是否真的有宇宙之始呢?

我們舉頭所見夜空中的繁星，一直都存在那里,。孩提時(shí)所見到的星空,，即使長(zhǎng)大了再看，仍然沒變,。在人的一生中,，所能看到的星星都沒有改變。也就是因?yàn)檫@樣,，人們認(rèn)為宇宙從遠(yuǎn)古時(shí)代便已存在,，不管時(shí)間如何流逝，它都不會(huì)改變。

而科學(xué)家也同樣抱持著這樣的認(rèn)知,。一直到公元1900年,，科學(xué)家也認(rèn)為“宇宙從亙古以前便已存在,，而且不見絲毫改變”,。他們認(rèn)為即使星座位置有些微變化，但整個(gè)宇宙并不會(huì)有很大的變化,。此外,，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家還認(rèn)為“宇宙是由我們所居住的銀河系，及其周圍廣大沒有邊際,、且空無一物的空間所構(gòu)成”,。銀河系中的恒星也就是整個(gè)宇宙的恒星。

出生于德國的物理學(xué)家愛因斯坦（Albert Einstein,，1879～1955年）也曾認(rèn)為宇宙是永遠(yuǎn)不變的,。

1924年，哈勃經(jīng)由觀測(cè)得知：在銀河系之外也有類似銀河系的龐大恒星集團(tuán)――星系存在,。再者,，哈勃也觀測(cè)到：幾乎所有星系都在朝逐漸遠(yuǎn)離銀河系的方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí),，星系遠(yuǎn)離的速率與星系到銀河系的距離成正比,，越遠(yuǎn)的星系退離的速率越快。這樣的現(xiàn)象究竟意味著什么呢,？

倘若我們假設(shè)星系在遠(yuǎn)離銀河系,，也就是我們認(rèn)為銀河系位在宇宙的中心。但是因?yàn)橐灿腥苏J(rèn)為“宇宙中沒有特別的場(chǎng)所”（這個(gè)觀念稱為“宇宙論原理”（cosmological principle）,，所以并不認(rèn)為銀河系是宇宙的中心,。

那么，如果假設(shè)不只是銀河系,，“不管從任何星系來看,，其他的星系都是以與觀測(cè)者的距離成正比的速率在遠(yuǎn)離中”的話，狀況又是如何的呢,？

若要讓這樣的假設(shè)成立,，那么整個(gè)宇宙的空間必須是膨脹的。就像是攙有葡萄干的面包膨脹時(shí)一樣,，不管從哪一顆葡萄干來看,，其他的葡萄干看起來都好像遠(yuǎn)離了一般。此外,，如果整體成相同比例膨脹的話,，越是位在遠(yuǎn)處的葡萄干，在相同時(shí)間內(nèi)所能移動(dòng)的距離越遠(yuǎn)。也就是說,，以與觀測(cè)者的距離成正比的速率遠(yuǎn)離,。我們可以想象宇宙也發(fā)生與此相同的事。

1940年代后半,，出生于俄羅斯的物理學(xué)家蓋模（George Gamow,，1904～1968年）倡議新的宇宙圖像，他認(rèn)為“宇宙曾經(jīng)是超高溫,、超高密度的”,。蓋模會(huì)這么推斷，主要是根據(jù)存在于宇宙中的氫和氦的豐度,。

自然界從氫到鈾共有92種元素,，其明細(xì)（原子個(gè)數(shù)）為約有92.4％是氫（原子序1），約7.5％是氦（原子序2）,。其他元素全部加總大約占0.1％,。蓋模認(rèn)為“氫和氦太多了”。氦是在太陽等恒星中,，因?yàn)闅浒l(fā)生“核融合反應(yīng)”所產(chǎn)生的,。但是，舉例來說,，若想要說明太陽中所含的氦量,，光是核融合反應(yīng)并不足夠，必須考慮到在太陽形成以前,，宇宙中便已存在大量的氦,。這便是蓋模所指出，也是他所認(rèn)定的想法,。

“遠(yuǎn)古以前,，整個(gè)宇宙充滿了超高溫、超高密度的狀態(tài)的氫,。在此時(shí)所發(fā)生的核融合反應(yīng)合成出大量的氦”,。如果不這么推論，便無法說明宇宙中大量的氫和氦是怎么來的,。支持蓋模這種想法的就是哈勃的觀測(cè)結(jié)果,。如果宇宙膨脹的話，就不難想像過去的宇宙遠(yuǎn)比現(xiàn)在的宇宙小很多,，而且處于超高溫,、超高密度的狀態(tài)了。蓋模所設(shè)想的超高溫,、超高密度宇宙稱為“大爆炸宇宙”,。

