的估计是120亿～130亿年前。宇宙的年龄之所以存在这种不确定性，主要有两个原因：一是星系间的距离（不像它们的远离速度）仍然无法得到精确的测量；二是对宇宙年龄的估计依然取决于其膨胀速度。

回顾过去

光是以有限的速度进行传播的，所以我们目前看到的遥远区域的情况并不是它们此时的情况，而是很久以前的情况。在更早的时代，宇宙比现在更加紧缩，也就是埃舍尔所画的网格中的棒子比现在更短。埃舍尔的第二幅画《天使与魔鬼》（图5-2）更好地表示了我们实际看到的情形。

遥远星系的外观与附近星系的会有所不同，因为遥远星系的光在旅途中经过了很长一段时间，所以当它们发出光时会比被我们看到光时更年轻，演化程度更低，而且在此阶段，并非所有的原始气体都凝聚成了恒星，这个演化过程非常缓慢，只能在数十亿年后才会显现出来。为了搞清楚星系的演化趋势，我们必须探测遥远的星系，研究它们在几十亿年前就已经发出的光。

哈勃太空望远镜（以宇宙膨胀的发现者哈勃的名字命名的）在远离大气干扰的地球轨道上运行，它拍摄到了迄今为止最清晰的非常遥远区域的照片。哈勃太空望远镜非常灵敏，即使在不到满月面积1%的视野范围内，一次长时间的曝光就可以准确地拍摄到数百个微弱的光点，它们在天空中挤在一起，如果用普通望远镜观察，则显示为一片空白。我认为，哈勃太空望远镜拍摄的这些令人惊叹的照片对公众的影响，不亚于20世纪60年代从太空拍摄的第一批照片，它们展示了整个地球及其貌似精致的生物圈。该望远镜所拍摄到的星系特征模糊、形状多样，比我们肉眼所能看到的任何恒星都要暗淡得多。不过，它们每一个代表的都是一个完整的星系，大小达数千光年，由于距离我们太远，所以看起来又小又暗。这些星系的外观看起来与附近的星系有所不同，因为我们所看到的是它们形成不久时的情况：此时，它们尚未形成稳定旋转的圆盘结构，成为像大多数天文学书籍中描述的那种旋涡星系。其中一些星系主要由发光的弥散气体组成，尚未分裂成恒星。它们中的大多数比现在的星系更蓝（当然是在红移校正之后），因为当光线离开这些遥远的星系时，本该已经消亡的大质量蓝色恒星仍然在发光。

这些非常深奥的图像向我们揭示了在银河系这样的星系中，第一批恒星发出明亮的光芒时的外观情况。当我们观测仙女星系时，可能会想，仙女星系上是不是也有观测者用更高分辨率的望远镜回望我们呢？也许是。不过在这些非常遥远的星系中，不可能有任何如此“先进”的东西，因为当我们看到对方的星系时，这个星系正处于非常原始的演化阶段，其中许多恒星需要很长一段时间才能完成自己的生命历程；那里尚未出现复杂的化学反应，几乎没有氧、碳之类的元素，更不用说形成行星了。所以，这些星系中出现生命的机会很渺茫。实际上，这些星系正处于铺设行星系统的建筑材料阶段。根据检测，这些星系的光实际上属于远紫外线，这种射线无法用肉眼探测到，也无法穿透地球大气层。然而，当这些星系发出的远紫外线到达我们这里时，已经变成了红光。

来自最遥远星系的光都发生了严重的红移现象：光的波长被拉长了6倍以上。这就是自光发出以来宇宙必定膨胀的程度。假设膨胀是稳定的，也就是星系的远离速度既不加速也不减速，那么当宇宙是其当前大小的1/6时（就星系间的距离而言，埃舍尔网格中的棒子被缩小至1/6），其年龄就是现在的1/6。这种说法似乎存在问题：如果光需要当前宇宙年龄的5/6的时间才能传回到我们这里，那岂不意味着星系必须以5倍于光速的速度远离我们？不过，这并不矛盾。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，当时间由我们的时钟测量时，相对于我们，没有什么能比光速更快。这个理论也告诉我们，高速运动的时钟会变慢。一个时钟的速度如果能达到光速的98%，那么它记录的每一年实际上可以走5光年。

