车库改住房图片:《宇宙是从大爆炸中诞生的吗》

　　1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型：宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。

　　1965年，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释。

　　宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

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　　今天我给大家演讲的题目是《宇宙是从大爆炸中诞生的吗》，大家一看这个题目就会联想翩翩，首先想到很奇怪,再一个感觉觉得有点不可思议，怎么会是大爆炸呢？那我们就看一下，这个宇宙究竟是怎样诞生的，为什么我们会想到大爆炸？

　　上一个世纪最早想到这件事情的是一个匈牙利的天文学家叫勒马特,他怎么想到的呢？我们知道上一个世纪初期以后，物理学的发展都很快。其中在物理学里边有一个很重要的规律，就是这个物质结构和次序都是从简单到复杂，那么描写这个量呢？有一个物理参数叫做熵,这个熵说什么呢？就是说任何一个事物，宇宙世界，这个发展次序都是从简单到复杂。所以我们宇宙中的熵也是在不断地增加，从简单到复杂，最简单是什么呢？最简单就是一个小的单元。所以勒马特就想到，这个宇宙最初的可能就是从一个原始的原子诞生的，然后这个原子演变演变最后演变成现在的宇宙。这就符合这个物理规律，这个熵是不断增加的。这是勒马特最早提出来的一个设想。

　　但是真正想到大爆炸理论，还是从我们物理学里边的老祖宗开始，也就是上一个世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。大家知道，爱因斯坦创立了广义相对论，这张照片是爱因斯坦非常天真的一张照片。那么他创立了广义相对论以后，这个广义相对论最主要的一个用途就是来描写宇宙。所以广义相对论产生以后，就有了一个理论基础来描述我们的宇宙，但是光有这么一个理论还不行，还需要天文学家有一个实践。天文学家里边有一位非常有名的人哈勃。大家知道天上飞着一个空间望远镜，就叫做哈勃空间望远镜。为什么呢？就是为了纪念哈勃，这位天文学家有很大的功劳，他主要的功劳是什么呢？他证明了宇宙在不断地膨胀，通过观测来证明。

　　那么有这两点。一个是有了一个广义相对论；一个是有观测事实。这个观测事实呢，就证明了我们的宇宙在不断地膨胀。这两件事情加在一起，当时就有几位物理学家首先提出了大爆炸的思想，那么主要的一位叫做伽莫夫。伽莫夫就想到，如果按照广义相对论的理论再加上一些原子的反应过程，就有可能推算出我们宇宙的演化历史。伽莫夫有个学生叫阿尔文，他把这个稿子投到当时著名的一个刊物叫《物理学评论》，一位编辑也是他的朋友叫做贝瑟。伽莫夫就建议把他的名字也加上，所以这篇文章最后就按照希腊文的三个字母αβγ，就变成叫做αβγ理论。

　　中间有其他的一些人又做了很多的修正和补充，就使得这个理论慢慢就越来越完善。那么这个大爆炸理论提出来以后，它最核心的一点他就指出来，如果他这个理论要是成立的话，我们这个宇宙一边膨胀，一边降低温度。那么降到现在，宇宙最边沿的就是四周的温度，应该降到多少度呢？应该降到五度左右，大家注意，这个五度是指的绝对温标。我们说绝对温标是这样，如果它要是五度的话，相当于摄氏温度负二百多度，摄氏温度的负273度才是绝对温标的0度，这个温度是非常非常低。但是他预言了这件事情，非常的凑巧，他预言了以后呢！就等待着看看有没有观测的结果，天文学家也做了很多努力去观测。但是一想这个温度这么低，你们可以想一想，这样低的一个温度去观测，那实在是太困难了，也就是说，零下负二百多度去观测，那太困难了，天上星星的温度都比这高得多。

　　但就在这时，有两位工程师是贝尔实验室的两位工程师，一位叫彭齐亚斯，一位叫威尔逊。他们两个人在做什么实验呢？就在做通信实验，用他背后这个天线在做通信实验。他们为了使他这个通信实验的灵敏度提高，他们就把这个天线做得非常的精致，也就是说噪音非常低，那么他这个天线如果在传输的时候，它的温度大约也就是三百度，如果说不做传输工作，它本身就是它本身固有的噪音应该非常非常低。他们认为几乎就应该到了绝对温度的0度，也就是说要到了负273度，他们认为最多有0.5度，这个天线的本底噪音就这么低。那么它这样低，他们要实验，那么这个天线对到任何一个地方。你们可以想一想，都有温度。只有对在什么地方，对到宇宙，对到天空，如果对到天空里边，不对着太阳，也不对着其他的星球，那个地方的温度应该是什么呢？应该是0度，而且应该是绝对0度，一点温度都没有。但是对着宇宙以后呢！非常出乎他们的意料，总是有那么一点温度干扰他们这个仪器，也就是说，仪器里边总接收到那么一点温度。

　　这时候他们就通知了在普林斯顿当时正在从事理论研究的一些天文学家，这些天文学家知道以后欣喜若狂，说你们这个东西太重要了，就是伽莫夫预言的大爆炸的这个温度。是不是呢？这就是后来在他们的启发下做的测量，那么测量的结果的的确确存在着，我们管它叫做微波背景辐射，这就是全宇宙中的微波背景辐射。

　　那么这个辐射是什么特征呢？这个辐射很有意思，如果我们把这个辐射仔细分析一下，看上去好像有点不均匀。这个颜色就代表一个温度，好像北边稍微温度高一点，南边温度稍微低一点。其实不然，这一点点差别，并不是宇宙背景辐射的差别，而是由于我们地球的运动，使得温度有一点点改变。如果你把这一点点温度修正了以后，你就会发现这个宇宙四周来的辐射是完全均匀的，这是第一点。

