關于宇宙所有的故事，從宇宙大爆炸之前到可預見的遙遠未來！

一百年前，我們認為宇宙是由銀河系中的恒星和星云組成的。我們認為牛頓的萬有引力定律控制了一切，而現在我們已經掌握了宇宙的一些看似完美的基本法則，并建立宇宙學和微觀世界的標準模型。今天我將帶大家跨越138億年的歷史，從宇宙開始的那一刻談到我們及其宇宙未來，這中間包含我們目前已掌握的知識，及其為解決的一些問題。這是一場跨越時間、空間的宇宙探索之旅！系好安全帶，我們開始吧！

大爆炸之前的故事

宇宙前10∧-25秒(甚至更短)，一團量子態的真空能量導致了宇宙暴漲。空間以指數級的速度迅速擴張，不論宇宙在這之前的形狀如何，無論宇宙的某個極小的區域中溫度是多少或能量密度是多少，暴漲過程都將宇宙的空間曲率拉平。

并將宇宙的范圍延伸到幾千億光年！形成了巨大、平坦、幾乎完全均勻的宇宙，量子漲落是這個過程中唯一存在的不均勻性，導致了宇宙空間中存在著略微密度過高和密度過低的空間區域。

然后宇宙暴漲結束了！這個過程也被稱為宇宙視界面，跟黑洞的視界面一樣，宇宙的暴漲抹去了之前的一切，視界的兩邊被稱為：可見和不可見宇宙！暴漲也使得宇宙的溫度降低了100,000倍！

暴漲結束后所有使宇宙呈指數膨脹的能量衰變到物質和輻射中，宇宙進入了在加熱過程，溫度也恢復到暴漲前的水平！這時的宇宙是一鍋由正常物質、暗物質、反物質、光子、中微子等等組成的炙熱濃湯。

真空能量引發的暴漲給了我們一個炙熱的，密集的，充滿了物質，但同時也在膨脹和冷卻的宇宙。這一點就是我們平時所說的宇宙大爆炸的開始。隨著密度和溫度的持續降低，宇宙的故事從這一刻開始了！

原子核的形成，宇宙的不透明時期

宇宙誕生后10∧-5秒：穩定的質子和中子形成了！作為原子核的重要組成部分，宇宙需要冷卻幾微秒才能將夸克和膠子結合成質子和中子。

反質子和反中子呢？每10，000，000，000個反質子，就有10，000，000，006個質子，這就是我們所說的正反物質不對稱問題，具體原因還在研究中。不過已經提出了一些可能的解釋，例如：科學家猜測，在宇宙早期的極端環境下，存在違反重子數守恒的相互作用，不過目前只是理論，我們并沒有真實的觀察到這種現象！

有些小伙伴還有個疑問，那就是我們為什么非要認為正反物質對稱呢？因為在強子對撞機中，我們發現，要制造出正常的物質，必然會出現等量的反物質！所以關于反物質的問題目前還是個謎團。我們繼續：

隨著宇宙的膨脹和冷卻，正反物質會發生湮滅，而多余的物質就構成了我們目前所看到的宇宙。

宇宙誕生后1秒：最后一個反物質消失了，只留下少量的正常物質，一些暗物質和大量的光子!那么剩下的質子和中子，它們會發生什么？它們很想融合在一起，制造出重原子核，但是光子作為第三者會無情的拆散它們。因為這時的宇宙太熱了，擁有極強的輻射能量！這一點應該很好理解，過高的能量會電離任何已經形成的結構。所以我們還需要等待，等待。直到……

宇宙誕生后的3 或 4分鐘：宇宙將質子和中子融合成原子核！盡管宇宙試圖將這些原子核融合成越來越重的元素，就像恒星工廠一樣。但宇宙的密度和溫度只能夠產生到鋰元素。并不是說宇宙在這一刻的溫度和密度真的不夠，唯一和恒星的區別就是宇宙膨脹的太快了，暫不說溫度，就兩個原子核剛一見面，還沒來得及發生作用了，已經被空間拉扯的看不見對方了。所以不存在繼續融合的穩定條件。

我們的理論和對宇宙早期元素豐度觀測的結果驚人的一致，我們得到了一個由（按質量計算）大約3/4的氫，1/4的氦，以及少量氘，氦-3，和更少量鋰-7組成的物質總量。

中性原子的形成，光子可以自由傳播，微波背景輻射發出

那么這些原子核現在想干嘛？它們這時的唯一愿望就是把電子拉過了，形成中性原子，但是它們又不能，和上文的劇本類似，宇宙太熱了，輻射有一次無情的......

