宇宙刚被创造出来时虽然处于一种不太成形的状态，但被赋予了一种能力，能够将自己从未成形的物质转变成一种真正奇妙的结构和生命形式。

——圣奥古斯丁（St Augustine）

引力与熵

就像音乐和绘画中表现的那样，自然界中最吸引人的图案既不是完全规则和重复性的，也不是完全随机和不可预测的；相反，它们结合了这两方面的特点。当前可见宇宙的精细构造并不是完全有序的，也不会变成完全随机的状态。自然界中有92种不同类型的原子，不仅有在“大爆炸”中形成的简单的氢原子、氘原子和氦原子。其中一些原子存在于地球生物圈的复杂有机体中，一些存在于恒星中，另一些则分散在星际空间。宇宙各处的温度的反差也非常大，比如，恒星表面炽热（中心温度更高），但黑暗的太空则接近“绝对零度”，借助从“大爆炸”中遗留下来的微波余晖，其温度达到2.7开尔文。

这种错综复杂的结构都来自一个单调、无定形的火球，这似乎违反了一个神圣的物理学原理：热力学第二定律。这个定律描述了一种不可避免地趋向于均衡、远离模式和结构的趋势：热的物体趋向于变冷，冷的物体趋向于变热。墨水和水很容易混合，而相反的过程，即搅拌一种浑黑的液体直到浓缩成一颗黑色的液滴，则会让我们大吃一惊。有序的状态最终会变乱，但反之则不然，用专业术语来说，“熵”永远不会减少。局部熵的明显减少总是被其他地方熵的增加抵消。这条定律的典型例子就是蒸汽机，其中活塞的有序运动总是伴随着热量的损耗。

然而，当引力开始起作用时，我们需要重新思考自己的直觉。举例来说，恒星是由于其内部引力向内拉合而聚集在一起的，这种内拉的引力与其内部外推的热压力相平衡。恒星在失去能量时会变热，尽管这看起来有点奇怪。假设太阳内核的燃料供应被切断，其表面依然会保持明亮，因为有热量从它更热的内核中散发出来。如果核聚变不再提供热量，太阳就会随着能量的流失而逐渐缩小，就像威廉·汤姆逊在19世纪就已经意识到的那样，太阳将会持续1 000万年的时间。然而，这种收缩实际上会使内核变得比以前更热，因为引力在更短的距离上会产生更强大的内拉力，而为了抵消这种来自外部的巨大压力，内核的温度必须变得更高。当一颗人造卫星由于大气阻力逐渐盘旋进入较低轨道时，也会发生类似的情况：它的温度会升高，但引力释放的能量只有一半转化为热能，另一半用于加快卫星的速度，因为轨道越小，所需的速度越快。

因此，对于新恒星会在由冷尘埃气体组成的不规则云团中凝结而出这一现象，我们不应感到惊讶。密度最大的区域由于自身引力而收缩，进而像恒星一样发光。这种变化究竟是如何发生在猎户座或天鹰座星云这类环境中的，以及这一过程产生的大小恒星之间的比例是多少？即使运用最大的计算机也很难计算出结果，这也就是为什么我们不确定宇宙中有多少褐矮星构成了暗物质的原因。不过，从原理上来说，恒星的形成并不神秘：一旦引力控制了一个系统，它就会不可避免地收缩。

从“大爆炸”到星系

银河系和其他星系中的气体云已经被搅拌和循环利用过太多次了，以至于它们无法保留住关于自己起源的“记忆”。因此，宇宙变得越大，恒星的形成过程就越难以了解。星系的形成过程比恒星更复杂，它们起源于早期的宇宙，其形状是由它们的“遗传特点”和所处的环境塑造的。

如果宇宙一开始是完全平滑和均匀的，那么它会在整个膨胀过程中一直保持这种状态。在100亿年之后，暗物质的分布变得稀薄，氢和氦等元素也会变得非常稀少，每立方米只有不到一个原子。这样的宇宙将是寒冷而沉闷的：没有星系，因此也没有恒星，没有元素周期表，没有复杂性，当然也没有人类。不过，早期宇宙中哪怕只出现非常轻微的不规则性，最终也会产生极其重要的影响，因为在膨胀的过程中，密度的不均匀性会增大。比平均密度稍高一点儿的任何区域，其膨胀速度都会减小很多，因为它受到了额外引力的束缚，膨胀越来越落后于一般区域。比如，如果我们以稍微不同的速度向上抛出两个球，一开始，它们的运动轨迹可能只有细微的差别。接下来，速度较慢的球将完全停止，并开始下落，而速度较快的球仍在向上运动。在一个几乎没有任何特征的火球中，引力会放大这种微小的“涟漪”，增大了密度差别，直到密度过高的区域停止膨胀，并收缩成由引力结合在一起的各种结构。