然而，实际情况更复杂一些，因为远离的速度不是恒定的。宇宙中所有物体对其他物体施加的引力会导致膨胀速度减慢，结果使宇宙膨胀的早期阶段变得更短。但是，另一种力可能正在使宇宙加速膨胀（在第7章，我会对此展开详细解说）。因此，这些遥远的星系到底有多古老，或在空间上距离地球有多远，这个问题仍然存在一些不确定性，最精确的猜测是，当它们发出这些光时，宇宙的年龄大约是现在的1/10。

宇宙学家正在研究过去的“化石”，即古老的恒星以及银河系年轻时合成的化学元素等。在这方面，他们的工作就像地质学家或古生物学家推测地球及其动物群是如何演化的一样。事实上，宇宙学家比那些无法做实验、依赖“历史”证据的科学家更有优势。将望远镜对准遥远的物体，宇宙学家便可以看到他们所声称的演化：遥远的星系在几十亿年前就已经发出光，所以它们的外观看起来与近距离的星系不同。由于宇宙在大尺度上的一致性，其每个部分应该具有相似的历史。因此，至少从统计学的角度来看，这些遥远的星系看起来应该与银河系、仙女星系和其他邻近星系在数十亿年前的外观相似。望远镜的视场是一个细长的圆锥体，并一直延伸到视力极限。不同距离上的天体会告诉我们过去某个特定时期的特征。当我们探测的距离越来越远时，就越能回溯到星系更古老的过去，就如同在南极冰层上连续钻孔可以揭示地球气候的历史。

哈勃太空望远镜自诞生之日起，经常出现延迟、误差和成本超支等不利状况，尽管姗姗来迟，但它现在已经实现了天文学家所寄予的希望。1994年，第一次载人维修任务矫正了其面镜的聚焦偏差，所配置的光探测器也得到升级。除非发生意外，哈勃太空望远镜还会持续工作几十年，届时，更大的太空望远镜可能已经被送入太空。同样重要的一点是，新一代地面大型望远镜已经问世，它们的直径达8～10米，受光面积将是哈勃太空望远镜的16倍，可以捕获到更暗和更遥远星系发出的光。夏威夷莫纳克亚山（Mauna Kea）上的两架凯克望远镜（Keck Telescope）是第一批投入使用的新型仪器，目前为止，又有好几架这种望远镜投入使用，其中最令人印象深刻的是巨型望远镜（VLT），它由4架望远镜组成，每架望远镜的直径都达8米长。这架巨型望远镜位于智利的安第斯山脉，由欧洲的一些国家联合建成。

由于大气湍流的扰动（这与导致星星闪烁的原因相同），这些地面望远镜拍摄到的图像在清晰度上会受到限制。有两种方法可以克服这种限制：一是将两架或更多的望远镜连接在一起，来合成图像；二是通过所谓的“自适应光学”（adaptive optics），即通过不断转动和调整镜面来弥补大气湍流造成的波动，从而克服这一限制。

这些精湛的仪器提供了第一批星系形成时宇宙的快照。实际上，第一批恒星可能形成得更早，并且以比现在的星系还要小的集群的形式存在，但它们的颜色太暗，无法被我们看到。这些集群后来凝聚成更大的集团。气体凝结成恒星的速率就是星系的“代谢速率”。当宇宙的年龄大约是当前的1/4时，这种速率似乎达到了顶峰（即使第一束星光出现得更早）。目前正在形成中的明亮的恒星越来越少了，因为“成年”星系中的大多数气体已经用于形成较古老的恒星了。

以上观点至少是大多数宇宙学家所认同的。若想获得更多细节，就需要更多的观测，需要对恒星的形成有更全面的了解。我们的目标是得到一个统一的理论，它不仅要与所有关于星系的已知知识相协调，而且还要将星系早期历史的所有新发现考虑在内。这些新发现涉及早期星系的外观及其聚集成团的方式。当相关数据比较少时，它们可能同时满足几个完全错误的理论，但随着证据越来越多，我们应该“聚焦”于同一幅图景。

