宇宙的产生过程是怎样的?

宇宙的产生过程是怎样的?
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大爆炸理论
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(重定向自大爆炸)
根据大爆炸理论,宇宙是由一个致密致热的奇点膨胀到现在的状态的.大爆炸理论是宇宙物理学(physical cosmology)关于宇宙起源的理论.根据大爆炸理论,宇宙是在大约140亿年前由一个密度极大且温度极高的状态演变而来的.本理论产生于观测到的哈勃定律下星系远离的速度,同时根据广义相对论的弗里德曼模型(Friedmann model),宇宙空间可能膨胀.延伸(Extrapolate)（数学上同插值(intepolation)相反）到过去,这些观测结果显示宇宙是从一个起始状态膨胀而来.在这个起始状态中,宇宙的物质和能量的温度和密度极高.至于在此之前发生了什么,广义相对论认为有一个引力奇点(gravitational singularity),但物理学家对此意见并不统一.
大爆炸一词在狭义上是指宇宙形成最初一段时间所经历的剧烈变化,这段时间通过计算大概在距今137亿（1.37 × 1010）年前；但在广义上指当今流行的揭示宇宙起源和膨胀的理论.这一理论的直接推论是我们今天所处的宇宙同昨天或者明天的宇宙不同.根据这一理论,乔治·盖莫夫(George Gamow)在1948年预测了宇宙微波背景辐射的存在.1960年代,这一辐射被探测到,有力地支持了大爆炸理论,从而否定了另一个比较流行的稳恒态宇宙理论(steady state theory).
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1 发展历史
2 理论
3 证据
3.1 哈勃定律和宇宙膨胀
3.2 宇宙微波背景辐射
3.3 原始物质丰度
3.4 星系演变和分布
4 疑点和反对意见
5 这意味着怎样的未来?
6 哲学和宗教意义
7 外部链接
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发展历史
大爆炸理论是通过实验观测和理论推导发展的,在实验观测方面,1910年代,维斯特·斯里弗尔（Vesto Slipher）和卡尔·韦海姆·怀兹（Carl Wilhelm Wirtz）证实了大多数旋涡星云正在退离地球,不过他们并没有因此联想到这对宇宙学意味着什么,也不认为发现的星云其实是银河系外的其他星系.同时在理论上,爱因斯坦的广义相对论成功建立并推出没有稳定态宇宙.通过度量张量（metric tensor）描述的宇宙不是膨胀就是收缩,爱因斯坦认为他自己解错了,并加入了一个宇宙学常数（cosmological constant）来进行改正.第一个不使用宇宙学常数,而真正认真将广义相对论运用到宇宙学中的是亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）,他的方程所描述的宇宙称为Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker宇宙,时间是1922年.1927年,比利时天主教牧师Georges Lemaître独立推导出Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程,并在螺旋星云后退现象的基础上提出了宇宙是从一个“初级原子”“爆炸”而来的—这就是后来所谓的大爆炸.
1929年,爱德文·哈勃为Lemaître的理论提供了实验条件.哈勃证明这些旋涡星云其实是星系,并通过观测仙王座δ（Cepheid variable）的星体测算出了他们之间的距离.他发现,星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比,这就是所谓哈勃定律.根据宇宙学的原理,当观测足够大的空间时,没有特殊方向和特殊点,因此哈勃定律说明宇宙在膨胀.这一观点存在两种互相对立的可能性：一种是由Lemaître提出,乔治·盖莫夫（George Gamow）支持和完善的大爆炸理论；另一种则是霍伊尔(Fred Hoyle)的稳恒态宇宙模型（steady state model）.在稳恒态宇宙模型里,新物质在星系远离留下的空间中不断产生,从而宇宙基本不变化.其实这个理论的提出是出于讽刺Lemaître的大爆炸理论的,最开始是在1949年通过BBC广播节目形式传播的,论文《物质的自然》（The Nature of Things）发表于1950年.
之后的许多年,这两种理论并立,但观测事实开始支持一个演变子热密状态的宇宙.1965年宇宙微波背景辐射的发现使人们认为大爆炸理论是宇宙起源和演变最好的理论.1970年以前,很多宇宙学家认为宇宙可能在膨胀以前先收缩,这样可以避免从弗里德曼模型推出一个无限致密的“荒谬”的奇点.比较有代表性的是Richard Tolman的脉动宇宙模型（oscillating universe）.1960年代末,史蒂芬·霍金等人证明这个假设行不通,因为奇异点是爱因斯坦引力理论的直接和重要推论.之后大多数宇宙物理学家开始接受广义相对论所描述的宇宙在时间上是有限的.但是,由于对于量子引力规律缺乏认识,现在还不能断定这个奇异点到底是真正集合意义上的无限小点,还是物理收缩过程可以无限进行下去,从而间接达到宇宙在时间上无限.
现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关,或者是它的延伸,或者是进一步解释,例如大爆炸理论下星系如何产生,大爆炸时发生的物理过程,以及用大爆炸理论解释新观测结果等.90年代后期和二十一世纪初,由于望远镜技术的发展和人造探测器收集到大量数据,大爆炸理论又有了新的巨大突破.大爆炸时期宇宙的情况和数据可以计算得更加精确,并产生了很多意想不到的结果,比如宇宙的膨胀在加速.（参看：暗能量（dark energy）.）
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理论
大爆炸理论测算出宇宙的年龄是137±2亿年,这一计算是通过对Ia型超新星的观测,对宇宙背景辐射强度的测量,以及对星系相关函数（correlation function）的测量得出的.这三个独立测算所得到的结果一致,从而被认为是所谓更详细描述宇宙中星系性质的Lambda-CDM model的强有力证据.早期的宇宙充满了同源同性的物质,其温度压强能量都极高.随着膨胀和冷却,宇宙物质经历了相变,这种相变与蒸气冷却时的凝结过程和水的凝固过程相似,不同之处在于前者发生在更基本的粒子层面上.
