宇宙是怎么来的

宇宙的诞生

导论：
在人类历史上的大部分时间，人类对宇宙的认识还只是停留在神创论的阶段。在每种宗教的历史上，基本上都有创世说存在。也就是说在人类把宇宙起源作为一个科学命题研究之前，创世神话已经开始关注这个问题了。
最早的创世神话出现于古代两河流域苏美尔人文化之中，在《Enuma Elish》（I-VI）中有谈及世界创生过程的篇章。《圣经》中关于上帝创世，洪水灭世，诺亚方舟等神话故事，无疑是以古苏美尔人神话为原本的。我国古代也有盘古开天辟地，女娲补天的神话，我国古代人们认为远古的时候还没有天地，宇宙间只有一团气，它迷迷茫茫、浑浑沌沌，谁也看不清它的底细，在一万八千年前，有位盘古氏开天辟地，才有了日月星辰和大地。到了汉代才有了“道之大原出于天，天不变，道亦不变”之说。在古埃及文化中余凯锋并没有明确的创世神话，古埃及人笃信灵魂不死，认为逝者将去“西卢之野”，死后可以复苏，所以他们努力将死者的遗体制成“木乃伊”。

随后，开始有一些哲学家对宇宙的形成提出不同的观点。在古代，解决宇宙形成问题的是哲学家，而不是科学家。他们是用哲学的观点来解释宇宙形成，根本上来说是非科学的。但是，其中唯物主义哲学家们是具有朴素的辩证法思想的，所以他们的解释虽然是非科学的，但是仍然带有合理的成分。

宇宙诞生的各种理论：

长久以来，关于宇宙的诞生，一直存在着两种截然不同的观点。一种观点是认为，宇宙没有所谓的起源，它就是存在，并将继续存在无限久。另一种观点是认为，宇宙并非一直存在，而是有一个起源，在某一时刻诞生的。1781年，哲学家伊曼努尔?康德在他的著作《孙谨纯粹理性批判》一书中指出，不论宇宙是有开端还是没有开端都是不可能的，这就是著名的“二律背反”。当然，今天的物理学家是不会同意康德的观点的，因为他的论证本身隐含了时间可以脱离宇宙而存在的假设，这是不能被接受的。

稳恒态宇宙观：

观点：

此一论点是认为，宇宙在根本上随时间不变，即是说，人们相信宇宙是稳恒的。可是，这一观点从一开始就值得怀疑，热力学第二定律和牛顿的引力定律都暗示了宇宙只可能运行有限的时间并且不可能处于稳恒状态。然而，稳恒宇宙的思想的影响是如此之深，以至于在20世纪之前，都没有人提到过，宇宙是在膨胀还是在收缩。就是那些意识到宇宙不可能保持稳恒的人，也总是试图去修正牛顿的理论，而不去考虑宇宙有可能是变化的。牛顿本人是知道这个问题的，但是，他相信大致均匀的分布在无限空间中的无限天体足以让宇宙保持稳恒。甚至竖晌是爱因斯坦也没有意识到宇宙的变化。爱因斯坦的广义相对论本身预言了宇宙不是在膨胀就是在收缩，然而，爱因斯坦对稳恒宇宙的思想是如此的执着，以至于要在他的公式中加入一个宇宙常数用以抗衡引力。

这个局面直到哈勃发现各星系正在以惊人的速度不断分散之后才受到致命的打击。尤其是在大爆炸理论推断出奇点的存在，也就是宇宙必然存在一个开端，这个理论才逐渐销声匿迹。

相关学说：

连续创生论

因为大爆炸理论并没有被证明是真理，所以并不是每个人都会同意大爆炸理论。在近代宇宙学史上曾经和大爆炸理论抗衡的宇宙形成理论还有连续创生论。

1948年，两位奥地利天文学家邦迪和戈尔德提出一种理论，承认膨胀宇宙但否定大爆炸。后来英国天文学家霍伊尔发展并普及了这个理论，在星系散开的过程中，星系之间又形成新的星系；形成新星系的物质是无中生有的，而且运动的速度非常缓慢，用现在的技术无法测出。结论是，宇宙自始至今基本上保持着同一状态。在过去无数个纪元中，它看上去就是现在这个样；在未来的无数个纪元中，它看上去还是现在这个样子，因此既没有开始也没有结束。

这种理论被称为连续创生论，由此形成一个稳恒态宇宙。在十多年的时间里，大爆炸和连续创生论的争论非常激烈，但没有实际的证据来决定哪一个对。

1949年，伽莫夫指出，假若大爆炸曾经发生，伴随而生的辐射在宇宙膨胀过程中应该损失能量，而现在应该以射电辐射的形式存在，作为一个均质背景从天空的四面八方射来。这种辐射在绝对温度5K（-268℃）时应该是天体的特征。美国物理学家迪克进一步发展了这一观点。