　　第二点更重要的，这个辐射是一个黑体辐射。我们看一下什么叫黑体辐射，就说这个辐射的谱形是由于有温度来造成的。我们说这种辐射有各种可能性，你比如说X射线辐射，那就不是黑体辐射，可能某一个仪器发射的。如果说你烤这个煤火炉，在煤火炉旁边烤，这个就是典型的热辐射。它出来的谱就是典型的黑体谱。而这个谱大家看一下，上边的每一个每一个点就是具体的观测值。那横坐标，就是它的波长，纵坐标就是它的强度。这个谱是一个黑体谱，换句话说，我们这个宇宙的四周，的的确确是一个完全均匀的，一个黑体的辐射的一个剩余谱。这个理论和大爆炸的理论非常吻合，因为大爆炸认为我们的宇宙不断膨胀，一边膨胀温度就一边降低，降到现在大约是5度左右，因此它测出来是2.7度或者大约说是3度，正好和这个理论非常吻合。然后那些天文学家就鼓励他们赶紧发表你们的文章。这两个人就在《天体物理学》杂志上投了一篇稿子，题目就叫做《对天线的一次的温度的过热的测量》。就说我测量来测量去，天线有一点过热。就这么一篇文章，不足千字的文章，就决定了我们宇宙的确是从大爆炸来的，所以很快这两个人就获得了诺贝尔物理学奖，这个理论也就被大家承认了。

　　在座的一定要想，你就光这么一条理论就认为是大爆炸，会不会还有其他的可能性？这一条是非常重要的，为什么说这一条非常重要呢？因为这一条不是先有的观测，后去搞的理论。而是我们先有了一套理论，而这条理论就是以大爆炸为基础。那么这个观测呢，果然就出来了。而且这套理论在观测验证以前，认为好像是也很难想像，说我们这个宇宙是大爆炸有点不可思议。所以这个观测出来以后，对大爆炸理论是一个非常有利的支持，这是最重要的一个支持之一。

　　除此之外还有一个重要的支持。既然你是大爆炸，那我们这个宇宙意味着什么呢？在不断地膨胀，是不是不断膨胀，也要由观测来验证，那么这个观测主要就是由哈勃来完成的，在上个世纪的20年代到30年代，哈勃工作在美国的威尔逊天文台。他在观测什么？他在观测河外星系。我们说哈勃本来还有一个功劳，他就证明了除了银河系之外还有和我们银河系一样的，很多的河外星系。这是他的一个功劳，但是他另外一个功劳比这个功劳还要大。他就是去测量这些河外星系相对于银河系有没有运动，他就测量这个，怎么测量呢？就测量河外星系的运动速度，我们说运动速度是可以测量的，通过测量它的光谱，根据多谱勒运动，我们就可以算出它的运动速度来，那么测量的结果非常地惊人。

　　怎么个惊人法呢？就发现我们宇宙就像气球一样，在不断地膨胀，在不断地扩大。什么叫在不断地膨胀呢？就说我们看到的河外星系，每一个星系我们测量它的速度以后都发现这个速度是一个正的速度，也就说这个河外星系在远离我们，无一例外。所有的河外星系都在远离我们，而且这个远离是非常有规律的。所以这个宇宙的膨胀就非常有利的支持了大爆炸理论，我们看一下这个膨胀的过程，大家看出来了吧，这就是模拟宇宙在不断膨胀的情况。

　　除了宇宙膨胀以外，还有没有其他的观测事实来证明大爆炸理论呢？我们说还有一个非常重要的观测事实，什么观测事实呢？就是我们测量宇宙中的元素的含量，我们说宇宙中的元素，当初根据大爆炸理论的话，应该是首先生成的是元素中最简单的元素。最简单元素是什么呢？是氢，所以宇宙中氢是首先产生的，而且氢的含量应该非常多，那么有了氢以后，这个氢在逐渐地通过原子核的聚变过程。就是说原子核和原子核通过聚变反应，在不断地生成更重的元素，那么紧接着氢，下一个要生成的元素是什么呢？就是氦，也就是说氢通过聚变反应来生成氦，这个反应非常非常重要，为什么说重要呢？目前呀，所有的恒星它的产能，也就说它辐射的能量就是通过氢聚变成氦得到的原子核的能量。当然最典型的是什么呢？就是我们的太阳，我们太阳为什么发光呢？如果你指望着像烧煤球炉子一样，来烧煤球，那得多少煤也不行，靠其他的化学也不行，维持这么多年是不可能的。那么惟一的就是太阳上边的氢，通过聚变过程来生成氦，这样一个核反应过程就给我们提供了几乎是无穷无尽的能量。你看重要不重要？非常重要。我们可以顺便说一下，我们这个人类开发核能源，很重要的原因，就是通过太阳的产能得到的启发。

　　比方说我们地面用的氢弹就是一种聚变反应，原子弹是一个分裂反应那么现在人类还不满足，正在搞受控热核反应，受控热核反应是什么呢？就是制造一些小太阳，如果那个要实现的话，你可以想像看，氢都可以聚变成氦。好了，既然宇宙中的元素，是有恒星在燃烧过程中通过氢来聚变成氦，当然这有个过程。我图上面说的很清楚，它也聚变成氦的同位素，叫做氘，然后再合成叫做氚，最后就合成有四个中子和质子的氦。

　　那么这个过程我们可以算出来，宇宙中大体上有多少个恒星，这个恒星的年龄有多大？那么现在宇宙中应该有多少氢？有多少氦？就算出来了。那算出来的结果和观测非常地不符合，怎么不符合呢？如果说我们这个宇宙中的氦完全是由每一个单个的恒星，通过氢聚变成氦的热核反应产生的。那么宇宙中的氦大概有多少呢？也不过只有百分之几，只有百分之几，占到总含量的百分之几。可是我们现在测量结果发现宇宙中的氦非常多，多到有多少呢？宇宙中的氦大约占了宇宙中总元素的四分之一，也就是说有25％是氦，70％多是氢，然后再加上其他的一些元素。那么这个问题就来了，这些氦是怎么产生的呢？就要问这个问题。