普朗克时期（Planck epoch）之后大约10 − 35秒,相转变引起宇宙产生指数级增长,称为暴胀（cosmic inflation）.之后暴胀停止,此时宇宙的物质形式是夸克-胶子等离子体（quark-gluon plasma）（同时也具有其他粒子,例如可能含有最近实验发现的夸克-胶子液体（quark-gluon liquid））,这些物质的运动都符合相对论.宇宙继续在空间上膨胀,温度继续下降.在某一温度下,一种至今未知的所谓重子相变（baryogenesis）的相变产生,夸克和胶子组成重子,就是质子和中子,同时还在物质和反物质之间产生了不对称性,这种不对称性已经被实验证实.随着温度进一步降低,更多无对称的相变发生,形成了现在的基本粒子和基本相互作用.之后,一些质子和中子结合,组成氘和氦的原子核,这个过程叫做大爆炸核合成（Big Bang nucleosynthesis）.随着宇宙的冷却,物质不再依照相对论理论运动,而静止质量的能量密度以引力形式存在,并超过辐射形式的能量密度.在大约30万年之后,电子和原子核结合成为原子（主要是氢原子）,而物质通过脱耦（decouple）发出辐射并在宇宙空间中相对自由的传播,这就是今天德宇宙微波背景辐射.
随着时间的前进,在几乎是均匀分布的物质空间中,密度稍微大一点儿的区域通过引力作用吸引附近的物质,从而变得密度更大,并形成今天的气体云（gas cloud）、恒星、星系和其他天文学观测到的结构.具体过程决定于宇宙物质的形式和数量,其中形式可能有三种：冷暗物质、热暗物质和重子物质（baryonic matter）.
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证据
一般来说,大爆炸宇宙学理论有三个观测基础：
星系红移为基础的哈勃膨胀；
宇宙微波背景的细致测量；
轻物质丰度（参见大爆炸核合成（Big Bang nucleosynthesis））.
另外,观测到的宇宙大尺度结构（large-scale structure of the cosmos）的相关函数（correlation function）符合标准大爆炸理论.
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哈勃定律和宇宙膨胀
参见哈勃定律.
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宇宙微波背景辐射
参见宇宙微波背景辐射.
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原始物质丰度
参见大爆炸核合成（Big Bang nucleosynthesis ）.
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星系演变和分布
参见宇宙大尺度结构.
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疑点和反对意见
宇宙大爆炸理论在其发展的过程中产生了一些疑点和问题,其中有些随着观测和理论的不断完善得到了解决,而成为了历史,但也有一些问题至今没有圆满解决,诸如环形尖点问题（Cuspy halo problem）、冷暗物质的矮星系问题（dwarf galaxy problem）等.有些人认为这些问题并不是大爆炸理论的致命问题,通过大爆炸理论的进一步发展可以得到解决.
大爆炸理论的主要疑点和问题有:
视野问题（horizon problem）；
均匀度问题（flatness problem）；
磁单极问题（Magnetic monopoles）；
重子不对称（Baryon asymmetry）；
球状星云的年龄（Globular cluster age）；
暗物质；
暗能量.
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这意味着怎样的未来?
在发现暗能量之前,宇宙学家认为宇宙有两种未来.如果宇宙物质密度（density）超过临界密度（critical density）,宇宙会在膨胀到最大体积之后收缩,在收缩过程中,宇宙的密度和温度都会再次升高,最后终结于同爆炸开始相似的状态——一个致密致热的小球.或者如果宇宙物质密度等于或者小于临界密度,膨胀会逐渐减速,但永远不会停止.造星运动会随宇宙密度减小而逐渐停止,而宇宙的温度会趋近于绝对零度.黑洞被气化,宇宙的熵会增加到极点,再也不会有有组织的能量形式产生,这叫做热寂说（heat death）.如果质子衰变（proton decay）存在,宇宙最后甚至连氢原子这种最基本最多的重子物质都会消失,而只剩下辐射.
但现在在发现加速膨胀宇宙（accelerated expansion ）之后,人们有了新的推测：现今可观测的宇宙将离开我们的视野（event horizon）而同我们失去联系,最终结果还不清楚.Lambda-CDM model宇宙模型认为宇宙的暗能量以宇宙常数形式存在,并提出只有诸如星系等重力支配系统的物质会聚集,从而同样推出宇宙膨胀和冷却到最后将是热寂说.对暗能量的其他解释,例如幻影能量理论（phantom energy）则认为星系群甚至星系都会在大分离过程中被“撕”开.
参见宇宙最终归宿（Ultimate fate of the universe）
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哲学和宗教意义
哲学上,有一些对大爆炸理论诠释完全主观和超越科学.一些诠释企图解释大爆炸的原因(第一因),被自然主义的哲学家批评为现代的世界起源神话.一些人相信大爆炸理论支持传统的世界起源观点,譬如在创世记所载的,另一些人认为所有大爆炸理论都与传统观点不合.
大爆炸理论本身是纯粹的科学理论,不与宗教关连.一些基本教义派的诠释与大爆炸理论所描述的宇宙历史不相符合,但较接近于自由派的诠释则没有冲突.
以下是不同宗教对大爆炸理论的诠释：
道教的《道德经》中有“道生一,一生二,二生三,三生万物.万物负阴而抱阳,冲气以为和”（42章）的语句.这可以解释为“道”即宇宙,开始于“一”个奇异点,之后生出正反物质（“二”）,从而产生了构成万物的质子、电子和中子. 万物都是由于正反粒子相互作用而通过大爆炸的形式产生的.
