宇宙初期的演進和未來

我們生存的宇宙，一開始是起始於一個大爆炸，也就是我們現在所說的大霹靂，接下來才漸漸演化的我們現在所生存的宇宙，而宇宙一開始的情形是什麼呢？誕生初期發生了什麼事呢？這些我們所不能親眼目睹的景像已在許多科學家的努力之下一一地找出答案且描繪出了宇宙初期的情景了！當然，我們也很好奇，未來的宇宙會怎麼樣呢？會不會又回到大霹靂初的狀態？如果是這樣的話，那還會發生什麼我們意想不到的事呢？科學家也由科學理論做了許多的推測，不過這個我想我們應該也不能親眼看那一些畫面了。

當代天體物理學界關於宇宙起源與演化問題的研究成果——大爆炸宇宙模型。該理論認為，宇宙大約是在100—200億年以前，從高溫高密的物質與能量的“大爆炸”而形成。隨著宇宙的不斷膨脹，其中的溫度不斷降低，物質密度也不斷減小，逐漸衍生成眾多的星系、星體、行星等，直至出現生命。這一個「宇宙大爆炸理論」是20世紀科學研究的重大成就。

這個理論有三個直接證據的支持，分別是哈伯紅移、氦元素豐度和3K微波背景輻射。

1929年，美國天文學家哈伯在研究了前人測量的星系距離資料後發現，遠星系光譜線的顏色要比近星系的稍紅一些。哈伯仔細測量了這種現像，發現它呈系統性變化。而且，星系愈遠，光譜線紅移愈大。在進一步測定了許多星系光譜中特徵譜線的位置後，哈伯證實了這個效應，並指出紅移現象的產生是因星系在後退而使光波變長（都卜勒效應，這個物理都有學到）的結果。由此，他總結出了哈伯定律：星系退行的速度與距離成正比。從哈伯定律人們會很自然地得出宇宙正在膨脹中。



第二個證據是宇宙中氦元素豐度的預言和測定。大爆炸發生一秒鐘以後，宇宙是由極高溫的基本粒子組成的「羹湯」，這時整個宇宙處於均勻的熱平衡態。隨著宇宙的膨脹和降溫，其中的一些粒子逐次與其餘部分粒子脫耦。此時產生的核反應使中子和質子聚合在一起，形成氦核，餘下的核子（沒有聚合的質子）自然就形成了氫核。精確的理論計算表明，當時應有23．6％的物質質量聚合成了氦核。英國皇家格林尼治天文臺對眾多星系中原始星雲的發射光譜進行觀測的結果表明，宇宙中氦的實際豐度為23．5％。這一結果與大爆炸的理論預言極為相符。

第三個證據是3K微波背景輻射的發現。大爆炸理論預言，現在的宇宙中應該存在著一種來自宇宙早期的均勻的、各向同性的微波背景輻射，它是宇宙早期的遺跡，頻譜應該符合普朗克黑體輻射公式，溫度約為3K。這一預言在1965年被天文學家彭齊亞斯和威爾遜在宇宙觀測中證實，此後亦為眾多科學家進一步證實。這一結果表明，宇宙早期曾一度處於平衡態，處處都有相同的溫度，而且物質分佈也是相當均勻的。大爆炸之後，宇宙才逐漸偏離熱平衡態。

我們的宇宙一開始是處於一種物質與光均無法單獨存在的高溫，高能量狀態。在距今約一百五十億年前，也許是因為能量過高而發生了大爆炸，也就是大霹靂，大爆炸使得宇宙急速膨脹，溫度快速地下降，據估計大爆炸後一百萬年間，宇宙的溫度由絕對溫度一千億度降至三千度左右，適合單一電子與質子結合成宇宙中含量最豐富的元素也就是氫。

再經過數十億年的時間，氫元素聚集合併成許多巨大雲層，這些雲層在宇宙中收縮，密度逐漸加大，終於形成一顆超新星。在重力的作用下，這顆超新星的核心溫度不斷提高，當超過一千萬度時，原子核間產生了核融合反應,目前所知宇宙中所有較重的元素，都在該反應中從氫原子及各種次原子中產生出來。

在大霹靂發生時，宇宙最初的溫度是1011K，充滿了由輻射與物質混合成無法辨別的漿，每一個粒子與其他粒子產生碰撞而散發出熱能，因此即使宇宙正迅速膨脹，但仍然維持在一個趨近於熱平衡的狀態，而此時含量最多的粒子是那些底限溫度（底限溫度是靜止能量除以波茲曼常數，在底限溫度以上時，粒子可由熱輻射中自由創生）小於1011K的粒子，也就是電子及正子，此外還有質量為零的光子，微中子和反微中子。

