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。

一百年，差不多只是長壽者的一生。而就在過去一百年里，人類對宇宙的觀念卻不可逆轉(zhuǎn)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，眾星都在牛頓萬有引力定律的統(tǒng)率下安分守己地運(yùn)行，過去如此、現(xiàn)在如此、將來也會(huì)如此，但這些看法在今天已經(jīng)過時(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測去驗(yàn)證的理論命題，而且這些命題也幾乎已經(jīng)全數(shù)被證實(shí)了。我們的銀河系的直徑被確定在了大約10萬光年，而在可觀測的宇宙中，已知的像銀河系這樣的星系共有數(shù)千億個(gè)之多，它們散布在一個(gè)半徑約為460億光年的區(qū)域之內(nèi)。

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

宇宙暴脹

我們的這個(gè)宇宙開始于一個(gè)暴脹階段，它以指數(shù)式的速率膨脹，巨大的能量由此被蘊(yùn)藏在空間本身之中。當(dāng)時(shí)還沒有出現(xiàn)物質(zhì)和輻射，登場的只有能量密度的量子化波動(dòng)和空間自身的引力場。暴脹徹底結(jié)束的時(shí)刻既可能是在其開始后的10^-32秒，也可能永遠(yuǎn)不會(huì)到來（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(jié)束，宇宙“在加熱”

暴脹至少在空間中的某一個(gè)區(qū)域正在走向結(jié)束，空間自身蘊(yùn)含的能量在那里轉(zhuǎn)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(jié)在空間本身之中的暗能量，它們暫時(shí)還未成為主導(dǎo)那里的力量，但將來會(huì)贏得那個(gè)地位。）暴脹結(jié)束時(shí)的這種轉(zhuǎn)化過程被稱為宇宙的“再加熱”，它讓人類第一次得以通過高溫大爆炸來精確地描述自己觀測到的這個(gè)宇宙。按照我們當(dāng)前對暴脹的最佳理解，一定存在著暴脹尚未走向完結(jié)的其他空間區(qū)域。整個(gè)宇宙中的大部分，都位于我們可觀測的空間范圍之外，在那些地方，還將一直有暴脹持續(xù)。

在由物質(zhì)、反物質(zhì)和輻射構(gòu)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的引力之間保有著一種不可思議的平衡。這種膨脹既不會(huì)過于迅速，導(dǎo)致一個(gè)近乎空無的宇宙，也不會(huì)轉(zhuǎn)而收縮，導(dǎo)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，使溫度隨著膨脹而逐漸降了下來，并發(fā)生了一系列重要的轉(zhuǎn)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(shù)量略多于反物質(zhì)的進(jìn)程，其產(chǎn)生的不對稱性，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程并未停止，結(jié)果，只過了不到一秒鐘，絕大多數(shù)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(xù)影脹和冷卻，其內(nèi)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，但一直不為人所重視，直到人們發(fā)現(xiàn)它在宇宙的能量密度中的地位——其數(shù)量大約是普通物質(zhì)的5倍。

大爆炸核合成

質(zhì)子和中子一開始是被許多高能粒子環(huán)繞著的，這使得它們有可能穩(wěn)定地結(jié)合在一起。不過，雖然環(huán)境溫度和密度足夠啟動(dòng)核融合反應(yīng)的鏈條，但其第一個(gè)環(huán)節(jié)的反應(yīng)（由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)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(shù)量是質(zhì)子和中子的 10億倍以上，宇宙還需要繼續(xù)冷卻，才能讓第一個(gè)穩(wěn)定的氣核真正形成，這個(gè)必要階段會(huì)持續(xù)三分多鐘。當(dāng)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(zhǔn)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(jié)合的原子核和電子打散。要讓電子能夠穩(wěn)定地與原子核結(jié)合，還要再等 38萬年，以便讓輻射的波長有充足的時(shí)間被拉伸，使宇宙能量密度的主導(dǎo)地位交接到物質(zhì)的手中——這里說的物質(zhì)，包括大約 84% 的暗物質(zhì)和16%的普通物質(zhì)。當(dāng)中性原子最終形成之后，在“大爆炸”中形成的光子就只能無所事事地沿著直線運(yùn)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，這些作為“大爆炸”的余暉的光線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(qū)域的物質(zhì)密度略高于周圍區(qū)域，在引力作用下，物質(zhì)和暗物質(zhì)都不斷地向這些區(qū)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(tuán)塊后，引力的增速也會(huì)加快，這讓物質(zhì)團(tuán)變得更為致密，普通物質(zhì)相互擁擠著，沉向了物質(zhì)團(tuán)的中心。隨著密度繼續(xù)增長，物質(zhì)最為富集的區(qū)域中會(huì)發(fā)生引力坍縮，讓物質(zhì)團(tuán)的核心區(qū)域的溫度升高到足以啟動(dòng)核融合反應(yīng)的程度。就這樣，第一顆恒星在宇宙年齡幾千萬年到幾億年的時(shí)候誕生了。