為什么會這樣呢？想想我們的太陽你就知道了！中性原子更容易被電離。直到……，這個過程真的很漫長，有點天荒地老的感覺。

宇宙誕生后38萬年：宇宙已經冷卻到可以形成中性原子了！在中性原子形成的時候，剩余的輻射（光子）不再撞擊離子或電子，可以沿著最后的方向自由的旅行了。它們在漫長的旅途中不斷地損失能量，已經進入了電磁波譜的微波段了。這就是我們熟知的微波背景輻射！而之前光子不能自由傳播的宇宙被稱為不透明時期，所以現在除了宇宙誕生38萬年的微波背景，我們基本上什么也看不到！

上圖中“冷”(藍色，密度高)點的溫度約為2.7249開爾文，而“熱”(紅色，密度低)點的溫度約為2.7251開爾文。微波輻射的溫度波動也充分體現了宇宙物質密度分布和宇宙物質總量的多少！這里我說的物質還包括暗物質，因為暗物質也提供引力，并且對“冷點”和“熱點”會產生影響，從微波背景我們就可以得出暗物質和正常物質的比例大約為：5：1！

宇宙大尺度結構開始顯現，第一批恒星（元素工廠）誕生了

由于膨脹留下了這些密度過高和過低的區域，物質密度分布的不均勻會導致什么？這時你會想是不是該引力上場了！對，沒錯！確實如此。但是，又是和上文相同的劇本，這時的宇宙溫度雖然已經很低了，但是這些氣體分子云還是有很強的輻射壓力在抵抗著萬有引力，不過這已經是強弩之末了。直到…

宇宙誕生后的5000萬 -1億年：經過漫長的冷卻，現在輻射的壓力已經降到足夠低的水平！物質開始在引力的作用下崩塌！又過了大約1億年，物質逐漸坍縮成密度足夠高的區域，這時我們宇宙的大尺度結構開始顯現。上圖就是一個很形象的物質結構發展過程。

上圖可以看到，宇宙終于不再是一片黑暗，第一批恒星誕生了！通過上文我們知道形成第一代恒星的氣體分子云基本上是由氫和氦組成的，而且這時形成的恒星質量普遍都很大，基本都屬于O、B級恒星。

這些恒星的壽命從幾十萬年到幾百萬年不等，燃燒氫的速度十分迅速很少有像我們太陽這樣能存活一百多億年的恒星！這些恒星按質量的情況，形成成了黑洞、中子星、白矮星。這個過程中產生了對我們十分重要的天文現象：超新星爆發！

超新星爆發的過程將恒星一生形成的各種重元素包括生命物質：碳、氧、氮、磷、硫、鐵等等拋灑到星際空間中，并允許下一代恒星的形成以及行星、復雜的化學物質，甚至是生物學的開端。

宇宙誕生6億年后：上圖是我們今天第一次用望遠鏡直接拍攝到的天體！我們可以發現星系已經在這個時期存在，而我們目前所看到過的最遠的天文現象就是伽馬射線暴，它來自最明亮的爆炸類型:超新星！這些第一代和第二代恒星，燃燒完它們的燃料，死亡、爆炸，最終完成了它們光彩奪目的一生。

宇宙的在電離時代，結束了長達10億年的黑暗時期

宇宙誕生后10億年：宇宙進入了再電離時代！所有這些討厭的中性原子，它們會被再次電離，不再擋住光線，讓我們看到更遙遠的宇宙!