我想我們可以想像宇宙的最初幾分鐘的樣子。

首先我們假設呈現的景像是迅速膨脹後冷卻下來，其膨脹速率是依宇宙各部分以某一脫離速度離開宇宙中心的情形而定。因為此時宇宙的密度極大，所以脫離速度也非常大，此時宇宙的膨脹的本徵時間為0.02秒，本徵時間可定義為宇宙每增加百分之一大小所需時間的一百倍，且任一時間的本徵擴張時間就是當時哈伯常數的倒數。在那個時候，核粒子的數目很少，大約每十億個光子或電子微中子才出現一個質子或中子，而粒子間會相互碰撞，反微中子加質子產生正子與中子，微中子加中子產生電子與質子。（逆向亦成立）此時因質子中子產生的速率相等，所以這個時候宇宙中質子和中子的數目相等，而且這些粒子並未被束縛成原子核。

而下一個瞬間宇宙的溫度到達3×1010K，大概是跟大霹靂相差了0.11秒，宇宙整體並沒有很大的改變，組成物還是以電子、正子、微中子、反微中子和光子為主，也達到熱平衡，溫度仍高於各粒子的底限值。因此能量密度只以溫度的四次方降低，此時的能量約為水的靜止質量所含能量密度的三千萬倍。膨脹速率依溫度的平方下降，此時的本徵擴張時間增為0.2秒，含量少的核粒子還沒有被束縛成原子核，不過因為溫度下降，質量較重的中子轉成較輕的質子比逆向反應較易發生，所以核粒子的平衡改變為中子佔38%而質子佔62%。

離宇宙誕生1.09秒後這個時候的溫度為1010K，此時因密度和溫度的降低，促使微中子和反微中子的平均自由時間顯著增加，所以行為趨近於自由粒子，而不再與電子、正子或光子達成熱平衡。微中子脫離熱平衡後宇宙並沒有顯著變化，但此時的總能量密度比之前低，其能量大小之比還是溫度比值的四次方，所以其質量當量約為水的三十八萬倍，宇宙膨脹的本徵時間也同時增加到二秒鐘，此時溫度只有電子及正子底限溫度的兩倍，它自消失的速率開始比由輻射生成的速率大，不過溫度還是很高，質子和中子還是無法形成原子核，此外因溫度的下降，此時的中子質子比為24%的中子與76%的質子。

一開始到現在已過了13.82秒，此時宇宙的溫度是3×109K，因溫度已降到電子和正子底限溫度以下，因此電子和正子正快速消失，不過在消失過程中所產生的能量會減慢宇宙冷卻的速度，在此之後的溫度都是指光子的溫度，而且因電子正子的消失，此時的能量密度比之前所說的隨溫度的四次方降低時還的能量還要低。如果溫度夠低，就會形成像氦等的穩定核粒子，但不是馬上發生，因為宇宙還在快速膨脹，所以原子核必須經快速的雙粒子反應才會產生。此時普通的氦原子是緊束的，但氚和三價的氦原子核的束縛力不及普通的氦原子子核，尤其氘原子核更鬆散。這個時候的溫度使氘原子核分裂速率和生成相等，故較重的原子核完全沒有產生的機會，此時中子仍不停地轉成質子，只是已經遠較以前慢，此時的平衡情形是17%的中子加83%的質子。

過了三分零二秒，宇宙的溫度已下降到109K ，只比太陽中心高約七十倍。大部份的電子和中子已消失，在這個時候的物質只剩下光子、微中子和反微中子。而電子正子消失所放出的能量全給了光子。在這個時候宇宙溫度已夠低而可以形成氚原子核、三價氦原子核和普通的氦原子核，不過有所謂的「氘瓶頸」，意思是氘原子核不能長時間地束縛在一起，這使得較重的原子核不能生成，粒子間的碰撞已停止，但自由中子則開始衰變為質子，而中子質子的平衡情形是14 %的中子和86%的質子。再過一會，等到溫度下降到氘原子核可穩定形成，渡過了「氘瓶頸」後較重的粒子便快速產生，不過其他更重的原子核的生成數並不多，這是因為還有其他的瓶頸存在。對每一個核粒子對十億光子的情形而言，核合成開始於三分四十六秒，中子的衰變改變質子中子比，在核合成之前的平衡成為13%的中子和87%的質子。如果核粒子的密度再更高一點，核合成的時間會發生的較早。

此時大霹靂已經經過了三十四分四十秒溫度是3×108K，除了少數電子用來平衡質子電荷以外，其他的電子和正子都已消失且能量都已釋出，這個時候的宇宙能量密度是水質量當量的9.9%，而其中有31%是以微中子及反微中子存在，69%是以光子存在。因能量密度減小使得本徵擴張時間降為一又四分之一小時。這個時候核子反應已經停止並且以氦原子核和自由質子的方式存在，氦原子核所佔的質量比約為百分之二十二到二十八。不過宇宙溫度還是太高而無法形成穩定的原子。

在此之後的宇宙仍然繼續膨脹並且慢慢地冷卻，之後的七十萬年溫度繼續下降使電子和原子核開始能夠形成穩定的原子，接下來因為粒子的碰撞合成，許多的物質就開始形成星體和星系，太陽系、銀河系和恒星、行星，也包括了我們現在生活的太陽系和地球，進而才漸漸演進形成了我們今日所存在的宇宙。