許多科學(xué)家接受了這樣的想法,。亦即，“宇宙隨著時(shí)間的經(jīng)過,，會(huì)逐漸膨脹變大”的宇宙觀成為科學(xué)家認(rèn)定的主流,。

如果宇宙誠如蓋模所說的，曾經(jīng)是超高溫的灼熱狀態(tài),，那么當(dāng)時(shí)的宇宙應(yīng)該是充滿了“短波長(zhǎng)的光”,。這是因?yàn)槲矬w所發(fā)射的光（電磁波）之波長(zhǎng)與該物體的溫度有關(guān)：高溫物體多輻射出短波長(zhǎng)的光；低溫物體則多輻射出長(zhǎng)波長(zhǎng)的光,。超高溫宇宙中所充滿的短波長(zhǎng)光,，其波長(zhǎng)隨著宇宙的膨脹而變長(zhǎng)了,。如果我們可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的宇宙中充滿這些波長(zhǎng)變長(zhǎng)的光,，那么就等于是找到了蓋模假說的證據(jù)。

1964年,，美國的電波天文學(xué)家彭齊亞斯（Arno Allan Penzias,，1933年～）和威爾森（Robert Woodrow Wilson，1936年～）發(fā)現(xiàn)隨時(shí)都有來自宇宙各個(gè)方向的無線電波（波長(zhǎng)遠(yuǎn)比可見光還要長(zhǎng)很多的光）,。這二人將該無線電波視為干擾天體觀測(cè)的雜訊,，想盡辦法想要將之去除。

辨識(shí)出雜訊之真正身分的是美國的宇宙論研究者狄基（Robert Henry Dicke,，1916～1997年）和皮布斯（Philip James Edwin Peebles,，1935年～）。1965年,，狄基等人得到下列結(jié)論：“假設(shè)經(jīng)過大爆炸之宇宙的光波波長(zhǎng)變長(zhǎng)的話,，那么目前觀測(cè)到的波長(zhǎng)，將會(huì)與彭齊亞斯等人所觀測(cè)到的雜訊波長(zhǎng)差不多一致”,。彭齊亞斯等人觀測(cè)到的雜訊,，意外地成為改寫宇宙論的大發(fā)現(xiàn)。于是,，蓋模所倡議的大爆炸假說,，也因?yàn)檫@項(xiàng)觀測(cè)而取得強(qiáng)而有力的證據(jù)。

彭齊亞斯等人的觀測(cè)成為蓋模預(yù)言之大爆炸強(qiáng)而有力的證據(jù),。但是,，假設(shè)真有大爆炸的話，那么便會(huì)浮現(xiàn)一個(gè)疑問：“大爆炸以前,，在該處是否發(fā)生什么事了,？” 如果將膨脹的宇宙往回追溯的話，我們可以想像它曾經(jīng)是個(gè)所有物質(zhì)都聚集在一處,，像原子一般的東西,。科學(xué)家中有人認(rèn)為就好像植物是從種子發(fā)育成長(zhǎng)一般，宇宙也是從這個(gè)像原子的東西發(fā)育而成的,。

然而,，這個(gè)“宇宙種子”是從何誕生的呢？真的有宇宙種子嗎,？那宇宙種子的種子呢,？結(jié)果，只要認(rèn)為宇宙之始有個(gè)“種子”,，那么問題就沒完沒了,，只能圍著這點(diǎn)打轉(zhuǎn)，不能有所進(jìn)展,。

那么,，有關(guān)宇宙之始的探討應(yīng)該如何進(jìn)行較好呢？這方面,，我們只能將情況想象成“在一無所有的狀態(tài)中,，宇宙誕生了”。實(shí)際上,，在1980年代,，已經(jīng)有科學(xué)家根據(jù)理論上的思考，構(gòu)想出宇宙從無中誕生的過程,。

現(xiàn)在,，大部分的科學(xué)家認(rèn)為“宇宙從無中誕生，其后立即發(fā)生大爆炸”,。

宇宙誕生的第一秒鐘

“宇宙從無中誕生”是關(guān)于宇宙起源的一個(gè)有力理論,。但是，若以現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué),，則無法得知誕生瞬間的情形,。這是因?yàn)槲锢韺W(xué)家理論上所能設(shè)想、處理的空間大小范圍是有極限的,，這個(gè)極限值大約是10的負(fù)33次方（10－33）公分,。10－33是小數(shù)點(diǎn)以下有32個(gè)零，差不多是接近零的值,。以原子的平均大?。s10－8公分）來看，這個(gè)數(shù)值還小了二十五位數(shù),。

