宇宙演化简史

最初三分钟

宇宙的最初源头是一个奇点，即所谓的“宇宙蛋”，它凝聚了所有的时空质能，孕育着未来物质世界的一切，包括天体和生命。

大约150亿年前，宇宙蛋在一场无与伦比的大爆炸中猝然爆发。大爆炸震撼出时空，物质世界破壳而出，宇宙史的纪元从此开始。

刚刚诞生的宇宙，空间从无到有并急剧膨胀，仅仅10E－32秒后，就暴胀到大约1光年的直径。在1秒钟时，大爆炸产生的极强高能辐射均匀地充满整个空间，宇宙成为100亿K高温的熔炉，所有物质被熬成一锅基本粒子汤。

紧接着，一场肆虐的原始宇宙风暴袭来，基本粒子之间发生猛烈撞击，中子熔入质子形成了氦核。这个过程延续了大约三分钟，直至所有中子消耗殆尽为止。有约22%质量的物质聚合成氦核，余下的物质几乎为未聚合的质子（即氢核），仅有十万分之几属于同位素氦3和氘，百亿分之几归之于锂。

原始星云形成

构建原始宇宙的原生物质（主要是约78%的氢和22%的氦）的产生过程，在宇宙史的最初三分钟便告完成；在此后宇宙因膨胀而冷却，如此大规模的核合成过程再也不可能发生，小规模的核合成则要等到恒星产生以后。

初生宇宙的空间充斥着极强的高能辐射，炽热惊人。原生物质氢核和氦核均匀分布在整个太空，它们之间的引力微弱，远不足以克服巨大的扩散压力和辐射压，因此无法凝聚成团。要打破这种物质均匀分布的状态，还需等宇宙冷却到足够程度。

光阴一分分、一年年地流逝：30万年过去，宇宙温度骤降到4000K，但其均匀状态依然如故；1000万年过去，宇宙中的高能辐射冷却变成微波背景辐射，氢核和氦核形成了各自的原子，原子间的引力终于战胜扩散压力和辐射压，在它的作用下渐渐形成一个个物质密度较大的地区，并继续向中心收缩——原始星云就这样形成了。

在宇宙诞生1000万年以后，由氢、氦两种元素构成的巨大原始星云弥漫着太空，虽然非常稀薄，却表明宇宙物质不再处于均匀分布的状态，这预示了宇宙星光灿烂的未来。

恒星形成

原始星云在引力作用下继续向中心聚集，并因星云间的潮汐作用开始旋转，渐渐形成双凸透镜的形状。星云收缩使引力不断增强，进而促使旋转不断加速，而旋转加速又导致星云边缘不稳定，最终裂成两个旋臂。旋臂上发生局部凝结，每个凝块体积适当，可以在我们所见的恒星尺度内形成恒星。

以上过程持续进行，整个星云最终演化成星系。宇宙中最初形成星系的时间大约是大爆炸后十亿年。通过哈勃太空望远镜，我们可以发现在银河系以外的遥远空间里正在形成的其它星系，那正是几十亿年前这些星系形成时的情形。

目前用天文望远镜观测到的星系总数须以10亿来计算，我们所在的银河系只是其中的普通一员。这些星系都是庞大的恒星集团，且距离我们极其遥远，因此被称为“岛宇宙”。十几个或几十个星系由引力维系在一起，组成星系团；随着宇宙的膨胀，星系团间正彼此远离。

恒星的生命历程

恒星的诞生

恒星是宇宙物质凝聚到一定程度的产物，起源于旋涡星云臂上的一块区域。在这块区域物质较密集的部分，由于自身引力较强，物质聚集得更快，温度上升也更快，旋转速度不断加快。这一过程逐渐加剧：当某一区域的中心温度上升到约1000万K时，会引发热核反应，向外发放辐射，恒星的生命历程便正式开始；而当旋转速度达到一定值时，恒星就会分裂成互相绕行的双星或多星。