　　那么用正常的办法，我们把天上所有的恒星都把它整个都加起来，把它年龄也计算出来。然后产生了多少氦？我们可以算出来，用这些正常的手段是绝对产生不了宇宙中这么多氦的。那么最后的结论是什么呢？只有在当初通过一个非常时期，也就是说一次大爆炸的过程，那么在大爆炸过程中就会迫使很多氢聚变成氦，然后在造我们这个恒星的时候，就不单是纯粹由氢来造了。而是由氢再加上氦一起来造的这个恒星。所以恒星在造的时候，已经就含了好多个氦的元素含量已经多了，因此我们现在测出来宇宙中的元素含量才有了这么多的氦。所以我们概括起来大家就知道了，一个主要的观测事实呢，就是说宇宙是膨胀的。还有一个非常重要的观测事实呢，我们宇宙膨胀到现在，它的剩余温度正好和我们预算的一样，它的温度是多少呢？我们说是3度K或者说摄氏负270度。还有一条就是宇宙中有这么多的氦元素，也是通过大爆炸来产生的。所以我们总括起来，有哪些证据来支持大爆炸呢？就有这么多证据，第一个就是叫微波背景辐射。第二个就是哈勃定律，也就是说宇宙在膨胀。

　　除此之外还有一个很重要的理由，什么理由呢？就是我们宇宙的年龄，如果我们说宇宙的年龄是无限大，那就没有起始了，就没有大爆炸这一说了，现在我们测量的结果，宇宙的年龄是有限的，不但是有限的，而且我把年龄也测出来了。宇宙的年龄有多大呢？我们说小于二百亿年，我们宇宙的年龄小于二百亿年，目前倾向性的看法认为宇宙的年龄大约是一百五十亿年。我经常说这个年龄很好记，怎么记呢？你就把这个“亿”字去掉，就是一百五十年。那就是说我们努努力，科学发展以后，健康条件好了，有可能活到一百五十岁，差不多人的极限。我们知道太阳它的寿命大约是一百亿年。现在太阳已经活了差不多是五十亿年了，还有五十亿年，这就是宇宙的年龄，大约就是小于二百亿年。那么这四个证据，就证明了我们这个宇宙可能是通过一次大爆炸产生的。这就是大体上我给大家一个轮廓，有这么一个理论，有这么多观测事实。

　　大家肯定要问你这么大轮廓这么一说究竟怎么一炸就炸出个宇宙来？我就想像不出来。孙悟空从石头里边出来那毕竟是神话，一蹦就蹦出来了。你这个宇宙是我们所有的星球的居住地，就是包罗万象才叫宇宙了。怎么会这么一爆炸就爆炸出宇宙来，所以我必须回答你，就是说这个宇宙究竟是怎样一步一步来的。

　　那么最近我们国内流行一本书叫做《时间简史》，是由英国的一个物理学家和天文学家霍金写的，就描述了宇宙的演化，大家很感兴趣，实际上在他之前还有一本书也不错，叫做《最初三分钟》。那本书就是专门写我们这个宇宙最初的状态怎么来的，这个最初的状态听起来，那就有点更离奇，它物理的味道就更重。所以呢，大家得要好好听，要不然你就不可以理解，那么我也尽我最大的努力把这个事情给大家讲清楚。

　　那么最初怎么来的呢？我们说最初这个宇宙通过膨胀以后慢慢来产生，但是这个诞生的时间是非常非常快，有多快呢？三分钟造就一个宇宙，你信不信呢？我们来看一看三分钟就给你造就一个宇宙，那么宇宙最初始的时候，宇宙的年龄是多大呢？0.01秒。这时候的温度是多少度呢？是十的十一次方度，也就是说一千亿度。这个宇宙是个什么状态，我说这个宇宙是一团混沌。这团混沌是什么样子的，我有一个动画片可以给大家看一下，这就是我们那个宇宙最初的情况，那这宇宙是什么？这一团混沌就是比我们现在知道的这些个电子也好、中子也好、质子也好、原子也好，更基本的粒子，或者说这是一堆叫做夸克。所以有种说法，在最初的时候就是一个夸克星，就是一个夸克的海洋，就是一团混沌，什么都不是，都是造就物质的基本原料的温度是非常非常高，一千亿度，那么在这么高的温度下，这堆东西不可能产生任何东西，因为大家都是平权的，在里边就是自己在那儿漫游。那么这堆东西有一个特点，什么特点呢？它在不断地扩张，也是必然要扩张，为什么呢？温度很高，它一扩张的时候这个温度就降低了。那么我们看一下由0.01秒扩张到1秒，也就是1秒钟的工夫就膨胀了。膨胀了以后，它这个温度降到了十的十次方，一百亿度。这时候就出现电子、中子和质子，为什么呢？因为这时候温度降低以后，它里边的一些反应，就使得一些光子慢慢通过反应过程，光子就会变成电子，然后再可以聚合成中子和质子，这是温度降低以后。

　　如果我们的温度再降低降到3分钟，这时候的温度差不多十的九次方，也就是10亿度的样子。在这个温度下，这个宇宙出现一些轻的元素，什么元素呢？氢和氦。我们来看一下，由于温度降低，原初的这些东西就开始有一个聚合反应。你看一下，它们就聚合聚合，出现了一些什么呢？氢、氦这些元素就产生了。有了这个元素以后，就等于我们盖大楼一样，就有了基本的砖瓦了。这就是我们宇宙最主要的原材料，只要是有了氢再加上氦，我们这个宇宙就可以造起来了。我们这个宇宙由于温度在不断地降低，就造就了氢和氦。那么再稍微确切一点，到了3分45秒我们基本的元素就都造成了。换句话说，我们这个宇宙的雏形就产生了。因此我们说宇宙是最初三分钟，如果再说的确切一点，最初的3分45秒钟，我们这个宇宙的大厦就基本上奠基了，就可以了。你们想想我们宇宙造的怎么样？速度是够快的。你们学校里边要是盖一座大楼的话还得盖一年，我们宇宙三分钟宇宙的基石就奠起来了，剩下的工作就好办了，怎么叫好办了呢？因为我们宇宙中的基本原材料有了，氢也有了，氦也有了。以后我们就拿这些氢和氦再去造星球，慢慢我们的宇宙就一步一步就把它造起来了。

