從現(xiàn)在測量到的哈勃參數(shù)值的倒數(shù)，計算出的宇宙年齡大約為138億年。宇宙在3分鐘之內(nèi)發(fā)生了些什么？20分鐘以后面貌又如何？這是人們感興趣的問題。

我們首先給宇宙20分鐘之后到138億年，從胚胎、嬰兒、青年、到如今，勾畫一個大概的年表，以便讀者對宇宙演化有一個粗略輪廓。

再回到弗里德曼的宇宙膨脹模型，描述宇宙膨脹的尺度因子a(t)的幾種主要情況：如果物質(zhì)（塵埃）起主導(dǎo)作用，a(t)～t(2/3)；如果輻射起主導(dǎo)作用，a(t)～t(1/2)；如果真空能量密度（暗能量）起主導(dǎo)作用， a(t)～eHt。這兒暫時假設(shè)了宇宙空間平坦，曲率因子k=0。

圖8-6-1：用弗里德曼模型解釋宇宙膨脹過程

此外，我們也知道各種宇宙物質(zhì)密度與尺度因子的關(guān)系，這樣便能得到不同物質(zhì)密度隨著時間變化的關(guān)系。圖8-6-1a中三條不同的曲線分別表示物質(zhì)密度、輻射密度、暗能量密度與時間（宇宙年齡）的關(guān)系。

圖8-6-1a中的三條曲線有兩個交叉點(diǎn)值得注意：一個（A）發(fā)生在宇宙年齡大約4萬7千歲左右，那時候塵埃物質(zhì)密度與輻射密度相等。另一個交叉點(diǎn)B是在宇宙年齡大約98億歲左右，那時候暗能量密度超過塵埃物質(zhì)密度，顯然早已大大超過輻射密度，暗能量密度成為宇宙膨脹的主導(dǎo)因素。

根據(jù)熱大爆炸理論，宇宙早期處于高壓高密度高溫狀態(tài)，不僅星系和恒星不可能存在，也沒有形成穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)。早期一片混沌時的宇宙，能量主要由光子主導(dǎo)。太初核合成結(jié)束后，光子頻繁地與質(zhì)子電子相互作用，但仍然是輻射能量大大超過物質(zhì)能量。因此，在大爆炸后直到4萬7千年的宇宙，稱之為輻射主導(dǎo)時期。之后，隨著溫度下降，原子形成，原子類物質(zhì)和暗物質(zhì)的能量逐漸超過輻射，成為主導(dǎo)部分。

熱大爆炸。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

但是，無論是輻射相關(guān)的密度，還是明暗物質(zhì)相關(guān)的密度，都隨著宇宙空間尺度的膨脹而迅速下降，如圖8-2-1a中的藍(lán)色和紅色曲線所示。因?yàn)榘的芰棵芏龋ňG色曲線）始終保持在一個常量，不隨時間而變化，最后在圖中的B點(diǎn)開始，成為宇宙演化的主導(dǎo)因素，使得宇宙尺寸隨著時間指數(shù)增長。因此，宇宙從4萬7千年到B點(diǎn)代表的98億歲這段漫長的歲月，都算是物質(zhì)主導(dǎo)時期。在圖8-2-1中沒有討論曲率k的作用，k只能取-1、0、1三個數(shù)值，分別代表三種不同宇宙幾何形狀，并不影響宇宙膨脹的基本特征，此外，根據(jù)天文觀測資料證實(shí)，宇宙是基本平坦的，即k等于0。

圖8-6-1b顯示了宇宙物質(zhì)密度從“輻射為主”，過渡到“物質(zhì)為主”，再變成“暗能量為主”期間內(nèi)宇宙尺度的變化。如圖所示，在輻射起主導(dǎo)作用時宇宙大小的時間平方根（t(1/2)）規(guī)律，塵埃物質(zhì)主導(dǎo)時宇宙大小的三分之二次方（t(2/3)）規(guī)律，這兩種情形都是減速膨脹，即標(biāo)度因子a(t)對時間的二階導(dǎo)數(shù)為負(fù)值。