佛教中宇宙的概念没有起始点.但是大爆炸理论并不与其观念相矛盾,因为在大爆炸理论基础上可以假设一个永恒的宇宙,例如不少禅宗哲学家对脉动宇宙（oscillating universe）特别感兴趣.
一些伊斯兰教学者认为《古兰经》关于宇宙起源问题的内容与大爆炸理论相符合：“不相信的人不是看到在我们分开天堂和地球之前,它们是相连并一起被创造出来吗?”（Do not the unbelievers see that the heavens and the earth were joined together as one unit of creation, before We clove them asunder?）（21章30节）而且古兰经还描述了一个膨胀的宇宙：“我们用能力（power）建造天堂,我们也正在扩大（expand）它.”（The heaven, We have built it with power. And verily, We are expanding it）（51章47节）.在古兰经里还发现有同宇宙大收缩以及脉动宇宙向符合的经文：“如同我们开始创造天堂一样,当有一天我们像卷起书卷一样卷起天堂的时候,我们会再造它.这是一个承诺,一定会这样的.”（On the day when We will roll up the heavens like the rolling up of the scroll for writings, as We originated the first creation, (so) We shall reproduce it; a promise (binding on Us); surely We will bring it about.）（21章104节）
一些基督教教会,包括罗马天主教教会(Roman Catholic Church)已经接受大爆炸理论,把它作为哲学上宇宙起源的一种描述.庇护十二世教皇(Pope Pius XII)对推广大爆炸理论很热心,尽管当时的理论并不完善.
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外部链接
宇宙学模型（英文）
取自"http://wikipedia.cnblog.org/wiki/%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8%E7%90%86%E8%AE%BA"
页面分类: 宇宙学 | 天体物理学 | 20世纪 | 21世纪
参考资料：http://zhidao.baidu.com/question/2342667.html?fr=qrl3
宇宙的起源
本世纪,有两种"宇宙模型"比较有影响.一是稳态理论,一是大爆炸理论.20年代后期,爱德温·哈勃(Edwin Hubble)发现了红移现象,说明宇宙正在膨胀.60年代中期,阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)发现了"宇宙微波背景辐射".这两个发现给大爆炸理论以有力的支持.现在,大爆炸理论广泛地为人们所接受.
大爆炸理论认为,宇宙起源于一个单独的无维度的点,即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点.至少是在120~150亿年以前,宇宙及空间本身由这个点爆炸形成.
宇宙是如何起源的?空间和时间的本质是什么?这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题.经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲,宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辨,而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学.
目前学术界影响较大的“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的,他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里,在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙.1948年,俄裔美籍物理学家伽莫夫等人,又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后,经一系列元素演化到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像.但是该理论存在许多使人迷惑之处.
宏观宇宙是相对无限延伸的.“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个点,而它周围却是一片空白,即将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测.况且从能量与质量的正比关系考虑,一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢?
人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年.但宇宙中所有天体的运动速度都是不同的,在宇宙范围,时间没有衡量标准.譬如地球上东西南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义.既然年的概念对宇宙而言并不存在,大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢?
1929年,美国天文学家哈勃提出了星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说.哈勃定律只是说明了距离地球越远的星系运动速度越快--星系红移量与星系距离呈正比关系.但他没能发现很重要的另一点--星系红移量与星系质量也呈正比关系.
宇宙中星系间距离非常非常遥远,光线传播因空间物质的吸收、阻挡会逐渐减弱,那些运动速度越快的星系就是质量越大的星系.质量大,能量辐射就强,因此我们观察到的红移量极大的星系,当然是质量极大的星系.这就是被称作“类星体”的遥远星系因质量巨大而红移量巨大的原因.另外那些质量小、能量辐射弱的星系（除极少数距银河系很近的星系,如大、小麦哲伦星系外）则很难观察到,于是我们现在看到的星系大多呈红移.而银河系内的恒星由于距地球近,大小恒星都能看到,所以恒星的红移紫移数量大致相等.
导致星系红移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物质结构都是在一定范围内围绕一个中心按圆形轨迹运动的,不是像大爆炸宇宙论描述的从一个中心向四周作放射状的直线运动.因此,从地球看到的紫移星系范围很窄,数量极少,只能是与银河系同一方向运动的,前方比银河系小的星系；后方比银河系大的星系.只有将来研制出更高分辨程度的天文观测仪器才能看到更多的紫移星系.
宇宙中的物质分布出现不平衡时,局部物质结构会不断发生膨胀和收缩变化,但宇宙整体结构相对平衡的状态不会改变.仅凭从地球角度观测到的部分（不是全部）可见星系与地球之间距离的远近变化,不能说明宇宙整体是在膨胀或收缩.就像地球上的海洋受引力作用不断此涨彼消的潮汐现象并不说明海水总量是在增加或减少一样.
1994年,美国卡内基研究所的弗里德曼等人,用估计宇宙膨胀速率的办法计算宇宙年龄时,得出一个80～120亿年的年龄计算值.然而根据对恒星光谱的分析,宇宙中最古老的恒星年龄为140～160亿年.恒星的年龄倒比宇宙的年龄大.
1964年,美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到的微波背景辐射,是因为布满宇宙空间的各种物质相互之间能量传递产生的效果.宇宙中的物质辐射是时刻存在的,3K或5K的温度值也只是人类根据自己判断设计的一种衡量标准.这种能量辐射现象只能说明宇宙中的物质由于引力作用,在大尺度空间整体分布的相对均匀性和星际空间里确实存在大量我们目前还观测不到的“暗物质”.
