4-2宇宙的創生與演化

(二)宇宙的創生與演化

1.大霹靂

宇宙誕生於「大霹靂」(又稱「大爆炸」)，大約距今137億到156億年(根據最新觀測，距今約137.98±0.37億年)，宇宙由一個體積小、密度大、能量高的「點」爆炸形成，因此也可視為時空的伊始。接著，新生宇宙在極短暫期間中暴漲，隨後粒子也跟著形成，不過溫度也極高，那還只是宇宙誕生1秒鐘內的事。慢慢的，過了數十萬、數百萬年後，宇宙溫度漸漸穩定，均勻的星際物質也慢慢構成今日的絲狀結構宇宙，星體隨之誕生，暗能量與暗物質也成為了幕後主角。再過數十億年，太陽系誕生了，到了46億年前，地球形成。

2.宇宙年表

#	時期	年代
極 早 期	普朗克時期	從大霹靂開始至10–43秒(蒲郎克時間)
	大一統時期	從大霹靂之後10–43秒至10–36秒
	電弱時期	從大霹靂之後10–36秒至10–12秒
	暴脹時期	從大霹靂之後10–36秒至10–32秒
早 期 宇 宙	夸克時期	從大霹靂之後10–12秒至10–6秒
	強子時期	在大霹靂之後10–6秒至1秒
	輕子時期	在大霹靂之後1秒至10秒鐘
	光子時期	在大霹靂之後10秒鐘至380,000年
	太初核合成	在大霹靂之後3分鐘至20分鐘
	物質主導	70,000年
	復合	377,000年
結 構 成	再電離	從1億5000萬年至10億年
	星體、星系形成及演化	25億年前
	太陽系的形成	50億年前

 

「在整個宇宙裡只存在著一個實體，只是它的形式有各種變化。」

─—拉美特利《人是機器》

3.大霹靂的形成

關於大霹靂的形成，有許多說法。大霹靂前，有可能是有一大團物質聚集成大火球，而那火球正好是前一代宇宙的末日，爆炸後並誕生出我們這個宇宙，一切重新開始。另一個說法是較常見的一種，則是認為大霹靂形成於「奇異點」，有可能是上一代宇宙的黑洞末日，也有可能是從「白洞」(末篇會說明)而來的，在這個密度無窮大、大小卻僅約蒲郎克長度(10^-35公尺)小的點，爆發出本宇宙，因此這個說法就是指宇宙誕生於奇點。

4.奇點到放晴

宇宙可能誕生於奇點，中經暴漲時期、恆星出現，不過在大霹靂後數十萬年之前的這一段時間，溫度甚高，最後才慢慢冷卻。「雨過天晴」也可以用來形容於此，下雨過後，烏雲散去，透出日光，虹彩再現。宇宙也是如此，從起初蒲郎克溫度(約10³²K)到了那一段時間後，宇宙跟著「穩定」，跟著「放晴」，最後我們的地球也就燦爛的形成了。

 

5.大霹靂之前

大霹靂之前究竟是什麼？根據各方面推論，有可能是個長久的「黑暗時期」，那麼引起這場大爆炸的主因，可能就是「量子漲落」(第六章)，以及所謂的「穿隧效應」而促使宇宙無中生有(詳見第十章)。微小的量子空間無奇不有，因為某種力量使得10^-35公尺這種不可見的尺度下，爆發出了今日的宇宙。因此，宇宙之前的這個時期，很有可能就是我們上一代宇宙的末日。

[*關於宇宙創生之前的狀態，詳細參見第十章]

大爆炸的蒲郎克時期前，是否還有我們未知的秘密？或許有一個「哈特爾-霍金狀態」。在大爆炸同時，時間讓位給起初空間，但是時間不存在大爆炸前，且宇宙、時空一開始的概念是無意義的，因此─宇宙沒有起源，我們會明白：空間和時間源自奇點。此外，那時或許是個早期「多重歷史」時期，宇宙也正處於量子「態疊加」狀態(詳見第十章)。

※對稱性破缺: 在具有某種對稱性的物理系統之臨界點附近發生的微小振盪，通過選擇所有可能分岔中的一個分岔，打破了這物理系統的對稱性。例如當水溫降至接近冰點時，水中各處看起來皆相同，因此水系統具有空間上的對稱性，此時若某處的溫度振盪至低於冰點，便破壞了對稱性，且決定了所凝固之冰的結構。

6.太初時期

「蒲郎克時期」可能是大霹靂的最初階段，大約是大霹靂後0至10⁻⁴³秒(蒲朗克時間)，在這個時間點上，大約137億年以前，萬有引力相信與其它的基本力一樣強大，這暗示著所有的力都被統一的可能性。熱和密度的驟降，蒲朗克時期在宇宙的狀態是不穩定或短暫的，不斷發展的趨勢，通過一個稱為對稱性破缺的過程，基本力引發成現在的型態。現在的現代宇宙學認為在蒲朗克時期可能成立大一統的大一統時期，並且「對稱性破缺」使這個時期迅速導致宇宙暴脹，暴脹時期，在此期間宇宙在很短的時間快速的增加尺度。簡單來說，在蒲郎克時期，量子重力、弦論，卻極有可能是那時期的主宰者。