双星（或多星）是恒星演化的正常路径，而伴有行星的单星（例如太阳）则是恒星演化中极其罕见的事件，大约十万个恒星中才有一个，它的起源过程至今仍是猜想：在恒星演化的某一早期阶段，两个气体星运行到彼此邻近时，会产生潮汐波；及至两星接近到某一临界距离时，潮汐波会射出长臂状的物质，随后裂成具有适当大小与特性的物体，形成像地球这样的行星。

起源于原始星云中的恒星为第一代恒星，它们是由原生物质组成的气体星球。宇宙史纪元50亿年时，第一代恒星产生，它们照亮了幽暗的太空，从此一个新的宇宙时代来临。

恒星的演化阶段

恒星形成后开始进入生命周期中的氢燃烧阶段：氢的原子核聚变成氦，并向外发放光和热。当恒星中的氢消耗掉10%时就会发生收缩，恒星中心部位的温度升高到1亿K以上。同时，由于恒星内部的活动，恒星外层被中心区域推开，膨胀的恒星变成一颗红巨星。于是，在星球密度极大、温度极高的中心部分开始发生氦的燃烧，氦核聚变成铍、碳和氧。这一阶段一直延续到恒星中心部分的氦消耗殆尽，碳和氧所占比例大致相等时才结束。

氦的燃烧阶段结束时，星球中心区域收缩，温度重新上升。在一些质量足够大（质量至少是太阳的4倍）的恒星里，中心温度可以达到10亿K，碳和氧的燃烧得以开始，结果形成了钠、镁、硅和硫等元素。当恒星中心部分的碳和氧消耗殆尽并富含硅时，便开始了硅的燃烧阶段，硅转化成硫、氩和其它一些更重的元素。如果恒星通过收缩能使内部温度升到30亿K左右，那么恒星便开始了生命周期中的平衡阶段，形成铁及附近的一些元素。铁在所有元素中原子核最为稳定，因此一颗恒星燃烧到生命终结时，会形成一个铁球，它的末日也随之来临。

超新星爆发与重元素生成

垂死的恒星与自身引力作着最后抗争，但最终还是跌进了引力深渊。外围各层数以万亿吨计的物质以每秒几万公里的速度朝核区坍缩，与核区发生极为强烈的碰撞——这就是“超新星爆发”。爆发的巨大能量使恒星外围物质得以加热，铁吸收中子及能量后，在恒星熔炉的最后阶段炼出了金、铅、铀等更重的元素。

值得一提的是，目前人类所利用的核裂变能，归根到底是久远的超新星爆发能，正如煤、石油所含的化学能是古老的太阳能一般。超新星爆发产生的巨大激波，将恒星外围的物质抛入广阔无垠的太空；这些物质由恒星各个燃烧阶段产生的92种元素构成。恒星的一生灿烂辉煌，它的光和热孵育了生命；它亦是宇宙中神奇的炼金炉，组成我们及地球的每一个原子，都曾在那些久已熄灭的古老恒星中经受熔炼。

恒星的物质循环

第一代恒星消亡后，归宿于白矮星、中子星和黑洞。然而悲壮的死亡中酝酿着灿烂的新生，在它们的废墟上将升起新一轮的恒星，一个有生命的宇宙时代即将拉开序幕。

超新星爆发抛出的物质，在广袤的星际空间漫无目的地遨游，在碰撞和辐射的作用下，被原始星云携带着运行。几百万年过去，这些物质因膨胀而变得稀薄，最终与原始星云混为一体，因此宇宙中的星云不再只由原生物质氢和氦构成，而是遭到重元素的“污染”；正是这种污染，让恒星之外有了出现自然景观、生命、技术和能源的可能。

在宇宙史纪元100亿年时，这种被“污染”的星云在引力作用下收缩、坍缩和碎裂，核子活动再度爆发，第二代恒星及行星诞生了，太阳便是其中一例。这些恒星也将开始其生命历程，最终会因缺乏燃料而死去；它们的碎屑又与尚未聚集成恒星的原生物质一道凝聚成下一代恒星。但这种物质的再循环并非永无止境，原生物质会一点一点地并入新生的恒星，直至全部用完。当最后一代恒星走完生命轮回而死亡时，宇宙永恒的长夜就来临了。