宇宙中最显著的结构——恒星、星系和星系团，都是由引力维系在一起的。我们可以用它们全部“静止质能”（ mc ² ）的比例来表示其结合的紧密程度，也可以表示需要多少能量才能打破这种约束，使它们分解。对于宇宙中最大的结构星系团和超星系团来说，答案是1/100 000。这是一个纯粹的数字——表示两个能量之间的比例，我们称之为 Q 。

Q 非常小，量级为10 ^-5 ，这意味着星系和星系团中的引力实际上非常微弱。因此，用牛顿定律足以精确地描述恒星如何在星系内运动，以及每个星系如何在所有其他星系和星系团内暗物质的引力影响下沿轨道运动。 Q 的值如此之小也意味着：我们可以将宇宙看作是各向同性的，就像我们看待星球一样；如果一颗星球表面上的起伏只有它半径的1/100 000， 我们就可以认为它是光滑和浑圆的。

这种微小的涟漪应该很早之前就出现了，其出现的时间早于宇宙能够“区分”星系和星系团之前。当时，这些不同系统的尺度或者当前宇宙中显得重要的任何尺度，都没有什么特别之处。最简单的猜测是，在早期的宇宙中，没有哪个尺度更受偏爱，因此每个尺度上的涟漪都是一样的。当宇宙还处于微观尺度时，这种初始的“粗糙”程度就已经通过某种方式建立起来了，至于这究竟是如何发生的，我们将在下一章进行推测。对于宇宙结构的“特征”来说，数字 Q 起着决定性的作用，如果 Q 的值太大或太小，结果将非常不同。

微波余晖中的涟漪

宇宙一开始稠密而不透明，就像恒星内部的发光气体。然而，经过50万年的膨胀，温度下降到3 000摄氏度左右，比太阳表面的温度略低。随着进一步冷却，宇宙实际上进入了黑暗时期，该时期一直持续到第一批原初星系形成并点燃自己为止。

那么，宇宙的黑暗时期究竟是如何结束的？这将是未来10年里天文学家面临的一大挑战。人们寄予了下一代太空望远镜很大的期望。按照计划，这些望远镜将会安装针对红光和红外线的灵敏探测器，以及一个口径为8米的反光镜（相比之下，哈勃太空望远镜的口径只有2.4米）。

作为来自“大爆炸”本身的余晖，宇宙微波背景辐射传递了宇宙早期的直接信息，此时星系还处于“胚胎”阶段。密度稍高的区域的膨胀速度慢于一般区域，注定会演变成星系或星系团；密度稍低的区域则注定被分解成空洞的空间。宇宙微波背景辐射的温度应该带有这些波动的印记，预期的大小约为1/100 000，这基本上与表征涟漪幅度的数字 Q 的数值相同。

20世纪90年代，人们对宇宙结构进行了绘制，这无疑是宇宙学的巨大胜利。宇宙微波背景辐射大约只有地球辐射的百分之一（地球表面温度约为绝对零度以上300开尔文）。科学家现在要测量的是比这还要小得多的温差，这确实是一项令人生畏的技术挑战。在确认宇宙微波背景辐射具有“黑体”光谱方面，美国国家航空航天局于1990年发射的宇宙背景探索者卫星达到了显著的精度；同时，这颗卫星还携带了第一台足够灵敏的仪器，能够辨别来自某些方向的辐射比来自其他方向的辐射略热。它扫描了整个天空，以足够高的精度测量温度，绘制了这种不均匀性。

这类测量最好在太空中进行，因为大气中的水蒸气会吸收部分宇宙微波背景辐射。在宇宙背景探索者卫星之后，人们还进行了同样的测量，测量地点或在山顶，或在南极（那里的水蒸气较少），或在带有设备的飞艇上。虽然这些新的实验只能描述小区域的情况，不像卫星那样可以描述整片天空的情况，但它们能够灵敏地以极低的成本获得同样的观测结果。