在1998年之前，物理學(xué)家們尚未意識到“暗能量”的重要性，根據(jù)上面所說的，無論是輻射密度導(dǎo)致的膨脹，還是物質(zhì)密度導(dǎo)致的膨脹，都是減速膨脹。所以，科學(xué)家們認(rèn)為，雖然宇宙在膨脹，但膨脹的速度會越來越慢。但是，1998年，三位物理學(xué)家索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特和亞當(dāng)·里斯“透過觀測遙遠(yuǎn)的超新星而發(fā)現(xiàn)了宇宙正在加速膨脹”。這個觀測事實(shí)改變了人們的看法，三位學(xué)者也因此而榮獲2011年諾貝爾物理獎。之后十幾年的觀測數(shù)據(jù)，也證實(shí)了宇宙膨脹的速度并非越來越慢，而是越來越快。

索爾·珀爾馬特。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

加速膨脹意味著標(biāo)度因子a(t)對時間的二階導(dǎo)數(shù)為正值，在弗里德曼方程的4個解中，只有與愛因斯坦常數(shù)有關(guān)的“暗能量密度”一項，符合這點(diǎn)要求。也就是說，愛因斯坦原來加到場方程中的宇宙常數(shù)L不能為零，將它請回來便有可能解決這個問題，這便是大家知道的宇宙常數(shù)死灰復(fù)燃的故事，暗能量的來龍去脈。

宇宙從輻射主導(dǎo)變成物質(zhì)主導(dǎo)之后不久，還有一個被稱為“最后散射面” 的重要年齡點(diǎn)，這是發(fā)生在大爆炸之后的38萬年左右，見圖8-2-1a中的標(biāo)志。在這個年齡之前，氫和氦原子開始形成時，原子核處于電離狀態(tài)，電子游離在離子之間，并不斷地與光子和質(zhì)子相互作用。也就是說，當(dāng)電子尚未被原子核俘獲形成穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)之前，宇宙處于“等離子體狀態(tài)”，是由質(zhì)子中子電子光子以及少量其它粒子混合起來的一大碗等離子體“熱湯”，其中的光子不斷被其它粒子反射和吸收，自由傳播的距離非常短。

但因?yàn)橛钪娌粩嗯蛎�，這碗熱湯的體積不斷增大，溫度持續(xù)降低，電子跑不快了，便逐漸被離子捕獲，兩者結(jié)合形成中性原子，這個過程稱為復(fù)合。在復(fù)合結(jié)束后，宇宙中大部分的質(zhì)子都捆綁了某些電子，成為電中性的原子。中性原子與光子的相互作用大為減少，使得光子的平均自由路徑幾乎成為無限，意味著光子可以在宇宙中自由通行，宇宙變得透明。這個事件通常被稱為 退耦。

圖片來自網(wǎng)絡(luò)

圖8-6-2中左邊是放大了的最后散射面附近的輻射示意圖。圖中的水平方向代表時間，從左到右表示宇宙年齡增大。在最后散射面之前（左邊），因?yàn)橛钪媸腔煦缫黄牡入x子體，宇宙更早期輻射的光子，傳播很短的距離便在等離子體中被多次反射折射或吸收了，到不了右邊。所以說，這一段等離子體期間像是一團(tuán)"大霧"，對宇宙更早期的光輻射而言是不透明的，宇宙更早期雖然也有光，但不能被“最后散射面”之后的觀測者通過望遠(yuǎn)鏡看見。直到宇宙38萬歲-40萬歲左右，原子核和電子結(jié)合成原子，電子被原子核綁住了，行為規(guī)矩起來，不再輕易與光子作用，光子傳播的空間大大增大，一直在宇宙中奔跑。

再后來，宇宙繼續(xù)膨脹，恒星形成了，星系形成了，原來輻射的可見光的波長也因?yàn)榭臻g膨脹而被拉長，最后，當(dāng)我們地球上的觀測者接收到這些光子時，它們的波長已經(jīng)被拉長到了微波的范圍，宇宙的溫度也從最后散射面時期的3000K左右降低到了3K左右，這便是我們提到過多次，后來還要詳細(xì)介紹的微波背景輻射，簡稱為CMB。