至于大爆炸宇宙论中的氦丰度问题,氦元素原本就是宇宙中存在的仅次于氢元素的数量极丰富的原子结构,它在空间的百分比含量和其它元素的百分比含量同样都属于物质结构分布规律中很平常的物理现象.在宇宙大尺度范围中,不仅氦元素的丰度相似,其余的氢、氧……元素的丰度也都是相似的.而且,各种元素是随不同的温度、环境而不断互相变换的,并不是始终保持一副面孔,所以微波背景辐射和氦丰度与宇宙的起源之间看不出有任何必然的联系.
大爆炸宇宙论面临的难题还有,如果宇宙无限膨胀下去,最后的结局如何呢?德国物理学家克劳修斯指出,能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程,适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件,在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量,他把这个物理量取名为“熵”,孤立系统中的“熵”永远趋于增大.但在宇宙中总会有高“熵”和低“熵”的区域,不可能出现绝对均匀的状态.所以,那种认为由于“熵”水平的不断升高而达到最大值时,宇宙就会进入一片死寂的永恒状态,最终“热寂”而亡的结局,是把我们现在可观测到的一部分宇宙范围当作整个宇宙的误识.
根据天文观测资料和物理理论描述宇宙的具体形态,星系的形态特征对研究宇宙结构至关重要,从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态.而星系共有的圆形旋涡结构就是整个宇宙的缩影,那些椭圆、棒旋等不同的星系形态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果.
奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式.这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用,大至旋涡星系,小至DNA分子,都是在这种螺旋线中产生.大自然并不认可笔直的形式,自然界所有物质的基本结构都是曲线运动方式的圆环形状.从原子、分子到星球、星系直到星系团、超星系团无一例外,毋庸置疑,浩瀚的宇宙就是一个大旋涡.因此,确立一个“螺旋运动形态宇宙模型”,比那种作为所有物质总和的“宇宙”却脱离曲线运动模式而独辟蹊径,以直线运动方式从一个中心向四面八方无限伸展的“大爆炸宇宙模型”,更能体现真实的宇宙结构形
还有一点,大爆炸是循环的,有科学家声称:宇宙现在的膨胀达到极点时将又发生一场大爆炸.如同黑洞的形成过程一样,宇宙将变成一个高密度、小体积的球体.缩小到一定程度后,将再次发生大爆炸.根据能量守恒定律,宇宙的能量并没有消亡.但是,却没有人能解释,大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等等,都是像上次一样（几百几千亿年以后,又有太阳系,又有地球,又有中国,又有你）,还是重新排列（光凭空可以弯曲——|||）
宇宙起源的问题有点像这个古老的问题：是先有鸡呢,还是先有蛋.换句话说,就是何物创生宇宙,又是何物创生该物呢?也许宇宙,或者创生它的东西已经存在了无限久的时间,并不需要被创生.直到不久之前,科学家们还一直试图回避这样的问题,觉得它们与其说是属于科学,不如说是属于形而上学或宗教的问题,然而,人们在过去几年发现,科学定律甚至在宇宙的开端也是成立的.在那种情形下,宇宙可以是自足的,并由科学定律所完全确定.
关于宇宙是否并如何启始的争论贯穿了整个记载的历史.基本上存在两个思想学派.许多早期的传统,以及犹太教、基督教和伊斯兰教认为宇宙是相当近的过去创生的.(十七世纪时邬谢尔主教算出宇宙诞生的日期是公元前4004年,这个数目是由把在旧约圣经中人物的年龄加起来而得到的.)承认人类在文化和技术上的明显进化,是近代出现的支持上述思想的一个事实.我们记得那种业绩的首创者或者这种技术的发展者.可以如此这般地进行论证,即我们不可能存在了那许久；因为否则的话,我们应比目前更加先进才对.事实上,圣经的创世日期和上次冰河期结束相差不多,而这似乎正是现代人类首次出现的时候.
另一方面,还有诸如希腊哲学家亚里斯多德的一些人,他们不喜欢宇宙有个开端的思想.他们觉得这意味着神意的干涉.他们宁愿相信宇宙已经存在了并将继续存在无限久.某种不朽的东西比某种必须被创生的东西更加完美.他们对上述有关人类进步的诘难的回答是：周期性洪水或者其他自然灾难重复地使人类回到起始状态.
两种学派都认为,宇宙在根本上随时间不变.它要么以现在形式创生,要么以今天的样子维持了无限久.这是一种自然的信念,由于人类生命——整个有记载的历史是如此之短暂,宇宙在此期间从未显著地改变过.在一个稳定不变的宇宙的框架中,它是否已经存在了无限久或者是在有限久的过去诞生的问题,实在是一种形而上学或宗教的问题：任何一种理论都对此作解释.1781年哲学家伊曼努尔·康德写了一部里程碑式的,也是非常模糊的著作《纯粹理性批判》.他在这部著作中得出结论,存在同样有效的论证分别用以支持宇宙有一个开端或者宇宙没有开端的信仰.正如他的书名所提示的,他是简单地基于推理得出结论,换句话说,就是根本不管宇宙的观测.毕竟也是,在一个不变的宇宙中,有什么可供观测的呢?
然而在十九世纪,证据开始逐渐积累起来,它表明地球戏及宇宙拭其他部分事实上是随时间而变化的.地学家们意识到岩石以及其中的化石的形成需要花费几亿甚至几十亿年的时间.这比创生论者计算的地球年龄长得太多了.由德国物理学家路德维希·破尔兹曼提出的所谓热力学第二定律还提供了进一步的证据,宇宙中的无序度的总量(它是由称为熵的量所测量的)总是随时间而增加,正如有关人类进步的论证,它暗示只能运行了有限的时间,否则的话,它现在应已退化到一种完全无序的状态,在这种状态下万物都牌相同的温度下.