之后的重大进展来自两架比宇宙背景探索者卫星更先进、更灵敏的太空探测器：一个是美国国家航空航天局的微波各向异性探测器（Microwave Anisotropy Probe，简称MAP），另一个是欧洲航天局的普朗克探测器（Planck/Surveyor）。在几年内，这些探测器将会收集足够多的数据，揭示早期宇宙在许多不同尺度上的“粗糙度”，从而解决星系是如何形成的这一关键问题。宇宙微波背景辐射携带了很多关于极早期宇宙的信息，例如，它将有助于明确说明数字 Ω 、 λ 以及 Q 。

“大爆炸”余晖温度的不均匀性达到1/100 000的程度，这实际上令人宽慰，而不是令人惊讶。如果宇宙微波背景辐射暗示的是一个更加平滑的早期宇宙，那么当前宇宙中的星系团和超星系团将会成为一个谜。如果情况真是如此，除了引力，还需要另外某种力的作用，以更快地加大密度反差。

不过， Q 只有1/100 000的事实确实是宇宙最显著的特征。如果你捡到一块石头，它在1/100 000的精度上是球形的，你可能想知道是什么造成了这些小的不规则性，也可能对整体的光滑性感到更加困惑。第9章将要介绍的“暴胀”是关于这个问题的最好理论，而温度的起伏则为这些想法提供了重要的检验。

“虚拟”宇宙的演化

当宇宙的年龄达到100万年时，一切仍在均匀地膨胀。这些结构是如何收缩并发展成我们现在所观察到的宇宙景象的呢？现在，我们可以利用计算机来研究一些“虚拟”的宇宙。在模拟开始时，物质处于膨胀之中，但不是很均匀。原因在于，作为初始条件的一部分， Q 的特定值相对应的不规则性已经被考虑在内。

占主导地位的引力源是“暗物质”，即从早期宇宙中留存下来的粒子，它们几乎不会相互碰撞，但都受到了引力的影响。如果你在越来越大的体积上求取平均值，那么就会发现早期宇宙变得越来越平滑。这意味着，如果引力是唯一相关的力，较小的尺度将首先开始收缩。宇宙的结构是由下而上按等级形成的。亚星系尺度下的暗物质首先凝聚，合并成具有星系质量的物体，这些物体再形成星系团。在更大的尺度上，引力需要更长的时间才能逆转膨胀。

然而，这种阶梯式的聚集本身导致了一个黑暗而贫瘠的宇宙。宇宙的“发酵剂”是原子，它们的总质量比暗物质的总质量小得多：原子被动地前进，形成一种能“感受”到暗物质的引力的稀薄气体。实际上，我们所看到的一切都取决于这种气体。

这种气体的运动方式比暗物质更复杂，因为引力并不是唯一作用于它们的力。气体能“感受”到引力，但也会施加压力。这种压力阻止了气体被引力内拉成非常小的暗物质“团块”。不过，在100万倍于太阳质量的量级上，引力将会压倒一切。因此，最初形成的气体浓缩体比恒星重100万倍，这些浓缩体最终形成“第一束光”，结束了宇宙的黑暗时期。计算机程序通常采用的气体运动模型与航空工程师用来研究机翼周围和涡轮内部气流的程序类似。这样的计算被认为足够可靠，可以替代风洞试验。不过，即使如此，若想计算出这些坍缩的云团内部发生了什么，难度仍然很大。迄今为止，还没有人对开始于单个云团，最终形成一个恒星群的过程进行过模拟。一个100万倍于太阳质量的气体云既可以分裂成100万颗像太阳一样的独立恒星，也可以分裂成数目较少但质量更大的天体，甚至还可以保持为一个整体，收缩成一颗超新星或类星体。

最早的这些天体应该是在宇宙只有几亿岁时，也就是在现在年龄的百分之几时形成的。当宇宙到了10亿岁时，星系尺度的结构应该已经形成，其中每个星系都是恒星的集合，它们不仅依靠自身的引力，而且还依靠暗物质的引力维系在一起，这些暗物质形成了一个比宇宙大10倍、重10倍的“团体”。气体不断落向这些物体并冷却下来，如果这些物体正在旋转，气体就会形成圆盘，进而凝结成恒星，由此开始循环过程，合成并散播元素周期表中的所有元素。