圖8-6-2：最后散射面的輻射

最后散射面時期的宇宙，有大量的可見光輻射，如果近距離看的話，整個宇宙“天空”都如同我們現(xiàn)在看見的太陽。怎么才叫“近距離”看？只能想象在宇宙40萬年左右就進(jìn)化出了某種生物，它們那時看到的宇宙就應(yīng)該是滿天一片“燦爛的太陽”！但這種想象的生物是不可能存在的，從復(fù)合成原子到出現(xiàn)生命，宇宙還有漫長的路要走！路漫漫其修遠(yuǎn)兮，走到如今，大自然中終于進(jìn)化出了能夠探測到這種輻射的人類。不過，遺憾的是，我們現(xiàn)在只能從距離散射面138億光年的“遠(yuǎn)距離”來觀測它，當(dāng)初的燦爛太陽，如今已經(jīng)變成了滿天“看不見的微波”！

雖然宇宙演化至今的時間漫長，但其中使宇宙學(xué)家們感興趣的“亮點(diǎn)”卻好像暫時不太多。原因固然是因?yàn)槲覀冇^測手段的限制，探測宇宙的演化可不是那么容易的。宇宙學(xué)就像“考古”一樣，越久遠(yuǎn)的事情就越難以搞清楚，何況宇宙學(xué)“考”的是100多億年之前的廣漠宇宙之“古”。宇宙演化漫長的歲月中，有無限多的未知“時間段”需要“考證”。

最后散射面之后的很長一段時間，大約從大爆炸之后的1億5千萬年到8億年左右，被稱為宇宙的黑暗時期。最后散射面的光子可以毫無阻攔地自由穿過這段黑暗時期，但黑暗時期本身的輻射現(xiàn)象卻產(chǎn)生得很少，因?yàn)槟菚r候的宇宙中只有電中性的原子到處晃蕩，星系和恒星尚未形成，沒有核聚變提供大量輻射能量，唯一的輻射是中性氫的電子自旋釋出的21公分氫線。

圖片來自網(wǎng)絡(luò)

不過，這種中性原子主導(dǎo)的“黑暗”宇宙只是處于一種暫時的“動態(tài)平衡”中，不安分的種子早就已經(jīng)暗藏在貌似光滑均勻的“最后散射面”上，在經(jīng)歷了時長日久的潛伏之后終將耐不住，一個一個在黑暗中爆發(fā)。事實(shí)上，早期宇宙的均勻混合物表面上有很小的密度起伏，這些密度漲落，即均勻宇宙中的小偏離，按照引力規(guī)律演化后結(jié)團(tuán)，后來，大量的物質(zhì)坍縮形成星系。

目前觀測到的最早的星系形成于大爆炸后3億8千萬年左右，大多數(shù)人認(rèn)為恒星是星系物質(zhì)進(jìn)一步碎裂的產(chǎn)物，大爆炸之后約5億6千萬年，第一代恒星開始形成。最初的恒星和類星體在引力坍縮下形成。它們發(fā)出強(qiáng)烈的輻射使周圍的宇宙再電離。

之后，大量的小星系又合并成大星系，星系的引力彼此拉扯形成星系群、星系團(tuán)、和超星系團(tuán)。天文學(xué)家們估計銀河系的薄盤形成于大爆炸之后50億年左右，再過了幾十億年，太陽系開始形成和演化，形成地球，產(chǎn)生生命，進(jìn)化繁衍，直到如今。

然后，我們再簡略描繪一下大爆炸后3分鐘內(nèi)宇宙演化過程中最精彩又最不可思議的一段。這一部分的故事首先由粒子物理的統(tǒng)一理論主宰。

普朗克時期，開始于普朗克時間10-43秒，所有4個基本作用無法區(qū)分。大一統(tǒng)時期，始于10-36秒，引力與其它作用分開，溫度約為1027K。然后，是我們后面將介紹的宇宙暴脹階段，在10-36秒到10-33秒之間，宇宙的尺度增長了不可思議的大約30個數(shù)量級。

普朗克時間。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

暴脹停止后，宇宙從重新加熱到冷卻，成為夸克、膠子等離子體。這個階段持續(xù)到10-12秒。從10-12秒到10-6秒為夸克主導(dǎo)時期，宇宙膨脹，溫度急劇下降，允許四種基本力和基本粒子出現(xiàn)，表現(xiàn)為它們在目前所見的形式。