　　问：何老师您好，我想问一下，你说这个宇宙现在是在膨胀吗？我想问一下它到底是什么作用力使它在膨胀呢？

　　答：宇宙的膨胀呢，现在是一个事实，这个事实是什么原因呢，就是的的确确我们宇宙因为当初在不断地膨胀，现在没有力量把它拉住，拉不住。所以宇宙就不断地在膨胀下去，这是一个观测事实，那么这个宇宙会不会永远膨胀下去呢？现在我们知道拉住宇宙膨胀的惟一的力量还是靠引力，因此要想把宇宙不让它继续膨胀下去，把它拉住，那就只有增加宇宙中的引力。那这就是天文学家的一个任务，我们想法找到宇宙中更多的物质，增加了宇宙的相互吸引力，那它就会慢慢的膨胀一段时间以后就会收缩回来，现在我们还找不到其他的力来制止宇宙来膨胀，只有靠引力。

　　问：老师我想问一下宇宙的年龄是通过什么方法测量出来的？

　　答：这个问题问的很好，你怎么知道宇宙的年龄是一百五十亿年呢？我们有几种测量方法，其中一个方法呢，就是根据哈勃定律。我们说宇宙是在膨胀，而且这个膨胀的规律非常简单，就是一个线性的，距离越远膨胀速度越大，非常简单的一个线性关系。那么你这个膨胀的斜率，也就是哈勃常数，我把它倒过来，就是哈勃常数的倒数，正好就是宇宙从最初的一点膨胀到现在的时间。那么这个年龄呢，我们就管它叫做哈勃年龄，这是一个很重要的。用到现在， 那么哈勃常数也是越小的话，那就说这个年龄经历的越长。那哈勃常数就越大呢，这个年龄呢，这个年龄就越大，那么哈勃常数越大呢。这个年龄就越小，为什么呢？很简单，因为膨胀到现在了，你膨胀的速率慢，也就是哈勃常数小，膨胀到现在需要的时间呢就越长。所以天文学家一个很重要的任务，要想测量准宇宙的年龄，你就要把这个哈勃定律里边的哈勃常数来测准。我们放哈勃空间望远镜，很重要的理由就想把哈勃常数测准。那么现在测量的结果呢，这个哈勃常数还不是特别的小，所以我们宇宙的年龄也不是特别的大。大约是一百五十亿年，另外一个我们可以算一算，在宇宙中，一些星球的年龄，特别是我们可以算一算星团的年龄。就这个星团的年龄，就是好多星球组成在一起的我们叫做星团，我们把这个星团的年龄算一下，因为这个星团正好是从非常年轻的恒星，还有非常老的恒星，那么有刚生成的，还有很老的恒星。那么这一个星团的年龄我们是可以测出来的，我们通过它这个在一个图上的一个反应，我们可以测出来它年龄是一百多亿年。除此之外我们还有更直接的方法来测，怎么叫更直接的方法呢？就是通过同位素来测量，比方我们测量地球上边的铀的同位素，通过铀位素衰变的周期来测量地球的年龄。我们测量出来地球的年龄是四十多亿年，此外我们还可以从宇宙飞来的陨石里边测量它上边同位素的含量，也可以确定年龄。总之通过所有的这些因素我们加在一起，就估算出来这个宇宙的年龄不超过二百亿年，那么大家现在倾向于说一百五十亿年。

　　问：我想请问老师一下，因为宇宙它在0.01秒刚开始的年龄的时候，它所处的空间宇宙外部空间是一个什么样的状态？

　　答：这个问题问的也很好，那么宇宙在0.1秒钟的时候，或者在0.01秒的时候，宇宙空间非常非常小，那么小到多小呢？小到你想像它有多小就有多小，绝对比你想像的还要小。你把它想像的像一个米粒那么大，那么我这个宇宙比那个米粒小多了。大家经常在问这个问题，那么这个米粒外头是什么？我们不知道，因为我们就生活在我们这个宇宙里边，我们只知道我们这个宇宙，宇宙以外的事情我们不知道。很可能宇宙外边还有一个宇宙，那个宇宙是另外一个独立的宇宙。可惜目前我们这个宇宙和宇宙还没有连通，不要说宇宙和宇宙没有连通了，我们宇宙内部的星球之间都还没有沟通。所以宇宙外头的事情我们是一概不知，如果你要想知道的话，只能从理论上推测。那么还有一种说法就认为，我们这个宇宙看上去就是一个大黑洞，那外边这个宇宙呢，也是一个大黑洞。所以都是黑洞和黑洞，老死不相往来，谁也不知道谁。但是我们这个宇宙呢，就是从这么小的空间不断不断地膨胀，就是我们现在的就是我们现在的宇宙状态。

　　问：老师我想问一下，现在科学家能不能确定地球在宇宙空间中的位置？

　　答：这个很容易，现在天文学家把地球在宇宙空间的位置确定的非常的精确，精确到什么程度呢？大家从历史上来说，以为老子天下第一。就这个地球，地球就是中心，大家知道后来有一位哥白尼，就把我们的地球搬了搬家，地球不是中心。谁是中心呢？太阳是中心，那么天文家后来再一发现，对不起，太阳也不是中心。太阳也不过就是我们的银河系里非常普通的星球，离银河系的中心大概是五万光年，所我们就想，地球从宇宙的角度来看实在是太渺小了。