稳恒宇宙思想所遭遇到的另外困难是,根据牛顿的引力定律,宇宙中的每一颗恒星必须相互吸引.如果是这样的话,它们怎么能维持相互间恒定距离,并且静止地停在那里呢?
牛顿晓得这个问题.在一封致当时一位主要哲学家里查德·本特里的信中,他同意这样的观点,即有限的一群恒星不可能静止不动,它们全部会落某个中心点.然而,他论断道,一个无限的恒星集合不会落到一起,由于不存在任何可供它们落去的中心点.这种论证是人们在谈论无限系统时会遭遇到的陷阱的一个例子.用不同的方法将从宇宙的其余的无限数目的恒星作用到每颗恒星的力加起来,会对恒星是否维持恒常距离给出不同的答案.我们现在知道,其正确的步骤是考虑恒星的有限区域,然后加上在该区域之外大致均匀分布的更多恒星.恒星的有限区域会落到一起,而按照牛顿定律,在该区域外加上更多的恒星不能阻止其坍缩.这样,一个恒星的无限集合不能处于静止不动的状态.如果它们在某一时刻不在作相对运动,它们之间的吸引力会引起它们开始朝相互方向落去.另一种情形是,它们可能正在相互离开,而引力使这种退行速度降低.
参考资料：http://baike.baidu.com/view/298574.html

在过去的几十年中，天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约为100亿至150亿年之间，这段时间若与人类历史或者地质年代相比简直太长了。但从某种意义上说，宇宙仍然是个新生儿，人生历程才刚刚开始，宇宙自身许多的神奇故事还没有上演呢！
在天文学家们的日常工作中，经常讨论一些也许多少亿年也不会发生的事情。比如，根据恒星演化的理论，在大约11亿年以后，我们的太阳将变得非常热，被煎熬的地球由于不再适于...

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在过去的几十年中，天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约为100亿至150亿年之间，这段时间若与人类历史或者地质年代相比简直太长了。但从某种意义上说，宇宙仍然是个新生儿，人生历程才刚刚开始，宇宙自身许多的神奇故事还没有上演呢！
在天文学家们的日常工作中，经常讨论一些也许多少亿年也不会发生的事情。比如，根据恒星演化的理论，在大约11亿年以后，我们的太阳将变得非常热，被煎熬的地球由于不再适于生命的存在而变得一片荒凉。70亿年以后，它将成为一个庞大的红巨星。接着在随后的几亿年的时间里，它将耗尽自己的核能，外壳变暗成为一颗白矮星，进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。
这些严肃的事实让人不禁会问，是不是天上所有的星星都有一天会走到自己生命的尽头？是否有一天每颗星都已熄灭而又灭有更多的产生出来？如果所有的星都已逝去了，宇宙中将会发生什么事情？生命会在以个无星的环境中存在吗？生命是否还有其它奇怪的形式？并且很快我们就会问到这样一个终结问题：宇宙是否存在一个最终状态，在此以后又重新开始的可能也没有？
以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。大致而言，宇宙的前途有三种可能：封闭、平直和开放。对封闭宇宙猛烈的攻击始于1969年Martin Rees（现在是英国皇家天文学家）的一篇开创性的文章。而后，Iamal Islam 和Freeman Dyson推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。
在此，根据Rees, Islam, Dyson 的理论以及现在人类对物理和天文的最新理解，为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图象。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样，随着天文学和物理学的发展，这些描述同样也会被重写。
一个开放的宇宙
大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性，特别是在 有关宇宙膨胀、微波背景辐射及各种轻元素的不同丰度等方面，而几乎所有的通常意义上的 物质都是由这些轻元素组成的。
始自大爆炸的宇宙将面临三种不同的命运：一个封闭的宇宙将由于自身引力作用而最终走向塌缩，开放的宇宙将永远膨胀下去，平直宇宙则介于二者之间，它也会永远膨胀下去，膨胀速度不断减慢，但永远不会达到静止。
最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密度，一个被宇宙学家称之为Ω的值。平直宇宙，处于准确的平衡状态，其Ω值被定义为1。如果Ω大于1，哪怕仅超过一点点，宇宙就会拥有足够的质量也可以说是能量，从而靠其自身引力阻止膨胀的趋势，把所有的物质拣回到一个难以想象的奇点，如果Ω小于1，宇宙正以快与其"逃逸速度"的速度在膨胀，且会继续膨胀下去。
我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终判决正在到来，基于近来几种方式的天文观测表明Ω在0.2至0.3之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于Ω等于1。但不论观测还是理论都没有得出过大于1的结论。
如果Ω小于或等于1，那么宇宙将回存活足够长的时间以允许许多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全部发生。在这篇文章中，我们暂且认为宇宙会永远膨胀，并可以持续到无穷的时间。
暴胀时代
对于宇宙的极早期，我们知之甚少，虽然如此，现代物理还是把答案归咎于大爆炸。理论物理学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇宙的开始。一般认为存在许多次大爆炸，而非一次，不断地从以前形成的时空中产生出来，每次大爆炸，宇宙都迅速涨大，并从产生它的母体中分离，这个新的宇宙与其它宇宙相互隔离并且是以其自有的方式演化。