第1秒中之前是質(zhì)子和中子等強(qiáng)子形成的時期，再進(jìn)入到輻射為主的光子時期。然后，最初三分鐘結(jié)束，開始核合成，直到第17分鐘左右……

宇宙演化過程還有最后一個問題：宇宙的未來如何？這方面的研究就要用到宇宙空間的曲率因子k的作用了，因?yàn)樵谟钪鏄?biāo)準(zhǔn)模型中，其未來的演化情況與空間的幾何形狀有關(guān)。

仍然可以從弗里德曼方程來探討這一問題。根據(jù)弗里德曼的理論，宇宙空間的形狀有三種可能性：開放、閉合、平坦，取決于宇宙的質(zhì)量密度。更準(zhǔn)確地說，是取決于宇宙的質(zhì)量密度與臨界質(zhì)量密度的比值W0（相對質(zhì)量密度）。如圖8-6-3右圖所示，臨界質(zhì)量密度：

r0= 3H2/8pG

定義為當(dāng)設(shè)定宇宙常數(shù)為0時產(chǎn)生平坦的弗里德曼度規(guī)的質(zhì)量密度。以上r0的表達(dá)式中，H為現(xiàn)在的哈勃參數(shù)，G是萬有引力常數(shù)。這個臨界質(zhì)量密度大概是多大呢？據(jù)說大約是每立方米三個核子（質(zhì)子或中子）。

圖8-6-3：三種宇宙模型

圖8-6-3左圖表示大爆炸之后，由于質(zhì)量密度的不同而形成了三種不同的宇宙演化模型。這些模型預(yù)測了宇宙的未來。當(dāng)W0>1的時候，說明宇宙中的物質(zhì)足夠多，將產(chǎn)生足夠大的重力，在一定的時候?qū)⑹褂钪嫱Ｖ古蛎�，開始收縮，最后變成與大爆炸過程相反的大擠壓，讓宇宙回復(fù)到爆炸誕生時的炙熱狀態(tài)。

反之，當(dāng)W0<1的時候，沒有足夠的質(zhì)量產(chǎn)生足夠的重力來使得物質(zhì)保持在一起，因而宇宙將永無止境地膨脹，也有可能最終走向“熱寂”，也許千億年以后，宇宙又將回到孤獨(dú)的“宇宙島”？前面所述的這兩種情況似乎都會使得人們對宇宙的未來憂心忡忡，盡管像是在杞人憂天，但大家總希望給宇宙一個好一點(diǎn)的結(jié)局。第三種平坦宇宙，對應(yīng)于W0=1，則介于上述兩種情形之間。

我們的宇宙屬于哪一種模型？實(shí)際上，直接測量與估算宇宙的平均密度復(fù)雜而困難，能夠估算的，頂多也只是可見物質(zhì)構(gòu)成的星體對平均密度的貢獻(xiàn)。反之，從現(xiàn)有的天文觀測資料，天文學(xué)家們得到大范圍內(nèi)的宇宙是基本平坦的結(jié)論。這個平坦無限然而動態(tài)的宇宙圖景，總算讓人們心情舒暢了一些。

平坦宇宙需要滿足（W0=1），也就是說，總的物質(zhì)密度要等于臨界密度。但從觀測資料得到的發(fā)光物質(zhì)的密度不超過臨界密度的1／10。加上看不見，但明顯表現(xiàn)出引力效應(yīng)的暗物質(zhì)，能達(dá)到百分之二十幾，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，剩下的便只好請“暗能量”先生來補(bǔ)充了。

平坦宇宙。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

在此澄清幾點(diǎn)對大爆炸和無限宇宙的誤解（第9章中將有更多的討論）。一是大爆炸并不是發(fā)生在空間中的某一點(diǎn)，而是發(fā)生在三維空間的所有點(diǎn)。如果對空間曲率為0的平坦宇宙模型，即是發(fā)生在整個“無窮大空間”的時間奇點(diǎn)上。因?yàn)槲覀兪褂玫氖瞧教谷S空間宇宙模型，其空間曲率總是為零，但時空曲率不會總是0。

