宇宙是廣袤空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱(chēng)。

一百年，差不多只是長(cháng)壽者的一生。而就在過(guò)去一百年里，人類(lèi)對宇宙的觀(guān)念卻不可逆轉地被改變了。人們曾經(jīng)以為宇宙是不生不滅的，其直徑只有幾千光年，眾星都在牛頓萬(wàn)有引力定律的統率下安分守己地運行，過(guò)去如此、現在如此、將來(lái)也會(huì )如此，但這些看法在今天已經(jīng)過(guò)時(shí)了。

宇宙的體積不再是靜態(tài)的，它會(huì )演化，正在膨脹并冷卻。牛頓的引力法則也只是愛(ài)因斯坦的廣義相對論的一種近似描述，后者給出了一整套可以用觀(guān)測去驗證的理論命題，而且這些命題也幾乎已經(jīng)全數被證實(shí)了。我們的銀河系的直徑被確定在了大約10萬(wàn)光年，而在可觀(guān)測的宇宙中，已知的像銀河系這樣的星系共有數千億個(gè)之多，它們散布在一個(gè)半徑約為460億光年的區域之內。

我們的宇宙史魂奇壯麗。以下這些情況，在一個(gè)世紀之前沒(méi)有幾人能夠猜測得到：

宇宙暴脹

我們的這個(gè)宇宙開(kāi)始于一個(gè)暴脹階段，它以指數式的速率膨脹，巨大的能量由此被蘊藏在空間本身之中。當時(shí)還沒(méi)有出現物質(zhì)和輻射，登場(chǎng)的只有能量密度的量子化波動(dòng)和空間自身的引力場(chǎng)。暴脹徹底結束的時(shí)刻既可能是在其開(kāi)始后的10^-32秒，也可能永遠不會(huì )到來(lái)（或者是在這兩種極端情況之間的任何一個(gè)時(shí)刻）。

暴脹結束，宇宙“在加熱”

暴脹至少在空間中的某一個(gè)區域正在走向結束，空間自身蘊含的能量在那里轉化為物質(zhì)、反物質(zhì)和輻射。(在那里，也會(huì )存在少量的暗物質(zhì)，以及微量的、依然固結在空間本身之中的暗能量，它們暫時(shí)還未成為主導那里的力量，但將來(lái)會(huì )贏(yíng)得那個(gè)地位。）暴脹結束時(shí)的這種轉化過(guò)程被稱(chēng)為宇宙的“再加熱”，它讓人類(lèi)第一次得以通過(guò)高溫大爆炸來(lái)精確地描述自己觀(guān)測到的這個(gè)宇宙。按照我們當前對暴脹的最佳理解，一定存在著(zhù)暴脹尚未走向完結的其他空間區域。整個(gè)宇宙中的大部分，都位于我們可觀(guān)測的空間范圍之外，在那些地方，還將一直有暴脹持續。

在由物質(zhì)、反物質(zhì)和輻射構成的極為熾熱的宇宙中，空間在快速膨脹的同時(shí)，也在其初始膨脹率和其所含能量的各種形式帶來(lái)的引力之間保有著(zhù)一種不可思議的平衡。這種膨脹既不會(huì )過(guò)于迅速，導致一個(gè)近乎空無(wú)的宇宙，也不會(huì )轉而收縮，導致自身回到奇點(diǎn)的狀態(tài)。在這個(gè)近乎臨界的宇宙中，其引力正好與膨脹趨勢分庭抗禮，使溫度隨著(zhù)膨脹而逐漸降了下來(lái)，并發(fā)生了一系列重要的轉變。

物質(zhì)反物質(zhì)湮滅

在宇宙高溫的早期階段的某個(gè)時(shí)刻，發(fā)生了一個(gè)使得物質(zhì)的創(chuàng )生數量略多于反物質(zhì)的進(jìn)程，其產(chǎn)生的不對稱(chēng)性，大約等于在每十億對物質(zhì)和反物質(zhì)粒子中多出一個(gè)物質(zhì)粒子。在宇宙的冷卻經(jīng)過(guò)了臨界階段之后，“物質(zhì)一反物質(zhì)”粒子對的創(chuàng )生不再活躍，但二者彼此湮滅為一對光子的過(guò)程并未停止，結果，只過(guò)了不到一秒鐘，絕大多數的物質(zhì)粒子就都和反物質(zhì)粒子完成了湮滅。宇宙此后還在繼續影脹和冷卻，其內容物主要是輻射，但也包含了少量剩余的質(zhì)子、中子和電子（這很關(guān)鍵）。另外，大量的暗物質(zhì)也剩了下來(lái)，但一直不為人所重視，直到人們發(fā)現它在宇宙的能量密度中的地位——其數量大約是普通物質(zhì)的5倍。