我能想到你現在的眼神很困惑，上面還說到要等中性原子形成，宇宙才會變得透明，才有了微波背景輻射，現在又要電離這些中性原子！

看一下這張照片，然后你就會明白。

中性氣體會阻擋可見光，這就是為什么銀河系中有這些暗帶的原因！但是紅外線(或微波)仍然可以通過中性原子。另一方面，可見光只能穿過被電離的氣體云和星際介質，電離的過程是由第一代和第二代恒星釋放的高能射線完成的。這時宇宙就結束了長達10億年的黑暗時代，可見光可以在宇宙中自由穿梭。

然后，萬有引力繼續發揮著它的魔力。

宇宙星系開始合并，創造成大的星系結構

宇宙誕生后18億年(最晚！)：星系開始合并為更大的星系團！當兩個螺旋星系相撞時，它們會合并成長為更大的橢圓星系！

導致了我們今天看到的各種各樣的星系，包括巨大的螺旋星系和巨大的橢圓星系，以及矮星系和不規則星系!

而且星系合并的過程一直持續到了今天，這個其實大家都很清楚，例如：我們和我們的鄰居正在正在朝各自的方向靠近，并且在以后將會橫掃周圍的小星系，形成更大的星系結構。

這里有個疑問就是：不是說空間在膨脹嘛！為什么相距幾百萬光年的星系還會靠近。這其實很好理解，目前已經被引力束縛住的結構將會一直受引力的作用，相對宇宙來說這只發生在小尺度上，在更大的尺度上那些沒有被引力互相束縛住的結構，將會彼此遠離。

在星系合并的同時，引力創造的第二代恒星正在經歷著誕生、死亡和重生的偉大宇宙周期。

隨著這些恒星的生存和死亡，當它們耗盡燃料時，外層就會被吹走，爆炸會引發星系內氣體云的坍塌，導致新恒星的形成。

這時新形成的恒星充滿了多樣性，從既大又亮的o型恒星，其質量是太陽的100倍，到暗淡的紅色M型恒星，O型恒星的壽命大家都知道，M型恒星燃燒燃料的速度非常非常，這樣的恒星一般能存活數萬億年。

太陽系的誕生，屬于我們的故事，這時宇宙也發生了一件十分重要的事！

就這樣經歷了幾十億年的周期，在銀河系的某個不起眼的角落里，一團分子云正在探索，下圖這個很熟悉吧！一看都是太陽系，它只是類似上圖創世之柱很小很小的一部分。

宇宙誕生后92億年：我們的太陽系形成了！由氣體和塵埃組成的原始星云，富含至少兩代死亡恒星的重元素，坍縮形成了我們的太陽系。恒星在星云中心首先點燃，而其他行星最終從原行星盤中坍縮形成。地球實際上是最后形成的行星之一，因為在其他行星形成數百萬年后……

最后兩顆可能創造地球的巨大原行星，其中較小的一顆大約和火星相當，它們發生了巨大的撞擊！產生的碎片最終形成了我們的月球，而這兩個天體的大部分凝聚在一起形成了地球，這樣就大致構成了我們今天所知的太陽系。

就在地球形成后不久，整個宇宙發生了一件關乎整個宇宙命運的事件。

95億年:暗能量戰勝了物質，并且掌管了宇宙！在宇宙減緩膨脹速度的戰斗中，物質一直在不懈地努力，在其引力的作用下，試圖阻止和逆轉宇宙的膨脹。但大約在地球形成的時候，由于暗能量的接管，宇宙膨脹開始加速膨脹！

在宇宙的歷史中，命運大權總共發生過三次交接！在宇宙早期的時候，輻射能量由于密度最大，一開始掌控著宇宙。但隨著宇宙的膨脹，輻射的能量密度下降的比物質更快，所以物質就開始接管了宇宙，并且宇宙進入了一個減速時期。