實(shí)際上，在大爆炸發(fā)生時的那個奇點(diǎn)，時空曲率為無限大。三維空間雖然是平坦的，但溫度卻是無限高，質(zhì)量密度無限大，爆炸發(fā)生在空間的每一點(diǎn)。大爆炸之后，時空膨脹，奇點(diǎn)轉(zhuǎn)為正常的時空點(diǎn)。溫度下降，質(zhì)量密度降低，時空曲率減�。ǹ臻g曲率始終為0），原來體積就是無窮大的宇宙空間繼續(xù)不斷膨脹。

另外，需要把宇宙可能的三種演化模型與“可觀測宇宙”區(qū)別開來。無論宇宙模型預(yù)料的宇宙是有限還是無限，可觀測宇宙總是有限的。就我們所知，根據(jù)對宇宙微波背景的觀測，大爆炸理論估計的宇宙年齡大約為137億年。而光傳播的速度有限，因而我們可以觀測到的宇宙范圍是有限的。我們頂多能夠探測到距離我們137億光年遠(yuǎn)的星球。

不過，因?yàn)橛钪嬖诓煌５嘏蛎洠@些星球（星系）發(fā)射光波之后，與地球之間的空間又經(jīng)過了137億年的“膨脹效應(yīng)” 。根據(jù)宇宙膨脹的模型以及天文觀測得到的哈勃參數(shù)，可以估算出這些星系現(xiàn)在離我們的距離。這個距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過137億光年，大約是460億光年左右。

圖片來自網(wǎng)絡(luò)

將這個距離（460億光年）為半徑，地球?yàn)橹行�，可作一個球面。球面包圍的三維空間便是我們的“可觀測宇宙”，球面是可觀測宇宙的邊界，稱之為“視界”，或過去視界。

視界之外是什么？是“可觀測宇宙” 的延續(xù)，或許有限或許無限，根據(jù)圖8-6-3中的W0而定。雖然其中星球發(fā)射的光波暫時還到達(dá)不了地球，但它應(yīng)該與我們能看到的宇宙部分大同小異，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為整個宇宙是處處均勻且各向同性的，這是宇宙學(xué)原理的基本假設(shè)。

可舉一個通俗例子來解釋“可觀測宇宙”。想象在一個正在膨脹的大氣球上，住著超過100群螞蟻，每群螞蟻之間互通消息的最快方式是靠一種爬得最快的“快速螞蟻”來傳遞。有一天，螞蟻群A的群主派出一名叫“小馬”的快速螞蟻，去探索它們的世界中有幾群螞蟻，小馬以最快的速度爬呀爬，發(fā)現(xiàn)了其它4群和它們一樣的螞蟻。它繼續(xù)再往遠(yuǎn)處爬，卻怎么也看不到另外的螞蟻群了，因?yàn)榇髿馇蛘谂蛎�，離螞蟻群A越遠(yuǎn)，分離的速度就越快，快到已經(jīng)超過了它的爬行速度。所以，群主根據(jù)小馬探測的結(jié)果，得到它們的“宇宙”中有5群螞蟻的結(jié)論。它們永遠(yuǎn)也不可能知道，除了這5群螞蟻之外，還有好多別的螞蟻群。這5群螞蟻的范圍，是螞蟻群A的“視界”，也就是它們的“可觀測宇宙”！

圖片來自網(wǎng)絡(luò)

既然視界之外的東西觀測不到，何不讓想象力盡量飛翔馳騁，也包括想象一個多宇宙的圖景，假設(shè)除了我們觀測到的宇宙之外，還有觀測不到的其他宇宙“存在”，如果這個想象的假設(shè)對解釋我們在“這個”宇宙得到的觀測資料或者理論有幫助的話，又未嘗不可呢？

再加上幾句話，以強(qiáng)調(diào)和理清本書中對“宇宙”一詞的使用。當(dāng)我們談到宇宙時，所指的可能有以下情形：宇宙學(xué)中泛指的作為研究對象的宇宙模型；或是指真實(shí)的宇宙。真實(shí)宇宙又有可能說的是有限的“可觀測宇宙”，或者是包含了更多，或有限或無限的所有部分，我們在后面章節(jié)中將這個真實(shí)的可能是無限的宇宙稱為“大宇宙”。其他大多數(shù)情況下的宇宙，則指以銀河系為中心的“可觀測宇宙”��！