宇宙简史

宇宙史讲述了宇宙万物在138亿年中如何演化的故事。多亏了人类的智慧，我们已经知道这个故事的长度，还有每一章节的标题，甚至还有除了最早篇章之外所有章节的细节。故事是这样的……

原作 | Paul Parsons（英）

翻译 | 蒋云、陈维 （紫金山天文台）

节选 |《BBC宇宙三部曲·宇宙起源》（苏科社）

大爆炸的故事可以分成若干个确定的时期。随着宇宙膨胀和冷却，在物理学家称之为“相变”的一系列事件中，支配宇宙最初时刻的高温物理定律让位给了低温物理定律。

时间 T=0：大爆炸时期

量子不确定性使宇宙之初以空间、时间和能量的超致密混合形式而存在。

时间 T=10⁻⁴³ 秒：普朗克时期

受量子物理定律支配，空间和时间以模糊的实体存在。自然界的四种基本力——引力、强核力（或称强相互作用力）和弱核力（或称弱相互作用力）和电磁力，作为一个统一的超力（Superforce）存在。在普朗克时期（以量子物理学家马克斯·普朗克的名字命名）结束时，发生了第一次宇宙相变 ：引力从超力中分离出来，成为一个独特的实体，从此出现了空间和时间。物理学家们对普朗克时期的宇宙知之甚少，仍在寻找一个大统一理论，因为还没有任何物理理论能够描述宇宙在这段时间内经历的事情。

时间 T=10⁻³⁵ 秒：暴胀时期

宇宙经历了第二次宇宙相变。强核力现在从大统一力中分离出来，只有电磁力和弱核力仍然束缚在一起，合称为弱电力。这种相变被认为导致了暴胀，也就是空间的超速膨胀，这阻止了胚胎宇宙的重新坍缩，并最终形成了星系。

时间 T=10⁻³² 秒：辐射和物质形成

暴胀的相变期结束了，驱动暴胀的能量被转移到弥漫在宇宙中的大量希格斯粒子上。现在，这些粒子中有许多仍在衰减，并随着辐射释放出能量。由于前期的迅速暴胀使宇宙大幅降温，这种能量释放相当于给宇宙再加热。重新加热后不久，量子过程使辐射本身自发衰变为物质和反物质的亚原子粒子。这些粒子和反粒子中的大多数只是简单地重新组合和湮灭，重新变回辐射状态。然而，物理定律中一个小的不平衡产生的物质略多于反物质，每10亿个反物质粒子对应着10亿个物质粒子再多加1个物质粒子。因此，这个过程结束后，只剩下少量的物质，这些物质构成了宇宙的组成部分。

时间 T=10⁻¹º 秒：电弱相变

电磁力和弱核力最终分道扬镳。四种自然力——引力、电磁力、强核力和弱核力，现在都作为不同的实体单独存在。

时间 T=0.0001 秒：前原子粒子形成时期

夸克是在暴胀后不久形成的粒子，现在聚集在一起形成我们更为熟悉的质子和中子，而质子和中子是构成原子核的基本元素。

时间 T=100 秒：轻原子核合成时期

大爆炸火球的温度下降到足以让质子和中子结合在一起而不会被辐射再次撕裂。此时，形成了最轻的化学元素氢、氦和少量锂的原子核。

时间 T=500,000 年：原子形成时期

现在温度足够低，原子核在最初的100秒内产生，捕获电子后形成第一个完整的原子。在此之前，电子一直在不停地散射辐射。但是当所有的电子都突然被束缚在原子中，这个过程就停止了。这就是为什么宇宙历史上的这一时期有时被称为“最后的散射”。辐射随后在毫无阻碍的空间中自由流动。如今射电天文学家把这种辐射看作是宇宙微波背景，它相当于一种保存完好的宇宙诞生 50 万年后的化石遗迹。

时间 T=10 亿年：星系形成时期

大爆炸后50万年到10亿年之间，宇宙处于所谓的黑暗时期。辐射能量已经下降到肉眼可见的程度以下，而物质还没有凝聚成恒星和星系。在一个假想的旁观者看来，此时的宇宙是一片荒凉、黑暗和空旷之地。然而，大约10亿年之后，在引力的作用下产生了第一代恒星和星系。宇宙诞生后 950 万年时产生的第一缕“光”从此真正亮了起来，就像一幅在黎明前醒来的城市鸟瞰图。起初出现了一些微弱的闪光，慢慢地，其他的星光也如同涓涓细流汇成洪水一般逐渐出现了，然后整个宇宙在一瞬间被耀眼的星光照亮了。

在大爆炸发生大约 10亿年后，宇宙冷却到足够开始形成星系的温度。这些星系形状各异，大小不一。这里显示的 是 一 个 名 为 NGC 4603 的旋涡星系，它位于 1.08 亿光年之外的半人马座。

时间 T=138 亿年：如今

宇宙仍处于所谓的恒星纪元（stelliferous era），即恒星时代，也称为光明时代，这一时期将在未来的10万亿年里继续存在。