接下來我們要討論的就是宇宙未來可能的走向。

根據我們研讀相當多的資料後，我們發現目前科學界普遍承認的事情就是宇宙正在膨脹當中。

宇宙膨脹現在已是不可爭論的事實，一般來說，科學家都認為，由於引力的緣故，膨脹的速度會不斷減慢，但是新的觀測顯示，宇宙膨脹正在加速。
究竟如何測定宇宙膨脹的速度呢？一個方法是測量星系光譜的紅移，以求得它遠離我們的速度， 再測量它對應的距離。關於這個紅移老師已經在課堂上解釋的相當清楚了，因此我們在這邊不再贅述。1929年哈伯通過研究24個星系的譜線，發現這些星系遠離我們的速度是和距離成正比的 (下圖)，這個比例便是大家經常聽到的哈伯常數。哈伯常數越大，代表宇宙的膨脹速度越快。

但是宇宙不是等速膨脹的，所以不同時期的哈伯常數便有所不同。我們不可能回到十億年前，觀測當時星系的後退速度與距離的比例，幸而我們仍可以通過觀測遙遠星系(我們知道我們看到遙遠的星星都是他很久以前的風貌，因為實在太遠啦，所以光走到這的時間常常已是幾萬甚是幾億年的時間了)的後退速度與距離的比例，來計算從前宇宙膨脹速度。

宇宙膨脹可能的力量

長久以來，天文學理論學家一直在猜測宇宙應該有平衡宇宙崩塌與穩定膨脹之間的臨界密度（Ω°＝１），但是由最近的一項觀測超新星研究發現，宇宙所含物質的質量遠比臨界值輕。分析許多超新星的距離，天文學家更進一步得知宇宙膨脹速度已經開始加快。這表示「空」的太空有微弱的力，即愛因斯坦曾提過的宇宙常數Ａ。
根據我們收集的資料，美國天文學家的研究指出，數十億光年遠（即紅位移值將近為一）的 α型超新星的亮度與原先估計的不同。平均而言，遙遠的超新星亮度比原先認為在沒有宇宙常數的低密度宇宙還暗百分之二十至三十。因此，當宇宙尺度將近兩倍大時，來自這些超新星的光運行的距離，比原先估計的遠百分之十至十五，亦即宇宙膨脹的速度在最後的數十億年內已經加快。此項結果或許可以解決超越天文物理學的困惑，愛因斯坦的廣義相對論聯繫著空間的曲度與物質或能量的密度，此「爆漲」理論是知名學者Alan Guth 於一九八零年代提出，他預測空間應該爆漲，因為宇宙在剛形成時突然的膨脹，使任何最初的曲度變得平滑。但是可見的星系及不可見的黑暗物質似乎不足達到膨脹空間所需的臨界值一，而空的太空所施的壓力似乎可以補這項的不足。若以上的推論正確，表示宇宙的未來是：從現在開始的數十億年，宇宙將進入一個新的指數函數膨脹狀態，但是這些推論全建立在 α型超新星是可信賴的基準。

關於我們找到宇宙膨脹的可能力量，這裡有個新題議－反重力

新澤西州普林斯頓大學的一組科學家最近發表一篇文章表示，宇宙膨脹的原因，很可反重力使然，並且使得膨脹的速度愈來愈快。

自從哈伯發現大霹靂以來，科學家就一直在推測宇宙的年齡及尋找黑暗物質，並計算宇宙膨脹模式，而最後的結論是如果宇宙總質量超能是一種過某一個值，則宇宙就是封閉的，它的膨脹速度會因為引力吸引而減慢，最後還會往內縮陷形成大壓縮，若宇宙總質量等於其值的話宇宙會以等速穩定膨脹，而若小於該值，則宇宙則會加速膨脹。不過，目前的科技還無法發現大量的黑暗物質，因此尚無法決定宇宙總質量，實在很難判讀。

不過以現有的科技水準來觀測宇宙質量，比較偏向於宇宙總質量小於該值，也就是說宇宙會一直膨脹下去，並且還會加速，不僅如此，而且還很有可能有一種人類尚未發現的力，稱為反重力，這反重力會把宇宙中的各種物質互相排斥分開，也因此而加速宇宙的膨脹。

星系遠離我們的速度可從紅移量得知，但距離要如何求出呢？當時哈伯等人假設星系的總光量 是大致相同的。那些看來比較亮的星系離我們較近，而暗的則較遠，嗯…這個我記得當時物理課好像也有上過，好像是亮度與距離的平方成反比吧！但是，不同種類和不同大小的星系的總光量不一定相同，尤其是數十億光年外的星系，離我們愈遠愈古老，其總光量和近距離星系的總光量有很大分別，所以要觀測這類星系的後退速度與距離比例就比較困難了。