1964年5月， 德国出生的美国物理学家彭齐亚斯和美国射电天文学家R·W·威尔逊接受迪克的建议，探测到与伽莫夫预见的特征非常相似的射电波背景，它显示出宇宙的平均温度为绝对温度3度。

大多数天文学家认为，射电波背景的发现为大爆炸理论提供了结论性的证据。现在一般天文学家都接受大爆炸理论，而放弃了连续创生论的观点。所以，连续创生论已是明日黄花了。

霍金无边界条件的量子宇宙论

根据量子力学的原理，物质的存在是以波的重合，也就是所谓的波动函数来表示，所以宇宙从什么都没有而突然出现的可能性是存在的。也就是说，存在于某个时刻里的某个物质，有可能再其它时刻里突然消失。当物体缩到10-31公分的大小时，其存在的或然率会比1还要小很多，所以可能会忽而出现，忽而消失。这就是1980年皮雷基恩所认为的宇宙起源。霍金认为这个说法很奇怪，所以提出了他自己的一套理论。

霍金在1982年提出了一种既自洽又自足的量子宇宙论。在这个理论中，他主张不要将宇宙的起源当作特殊的现象，宇宙中的一切在原则上都可以单独地由物理定律预言出来，而宇宙本身是从无中生有而来的。这个理论建立在量子理论的基础之上，涉及到量子引力论等多种知识。

在他的理论中，宇宙的诞生是从一个欧氏空间向洛氏时空的量子转变，这就实现了宇宙的无中生有的思想。这个欧氏空间是一个四维球。在四维球转变成洛氏时空的最初阶段，时空是可由德西特度规来近似描述的暴涨阶段。然后膨胀减缓，再接着由大爆炸模型来描写。这个宇宙模型中空间是有限的，但没有边界，被称作封闭的宇宙模型。

从霍金提出这个理论之后，几乎所有的量子宇宙学研究都是围绕着这个模型展开。这是因为它的理论框架只对封闭宇宙有效。

如果人们不特意对空间引入人为的拓扑结构，则宇宙空间究竟是有限无界的封闭型，还是无限无界的开放型，取决于当今宇宙中的物质密度产生的引力是否足以使宇宙的现有膨胀减缓，以至于使宇宙停止膨胀，最后再收缩回去。这是关系到宇宙是否会重新坍缩或者无限膨胀下去的生死攸关的问题。

可惜迄今的天文观测，包括可见的物质以及由星系动力学推断的不可见物质，其密度总和仍然不及使宇宙停止膨胀的1/10。不管将来进一步的努力是否能观测到更多的物质，无限膨胀下去的开放宇宙的可能性仍然呈现在人们面前。

可以想象，许多人曾尝试将霍金的封闭宇宙的量子论推广到开放的情形，但始终未能成功。今年2月5日，霍金及图鲁克在他们的新论文“没有假真空的开放暴涨”中才部分实现了这个愿望。他仍然利用四维球的欧氏空间，由于四维球具有最高的对称性，在进行解析开拓时，也可以得到以开放的三维双曲面为空间截面的宇宙。这个三维双曲面空间遵循爱因斯坦方程继续演化下去，宇宙就不会重新收缩，这样的演化是一种有始无终的过程。

大爆炸理论：

观点：

大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说，英文说法为Big Bang，也称为大爆炸宇宙论。大爆炸理论诞生于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，但一直寂寂无闻。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论。

大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。

大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：
a）理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
b）观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。
c）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。
d）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。
按照大爆炸理论，宇宙是150亿年前从一个极小的点诞生的，从那里诞生了时间和空间、质量和能量，从而由物质小微粒聚集成大团的物质，最终形成星系、恒星和行星等。在大爆炸发生前，宇宙中没有物质，没有能量，甚至没有生命。

但是，大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样，或者说发生这次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理论，宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程，从大爆炸到黑洞的周而复始，便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。

这只是一个设想，并不是一个完美的理论。

大爆炸理论虽然并不成熟，但是仍然是主流的宇宙形成理论的关键就在于目前有一些证据支持大爆炸理论，比较传统的证据如下所示：
a）红位移
从地球的任何方向看去，遥远的星系都在离开我们而去，故可以推出宇宙在膨胀，且离我们越远的星系，远离的速度越快。
b）哈勃定律
哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。
V＝H×D
其中，V（Km/sec）是远离速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常数，为50；D（Mpc）是星系距离。1Mpc＝3.26百万光年。
c）氢与氦的丰存度
由模型预测出氢占25％，氦占75％，已经由试验证实。
d）微量元素的丰存度
对这些微量元素，在模型中所推测的丰存度与实测的相同。
e）3K的宇宙背景辐射
根据大爆炸学说，宇宙因膨胀而冷却，现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬，1965年，3K的背景辐射被测得。
f）背景辐射的微量不均匀
证明宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。
g）宇宙大爆炸理论的新证据

