宇宙的起源

站在地球的角度上看宇宙，宇宙正在向人类视线所不能到达的更深处伸展。宇宙之大，令众人惊叹。然而，宇宙又是从哪里来的呢？

中非有一个传说：世界最初只有黑暗、水和伟大的上帝。某天，上帝胃痛发作，呕吐出太阳。水的一部分被太阳蒸发，留下土地。上帝的胃痛未止，又陆续吐出了月亮和星辰，然后吐出动物，例如豹、鳄鱼、乌贼等等，最后吐出人，于是就有了宇宙。难道，我们的宇宙真是上帝从胃里吐出来的吗？这显然带有神话的色彩。

宇宙

千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外，基本没有什么变化——宇宙不需要一个开端或结束。英国天文学家福雷德·霍伊尔（1915—2001）就是稳恒态宇宙模型的创建者之一。他认为宇宙不断膨胀的同时，物质也在不断生成，从而使整个宇宙基本保持稳定不变。稳态理论的优点之一是它的明确性。它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的。此后，科学家还根据相对论，为稳态的宇宙构筑了一系列数学模型。尽管如此，结果还是遭受到宇宙观测者的质疑或反驳，当宇宙背景辐射被发现后，这一理论基本上已被否定。

现在，绝大多数科学家们认为，宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的，这就是“大爆炸宇宙论”。“热大爆炸”观念是俄国天文学家乔治·伽莫夫（1904—1968）于1950年建立的。他认为，在爆炸发生之前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成体积很小、温度极高、密度极大的原始火球，之后便发生了大爆炸。大爆炸使物质四散喷发，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降。后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。

我们所观察到的宇宙，在150亿～200亿年前发生大爆炸，从此开始了我们所在的宇宙的诞生史。宇宙原始大爆炸后温度不断下降，原子不断形成。宇宙间弥漫着气体云，它们在引力的作用下，形成恒星系统。恒星系统又经过漫长的演化，成为今天的宇宙。科学家还发现，大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争。爆炸产生的动力是一种斥力，它使宇宙中的天体不断远离；天体间又存在万有引力，它会阻止天体远离，甚至力图使其互相靠近，引力的大小与天体的质量有关。因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀，还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小，这完全取决于宇宙中物质密度的大小。

然而，因大爆炸而产生宇宙的理论尚不能确切地解释这一问题，即“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西？20世纪的天文观测表明，宇宙正处于膨胀的演化过程中。在时间上往过去反推，人们估计在100多亿年前宇宙是处于极其紧致极其炽热的所谓大爆炸奇性的状态。宇宙的演化必须服从爱因斯坦引力场方程，但是不同的初始状态会导致不同的演化。大爆炸奇性从何而来，或者宇宙从何而来的所谓"第一推动"问题就摆到了宇宙学家的面前。

宇宙大爆炸

因此，真正解决第一推动问题的是霍金1982年提出的无边界条件的量子宇宙论。在他的理论中，宇宙的诞生是从一个欧氏空间向罗氏（罗巴切夫斯基）空间的量子转变，这就实现了宇宙的无中生有的思想。这个欧氏空间是一个四维球。在四维球转变成罗氏时空的最初阶段，时空是可由德西特度规来近似描述的暴涨阶段。然后膨胀减缓，再接着由大爆炸模型来描写。这个宇宙模型中空间是有限的，但没有边界，被称作封闭的宇宙模型。宇宙中的一切在原则上都可以单独地由物理定律预言出来，而宇宙本身是从无到有而来的。这个理论建立在量子理论的基础之上，涉及量子引力论等多种知识。

斯蒂芬·威廉·霍金，英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授，当代最重要的广义相对论和宇宙论家，是当今享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最伟大的科学家，还被称为『宇宙之王』。

普朗克尺度-内部结构模型图

从霍金1982年提出这个理论之后，几乎所有的量子宇宙学研究都是围绕着这个模型展开。这是因为它的理论框架只对封闭宇宙有效。如果人们不特意对空间引入人为的拓扑结构，则宇宙空间究竟是有限有界的封闭型，还是无限无界的开放型，取决于当今宇宙中的物质密度产生的引力，是否足以使宇宙的现有膨胀减缓，以至于使宇宙停止膨胀，最后再收缩回去。

然而，现如今经天文观测到的，包括可见的物质以及由星系动力学推断出的不可见物质，两者密度总和仍然不及使宇宙停止膨胀的1/10。不管将来进一步的努力是否能观测到更多的物质，无限膨胀下去的开放宇宙的可能性仍然呈现在人们面前。

迄今为止，人类还在探索之中，宇宙的起源仍然是一个谜。