第5讲 宇宙的起源与归宿

在整个20世纪70年代，我的主要工作一直是研究黑洞。然而，1981年当我参加在梵蒂冈举行的一次宇宙学讨论会时，我对涉及宇宙起源的一些问题的兴趣再度被激起。当天主教会试图为一个科学问题立法，宣称太阳在绕地球转动时，曾对伽利略犯下了一个极为恶劣的错误。 40 几个世纪后的今天，教会认定了比较好的做法是应当邀请一批专家就宇宙学方面为它提供建议。

在会议结束时，与会者获准谒见教皇。他告诉我们，研究大爆炸之后的宇宙演化并无不当，但不应该探究大爆炸本身，因为此乃创生时刻，故而应为上帝之杰作。

当时，令我欣慰的是教皇并不知晓我刚在会上所作报告的题目。

我可不想重蹈伽利略命运之覆辙；我对伽利略寄以很大的同情，原因之一在于我恰好是在伽利略逝世300周年那一天出生的。

热大爆炸模型

为了说明我的那篇论文所谈及的内容，首先我将根据被称为“热大爆炸模型”的学说，来阐述人们所普遍接受的宇宙演化史。这一学说承认，自大爆炸以来，宇宙可由弗里德曼模型表述。在这类模型中您会发现，随着宇宙的膨胀，宇宙中物质和辐射的温度在不断下降。

因为温度就是对粒子平均能量的一种量度，这种冷却过程便会对宇宙中的物质施以重大的影响。在温度非常高的时候，粒子会以极高的速度朝着不同的方向运动，结果是粒子不可能因核力和电磁力的吸引作用而彼此集聚在一起。但是，随着温度的降低，可预料到的情况是粒子会互相吸引并开始聚集起来。

在大爆炸瞬间，宇宙的尺度为零，因而温度必然为无穷大。但是，随着宇宙的膨胀，辐射的温度会不断下降。在大爆炸之后的1秒钟，温度会降低到约100亿度。这大约是太阳中心温度的1000倍，不过氢弹爆炸时就会达到这么高的温度。在这一时刻，宇宙的主要成分应当是光子、电子、中微子 41 以及它们的反粒子，同时还会有一些质子和中子。

随着宇宙继续膨胀，温度进一步下降，在碰撞过程中电子和电子对的产生率，会变得低于它们因湮灭而消失的速率。于是，大部分电子和反电子会彼此湮灭，产生出更多的光子，只剩下为数不多的电子。

大约在大爆炸后的100秒，温度会下降到10亿度，这也是最灼热恒星内部的温度。到达这一温度时，质子和中子所具有的能量已不足以摆脱强核力的吸引作用。它们开始可以结合在一起，生成氘（即重氢）原子核，其中包含了一个质子和一个中子。然后，氘核又会与别的质子和中子结合，生成含有两个质子和两个中子的氦核。此外还会生成少量的两种较重的元素，即锂和铍。

可以计算出，在热大爆炸模型中，大约有四分之一的质子和中子会转化成氦核，同时还生成少量的重氢和其他一些元素。多余的中子衰变为质子，也就是普通氢原子的核。这些理论预期值与观测结果非常吻合。

热大爆炸模型还预言，我们应该能观测到从早期灼热阶段所遗留下来的辐射。不过，由于宇宙膨胀，这种辐射的温度应当已降低到绝对温标几度。这就解释了彭齐亚斯和威尔逊在1965年所发现的微波背景辐射。因此，我们完全确信已取得了正确的图像，至少可以追溯到大爆炸后的一秒钟左右。在大爆炸后仅仅过了几个小时，氦和其他元素的产生过程即告停止。而且，在这之后接下来的约100万年时间内，宇宙只是表现为继续膨胀，而没有发生太多的其他事情。最终，一旦温度跌至几千度时，电子和原子核便不再具有足够的能量来克服它们之间电磁力的吸引作用。这时，它们就会开始结合在一起，并生成原子。

从整体上看，宇宙仍然会继续膨胀，同时温度继续降低。但是，在那些密度略高于平均密度的区域内，额外的引力吸引作用会使膨胀减慢下来。这一过程最终会使某些区域不再继续膨胀，并再次出现坍缩。在坍缩过程中，由于区域之外物质的引力作用，这些区域就有可能开始呈现少量的自转。随着坍缩区范围渐而变小，自转速度会越来越快——这种情况就像在冰上做旋转动作的滑冰者，一旦他们把双臂收紧，转动的速度就会加快。最后，当这类区域变得足够小时，其转动速度之快足以与引力作用取得平衡。有自转的盘状星系就是通过这种方式诞生的。

随着时间的推移，星系中的气体会碎裂成一些较小的云块，它们会在自身引力的作用下发生坍缩。收缩过程中气体的温度会增高，一旦温度变得足够高时，核反应就开始了。这类反应又会使氢转变为氦，期间所释放出的热量使压力增大，于是云块不再进一步收缩。这种状态的云块便是像我们的太阳那样的恒星，它们可以维持很长的时间，期间氢燃烧转变为氦，所产生的能量则以热和光的形式向外辐射。

对质量更大的恒星来说，由于引力作用更强，需要有更高的温度与之取得平衡。于是，核聚变反应会进行得非常之快，在大约只有1亿年的时间内恒星的氢燃料便会消耗殆尽。这时，它们会表现为略有收缩，并随着温度的进一步升高开始把氦转变为更重的元素，如碳和氧。然而，这一过程不会释放出太多的能量，于是危机便出现了，那就是我在有关黑洞的那一讲中所描述的场景。

人们还没有完全弄清楚接下来将会发生些什么情况，不过看来恒星的