随着距离的增加，我们关于星系的知识会迅速变少，对更远距离上的宇宙空间所知越来越少，最终到达暗淡光线的边界，也就是望远镜所及的极限。在那里，我们测量阴影，在飘忽不定的测量误差中寻找几乎不存在的界标。不过，搜寻工作会一直继续下去，直到经验的来源枯竭，我们才需要转入沉思的梦想王国。

以上这段话是哈勃于1936年出版的经典著作《星云王国》（ The Realm of the Nebulae ）的结束语。最近的进展可能会让哈勃感到高兴，也可能会让他大吃一惊。这一进步归功于以他的名字命名的哈勃太空望远镜和新型的地面巨型望远镜。

在星系形成之前

那么，在任何星系尚未形成之前，宇宙是什么样子的呢？有一种理论认为，万物皆从一个密集的“起点”开始，其最好的证据就是，星际太空并不完全是寒冷的。这股暖流就是“创世的余晖”，其以微波的形式存在。这种波与微波炉里产生热量的电磁波属于同一类型，但强度要小得多，它就是“宇宙微波背景辐射”（cosmic microwave background）。早在1965年，科学家首次探测到了这种辐射，这是宇宙学领域自发现宇宙正在膨胀以来取得的最重要的进展。后来的测量证实，宇宙微波背景辐射有一个非常独特的特性：当把它们在不同波长上的强度绘制在图表上时，会形成物理学家所说的“黑体辐射”或者“热辐射”曲线。只有当辐射与其环境达到平衡时，才会得到这样的曲线，比如，恒星内部深处或长时间稳定燃烧的炉膛中就会出现这种情况。如果这种辐射确实是“火球”阶段的遗迹，那正是我们所期待的。在这一阶段，宇宙中的一切都被挤压成炽热、稠密和不透明的状态。当时的场景确实是一个谜，而宇宙微波背景辐射可以帮助我们揭开这个谜。

20世纪90年代，美国国家航空航天局发射了宇宙背景探索者卫星，对宇宙微波背景辐射进行了目前为止最精确的测量。当实验人员报告测量结果时，通常会绘制“误差起伏线”，用以表示不确定性的范围。然而，对于宇宙背景探索者卫星提供的数据来说，这种“起伏线”根本无法显示出来，因为它们的误差起伏曲线比辐射曲线还要细。这项测量任务意义非凡，其精确度达到了万分之一，并且无可置疑地证实，宇宙中的一切，即组成星系的所有的物质，都来自一种比太阳内核还要热的压缩气体。

宇宙目前的平均温度比绝对零度 高2.7度，这是极其寒冷的。不过有一点很明确，星际空间仍然包含大量热量，每立方米空间里包含4.12亿个光子。相比之下，宇宙中原子的平均密度仅为每立方米0.2个左右。后面的这个数字不太精确，因为我们不确定弥散气体或暗物质中究竟包含了多少原子。宇宙中的光子数和原子数之比约为20亿比1。随着宇宙的膨胀，虽然原子和光子的密度都下降了，但两者都是同比例降低的，因此光子与原子的比率保持不变。由于“热量”与“物质”的比率非常大，因此早期宇宙通常被称为“炽热”的“大爆炸”。

宇宙早期的这个炽热阶段没有持续太久。仅过了几分钟，宇宙的温度就超过了10亿摄氏度。大约50万年后，温度就降到了3 000摄氏度，比太阳表面的温度还要低。这标志着膨胀过程中的一个重要阶段：在此之前，一切物质都非常炽热，连电子都脱离了原子核的束缚，自由地移动；但之后，电子减速到足以附着在原子核上，形成中性原子。然而，相比于早期更加炽热状态下的自由电子，这些原子并不能有效地释放出辐射。此后，原始物质变得透明，“云雾”也开始消散。在宇宙的膨胀过程中，温度的高低与宇宙的大小成反比。宇宙背景探索者卫星探测到的微波辐射是早期宇宙的遗迹，那时宇宙中物质的密度比当前的高1 000多倍，温度高达3 000度而不是2.7度，星系也远未形成。原始火球中强烈的辐射虽然被膨胀冷却和稀释了，但仍然充满了整个宇宙。