在2000年12月份的英国《自然》杂志上，科学家们称他们又发现了新的证据，可以用来证实宇宙大爆炸理论。

长期以来，一直有一种理论认为宇宙最初是一个质量极大，体积极小，温度极高的点，然后这个点发生了爆炸，随着体积的膨胀，温度不断降低。至今，宇宙中还有大爆炸初期残留的称为“宇宙背景辐射”的宇宙射线。
科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现，其温度确实比现在的宇宙温度要高。他们发现，背景温度约为-263. 89摄氏度，比现在测量的-273.33的宇宙温度要高。
虽然已有上述证据存在，但是宇宙是否起源于大爆炸学说，仍然缺乏足够多的令人信服的证据。

注解：3K是什么意思？二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R·W·威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年，他们又订正为3K，并将这一发现公诸于世，为此获1978年诺贝尔物理学奖金。

受到的质疑：

大爆炸学说在最近开始受到严厉的挑战和质疑。如果大爆炸理论是正确的，那么这个空间里所有的物质应该生于大爆炸之后，这是个因果关系。虽然爱因斯坦的相对论原则上不需有绝对的时间和空间，但是如果宇宙有一个起源，它就有一个绝对时间的原点，破坏了时间的相对性，所以这个因果律便是一个绝对的定律。最近美国的哈伯太空望远镜观测到一些现象，显示这个绝对的因果律出了问题。也就是说宇宙可能没有起源，就像相对性的空间一样，时间也是没有原点，时间也不是绝对的。

哈伯太空望远镜的观测显示，如果宇宙真是由大爆炸所造成的，那么爆炸距现在的时间是小于很多老星球的年龄。最老星球的年龄可达一百六十亿年，但观测显示爆炸的时间顶多是一百二十亿年前而已。

结论：

从二十世纪初以来，包括爱因斯坦在内的大部分天文物理学家都相信，宇宙是由大爆炸所产生；由于质能互换原理，爆炸的能量最后转为物质。这个学说建立于三个重要的基石上。第一个，由数学上证明广义相对论只容许唯一的解，这个数学解就是在时间的原点，整个宇宙的大小是一个点，大爆炸炸开了一个三度空间。由于空间以一定的速率不断的膨胀，因此整个空间瞬间的大小也给了时间一个指针和定义。第二个基石是，美国天文学家哈伯在爱因斯坦发明了相对论的二十年后，发现了宇宙是在膨胀，并且越远的星系膨胀的速度越快。这个发现大致吻合相对论的数学解。第三个基石最具关键性，在七十年代，美国的天文学家发现了宇宙的背景辐射。由于宇宙的膨胀，大爆炸时的热能目前应已降到绝对温度数度左右，符合观测结果2.7度。从此，天文物理学家发展了一套标准模型，来解释这个膨胀的空间里一切物质的起源。但是宇宙到底确实膨胀多快，哈伯并无法确定。这个缺憾预留了一些空间让以后的天文物理学家去发展另一套不同于爱因斯坦相对论的学说。但是这些学说都是非主流。美国的哈伯太空望远镜的主要任务也就是要弥补当年哈伯观测的缺憾，要决定目前宇宙在单位距离内膨胀的速度。星球在膨胀空间里的分布就像一些点分布在正在膨胀的气球表面一样。点与点之间的距离会因膨胀而变大，分离的速度不但和气球膨胀的速度成正比，也和点与点之间的距离成正比。距离越大的两点，它们之间分离的速度越大。所以若不知任意两点之间的距离，只光知道两点分离的速度是无法知道整个气球膨胀的速度。同样的，若欲决定宇宙膨胀的速度，我们不但要知道星球之间分离的速度，也要同时知道星球之间的距离。天文学家可用所谓的都卜勒效应来测量任一星球远离地球的速度。但是，星球与地球之间的距离便不容易决定。因此哈伯常数（单位距离内的膨胀速率）相当难决定出来。