絕大多數(shù)初始質(zhì)量較低的恒星都將持續(xù)存在數(shù)十億年甚至上萬億年，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(dāng)“短命”。只消幾百萬年，大質(zhì)量恒星的核心區(qū)內(nèi)，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(jié)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(dāng)今自然界里的重元素的來源。

星系形成

引力不但構(gòu)建了可以形成恒星的獨(dú)立物質(zhì)團(tuán)塊，還讓一層層更大的尺度上也形成了某些物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)。相對較小的眾多物質(zhì)塊合并聚攏起來，形成了第一批維形的星系，在此基礎(chǔ)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），眾多星系開始聚集成星系群、星系團(tuán)，最后形成極其巨大的、有絲絡(luò)特征的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在上述這些過程中，宇宙繼續(xù)擴(kuò)張并冷卻。

恒星演化，行星生命形成

在每個(gè)星系內(nèi)部，重力也不斷刺激著新的恒星的誕生，這一過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(zhuǎn)傳遞著的許多重元素。其中原子序數(shù)最大的一些元素來自質(zhì)量最大的恒星，此外，像太陽這種質(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。隨著恒星的更替，越來越多的大質(zhì)量天體在為宇宙貢獻(xiàn)著各種重元素，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)過足夠多代的恒星的積淀之后，恒星形成區(qū)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)行星有著相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)成分，能產(chǎn)生許多有機(jī)反應(yīng)，假以足夠好的運(yùn)氣，就能孕育出生命現(xiàn)象。

暗能量掌控宇宙

與此同時(shí)，物質(zhì)密度一直在隨著宇宙的持續(xù)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(yuǎn)星系和星系團(tuán)結(jié)構(gòu)都會(huì)開始加速解體。由此又過了幾十億年，暗能量的密度已經(jīng)遠(yuǎn)高于物質(zhì)的密度，這樣，在最大的尺度上，天體結(jié)構(gòu)的形成過程已被嚴(yán)重遏制，無法再出現(xiàn)新的極大尺度結(jié)構(gòu)了。

太陽系，人類的故事

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(tuán)，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(dāng)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(tuán)中的絕大多數(shù)恒星而言，這一點(diǎn)較重的元素已經(jīng)足夠形成能圍繞它們運(yùn)轉(zhuǎn)的巖質(zhì)行星了。

這里面有一顆新的恒星就是我們的太陽，在它的行星系統(tǒng)中，有一顆巖質(zhì)行星的大氣成分正巧合適，與太陽的距離也正巧合適，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(xiàn)的時(shí)間和過程，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(jù)，并將其編寫成一整部宇宙發(fā)展史的地步。

宇宙的未來

由此再往后，宇宙的膨脹率將繼續(xù)聽從暗能量的驅(qū)使，讓“本星系團(tuán)”之外的一切天體都加速離開“本星系團(tuán)”而去。而“本星系團(tuán)”內(nèi)部的銀河系、仙女座大星系、三角座星系以及其他四十來個(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(xiàn)“天各一方”的態(tài)勢。那時(shí)，微波背景輻射已經(jīng)紅移進(jìn)了無線電波段，除非使用大到超乎想象的天線，不然完全不可能偵測得到。幾千億年之后，從我們這里能見到的宇宙，將只包括這個(gè)融合出來的“銀女星系”內(nèi)部的天體，而它之外的宇宙將真正呈現(xiàn)為一片冷寂的虛空。