计算机模拟至少展示了这些过程的大致轮廓，这种模拟可以像电影一样放映，用以描述宇宙的膨胀和星系的形成过程，只是其速度比实际过程的速度大约快10 ¹⁶ 倍。图8-1展示了这种模拟中的6个画面。

与单个星系一样，星系团和超星系团也是引力聚集的产物。新形成的星系不会完全均匀地分布，有些地方的密度会比其他地方的高一点儿。随着膨胀的继续，质量较大的区域的膨胀速度将会减慢，因此这些区域的星系最终明显地比平均密度更密集，比一般星系结合得更加紧密。

我们如何才能检验一个虚拟的宇宙是否与真实的宇宙完全相似呢？这些模拟必须再现我们所观察到的星系的特性，包括体现星系特征的大小和形状，圆盘星系和椭圆星系的比例，以及它们的聚集方式。不过，模拟还必须做更多工作：它必须与宇宙“快照”相匹配，这些“快照”告诉了我们宇宙更早期时星系的外观，以及它们形成星系团的方式。

如前所述，我们当前看到的来自最遥远的星系的光线（新一代的望远镜可以对这些星系进行探测和分析）是它们刚形成时发出的。它们看起来和现在的星系不同，而且没有一个已经成形且稳定旋转的盘状结构，构成它们的气体中也只有一小部分变成了恒星。大多数星系都很小，它们不断合并，我们今天所看到的大星系是由主星系吞噬较小的邻居形成的。

作为早期恒星形成的副产品，宇宙中还会发生一些更有趣的事情。一些气体会沉降到一群暗物质粒子群的中心，并在自身的引力作用下收缩，形成一个比普通恒星重100多万倍的“超级恒星”。如此巨大的天体非常明亮，以至于其核燃料不能持续很长时间，它结束生命的方式不是爆炸，而是坍缩成黑洞。因此，一旦星系开始形成，空间就会被这些黑洞“刺穿”。气体不断落入其中，释放出的能量照亮了星系的其他部分。

这些天体被称为“类星体”或“活动星系核”，它们之所以有趣有两个原因。首先，它们比星系本身更明亮，因此可以作为探测灯照亮遥远的宇宙。类星体的光谱能够揭示视线范围内的气体云，并为宇宙中氘的含量提供最好的证据，正如我们所见，这是对“大爆炸”理论的最好检验。其次，这类天体能使我们对爱因斯坦的广义相对论进行重要检验。它们释放的能量来自非常接近黑洞的旋转的物质，甚至可能来自自转的黑洞本身。我们根本就没有机会捕获这种物质流的实际图像，这比捕获一颗围绕另一颗恒星旋转的类地行星的图像更具挑战性。不过，类星体发出的辐射因强大的引力而发生红移（这是除普通宇宙红移以外的红移）。由于这些气体在黑洞附近高速旋转，所以也会产生很大的多普勒频移，即离我们远去的一侧发出的光变红，而不断接近我们的另一侧发出的光则变蓝。根据推断出的运动和引力场，我们可以检验黑洞是否具有爱因斯坦理论所预测的那些精确属性。

有多少是我们可以预测的

如果用一句话来总结“‘大爆炸’以来发生了什么”，那么最好的回答可能是深吸一口气，然后说：“从一开始，引力就塑造了宇宙结构，增强了温度反差，这是100亿年后出现人类以及周围这些复杂结构的先决条件。”

一旦重到足以自我吸引的系统形成，对平衡的偏离就会增大。这样，宇宙就可以从一个温度均匀的原始火球演化为包含非常炽热的恒星结构的状态，它们向非常寒冷的空旷空间释放出辐射。这个过程为更加复杂的宇宙演化和生命的出现奠定了基础。虽然单个恒星因演化而密度变得更高了（有些以中子星或黑洞而终结），但整体而言，物质的分布会变得越来越稀疏。这些复杂结构是一系列事件的结果，宇宙学家可以将这些事件追溯到致密的原始介质，它们几乎没有结构。