对于我们存在的这个宇宙，对数时间轴有一个确切的始点：10E-44秒，这个时间称为普朗克时间，被认为是时间的量子单位，不能把时间划分得比这儿再小了，正如一种基本粒子电子不能再分割成更小的成分一样。
根据现有理论，时间轴上下一个重要的事件于发生于10E-7量级之后，即10E-37秒的时候，在此时新生的宇宙具有难以置信的高温和密度。超高能量的量子场使空间以很大的加速度在膨胀。与此同时，产生了非常小的密度起伏，否则这个微小寂寞的宇宙将充满光滑又毫无特征的能量场。这些微小的变化随空间的膨胀而保留了下来。他们以后便成为了我们现在所看到的星系、星系团和大尺度结构的种子。在10E-32秒的时候，这样的暴涨停止了，随后宇宙膨胀的步子温和多了。
这里要提醒大家注意的是：暴胀理论预言的宇宙Ω0等于1，至少也是理论的最简单情况。物理学家正设法使这种理论能产生出开放的宇宙来。
辐射为主的时代
下一个不断冷却且不断膨胀的时代持续了10E43个数量级，直至宇宙的年龄为一万年，在这段时间里，宇宙中除了光滑单一的辐射海洋外，几乎一无所有，我们熟悉的天体，如恒星和星系，现在还没有诞生。
在一辐射为主的时代中，许多重要的时间奠定了我们现在所知宇宙的性质，例如：复杂粒子的相互作用使得正物质比反物质稍稍多了一点。反物质和几乎所有的正物质都相互湮灭了。残留下来的一些正物质便形成了我们知道的这个宇宙。
大爆炸后数分钟时，冷却的物质开始形成轻元素的核，包括氢、氘、氦和锂。核物理定律对标准大爆炸模型在这时期的温度、压强和密度已经开始适用。因此我们可以准确地计算所应产生的原物质的成分。计算结果与我们实际所观测到的宇宙中最古老的物质的成分是相等的。
当不断减少的辐射能量密度低于物质的能量密度时，辐射为主的时代结束了。
以上情况不久，另一有划时代意义的事件便发生了。在宇宙年龄为30万年时，宇宙的温度第一次下降到了可以让整个原子（特别是氢原子）得以形成并保持下来的程度。在此之前，温度太高了，即使有一电子与原子结合在一起也会很快被撞为自由电子的。宇宙转化为由中性氢构成的这一时期被称为"复合时?quot;。
这个过程很重要，因为这是第一次把宇宙从辐射中解放出来，还之以透明。在此之前，宇宙是不透明的辐射不断地与物质粒子相互作用。由于气体氢是透明的，所以这时的辐射可以自由飞翔了。首次一自由光的形式传播。今天我们观测到的微波背景辐射就是复合时期遣留下来的。由于其强度大大减弱，该辐射已经产生了很大的红移。
由此开始，那些没有被漫步宇宙的辐射之海所平滑掉的物质密度的起伏开始产生结构，我们熟悉的天体，像恒星和星系开始形成。
恒星时代
恒星时代意味着这是一个"充满恒星"的时代，在该时代中，宇宙中产生的大部分能量来自于普通恒星的核聚变。恒星不断地形成、演化和死亡。我们目前就生活在恒星时代中期。
第一代恒星可能形成于宇宙仅有几百万年历史的时候（虽然这类属于"星族Ⅲ"的恒星到目前还没被证实）。在随后的几十亿年间，最初的星系开始出现，并逐渐形成星系团、超大星系团和大尺度结构。在很多星系内部，恒星形成过程以惊人的速率发生。许多年轻的星系还经历着与其贪婪的中心黑洞有关的剧烈过程。黑洞会把魔爪的恒星撕裂，并把它们变成由热气体组成的围绕其自身的吸积盘。在时间的长河中，大多数的类星体和活动星系核逐渐死去。我们的太阳和太阳系形成得稍晚，大约在45亿年前，这时银河系已经存在了相当长的一段时间了。
在我们太阳系演化的过程中，不能不提的一个事件是当太阳耗尽其氢燃料后，重新调整自身结构并形成一颗红巨星。计算机模拟结果表明太阳表面将会令人伤心地膨胀到几乎足以吞没我们的地球，强大的热量将使地壳熔化，毁灭所有曾经存在于这个行星表面的生物和文明留下的证据。
然而，地球也在以各种可能的方式脱离这场灾难。成为红巨星的太阳将以很强的太阳风的形式抛弃大量物质。随着胀大的太阳把它的物质丢弃在太空，地球的轨道也会逐渐扩展一些，到一个稍安全些的地方，也许会变得和目前火星轨道大小差不多。
与此同时，在更大的尺度上，星系之间的碰撞和合并也在继续，然而这对星系中的单个恒星或行星并没有多少影响。据估计，60亿年后，我们的银河系将与M31，即仙女座大星云产生相互作用，即使那次不会合并，在更久远的未来这种命运也是难以逃脱的。这两个星系是很明显地由引力作用束缚在一起的一对儿，两者合并为一个更大的系统仅是一个时间问题。
对很多存在与星系团中的星系来说，相似的命运在等待着它们。在以后几个宇宙时代里，当时间以太年（即10E12年）来计算时，星系团也将合并，并让位于更大的不定型的类星系系统，在一些富星系团中，这样的过程已经开始上演了。
随着恒星时代的继续，一个关键性的角色将落到一类最不起眼、最通常的星体上，这就是红矮星。这类星的质量不足太阳质量的一半，但由于其数量庞大，它们的总质量很容易就超过其他星体质量的总和。尤其需指出的是，这些红矮星在把他们的氢燃烧成氢的过程中，可是真正的吝啬鬼。它们节省着自己的燃烧，以至于在九太年之后它们中的最节俭的成员还在闪闪发光。到那时，所有大一些的星都早已燃尽而变成象冰冷的白矮星这样的残渣或者以超新星的形式炸毁了。红矮星的长期演化与太阳这样更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自身的氢燃烧成氦的过程中，其亮度和温度都增加得非常缓慢，而不是很快膨胀并变成红巨星。一个很有趣的巧合：一个0.2太阳质量的恒星将经历一个相对平淡的人生，直到将近生命的尽头。在这期间，它的大小、温度、光度都几乎不变，其数值与今天的太阳差不多。
小质量星将在遥远的未来经历长时间的逐渐加热过程。在以后的某阶段，它们将比现在这种虚弱状态明亮得多。这也许需要几十亿年的时间，比如，一个0.16太阳质量的恒星在以后55亿年期间，其亮度将从现在太阳亮度的10%增加到25%，这段时间已足够在所有合适的行星上产生生命，比如我们的地球。在此之前，这些行星将在寒冷的状况下呻吟，以为这需要最小的恒星花几太亿年的时间在低温的主序阶段缓慢的进化。我们大胆地设想假如我们能达到这样一个遥远的未来中的行星，我们会发现一个和现在地球差不多的世界被照耀在阳光下，但那时的夜晚的空间将是一片空白，好象没有一颗星。