「大一統時期」大約是在大霹靂後的10^–43秒至10^–36秒，隨普朗克時期後，宇宙中的溫度是「大一統理論」的特徵溫度。重力在普朗克時期結束時從電子核子力中分離出來，在大一統時期，物理的特徵，像是質量、電荷、味和色荷都沒有意義。

7.暴漲時期

「暴脹時期」是暴脹理論中，宇宙經歷了快速膨脹的一段時期，大約是大霹靂後的10^-36到10^-32秒。快速的膨脹使早期的宇宙在線性尺度上至少膨脹了10²⁶，並且使它的體積至少增加了10⁷⁸。從大爆炸之後大約10^-36秒的大一統時期結束之後開始，理論上是個「暴脹場」，產生了一個導致時空迅速膨脹的斥力。暴脹時期的結束時間並不很確定，但人們認為是在大爆炸之後的10^-33和 10^-32秒之間。大一統時期產生的基本粒子很均勻的散布在整個宇宙的空間，但在暴脹時期結束時釋放出的巨大暴脹場位能重新填充了宇宙，混合了熱的夸克、反夸克和膠子。

※宇宙暴漲理論: (本節主題延伸理論詳見本書第八~十篇) (1)微調問題─暴脹理論的最大問題之一，是它某程度上須要初始條件的微調。宇宙必須符合  「慢滾條件」才會發生暴脹。慢滾條件要求暴脹勢必須足夠的平緩傾斜（相對於巨大的真空  能量），且暴脹勢必須足夠大，因此要有足夠平緩傾斜的暴脹勢和足夠大的暴脹勢 (2)永恆暴漲─在許多暴脹理論中，宇宙的暴脹期至少在某些區域會無休止地進行下去。這是  因為暴脹中的區域以極快的速度膨脹，並自我複製。所有永恆暴脹模型都會生成無限多重宇  宙，通常為「碎形」(一個粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成數個部分，且每一部分是整體縮  小後的形狀)。在這些暴脹場向上波動的區域裡，空間的膨脹速度比暴脹勢較低的區域快得  多，所以在體積上佔據絕大部份，這種穩態稱為「永恆暴脹」。 (3)初始條件─宇宙在其最大尺度上指數膨脹，且空間無論在過去、現在和將來都無限大，時  間也沒有開始或終結。其他的理論提倡以量子宇宙學來解釋宇宙如何從絕對虛無中形成。 (4)混合暴漲─混合暴脹論加入了額外的純量場，這樣當其中一個純量場慢滾暴脹時，其他的  純量場就會促使暴脹結束。當暴脹持續足夠長的時間，第二個場就會趨於衰變成更低的能態。                                                               (上圖:永恆暴漲論─多重宇宙之「碎形」示意圖)

8.粒子的始祖

若物質基本實體為電子，那麼，物質很可能起源於電子的雙胞胎─「正電子」(正子)。根據物質的電子對理論，宇宙最初是由一個電子和正電子在一種極重且快速轉動的狀態開始，一個原始原子包含了全宇宙質量，其電磁場則形成了物理空間。

 

9.粒子時期

 (1)夸克時期：

(從大霹靂之後10^–12秒至10^–6秒)

當電弱對稱被破壞時，電弱時期就結束了，所有的基本粒子應該通過希格斯機制獲取大量的希格斯玻色子得到質量，並得到真空期望值。基礎交互作用力的重力、電磁力、強核力和弱核力都形成現在的形式，但是宇宙的溫度還是太高，以至於不允許夸克束縛在一起形成強子。

 (2)強子時期：

(在大霹靂之後10^–6秒至1秒)

組成宇宙的夸克-膠子電將繼續冷卻，直到包括質子、中子的強子可以形成。大約在大霹靂之後的1秒鐘，微中子分離出來並且可以在太空中自由通行。這種宇宙微中子背景輻射類似於以後發散出來的宇宙微波背景輻射，目前還不能仔細的觀察。

 (3)輕子時期：

(在大霹靂之後1秒至10秒鐘)

在強子時期的末期，多數的強子和反強子互相湮滅，留下的輕子和反輕子成為控制宇宙的主要質量。大約在大霹靂之後的10秒鐘，宇宙的溫度冷卻到輕子/反輕子對不再能創造出來，並且多數的輕子和反輕子在湮滅反應中被消滅掉，只留下少量殘餘的輕子。

 (4)光子時期：

(在大霹靂之後10秒鐘至380,000年)

在多數的輕子和反輕子湮滅之際的輕子時期結尾，宇宙的能量是由光子控制的。這些光子頻繁的和帶電的質子、電子和可能存在的少量核子進行交互作用，並且持續進行到300,000年。

 

 

10.宇宙的膨脹

宇宙自大霹靂暴漲後，便逐漸穩定膨脹。雖然看似緩慢膨脹，不過速度對我們而言卻是極快的，星系遠離的速度亦同:例如，室女座星系團正以大約每秒1210公里的速度遠離我們，后髮座星系團約以每秒6700公里的速度離開我們，北冕座星系團離開我們的速度大約每秒21600公里。宇宙至今仍然處於膨脹階段，未來或許膨脹到一定程度後，宇宙便開始大收縮，邁向終極命運。