人们常用“大爆炸”比喻宇宙的膨胀，这实际上是一种误导，因为它传达了“‘大爆炸’是在某个特定中心被触发的”这一信息。然而就我们所知，无论在地球上还是在仙女星系，甚至离我们最远的星系上，任何观察者都会看到形式相同的膨胀。虽然宇宙曾经可能被压缩成一个单一的点，但任何人都可以声称自己来自这个起点，所以我们不能将当前宇宙中的任何一处特定位置设定为膨胀开始的原点。

膨胀是由宇宙早期的高压状态“驱动”的，这种观点也是不正确的。爆炸都是由压力不平衡引起的，无论是人类制造的炸弹，还是宇宙中超新星的爆炸，都是因为内部压力剧增，致使碎片向周围低压环境散射。然而在早期宇宙中，各处的压力都是一样的：没有界限，没有“空”的区域。原始气体冷却并扩散，就如同被装在一只膨胀的箱子里。伴随着压力和热能而产生的额外引力实际上减慢了宇宙膨胀的速度。

虽然“大爆炸”理论为宇宙的演化提供了一幅统一的画面，但也留下了一些谜团。最重要的是（因为爆炸的比喻存在缺陷），它根本没有说明宇宙发生膨胀的原因。标准的“大爆炸”理论只是简单地假设，宇宙中含有足够的能量来继续膨胀。我们必须从宇宙的更早期寻找发生膨胀的原因。然而关键的问题是，我们还没有关于那个时期的直接证据，对相关的物理现象也缺乏了解。

20世纪50年代，著名理论物理学家弗雷德·霍伊尔（我们在第4章提到过他关于碳的起源的深刻见解）引入了“大爆炸”一词，本意是表达对“大爆炸”理论的嘲讽。霍伊尔更乐意接受一个“恒稳态宇宙”。在这个宇宙中，随着宇宙的膨胀，新的原子和新的星系被想象成不断地在缝隙中形成，因此宇宙的一般性质保持不变。当时，这两种理论都没有任何证据（宇宙学还处于空想的阶段），因为当时人们的观测距离不够远，无法揭示宇宙的演化。不过，一旦有证据表明，宇宙的过去与现在确实存在不同，宇宙恒稳态理论便不再受青睐。这个理论虽然被证明是错的，但仍然是一个“好”理论，因为它做出了非常明确和可验证的预测，这对宇宙学起到了真正的激励作用，促使观察者将自己的技术推向极限。从这个意义上来说，“坏”理论过于灵活，通过自我调整可以解释任何事实。杰出而又傲慢的物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）曾讽刺说，这种模糊的观点看起来“一点儿都没错”。霍伊尔本人从未完全接受过“大爆炸”理论，而是采纳了一种折中的观点，对此持怀疑态度的同事将其称为“恒稳爆炸”。

“大爆炸”中的核反应

根据“大爆炸”理论，宇宙的温度一开始比恒星的内核还高。那么，为什么在“大爆炸”中，原始的氢原子核没有全部转化成铁原子核呢？请记住，铁原子核比其他任何原子核更坚硬，它们是在最大、最热的恒星内核中形成的。如果真的发生了这种情况，当前的宇宙中就不可能存在长寿的恒星，因为所有燃料都会在早期的火球中消耗殆尽。不过，可能会存在由铁蒸汽组成的恒星，但它会在数百万年而不是数十亿年内坍缩，这个时间段是威廉·汤姆逊推想的太阳的寿命。幸运的是，膨胀的最初几分钟没有足够的时间进行核聚变反应，以将任何原始物质“加工”为铁，甚至都没有足够的时间转化为碳、氧等。核聚变反应将23%的氢变成氦，但除了极少量的锂，元素周期表中那些排序更靠前的元素并没有从“大爆炸”中产生。