最后，即使是最小质量的红矮星也燃尽了它的氢，而一低质量的白矮星的形式结束它的生命。今天处于主序最低层的星，其质量仅有太阳的百分之八，它的主序阶段将持续10太年，而以后又该如何呢？
一个星系只要它能不断地得到星际气体这种原料，它就能维持星系内恒星的不断产生，随着恒星时代星风的减弱，恒星形成率也在不断下降。虽然这种趋势相当缓慢，10太年到100太年之后（这段时间相当于最长寿命的恒星的生命期），宇宙中的氢将耗尽，普通恒星的形成过程也永远不会再有了。
最后阶段产生的恒星们将是经历过许多代恒星演化循环的气体聚合而成的。因此，在这些后天恒星中，比氢和氦中的元素的含量会很高。当氧在恒星混合物中的含量足够高时，具有0.04个太阳质量的天体会在它的上层大气中形成厚厚的冰云，从而停止自身的收缩。核心因微量的核聚变而产生的热与从表面散失的能量保持平衡，使云层保持温热。这是些很怪异却真的很冷具有冰大气的天体。
当最后一颗红矮星也暗淡后，恒星时代也就结束了，这时宇宙的年龄大约是10E14年，天空中已没有一颗闪亮的恒星了。
宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量。大约150亿年前，在这四大皆空的“无”中，一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。
刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的，随着宇宙的迅速膨胀，其温度迅速下降。最初的1秒钟过后，宇宙的温度降到约100亿度，这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷，核反应开始发生，生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块，并逐渐演化成星系、恒星和行星，在个别天体上还出现了生命现象。然后，能够认识宇宙的人类终于诞生了。 这幅大爆炸图景，是目前关于宇宙起源最可能的一种解释，被称为“大爆炸模型”。大爆炸理论诞生于20年代，在40年代由伽莫夫等人进行补充和发展，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，不过也只是觉得它很好玩，并不信服。人们更愿意认为，宇宙是稳定的、永恒的。
但是，越来越多的证据表明，大爆炸模型在科学上有强大的说服力。我们不得不相信，宇宙有一个开始，也将有一个终结。它产生于“无”，也终将回归于“无”。 宇宙：可有始，可有终？
在人类历史的大部分时期，有关创世的问题，一向是留给神去解决的。宇宙起源于何处？终点又在哪里？生命如何产生？人类怎样出现？对这些疑问，许多宗教都能给出一份体系完备的答案。至于上帝从哪里来，这种问题是不该问的。
直到最近几个世纪，人们才开始学着把神撇开，以超越宗教的角度，去思考世界的本源。这样一来，就有一个重大的原则性问题需要解决：宇宙是永恒存在的，还是有起始的？
这两种说法长久以来一直困扰着科学家、哲学家和神学家，对于普通人来说，更是难以理解。假设宇宙在时间上没有起源，即过去一直存在，那么宇宙的年龄就是无穷大了。无穷大这个概念，一听就让人头昏脑胀：既然是已经过去了无穷久的时间，我们的“现在”又是什么呢？而如果说宇宙是有起始的，那么它就是从“无”中突然产生的了，这最初的一刹那，又是怎样呢？ 凭着人类在短暂的生命中获得的常识，实在是很难想明白这些东西。不过，我们可以从科学上寻求一些佐证。大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄有限，这个说法令人信服的直接理由，来自物理学中一条最基本的定律——热力学第二定律。这条科学史上最令人伤心绝望的定律，冥冥中早已规定了宇宙的命运。 简而言之，第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。对任何物理系统，这都是众所周知并且显而易见的特性，毫无神秘之处：开水变凉，冰淇淋化成糖水。要想把这些过程倒过来，就非得额外消耗能量不可。就最广泛的意义而言，第二定律认为宇宙的“嫡”（无序程度）与日俱增。例如，机械手表的发条总是越来越松；你可以把它上紧，但这就要消耗一点能量；这些能量来自于你吃掉的一块面包；麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量；太阳为了提供这些能量，需要消耗它的氢来进行核反应。总之宇宙中每个局部的嫡减少，都须以其它地方的嫡增加为代价。 在一个封闭的系统里，嫡总是增大的，一直大到不能再大的程度。这时，系统内部达到一种完全均匀的热动平衡状态，不会再发生任何变化，除非外界对系统提供新的能量。对宇宙来说，是不存在“外界”的，因此宇宙一旦到达热动平衡状态，就完全死亡，万劫不复。这种情景称为“热寂”。
宇宙正在缓慢地、但坚定不移地走向这无法抗拒的命运，几代智者为此怀疑人类的存在是否有意义。暂且撇开这种沮丧的情绪，作一个简单的推理，我们就可以发现，宇宙不可能有无限的过去。很简单，如果宇宙无限老，那它早就已经死了。以有限速率演变的东西，是不可能永远维持下去的。换句话说，宇宙必然是在某个有限的时间之前诞生的。 大爆炸：有推论有根据
第二定律明示了宇宙有起始，但这个重要推论竟然被19世纪的科学家忽略了，它只是在后来成为大爆炸模型的佐证。该模型的提出，是基于20世纪初的天文观测。
20年代，天文学家埃德温·哈勃注意到，不同距离的星系发出的光，颜色上稍稍有些差别。远星系的光要比近星系红一些，即波长要长一些，这种现象被称为“哈勃红移”。它说明，各星系正以很高的速度彼此飞离。一列火车快速驶远时，它的汽笛声听来会沉闷很多，因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了，这就是多普勒效应。把声波换成光，产生的效果就是红移。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认，红移是一种普遍现象，这表明宇宙正在膨胀。 这一发现，奠定了现代宇宙学的基础。 如果宇宙正在膨胀，那它过去必定比较小。如果能把宇宙史这部影片倒过来放，我们势必会发现，在过去的某个时刻，所有的星辰都是聚合在一起的。这个时间大概是100多亿年前，要准确推断它比较困难。