　　问：老师我想问一个问题，就是在一开始的时候，您提出了一个熵的概念，而根据熵增原理，熵越大这个体系就越稳定。而对于咱们这个宇宙，如果是处在一个熵增的过程当中，它会不会发展到最后就成所有的星球都发展成碎片？而如果以这样的说法看来，那它不就又回到了最初混沌的状态了吗？还有一个问题就是说现在宇宙的边缘的温度大概是2.7K。您又说，它会处在一个继续降温的过程当中，而降到一个温度之后，它又会有可能收缩，任何一个体系它都有趋向自我稳定的一个趋势，如果是这样的话，那它是不是有一个相对稳定的温度？

　　答：这个问题问的比较好，也比较深入，我们说现在从热力学的原理来讲，的确熵是增加了。这个增加这样，就因为呢，这个状态总是从有序到无序，这个熵的概念看起来很神秘，实际上在很多方面都可以用到熵，我可以给你引申一下，比方说我们可以用熵的概念描绘我们一个城市。我们城市来讲的话，一开始总是熵比较小，所谓熵比较小，就是我们城市供应的都是食品等等都是非常有序的。经过我们城市消化了以后等等，都变成垃圾了。那熵怎么样？就增加了，那你要想这个城市维持得好，就需要在这城市里边注入负熵，也就是让它更有序化。这样的话不使得这个城市越来越混乱，都变成垃圾了，这就是熵的一个基本的概念。我们的宇宙也是这样，目前的宇宙的的确确是处在熵增加的状态，熵在不断地增加。但是我说了，可能增加到一定程度以后，会由无序又逐渐的走向有序，也就是说它可能又凝聚。凝聚以后原来小的一些星球都可能凝聚成更大的星球，使得更有序，那熵就减小了，这种可能是存在的。

下

　　上一讲我们介绍了宇宙是怎样通过大爆炸以后来诞生的，上一次我们只讲了宇宙从大爆炸，然后呢，仅仅的持续了多长时间呢？仅仅持续了三分多钟，也就说我们的宇宙基本框架就形成了。下面我们看，三分钟以后宇宙怎样演化，怎样一步一步的演化到我们现在的星球，现在的宇宙状态。那么我就要问一个最简单的问题，也是最通俗的来问，是先有的鸡还是先有的蛋？我要回答什么问题呢？我要回答的是星系是怎样形成的这个问题。

　　的的确确现在有两种理论，那么哪两种理论呢？我们来看一下，这个图就是一个典型的宇宙从一开始大爆炸以后，逐步演化的一个示意图。那么一开始呢，那一点就是大爆炸，大爆炸以后呢，宇宙不断的膨胀，同时温度也在不断地降低。那么中间的那一部分，就是我们现在看到的宇宙的背景辐射，或者叫做微波背景辐射，那么再往外边看到，宇宙在一点一点降低以后，物质慢慢就温度就越来越降低，越降低以后呢，物质的分子结构就越来越大。换句话说呢，这个物质就开始大家往一块靠，就开始形成一些小的团块，这些团块在再慢慢聚合，一步一步地就形成后边大家看到的，这个星系。也就说由一点一点聚合，就聚合成星系了。

　　如果按照这个顺序的话，不管怎么说，后边这一段是由小的团块一点一点形成大的团块，那就相当于我们说的先有的蛋后有的鸡，就变大了。但是还有一种可能，突然之间就先形成一些大的团块，然后一点一点大的团块再把它分裂，那就是说的先有的鸡后有的蛋。那么从什么时间开始形成星系呢？就是这个宇宙的温度我们说最初非常非常高，有一千亿度，如果说再往回追溯的话呢，甚至比一千亿度还要大。那么在这么高的温度下，我们说它不可能形成物质团块。那么温度降低到四千度的时候，这个时候这些物质的温度就凉下来了，冷下来了。然后呢，大家有可能坐在一起来谈了，就可以靠拢了，所以到了四千度的时候，宇宙中就开始形成物质团块，换句话说，引力就开始起作用，这就是我们星系开始形成的时间，这个时间呢，大约是在宇宙爆炸之后的十亿年，宇宙从爆炸以后，到了十亿年，就开始形成物质团块了。就按照这个图，叫做top-down，就先形成非常大的团块，宇宙一冷下来以后，突然之间这冷下来之后，大家就是非常的高兴，非常的欢呼，原来都在激发状态，谁也不得安宁，突然一冷下来以后所有物质成团了，只有成团了才能沉淀下来，先成团了一个很大很大的团块，多大呢，就像一个大饼一样，这个大饼成了以后，再慢慢慢慢分裂，就形成了下边的一个一个的星系。这是一种可能，这就是说，先有的什么？先有的鸡后有的蛋，先形成大的团块，然后再形成现在的星系。

　　还有一种可能，叫bottom-up，就是先形成小的一些物质，就是团块。然后这些小的物质一点一点来凝聚，最后凝聚成什么？一个一个的星系，总之不管是由大块变成小块的，还由小块的变成大块的，总之要形成什么？形成我们现在的星系，也就是说，宇宙大爆炸之后，大约十亿年，就开始出现形成了星系。

　　这个图是一个模拟图，就模拟一下这个星系是怎么形成的，现在就是做一个它的模拟过程。你看这些个团块在相互之间互相吸引，并合在一起，最后呢，形成了几个星系，好，就形成这个星系，那么我们这个动画呢，最初看到几个团块是由哈勃空间望远镜拍摄下来了，我们然后模拟，那些团块根据我们这个模拟过程最后就形成这个星系。