大爆炸核合成

質(zhì)子和中子一開(kāi)始是被許多高能粒子環(huán)繞著(zhù)的，這使得它們有可能穩定地結合在一起。不過(guò)，雖然環(huán)境溫度和密度足夠啟動(dòng)核融合反應的鏈條，但其第一個(gè)環(huán)節的反應（由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結合為一個(gè)氣核）的成果很容易被高能的光子重新打散。由于光子的數量是質(zhì)子和中子的 10億倍以上，宇宙還需要繼續冷卻，才能讓第一個(gè)穩定的氣核真正形成，這個(gè)必要階段會(huì )持續三分多鐘。當溫度降到徹底允許核融合完成的水平之后，按質(zhì)量算，宇宙中含有大約75%的質(zhì)子、25%的氦-4 核，以及僅約0.01%的氘核，還有同樣約 0.01%的氦-3核，另外還有微量的鋰核。

中性原子形成

此時(shí)的宇宙已經(jīng)準備形成中性原子了，但溫度還是太高，所以光子的能量還是足以立刻將剛剛結合的原子核和電子打散。要讓電子能夠穩定地與原子核結合，還要再等 38萬(wàn)年，以便讓輻射的波長(cháng)有充足的時(shí)間被拉伸，使宇宙能量密度的主導地位交接到物質(zhì)的手中——這里說(shuō)的物質(zhì)，包括大約 84% 的暗物質(zhì)和16%的普通物質(zhì)。當中性原子最終形成之后，在“大爆炸”中形成的光子就只能無(wú)所事事地沿著(zhù)直線(xiàn)運動(dòng)了，自由電子和其他離子化的粒子都不能再阻擋它。如今在我們看來(lái)，這些作為“大爆炸”的余暉的光線(xiàn)就是宇宙的微波背景輻射。

第一顆恒星誕生

空間中有一些區域的物質(zhì)密度略高于周?chē)鷧^域，在引力作用下，物質(zhì)和暗物質(zhì)都不斷地向這些區域聚集。暗物質(zhì)提供的引力在此起了主要作用。在物質(zhì)聚集成團塊后，引力的增速也會(huì )加快，這讓物質(zhì)團變得更為致密，普通物質(zhì)相互擁擠著(zhù)，沉向了物質(zhì)團的中心。隨著(zhù)密度繼續增長(cháng)，物質(zhì)最為富集的區域中會(huì )發(fā)生引力坍縮，讓物質(zhì)團的核心區域的溫度升高到足以啟動(dòng)核融合反應的程度。就這樣，第一顆恒星在宇宙年齡幾千萬(wàn)年到幾億年的時(shí)候誕生了。

絕大多數初始質(zhì)量較低的恒星都將持續存在數十億年甚至上萬(wàn)億年，而初始質(zhì)量較大的恒星往往會(huì )快速耗盡自身的燃料，因而相當“短命”。只消幾百萬(wàn)年，大質(zhì)量恒星的核心區內，可用于燃燒的物質(zhì)就幾乎都用完了。這些恒星由此會(huì )以超新星爆發(fā)的劇烈形式宣告結束，并將其生成的重元素返還給宇宙，成為星際物質(zhì)。這也就是當今自然界里的重元素的來(lái)源。

星系形成

引力不但構建了可以形成恒星的獨立物質(zhì)團塊，還讓一層層更大的尺度上也形成了某些物質(zhì)分布結構。相對較小的眾多物質(zhì)塊合并聚攏起來(lái)，形成了第一批維形的星系，在此基礎上進(jìn)一步合并產(chǎn)生了更大的星系。在更為宏大的尺度層次上(亦須在更晚近的時(shí)間點(diǎn)上），眾多星系開(kāi)始聚集成星系群、星系團，最后形成極其巨大的、有絲絡(luò )特征的網(wǎng)狀結構。在上述這些過(guò)程中，宇宙繼續擴張并冷卻。