另外，宇宙膨胀的速度会随时间发生变化，这与引力有关。万有引力作用于字宙中一切物质与能量之间，起到刹车的作用，阻止星系往外跑，从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期，宇宙从高密度状态迅速膨胀，随着时间的推移，体积越来越大，膨胀速度越来越小。将这个过程向回追溯到宇宙创生的那一刻，可以发现当时宇宙体积为零，而膨胀速度为无限大。这就是大爆炸。
大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源。这些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前发生了什么、是什么引起了大爆炸，这些问题在逻辑上就是没有意义的。那以前所有的，只是“无”。
以上所述仅是旁证，似不足以令大多数人信服。如果150亿年前发生了一场大爆炸，如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹？于是，有一阵子，科研人员热衷于寻找宇宙创生的遗迹，劲头赛过当年的宗教考古学家寻找伊甸园。亚当和夏娃的文物是一样也没发现，原初宇宙最重要的遗迹倒真给找出来了，这就是微波背景辐射。 按照大爆炸理论，最初的几分钟里，宇宙是一个炽热的火球，到处充满温度高达几十亿度的光辐射。由于此时的宇宙处于热动平衡中，这种辐射具有独特的光谱特征，称为“黑体谱”。1965年，贝尔电话公司的两位物理学家彭齐亚斯和威尔逊偶然发现，宇宙确实浸润在一种热辐射之中。这种辐射以相同的强度从空间各个方向射向地球，其温度约为3K，谱线具有完美的黑体谱特征。微波背景辐射的发现，是对大爆炸模型最有力的支持。
知道了今天宇宙背景辐射的温度，就很容易推算出，宇宙诞生后约1秒钟各处的温度约为100亿度。在如此高温下，不仅我们熟悉的物质无法存在，连原子核也会被撕得粉碎。宇宙只能是一锅由质子、中子和电子等构成的基本粒子汤。
随着这锅汤变冷，核反应发生了。中子和质子很容易聚合在一起，产生由两个质子、两个中子组成的氦核。计算表明，氦核形成的过程持续了大约3分钟，形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一。这个过程用完了所有的中子，余下的质子就成了氢原子核。
因此，大爆炸模型预言宇宙应当由大约25％的氦和75％的氢组成，这与天文测量结果极为符合。最初三分钟里形成的氢与氦，构成了宇宙中99％以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素，只占宇宙总质量的不到l％，它们大部分是在恒星内部形成的。
根据推断，宇宙的形成距今约100～200亿年。
生命：既永恒又无恒
天文观测表明，各种天体的年龄均小于200亿年，这与大爆炸理论契合得非常好。我们的地球大概是50亿年前形成的，人类出现的时间更短得不值一提。宇宙现在还算得上年轻，担忧末日的来临，对单个人来说是十分无聊的事。然而，为全人类的命运想一想这个问题，还是有必要的。
按照大爆炸模型，宇宙在诞生后不断膨胀，与此同时，物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。如果宇宙的总质量大于某一特定数值，那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩，造成与大爆炸相反的“大坍塌”。如果宇宙总质量小于这一数值，则引力不足以阻止膨胀，宇宙就将永远膨胀下去。
在非常遥远的将来，比如1亿亿亿年以后，所有的恒星都燃烧完毕，茫茫黑暗中，潜伏着一些黑洞、中子星等天体。宇宙的尺度已经膨胀到如今的1亿亿倍，而且还在扩张下去。在这个系统里，引力虽不足以使膨胀停止，但会不露声色地消耗着系统的能量，使宇宙缓慢地走向衰亡。黑洞在霍金效应的作用下释放出微弱的辐射，最终全都以热和光的形式蒸发掉。足够长的时间之后，连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了，宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤，其中有光子、中微子，越来越少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动，彼此越来越远，不会再有任何基本物理过程出现。
这是寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙，它已经走完了自己的历程，面对的是永恒的生命，抑或永恒的死亡。这种情景，差不多就是“热寂”了。
如果引力足够强大，宇宙终有一天开始收缩，又将如何呢？在大尺度上，收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的，像一场倒放的电影。收缩的过程起初很缓慢，随后越来越快。在转折点过后，宇宙的体积开始缩小，背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉，生命无处可逃，全都被煮熟烤焦。最后，行星、恒星也毁灭了，分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内，最后三分钟来临了。
温度变得如此之高，连原子核也被撕毁，宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。随后，质子和中子也无法区分，挤成一堆由夸克构成的等离子体。在最后的时刻，引力成为占绝对优势的作用力，它毫不留情地把物质和空间碾得粉碎。在这场与大爆炸的“暴胀”相对的“暴缩”中，所有的物质都因挤压不复存在，一切有形的东西，包括空间和时间本身，都被消灭。
这就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中诞生于无的宇宙，此刻也归于无。无数亿年的辉煌灿烂，连一丝回忆也不会留下。

收起