　　那么现在宇宙中有多少星系呢？数也数不清，我们再看几个，那么这就是真实拍下来的宇宙空间的一部分。你会看到什么，弥漫着很多的物质，这些个物质呢就在不断地形成新的星球，不断地形成新的星球，那么宇宙中和我们银河系一样的星系多不多，太多了，就宇宙中有很多很多和我们银河系一样的类似的星系，你要说我们银河系漂亮不漂亮，跟这个星系比的话，可能还没有这个星系漂亮，这个星系叫做漩涡星系，中间有一个核，是非常漂亮的，所以这个星系在那儿不停的旋转，这就是一个和我们银河系类似的一个河外信息。我们再看一个，这也是一个星系，这个星系呢不那么旋转，我们把它叫做椭圆星系。它是一个椭圆形的，但是这个星系个非常大，这个椭圆星系往往比漩涡星系个头还要大。那么椭圆星系在宇宙中也非常多，我们再看一个，你看这个星系有什么特点呢？一边有旋转，另外它中间那个核不是一个圆的，有点像一个棒槌一样，所以我们管这个星系叫做棒旋星系。

　　这是另外一个星系，这个星系还有一个小兄弟。你看星系左边它还带着一个小的星系跟它连在一起，好像是一个大星系牵着一个小弟弟，两个星系连在一起，样子非常好看。就像一个大的手臂一样，把那个小的星系牵在一起，这也是一个巨大的椭圆星系，这个就比星系的规模要大的多。你看上边那些个点，每一个点就是一个星系，星系和星系组合在一起，是什么呢？叫做星系团，就是星系和星系也可以组合在一起，成为一个更大的家庭，我们叫做星系团。这个就是一个星系团，这个星系团是目前离我们银河系最近的一个星系团，叫做仙女座星系团，离我们最近。

　　我们说了半天，我们银河系是不是一个星系，当然我们银河系是一个星系，有人就问了，那你告诉我银河系星系是什么样子的。这非常困难，因为我们在这个星系里边，是无法看到我们星系全部的面目，我们只能看一部分，看看太阳这边的是什么状态，再看看太阳那边是什么状态，然后我们大体上就把我们的银河系描绘出来了。那么描绘的结果，有一个星系和我们的银河系应该是非常相像的，就是这个星系，这个星系叫做仙女座大星云，这个大星云也是离我们最近的星云之一，这个星云不但是我们的姊妹星云，而且这个星云在历史上立了很大的功劳。

　　我在上一讲提到了，哈勃证明了我们的银河系之外还有银河系，和我们银河系一样的，怎么证明的呢？就是通过这个星系来证明的，具体说它在这个星系里边找到了单个的星，不但找到了这个星，而且通过这个星测出了仙女座大星云的距离，发现这个仙女座大星云，绝对不会是处在我们银河系里边，那么在哈勃之前大家有一种看法，这个就是我们银河系里边的一些星云，所以当初把它叫混了，我们管它叫仙女座大星云。而这个仙女座就不然了，它是我们银河系一样的一个星系。首先有星系，然后星系里边再诞生了各种的恒星，那么恒星周围再有星星的家族。那这样的话，我们这个宇宙就慢慢诞生了，包括人类也就通过宇宙的演化，各种的高等生命，也就诞生了。

　　我们谈到这个地方以后大家会想到，你谈了这么多，谈到了现在了，你能不能谈谈未来，我们的宇宙将来怎么办？所以问题就变成我们的宇宙会终结吗？虽然我们说宇宙的终结离我们是非常非常遥远的事情，但是你不得不考虑。特别是作为科学家来讲，作为天文学家来讲一定要回答这个问题，我们的宇宙会不会有终结？我们再回过来看一下宇宙的演化，你看宇宙从最初一点，一步一步往下演化。我刚才说了，那么到了图的右边你就看到，通过星云以后，最后形成了很多星系，星系里边有恒星，那么恒星周围可能有行星，有可能诞生高等生命。那么宇宙还要往下膨胀，这个宇宙会不会无休止的膨胀下去呢？这是摆在天文学家面前一个非常严肃的问题，你必须回答，不然的话，你这个天文学研究可以说研究得不够彻底，对宇宙的了解还非常有限。天文学家正在努力去回答这个问题，那么通过反复地研究，我们发现我们的宇宙的走向大概是这个样子：我们先说一下这个图，这个图的横坐标就是时间，这个纵坐标就是宇宙的大小，那么靠近坐标轴的这个地方的绿线就是我们目前的状态，就是我们目前宇宙的位置。我们宇宙有三种可能，第一种可能就是最上边那个红线，这个可能就是我们的宇宙一直膨胀下去，一直膨胀下去，而且膨胀的速度是越来越快，往外膨胀，这是的宇宙一种可能。那么中间呢，第二种可能宇宙也是在膨胀，但是它膨胀的速度比较慢一点，比较平坦，也在膨胀，也会是不断地膨胀下去。那么第三种状态，就是最下边那条蓝线，它说呀我们目前的宇宙的确是在膨胀，但是我们宇宙膨胀以后呢，还会收缩，就是说从最初出发以后，膨胀一段时间以后，经过若干若干年以后，还会要收缩回来。

　　这个理论告诉我们，宇宙有这么三种可能性，天文学家就回答了，哪一种是正确的？怎么来回答呢？那么现在要回答这个问题，从理论上讲很简单，从实测上来讲很困难，为什么说从理论上很简单呢？这个宇宙究竟是继续膨胀下去，或者是膨胀的速度很快，或者是膨胀的速度很慢，还是膨胀膨胀以后就收缩回来，主要取决于我们宇宙中的平均物质密度，也就是说我们宇宙中到底有多少物质。如果我们宇宙中平均的物质密度比较高，那么它的引力的作用就会越来越大，那就有可能膨胀一段以后呢，就收缩回来。那么宇宙中如果物质密度比较低，没法拉住，咱们宇宙就一直膨胀下去，就是这样，从理论上讲就这么简单，但是还有一个问题需要天文学家注意，就是宇宙中的暗物质。大家知道我们国家著名的物理学家李政道教授在他的演讲就提到，他说21世纪物理学的一个重要的任务之一就是研究宇宙中的暗物质。