就像空間大小有極限一般,，時(shí)間段落的長(zhǎng)短也有極限，這個(gè)值大約是10－43秒,。相當(dāng)于光在真空中通過先前提過之10－33公分距離所花的時(shí)間（光速約每秒30萬公里）,。從宇宙誕生到10－43秒間,，是科學(xué)家想盡辦法都無法超越的障礙，也正是最后依然成謎的部分,。雖然目前全世界的科學(xué)家都還在竭盡心力想要突破,，不過現(xiàn)在仍然未能找到答案。這個(gè)10－43秒間便稱為“普朗克時(shí)期”（Planck epoch）,。

想要了解“普朗克時(shí)期”中發(fā)生的過程,，需要新的理論，其中最有力的候補(bǔ)便是“超弦理論”（superstring theory）?，F(xiàn)在的研究目標(biāo)便是早日確立理論體系,。

1980年代，日本的佐藤勝彥博士（1945年～）和美國的谷史博士（Alan Harvey Guth,，1947年～）分別倡議“宇宙在一誕生之后,，便以驚人之勢(shì)急速地巨大化”。谷史博士將這樣劇烈的膨脹命名為“暴脹”（inflation）,。

倡議暴漲的理由在于大爆炸假說和觀測(cè)事實(shí)有矛盾點(diǎn),。舉例來說,，現(xiàn)在的宇宙溫度從宏觀的角度來看,，不管在任何場(chǎng)所看起來都沒有差異。但是,，即使像地球這樣大小的區(qū)域,，其中各位置上的溫度就不是都相同，因此這樣的觀測(cè)結(jié)果非常不易理解,，如果僅用大爆炸是無法說明的,。為了說明這樣的觀測(cè)事實(shí)，就必須想象在大爆炸之前,，微宇宙曾經(jīng)出現(xiàn)急速的膨脹,，這就是谷史博士和佐藤博士的想法。急速膨脹的比率十分驚人,，勉強(qiáng)譬喻的話,，就像是病毒在瞬間變得比銀河還要巨大。

根據(jù)暴脹理論的某個(gè)模型,，微宇宙在誕生后10－36秒到10－34秒之間的極短時(shí)間段落里,，膨脹了1030倍※，這是1兆×1兆×100萬倍,?？傊还茉趺凑f,，在暴脹之前的宇宙極為微小,，只有10－26公分,，所以暴脹結(jié)束后的宇宙也不過是100公尺左右的大小。

雖然目前我們還不太清楚暴脹的機(jī)制,，但是可以想像是由當(dāng)時(shí)充滿整個(gè)宇宙的能量（特別稱之為“暴脹子”（inflaton））所引發(fā)的,。在發(fā)生暴脹之后，宇宙的情況出現(xiàn)很大變化,。形成物質(zhì)的基本粒子誕生,，充斥整個(gè)宇宙。此時(shí),，宇宙變成超高溫的灼熱狀態(tài),，這就是蓋模所倡議的“大爆炸宇宙”。這是在宇宙誕生10－27秒后左右的事,，科學(xué)家認(rèn)為此時(shí)的宇宙大小約為1000公里,。

我們可以想像大爆炸的發(fā)生也跟引發(fā)暴脹的能量（暴脹子）有關(guān)?？茖W(xué)家認(rèn)為該能量轉(zhuǎn)變成為形成物質(zhì)的各式各樣基本粒子,。此外，該能量不僅生成基本粒子,，也轉(zhuǎn)化成該等粒子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,。因此，宇宙的溫度高達(dá)攝氏1023度,，這樣的高溫比太陽內(nèi)部溫度（約攝氏107度）高了十幾位數(shù),，也是人工絕對(duì)不可能制造出來的超高溫度。

在宇宙誕生10－10秒后的某處,，基本粒子發(fā)生一件大事,。這是宇宙史上最神祕(mì)的事件。電子帶有負(fù)電荷,，但是事實(shí)上在實(shí)驗(yàn)室等特殊環(huán)境中,，也存在“帶正電荷的電子”。指出這件事的是英國的理論物理學(xué)家狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac,，1902～1984年）,。狄拉克發(fā)現(xiàn)：不僅是電子，所有的基本粒子皆有電荷相反的對(duì)應(yīng)粒子存在,。像這樣的一對(duì)稱為“粒子（particle）與反粒子（antiparticle）”,。

粒子與反粒子一定成對(duì)產(chǎn)生（pair creation），而后一旦碰撞就會(huì)成對(duì)消滅（pair annihilation）,?？茖W(xué)家認(rèn)為在大爆炸宇宙中，基本粒子也是這樣成對(duì)產(chǎn)生,、成對(duì)消滅的,。不過在該理論中出現(xiàn)一個(gè)大問題,。在現(xiàn)在的宇宙中，除了特殊環(huán)境以外,，我們完全看不到反粒子,。反粒子究竟到哪里去了呢？