恒星演化，行星生命形成

在每個(gè)星系內部，重力也不斷刺激著(zhù)新的恒星的誕生，這一過(guò)程收納掉了所有可用的星際游離物質(zhì)。這些物質(zhì)不僅包括從“大爆炸”時(shí)遺留下來(lái)的最早的一批氣體氫與氦，還包括了在最初的若干代恒星的生生死死中創(chuàng )生，并輾轉傳遞著(zhù)的許多重元素。其中原子序數最大的一些元素來(lái)自質(zhì)量最大的恒星，此外，像太陽(yáng)這種質(zhì)量水平的恒星也會(huì )在其晚年將外層物質(zhì)拋散，形成行星狀星云；而白矮星也可以吸積物質(zhì)或合并，將自身變成超新星；至于中子星，它們也會(huì )合并，引發(fā)伽馬射線(xiàn)暴，從而產(chǎn)生出元素周期表中已知的最重的幾種天然元素。隨著(zhù)恒星的更替，越來(lái)越多的大質(zhì)量天體在為宇宙貢獻著(zhù)各種重元素，因此，每一代新的恒星都會(huì )比前一代含有豐度更高的重原子。

在經(jīng)過(guò)足夠多代的恒星的積淀之后，恒星形成區中的重元素已經(jīng)不只能組成新的恒星和氣態(tài)巨行星，還能組成巖質(zhì)的行星。巖質(zhì)行星有著(zhù)相當復雜的化學(xué)成分，能產(chǎn)生許多有機反應，假以足夠好的運氣，就能孕育出生命現象。

暗能量掌控宇宙

與此同時(shí)，物質(zhì)密度一直在隨著(zhù)宇宙的持續膨脹而下跌，最終，它對宇宙膨脹率施加效果的地位將被暗能量所取代。在這個(gè)距離“大爆炸”已有78億年的時(shí)間點(diǎn)上，眾多還未被引力綁定的遙遠星系和星系團結構都會(huì )開(kāi)始加速解體。由此又過(guò)了幾十億年，暗能量的密度已經(jīng)遠高于物質(zhì)的密度，這樣，在最大的尺度上，天體結構的形成過(guò)程已被嚴重遏制，無(wú)法再出現新的極大尺度結構了。

太陽(yáng)系，人類(lèi)的故事

其間，在“大爆炸”之后92億年時(shí)，銀河系的星際氣體中誕生了一個(gè)不起眼的星團，組成它的那些星際氣體中的分子，已經(jīng)經(jīng)歷了許多代恒星的生與死，其物質(zhì)成分當中僅有約 2% 是除了氫和氦之外的各種較重元素。但是，對這個(gè)新的星團中的絕大多數恒星而言，這一點(diǎn)較重的元素已經(jīng)足夠形成能?chē)@它們運轉的巖質(zhì)行星了。

這里面有一顆新的恒星就是我們的太陽(yáng)，在它的行星系統中，有一顆巖質(zhì)行星的大氣成分正巧合適，與太陽(yáng)的距離也正巧合適，所以其表面上形成了并保有了液態(tài)的水。雖然我們尚未確切知道這些液態(tài)水出現的時(shí)間和過(guò)程，但能知道這一讓生命得以繁衍的環(huán)境條件僅形成于距今大約幾億年前。到了宇宙年齡 138 億年時(shí)，這顆行星上的生命已經(jīng)演化到了查考和匯集宇宙留下的各種證據，并將其編寫(xiě)成一整部宇宙發(fā)展史的地步。

宇宙的未來(lái)

由此再往后，宇宙的膨脹率將繼續聽(tīng)從暗能量的驅使，讓“本星系團”之外的一切天體都加速離開(kāi)“本星系團”而去。而“本星系團”內部的銀河系、仙女座大星系、三角座星系以及其他四十來(lái)個(gè)矮星系最終將在幾十億年至一百億年后融為一體，并與其他所有星系更加呈現“天各一方”的態(tài)勢。那時(shí)，微波背景輻射已經(jīng)紅移進(jìn)了無(wú)線(xiàn)電波段，除非使用大到超乎想象的天線(xiàn)，不然完全不可能偵測得到。幾千億年之后，從我們這里能見(jiàn)到的宇宙，將只包括這個(gè)融合出來(lái)的“銀女星系”內部的天體，而它之外的宇宙將真正呈現為一片冷寂的虛空。