然而，这些原始的氦至关重要，它们为“大爆炸”理论提供了有力佐证。即使在最古老的天体中，氦的含量也达到23%～24%，但其中碳、氧等的含量是太阳中的1/100。在所有已发现的恒星、星系或者星云中，目前尚未发现哪个的氦含量低于这个比例。看起来，星系起初并不是由纯氢组成的，而是由氢和氦的混合物组成。太阳外层的氦含量约为27%，多出的3%～4%都是在短命的早期恒星中形成的，与这些氦同时产生的还有碳、氧和铁，这些元素在短命的恒星爆炸之后，混入了以后将会形成太阳系的星云之中。

许多缓慢燃烧的小质量恒星幸存了下来，这类恒星的形成比太阳早了几十亿年，那时我们的星系还很年轻。与太阳相比，这些恒星所含的碳、氧和铁相对于氢的丰度来说要少得多。当然，如果像霍伊尔首先指出的那样，这些元素是从大质量恒星中逃逸出来，并在银河系的演化过程中逐渐积累起来的，那么它们拥有较高的丰度就是很自然的事情。霍伊尔的观点与乔治·伽莫夫（George Gamow）的观点相反，后者认为，整个元素周期表中的元素都是在早期宇宙中被“烹煮”而成的。如果伽莫夫的观点是对的，这些元素在第一代恒星和星系出现之前便已经存在了，那么它们的丰度在任何地方都是相同的，无论是在年轻的还是年老的恒星上。

据计算，氦是“大爆炸”中唯一大量产生的元素。这个结论是令人满意的，因为它解释了宇宙中为什么会有这么多的氦，并且它的丰度为什么如此均匀。因此，将氦的形成归因于“大爆炸”，既解决了这个长期存在的问题，也鼓励宇宙学家对宇宙历史的最初几秒进行更认真的探索。

此外，“大爆炸”还解释了另一种原子的产生，它就是氘原子（也被称为“重氢”）。氘原子不仅含有一个质子，而且还含有一个中子，中子增加了原子核的质量但没有增加电荷。从另一个角度来看，氘的存在仍然是一个谜，因为在恒星中，它是被破坏而非被创造的：作为核燃料，它比普通的氢更容易“点燃”，因此新形成的恒星在其初始收缩过程中就会将氘燃烧殆尽，不会使其留存到稳定而漫长的氢原子核反应阶段。

氦和氘是在原始宇宙高达30亿摄氏度的温度下生成的，这个温度约为当前宇宙温度的10亿倍。当宇宙膨胀时，埃舍尔所绘的网格中的棒子会不断变长（见图5-1）。随着棒子的变长，辐射的波长也会变长，温度则随之成比例下降。这就意味着，当宇宙的温度是30亿摄氏度时，棒子的长度将是现在的1/10 ⁹ ，密度高出的倍数则是这个倍数的立方，即高出10 ²⁷ 倍。然而，当前宇宙中物质的分布非常分散，每立方米约有0.2个原子，即使将其压缩10亿倍，其密度仍然小于空气的密度。实验室中的研究人员可以检测出：当氦原子核形成时，氢原子核和氦原子核以其所具有的能量相互碰撞后会出现什么结果。因此，有关计算都是基于非常合理和坚实的物理学之上的。

假设当前宇宙的密度为每立方米0.2个原子，由此计算宇宙“火球”冷却过程中所产生的氢、氦和氘的比例，则计算得出的结果与观察结果一致。这是一个令人满意的结果，因为大量观测结果可能完全与任何“大爆炸”模型所做的预测不相符；或者它们即使相符，也只是对比观测到的密度范围更低或者更高的情况而言的。正如我们所看到的，每立方米0.2个原子的密度确实接近当前宇宙中星系和气体的平滑密度。这对“暗物质”而言具有重要意义，我们将在下一章对此展开讨论。 VUSXZ+pAOM/i5DWaX4Q6dsddE7nOYwDQbtNYXcSxDGV7/f/dZAwTDOxA5ntK+HUx