发表在《自然》杂志上的发现为在室女星系团内的上千颗造父变星。变星是光度有周期性变化的星，愈大的变星周期愈慢，可是愈大的星愈亮。所以变星的周期和绝对亮度有一定的关系，而造父变星的周期和绝对亮度之间的关系可以很准确的决定出来。但是，星球距地球越远看起来越暗，因此观测到的亮度并不是星球本身的绝对亮度。若是有办法知道星球的绝对亮度，再加上观测到的量测亮度，星球的距离便可知道。在天文上，远距离是无法直接测量的，造父变星提供了一个绝佳的机会来测量距离。天文学家可以量遥远变星的周期，大致上是几十天之谱，从而决定变星本身的绝对亮度，再和观测到的亮度相比，变星和地球的距离即可决定。

室女星系团距地球相当远，大约为几千万光年之遥，因此膨胀的速度可以相当快，可以利用都卜勒效应准确的测量出来。要是它的距离亦可准确的测量出来，哈伯常数便可准确地决定，大爆炸距现在的时间的上限便也能决定。造父变星的发表让天文学家准确地决定哈伯常数。宇宙在单位距离内膨胀的速率为每一百万光年27公里。它也代表大爆炸至早发生在一百二十亿年前。但是，天文学家又知道，银河系中的一些古老的星球年龄为一百六十亿年。这代表星球需要生于大爆炸之前。这个结果不符合因果律，因此大爆炸标准模型受到质疑。这个发现也让非主流学说有一个发展的空间。

其实，在逻辑的结构上，非主流派中的主流理论是可以和爱因斯坦的相对论相比美。如上所述，相对论的宇宙观是空间是相对的，没有原点，但时间是绝对的，有一个原点。相对论的宇宙观并且认为，宇宙的总能量守恒，没有凭白无故冒出多余的能量，也不能损耗总能量。但是另一个学说却认为时间和空间是相对的，两者都没有原点，所以宇宙是在一个时空的平稳状态中存在。在这种理论架构下，时间和空间有完整的对称性。为了要解释宇宙膨胀，这个学说必须放弃能量守恒的想法。它认为能量是可以无中生有，并且越来越多，物质也可以无中生有，愈来愈多。这就好象宇宙中蕴藏着无数的涌泉，随时随地冒出物质来。这些涌出的物质必须往外流，因此宇宙膨胀。因为物质随时涌出，所以不需要一个时间的绝对原点；物质随地涌出，所以空间也没有绝对原点。这个学说不需要大爆炸便可以解释宇宙的膨胀，并且也可以解决宇宙年龄的问题。可是，这个学说必须面对一个挑战，那就是如何解释宇宙背景辐射的温度。在1970年代，这个大爆炸理论的第三个基石是此学说的致命伤。在不久的将来，此学说会不会因发现造父变星而败部复活？我们可以拭目以待。

相对论宇宙模型或上述非主流的平稳态宇宙模型，对有创意的天文物理学家而言，绝非是个二选一的答案。其实，一般相对论的教科书上都不会提到广义相对论本身是有些缺陷的。从时空的完美对称性来看，它有上述需要时间原点的问题。除了时间、空间的问题之外，从物理学的相对性原则而言，它也有另一个问题，所谓的惯性坐标问题。十九世纪末，一位澳洲科学家马克提出一个宇宙学的问题。我们举目观星，如果连续看一、两个钟头，就会发现群星绕着北极星转。马克问道：“到底这是因为地球自转造成的，还是群星真的绕着地球旋转？”这个问题乍看之下相当不智，因为这像是十六世纪哥白尼时代的问题：“到底是地球绕着太阳转，或是太阳绕着地球转？”标准答案当然是地球自转所造成的。但是马克又道：“如果一切物理现象都是相对的，地球自转和群星绕地球转就必须是一体的两面。”举例来讲，要是你绕着原地自己旋转，你会感觉头晕，但是如果你站着不动，而周遭所有的物体都绕着你转的话，你也将会感到头晕。马克认为一个理想的宇宙模型应该能具有这个特性，一切都是相对的，转动也是相对的。这便是所谓的马克原则。爱因斯坦自己也承认，他是受到马克原则的启发才发明广义相对论。但是，不幸的是相对论无法做到马克原则的要求。相对论的宇宙必须很清楚地标示到底宇宙本身转不转。现存的标准宇宙模型是采取宇宙不转。所以我们对群星绕天的标准解释才会是地球自转。附带说明一点，至今还没有任何一个宇宙模型可以完全符合马克原则，上述的平稳态宇宙模型也不例外。

十旁扒颤万个冷知识运败此滚

宇宙由道而生，
道生一，一生二，亏缓二生三，三生万物。
道亦自然，就是本身就独立于世界而存在的精神，
星球自然闭和会变圆，生物自然会生长和进化轿空盯……
因此宇宙由自然而生。

无中生有。

大爆炸，那时的宇宙只是一个炽热的点，由于能量巨大，使这个点迅速膨胀并冷却，成了现在的宇宙