就像达尔文的生物进化论一样，我们关于宇宙结构是如何形成的观点是一个极具说服力的宏伟蓝图。与达尔文主义一样，这整个过程是如何开始的仍然是一个谜：数字 Q 到底是如何被确定的（也许源自极早期宇宙的微观振动），这个问题至今仍然令人困惑，就像地球上第一个生命是如何起源的问题一样。不过，宇宙学在一个方面是比较简单的，那就是一旦确定了起点，其结果在很大程度上是可以预测的。宇宙中所有以同样方式开始的大区域的最终结果在统计上都是相似的。相比之下，生物进化的总体过程却很容易受到“意外事件”的影响，比如气候变化、小行星撞击、流行病等。因此，如果让地球的历史重演，最终可能会形成一个完全不同的生物圈。

这就是用计算机来模拟宇宙中结构形成过程的重要性所在。星系和星系团是引力作用于初始不规则性的结果。我们并不尝试解释细节上的特点，只注重最后的统计结果，就像海洋学家想要了解的是波浪的统计结果，而不是在特定地点和时间下的一个特定波浪的细节。

起始点是一个膨胀的宇宙，可以用 Ω 、 λ 和 Q 来描述。宇宙的演变结果敏感地取决于这三个关键数字，它们被铭刻在极早期宇宙中，只是我们不能确定这个过程是怎样的。

Q 的调谐

星系、星系团和超星系团的形成显然要求宇宙中含有足够多的暗物质和原子。 Q 的值不能太低，因为在一个只有辐射而其他物质极少的宇宙中，引力永远无法战胜压力。 λ 也不能太高，否则在星系形成之前，宇宙斥力就会超过引力。此外，最初在扩散气体中还必须有足够多的普通原子 ，以便形成所有星系中的所有恒星。然而，我们已经看到，还需要其他一些东西，即最初的不规则性，这是结构得以发展起来的“种子”。数字 Q 描述了这种不规则性或“涟漪”的幅度。 Q 为什么约为10 ^-5 仍然是一个谜。但这个数值的大小至关重要：如果它太小，或太大，宇宙的“结构”就会大不相同，并且不利于生命的出现。

如果 Q 的值小于10 ^-5 ，但其他宇宙常数保持不变，那么暗物质聚集的过程就需要花更长的时间，而且它们会更小、更松散。由此产生的星系将是缺乏活力的结构，其中恒星的形成也会变得缓慢、效率低下，“加工”出的物质会被吹出星系之外，而不是被循环利用形成新的恒星和行星系统。如果 Q 的值小于10 ^-6 ，气体就永远不会收缩成由引力束缚在一起的结构，这样的宇宙将永远是黑暗的，没有任何特征，即使它最初的原子、暗物质和辐射的“混合”与当前的宇宙是一样的。

如果 Q 的值比10 ^-5 大太多，即最初的“涟漪”被大幅度的波动代替，那么宇宙中将充满动荡和暴力。比星系大得多的区域在宇宙早期就会收缩，但它们不会形成恒星，而是会坍缩成巨大的黑洞，每个黑洞的质量都比当前宇宙中的整个星系团大得多。任何残存的气体都会变得非常炽热，以至于发射出强烈的X射线和伽马射线。星系，即使它们设法形成了，也会比当前宇宙中的星系更加紧密地结合在一起。恒星将会被捆绑在离彼此很近的地方，频繁地发生碰撞，从而无法形成稳定的行星系统。出于相同的原因，太阳系不可能在离银河系中心很近的地方存在，因为与现在所处的非中心地带相比，那里的恒星群更加拥挤。

如果 Q 的值碰巧为10 ^-5 ，而不是更大，这一事实也让宇宙学家更容易理解当前的宇宙。一个小的 Q 值保证了宇宙中出现的结构与视界相比都是小系统，这样，我们的视野就大到足以涵盖许多独立的区域，其中每个区域都大到足以成为一个合适的样本。如果 Q 的值大得太多，超星系团就会聚集成更大的结构，延伸到我们的视界范围，而不是像当前的宇宙那样，被限制在这个尺度的1%左右。因此，谈论可见宇宙的“平滑”特性就变得毫无意义，而且，我们甚至都无法定义 Ω 这样的数字。

如果没有 Q 的小取值，宇宙学家就寸步难行，直到最近，这一点还被认为是一种令人满意的巧合。现在，我们已经意识到，这不仅仅为宇宙学家提供了方便，事实上，如果宇宙没有这种简单的特性，就不可能进化出生命。 a2IgMlZDr+oLiTtHYCHyR0mP/WxEF6gWLdSJiE0roS/CSHZBiJNgHYGJvF9nsNv+