我們知道暗能量是伴隨宇宙空間存在的一種固有屬性，能量密度不會隨著膨脹而被稀釋，所以當物質能量密度降低時，大權自然就交給了暗能量。

然而，就在這時，在地球上也發生了一些重大的事件。我們現在就要加快節奏了，不然文章篇幅太長了！

生命的篇章

97億年：地球上現存最古老的巖石！如上圖所示，在加拿大西北部發現的現存最古老的巖石可以追溯到大約40億年前，也就是地球形成后不久。不久之后……

99億年：地球上也出現了生命的第一個證據！根據碳13和碳12的比例，我們發現了一個生命的跡象，并且可以確定生命已經在地球上存在了至少38億年。

在這段時間里，地球可能不是宇宙中唯一一個生命開始的地方。但是我們最有可能出現生命的鄰居發生了一些重大的變故，因為……

107億年:火星死亡。我們的鄰居火星曾經充滿海洋、河流、厚厚的大氣層和保護它的磁場，但由于溫度過低，失去了抵御太陽風的能力。在很短的時間內，火星的大氣層被剝離，留下的大氣壓力太低，無法支持液態水。所以，在過去的30億年里，火星就和現在一樣，充滿了荒涼。

但是在地球上，我們正在生命取得各種各樣的成功。在生命醞釀了數十億年后，兩個最偉大的進化發生了……

125億年：生命進化為多細胞生物(如上圖中的紅藻)，稍晚一點，出現了性別。多細胞性具有前所未有的特化和分化能力，而且對于一個有機體來說，將能實現多種不同的功能。出現性別將使進化的速度加快。

隨后地球經歷了生命大爆發！植物和海洋生物出現了多樣性，爬行動物最終登上陸地。

134億年:巨大的陸地動物開始主宰食物鏈的頂端！哺乳動物一度占據榜首，最終讓位給了恐龍。但在一場大災難之后或者說一個大機會之后，恐龍時代結束了。

136.5億年：大災難之后鳥類和哺乳動物的崛起！直到今天，哺乳動物統治著地球。

138億年：人類是第一個冒險離開自己的家園，來到另一個星球的物種。

宇宙以及我們的未來

回望過去，我們只是整個宇宙史的一剎那，宇宙仍然在繼續做它該做的事情。我們的太陽，在過去的45億年里一直是我們的熱和光的來源，太陽從誕生到現在光度增加了20%。

150億年：太陽將變得太熱，地球將無法承載任何生命，太陽的熱量將使海洋沸騰！與此同時，離我們最近的星系鄰居仙女座也要來拜訪我們。

170億年：銀河系和仙女座合并，將創造一個巨大的橢圓星系，最終清除并橫掃了整個本地星系群，包括我們所有的衛星星系和球狀星系團。

210億年：太陽燃燒完它所有的氫燃料，變成了一顆紅巨星，很可能吞噬(并摧毀)地球！

與此同時，整個夜空也開始發生巨大的變化！

宇宙中我們目前能看到的一切美麗的星系，開始消失！

這就是暗能量掌控下宇宙的結局。即使是離我們很近的星系和星系團，由于暗能量的作用，也會隨著空間膨脹并加速遠離我們。星系將比現在變得暗淡、發紅，而更遠的星系則完全消失在我們的視野之外。

1000億年：宇宙將膨脹到我們無法想象的尺度，所在的本星系群將合并成一個巨大的橢圓星系，四周空無一物，孤零零的漂浮在宇宙空間中！

恒星將經歷很長的宇宙生命周期，燃燒燃料，爆炸，又觸發恒星形成，燃燒新燃料。但這個過程是有限的，因為只有有限數量的氫和其他輕元素可以通過核聚變燃燒。隨著最后一顆黯淡的紅矮星(壽命最長的一顆)耗盡燃料，宇宙將進入完全黑暗的時期。

10∧15年：最后一點氫燃燒殆盡，整個宇宙進入黑暗，只剩下黑洞、中子星和退化矮星。

這就是整個宇宙，從一開始我們就可以理智地談論到遙遠的未來！

這就是幾乎所有事情的歷史和我們根據目前所掌握的知識能預見的未來！