地球的形成过程

地球大爆炸理论的依据是什么？

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...全部

  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