　　因此这些暗物质非常重要，那么事情是不是到此为止呢？没有。事情到此还没有截止，怎么没有截止呢？最后我们观测发现还有更严重的矛盾，就是把宇宙中的这些暗物质加进来，我们算出来宇宙的年龄也不对，还不正确，还必须有其他的物质，才能造成我们目前的宇宙的状态，年龄才能符合。那还有什么物质？一种是看得见的，一种是看不见的，那么看不见的总之它还在那儿存在。我们现在不但看不见，而且现在我们认为还没有存在的物质就是真的不存在，这个问题就很严重了。有没有呢？现在的回答说可能有，而且有的可能性是越来越大。这个物质说来很有意思，这最早是谁提出来的呢？最早是爱因斯坦提出来的，爱因斯坦在他的广义相对论方程里边随便加了一下，再加上一项我这个方程才能平衡，加的是个什么东西呢？爱因斯坦也说不清，大家就在他加的那一项里边在那儿做游戏。做了半天，爱因斯坦表示很歉意，说我这个宇宙中加的这一项，宇宙常数加错了，他说我这一生中犯的一个最大的错误，就是在我的方程里边加了个宇宙常数。可是没想到我们爱因斯坦过世半个世纪了，我们现在没办法了，又把他这个救命的稻草又拿来了。应该加进去，说爱因斯坦老先生没错，还是应该加进去，不但应该加进去而且十分重要，有可能在真空里边就有物质，真空里面可以取出物质来，那你们想一想如果天文学家把这个事情真正证实了，那我们这个物质的来源呢，那就比过去想象的要丰富的多。我们的真空里边就可以取出物质来，而且这个物质的含量甚至比我们看到的物质的含量还要多，还要丰富，那可真是取之不尽，用之不竭。你就随便取吧，探囊取物，想取多少就取多少。当然这个问题还是比较复杂，需要天文学家包括物理学家共同来解决，天文学家从观测上找到他存在的证据。所以说，李政道教授预言的这个是非常正确的，宇宙中21世纪物理学的一个重要的课题，可能就是研究宇宙中的暗物质。

　　那么如果说真的宇宙中有足够的暗物质，物质非常多，那就会出现什么状态呢？就像这个图上所描述的，就是最下边的一个状态。什么状态呢？我们的宇宙目前是在膨胀，膨胀膨胀以后怎么样，就慢慢就收缩了，就又收缩到一点。

　　那么现在天文学家有一个很重要的任务之一，就是不断地来研究宇宙中总的质量究竟有多少，大家知道我们放了空间望远镜，还放宇宙飞船，不仅观测它的光学波段，还观测它的X射线波段，还不够，还观测它的γ射线波段。所有这些目的之一，就想真正了解一下我们宇宙中究竟有多少物质，最重要的是回答我们的宇宙究竟要到那里去，什么时间终结，会不会终结，会不会收缩到一起再重新开始。

　　我讲了这些以后我不用问你们，你们自然有很多问题。这个实在是太玄妙了，不可思议，肯定有很多不可思议的问题。比方说这个宇宙到底有多大呀？你说了半天，这个宇宙有没有边呀，宇宙是大爆炸，大爆炸开始是怎么回事？大爆炸之前是个什么东西呀？大爆炸的空间有多大呀？那么大爆炸的时候，这么大一个宇宙装在那么一个小的空间里边装得下吗？诸如此类的问题太多了，我先回答一个问题。什么问题呢？我们的宇宙有没有边，这个宇宙到底有多大，那么天文学家会告诉你，这个宇宙是无限大的，你走不到尽头，走多远都走不到。你就不相信，我到任何一个地方去，我从这个地方到另外一个地方去，那么走的时间长一点我总能走到，最远是绕着地球转一圈。我也可以转过去，怎么走不到头呢？我先给大家最简单的演示一下，你看这是一张纸，我把这个纸稍微弯一下，弯成这么一个环。大家知道这个环，你看这个面上如果有一个小蚂蚁在这个面上走，你会发现它怎么样？它走得到头走不到？走不到。它转着圈就回来了。你说这个面有几个面？你仔细看一下，这只有一个面。这就说明什么呢？这我就告诉你一件事情，只要我这个空间把它弯曲了，你就会出现这个现象，就不会再走到头了。就这么简单的事情，你放上一个蚂蚁它在上面走，永远也走不到头。所以说空间只要一弯曲你就走不到头了。这就是我刚才弯的曲面的一个卡通片，你看这个蚂蚁在这个面上走来走去，它会怎么感觉，它认为能不能走到尽头？永远走不到尽头，这个宇宙永远走不到尽头。

　　那么回过来说为什么永远走不到尽头？就因为在我们目前这个宇宙中，我们量宇宙的距离是通过什么来量呢？是通过光线，根据广义相对论这个光线在宇宙中是弯曲的，而这个弯曲已经被实验证实了。就说通过日全食的观测已经证明了光线的确是弯曲的，因此我们看这个宇宙是永远看不到尽头，所以我们的宇宙是无限的。

　　另外一点我们要说，你总是想找谁是宇宙的中心？谁是宇宙的边缘？这个不存在。我们说在这个宇宙中根据这个理论，我们宇宙中的任何一点都是平权的。我们说哥白尼把地球为中心搬到太阳为中心，我们就引用他这个名字，把这个原理叫做哥白尼原理。哥白尼原理用在宇宙上怎么说？就在宇宙中各点都是平权的，都是一样的。我们宇宙的话，你站在任何一点来观测宇宙，得到的效果都是一样的，大家都是平权的。这就是说我们的宇宙是一个不会有一个边界宇宙，不会有一个特殊的位置。