生命的形成与进化

生命是宇宙物质演化的最高级形式，也有人认为生命只是宇宙演化副产物中微不足道的偶然现象，由于发生了种种时间和空间的巧合，才得以在地球上出现。

的确，在宇宙中满足生命形成与演化必需条件的地方，即使不是唯有地球，也是极为稀少的。地球拥有诸多得天独厚的生命存在条件：

• 地球绕转的太阳是恒星中少有的单星，使其外围有稳定的生态圈存在；
• 太阳是第二代恒星，使得其行星从一开始形成就有生命必需的碳、氧等重元素；
• 太阳大小适宜，既有足够的存在时间供生命形成与进化，又有足够的光和热孵育、养育生命；
• 地球轨道全部在太阳的生态圈内，大小适宜，引力能保留住水和大气，且大气层厚薄适当，既挡掉了大多数紫外线，又不至于遮住过多阳光；
• 地球有较强的磁场，使生命免遭宇宙带电粒子的致命轰击……

地球在46亿年前形成后，便开始了生命形成历程：原始地球中的无机物在太阳紫外线的作用下，形成了简单有机物，它们通过水流汇集于海洋，在那里化合成复杂的有机物。这些复杂有机物形成生命的过程至今仍是疑案，但其中必定有不计其数的巧合，在地球形成生命的过程中幸运地发生了；就这样，原始生命在地球形成15亿年后出现了。

原始生命在漫长岁月里不断进化：

• 16亿年前，有细胞核的单细胞生物出现；
• 7亿年前，多细胞生物出现；
• 3.7亿年前，陆地生物出现；
• 2.8亿年前，爬行动物出现；
• 1.8亿年前，哺乳动物出现；
• 7000万年前，灵长目动物出现；
• 3500万年前，类人猿出现；
• 400万年前，原人出现；
• 50万年前，直立人出现；
• 3.5万年前，现代人类出现。

于是在宇宙史纪元150亿年时，宇宙中便有了智慧生物创造的技术和文明。我们目前所知的生命仅限于地球生命，而科学家对地外生命和文明的乐观估计是：仅银河系就可能有6亿个行星有生命存在，其中拥有技术和文明的行星多达100万个！

宇宙的终结

宇宙的未来命运如何？科学家、哲学家和神学家都提出了自己的观点。目前被普遍认同的观点是：宇宙作为物质世界的全部，遵守物质自身的规律；而根据热力学第二定律，宇宙将在遥远的未来走向永恒的死亡。

设想在非常遥远的未来，所有恒星因缺乏燃料而熄灭，宇宙一片黑暗。在这漆黑的浩瀚太空中，潜伏着许多带自转的黑洞、离散的中子星和黑矮星，还有一些行星级天体，它们在引力作用下展开一场漫长的“战争”：星系逐渐解散，绝大多数天体被引力弹弓抛入星系际空间，永远漫游在膨胀着的太空中；而星系中心的黑洞取得了兼并战的局部胜利，吞并了百分之几的天体，形成更大的黑洞。这场战争持续的时间超乎想象，大约是今天宇宙年龄的十亿倍。

在又一段长得超乎想象的时间里，当宇宙背景辐射因膨胀降至足够低的程度时，所有黑洞最终都会在一阵快速辐射中一下子化为乌有，在宇宙永恒夜幕中划出一道道瞬现即逝的闪光；其它天体也将在这漫长时间里发生衰变而渐渐蒸发，直至完全消失，变成正电子或其它粒子。宇宙变成一锅令人难以置信的稀汤，其中有光子、中微子及数量逐渐减少的电子和正电子。宇宙曾经拥有的辉煌，包括闪烁的群星以及智慧生命创造的无数奇迹，都湮没在这荒凉而空虚的宇宙中，不留下任何记忆，只有时间无休止地流逝，空间无止境地膨胀……