理論物理學(xué)家所想象的情節(jié)如下：“在宇宙誕生10－10秒后的階段,，與10億個(gè)反粒子相比,，粒子恰好多了1個(gè)。最后粒子與反粒子成對(duì)消滅,，反粒子全部消失了,，但是粒子還剩下1個(gè)?！?/p>

粒子的種類不同,，消滅的時(shí)機(jī)也不一樣，科學(xué)家認(rèn)為在宇宙誕生4秒后,，所有的反粒子都消失不見了,。為了解開這個(gè)神祕(mì)事件，我們必須了解造成粒子與反粒子之?dāng)?shù)目差異的機(jī)制,。

在此之前我們已經(jīng)看過幾個(gè)“事件”了,。那么在宇宙誕生1秒鐘以后，整個(gè)宇宙的狀況變成什么樣子呢,？科學(xué)家認(rèn)為在宇宙誕生100萬分之1秒后,，宇宙處于攝氏數(shù)兆度的超高溫狀態(tài)。此時(shí),，電子和稱為“夸克”（Quark）的基本粒子以及它們的反粒子成分散四處的狀態(tài)，并且高速飛行穿梭,。大約在宇宙誕生10萬分之1秒后,，宇宙的溫度下降到攝氏1兆度左右，此時(shí)宇宙的樣態(tài)出現(xiàn)極大的轉(zhuǎn)變,。在這樣的溫度下,，基本粒子的動(dòng)作變得遲鈍，結(jié)果每3個(gè)夸克便結(jié)合在一起,，形成“質(zhì)子”和“中子”,。

質(zhì)子和中子是“原子核”的材料，原子是由原子核和電子所組成,。換句話說,，在宇宙誕生10萬分之1秒后，形成原子的材料便齊全了,。

在宇宙誕生1秒后,，夸克的反粒子消失,，不過電子的反粒子──正子，還是存在的,。這是電子,、質(zhì)子、中子,、正子穿梭飛舞的宇宙,，也是宇宙誕生1秒后的宇宙樣貌。正子消失是在宇宙誕生4秒后的事,。

隨著膨脹,，宇宙的溫度逐漸下降，先前四處飛行穿梭的粒子動(dòng)作開始變鈍,，最后因?yàn)殡娨?Electrical attraction)結(jié)合在一起,。在宇宙誕生三分鐘后，四處穿梭的質(zhì)子和中子結(jié)合,，形成氦的原子核,。

當(dāng)溫度下降得更低，電子終于被原子核捕獲,，于是電中性的原子誕生了,。氫原子的誕生約在宇宙誕生38萬年后，宇宙溫度大約是攝氏2700度,，科學(xué)家認(rèn)為氦原子也約在同一時(shí)期誕生,。

原子的誕生讓存在于宇宙的光產(chǎn)生劇烈的變化，光具有易與帶電荷的電子,、質(zhì)子等粒子碰撞的特性,，因此在溫度高的時(shí)代，簡(jiǎn)直就像在霧中不斷地與水滴碰撞一般,，光不斷的與電子碰撞,，完全無法筆直前進(jìn)。

但是當(dāng)形成電中性的原子之后,，因?yàn)殡娮雍唾|(zhì)子不再裸露于外,，與光碰撞的對(duì)象消失，光便可以筆直前進(jìn),。這種情形就像是濃霧散去,，天空放晴一般，因此稱之為“宇宙放晴”,。

總結(jié)來說, 宇宙最初的狀態(tài)大致如下 :

暴脹:

在誕生后立即發(fā)生的宇宙急速膨脹,。在瞬間，宇宙從10－26cm一下膨脹到100m,。

大爆炸的開端:

形成物質(zhì)的基本粒子暴發(fā)性地誕生,。因?yàn)榛玖Ｗ右燥w快的速度來回穿梭,，宇宙變成灼熱狀態(tài)。

粒子變得比反粒子多:

大約在10－10sec后,，粒子比反粒子略多一點(diǎn),，于是反粒子在宇宙誕生4sec后完全消失。

1秒后的宇宙樣態(tài):

在10萬分之1秒后出現(xiàn)質(zhì)子和中子,。而在1秒后的宇宙則有質(zhì)子,、中子、電子和正子,。

輕原子核的合成:

3分鐘后,，2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成氦的原子核，而單個(gè)質(zhì)子則是氫的原子核,。

原子的誕生:

38萬年后,，電子為原子核補(bǔ)獲，形成氫原子和氦原子,，這是數(shù)億年后誕生恒星的材料,。

你對(duì)宇宙的誕生有什么想法呢？