　　那么还要回答一个问题，你说宇宙从大爆炸起始的，那么大爆炸之前是什么？我刚才图里演示了，但是一种可能大爆炸之前也是一个宇宙，它收缩了以后开始大爆炸。那么也可能是有其他的可能性，这个可能性我们目前实事求是的说不是太了解。而且宇宙最初这个物理状态这么极端，我们研究透了没研究透，也实事求是的说也没有研究透，这个状态还是非常特殊。但是不管怎么说，这个大爆炸理论到目前为止无论从理论上还是从观测上已经被大部分人都接受了。所以有种说法，我们管目前的大爆炸理论叫做标准的宇宙。由于这个大爆炸它是一个热的大爆炸，而不是一个冷的，所以我们管这个模型叫做热大爆炸宇宙模型。这个热大爆炸宇宙模型，目前呢，已经被广泛地接受了。

　　虽然是说广泛地接受了，但是毕竟有好多不尽如人意的地方，想想起来非常困难。特别是我在介绍宇宙最初三分钟的时候你们都很难想像，说是0.01秒我们整个宇宙都装进去，你会想到不要说整个宇宙把地球装进去都很困难。所以不见得令人那么满意，那么就问了？有没有更理想、更令人满意的学说呢？这个回答应该说是有。尽管有的学说还没有被完全的普遍的接受，但是也不无道理。这样的学说很多，我来介绍其中的一个就是霍伊尔的学说。霍伊尔是英国的一位天文学家，他前年去世的，这个人的在天文学上面有很多重要的贡献。那么其中他就创立了一个学说，叫什么学说呢？叫稳恒态学说。他说我简直就不可思议，你这个宇宙起始的时候就那么一个大爆炸，这个不可思议是两方面：一方面你这个物理状态就不可思议。你说是夸克汤，哪来这么多夸克汤？谁来煮这个夸克汤能煮出这么一锅来？所以这个物理状态不可思议。另外一个他说你这个物理规律也不可思议，在那样极端的条件下，目前我们理解的物理规律在那个地方大概早就破坏了。所以他说你那个学说不对，我现在建立另外一个学说，叫什么学说呢？叫稳恒态学说。

　　它有两层含义，我们以前介绍的时候，往往讲的不是很清楚。哪两层含义呢？就说我们这个物质，目前宇宙的物理状态是比较稳定的，不会有大的起伏，不会有破坏性的，是一个稳恒的状态。第二层含义，这个宇宙不管怎么演化，从最初到现在到将来，它的物理规律都是一致的，就是说宇宙的最初演化到现在，这个物理规律应该是保持不变的。他说我们现在的宇宙模型不错，是在膨胀的，原来的宇宙呢？也是这个样子，只不过比现在小了一点。那么小了一点的话，里边的物质怎么样呢？他就说也少了一点，那过去那个物理状态怎么样？就比现在的密集，所以过去要小的话，里边的物质也少，现在比较大了，物质就增加了。如果我这个宇宙在膨胀，那物质就增加。人家就问了你这个物质怎么来的？他说很简单，怎么个简单法呢？这个宇宙一边膨胀，物质就一边产生，随着宇宙的膨胀，我这物质就不断地在那儿产生。这个理论过去说起来呀，那是大逆不道，我们说我们有种看法认为物质是不生不灭等等，那你物质无中生有，那不是大逆不道是什么？现在看来也不无道理，既然真空中都可以产生物质，那就一边膨胀，就一边有物质产生。这就是霍伊尔的宇宙观的基本思想。那么他这个理论曾经遭到过一些非议，但是，支持的人也大有人在。有很多观测想支持他这个理论，他本人也很聪明，想了很多办法去解释。

　　我讲了这么多，现在我讲讲我们中国古代的天文观念。我们中国人很聪明，不光在现在，古代我们就想了很多模型。我们来看一下，这个图片就告诉我们，我们中国人古代想出的宇宙，那么这个你看这个模型很简单，但是我要告诉你，这是周朝时候就想出来的，你就觉得不简单了。它像一个锅盖一样，叫做什么学说？盖天说，像一个锅盖盖在那个地方，天上有好多星星，而且在这个基础上编了很多故事。我们这个锅盖可能有好多柱子在那儿支着，有八个柱子，一开始说有四个柱子，后来说四个柱子支的锅盖支不住，八个柱子还支不住，所以那个女娲氏，她怎么办？去补天，她补一补。所以我们想像力很丰富，这是我们的什么说？盖天说。后来发现盖天说有不足之处，到了春秋战国的时候我们又想了一个，叫什么说？不光有一个锅盖盖在上面，下边还有，叫做什么说？混天说，就是我们整个宇宙就混混沌沌这么一个大圆球，我们地球像蛋黄一样，在这个宇宙中间，就叫混天说。所以我们想像力很丰富，根据混天说就造了混仪，这就是通过混天说的观点造的混仪，我们古代这位天文学家叫做张衡。说到这个地方，我就想到这么一个事情，就是天文学有没有用？有多大的用处？

　　我讲了半天，似乎大家感觉呢，非常的深奥，有没有现实意义呢？我可以回答你这个天文学虽然是非常深奥，但是天文学正是我们人类接触自然科学里边的第一门学科。我说人类接触自然的第一门科学就是天文学，为什么那么说呢？古代人要耕作，耕作的话你要知道春夏秋冬，他怎么知道春夏秋冬？通过什么来知道？就是通过看天上的星象，那么日月我们看一般的每日每月，这个季节呢？它就通过看天上的星象，什么星星出来了，到了什么什么季节了，也就是季节的划分等等都是靠着天文学。所以从最早的话，人类依靠的自然科学就是天文学，所以说这个天还是非常美丽的。研究宇宙呢！还是很有意义的。你看这个小姑娘，在目视着天空，在想宇宙的各种可能的模型以及我们宇宙的发展未来。谢谢大家