混沌与扩张的宇宙
将宇宙作为一个整体来思考，我们会马上面临一个重大问题：宇宙是否会在时间中发生演变。宇宙是一向如此，未来也会一直如此，永远都和我们现在观察到的情况大致相同呢？还是在不断变化，经历了各种不同的演化阶段呢？
根据从各类科学分支中收集到的经验性知识来看，我们对这个问题的回答是肯定的：没错，宇宙是在逐渐变化的。它久已湮没的上古往昔，它的现在，以及其遥远的未来，是三种截然不同的状态。来自众多学科的无数事实还进一步表明，我们的宇宙曾经有一个起点，从那个起点开始，通过逐步的演化，宇宙发展成了此刻的状态。正如前文所述，我们太阳系的年龄为几十亿岁，不论从什么角度切入来研究这个问题，最后跳出来的永远是这样一个数字。月亮也一定是在几十亿年前形成的，而且，它显然是被太阳的强大引力从地球上撕扯下来的。
通过研究单独恒星的演化（请见上一节），我们发现，天上多数星星的年龄都在几十亿年。而通过研究恒星的总体运转情况，特别是研究双星、三星系统以及更复杂的恒星群（银河星团）的相对运动，天文学家也得出结论：这些系统的存在时间也不会比几十亿年更久。
另一项独立证据是由各种化学元素的相对含量带来的，特别是一些我们知道会发生缓慢衰变的放射性物质，比如钍和铀。虽然这些元素会逐渐衰变，但它们至今仍存在于宇宙中，可见，要么是时至今日仍有一些较轻的原子核在持续生成它们，要么它们都是宇宙漫长往昔的天然存货。
以目前对核嬗变的了解，可以排除第一种可能性，因为即使在最炽热的恒星内部，也无法达到足以“做出”重放射性核所需的极高温度。事实上，如上一节所述，恒星内部的温度为数千万摄氏度左右，而我们需要数十亿摄氏度的高温，才能使用较轻元素的原子核“做出”放射性核来。
所以，只能假定重元素的原子核都是在宇宙演化的某个纪元形成的，在那段时期，一切物质都承受着极端高温及相应的高压。
我们还能估算出宇宙“炼狱”阶段的大致时期。我们知道钍和铀238的半衰期分别为180亿年和45亿年。自形成以来，它们尚未发生实质性衰变，目前，它们的储备量与其他稳定的重元素是一样多的；而铀235的半衰期只有约5亿年，它的储备量为铀238的1/140。铀238和钍的大量存在表明，这些元素的形成就在几十亿年前，而铀235的少量存在，又让我们可以给出更精确的估算。既然铀235的数量每隔5亿年就会削减一半，那么它必须经过大约7个这样的时间段，即35亿年，才能减少为原来的1/140（因为
）。
完全依靠核物理学数据估算出的化学元素的年龄，与完全依靠天文学数据估算出的行星、恒星和恒星群的年龄居然会如此吻合！
但是，在数十亿年前万物伊始的那个早期阶段，宇宙到底是什么状态的呢？到底发生了什么变化，才让宇宙变成如今这副模样呢？
通过研究“宇宙膨胀”现象，我们可以找出对以上问题的最完整的答案。我们在上一章已经了解到，宇宙的广阔空间充满了许多巨大的恒星系统（星系），我们的太阳只是其中一个称为银河系的星系内数十亿颗恒星中的一颗。我们还了解到，在目力所及的范围内（当然是在200英寸望远镜的帮助下），此类星系基本均匀地分散在整个太空中。
威尔逊山的天文学家哈勃在研究来自遥远星系的光谱时发现，光谱线总是略微向红端偏移，而星系越远，这种所谓的“红移”现象就更显著。事实上，他发现不同星系的“红移”程度与它们和我们的距离成正比。
对这种现象最自然的解释就是假设所有星系都在远离我们，而且它们离我们越远，远离我们的速度就越快。这个解释建立在“多普勒效应”之上，根据该效应，当光源向我们靠近时，光的颜色会向光谱的紫端偏移，当光源远离我们时，光的颜色会向红端偏移。当然，要获得明显偏移，光源与观察者所在位置之间的相对速度必须相当大才行。伍德（R. W. Wood）教授曾因在巴尔的摩闯红灯被捕，他当时告诉法官，正是受到了这种现象的影响，他看到的红灯仿佛是绿色的，因为他是在车上靠近那盏红灯。教授只是在糊弄那位法官。如果法官有更多物理学知识的话，他会请伍德教授计算出把红灯看成绿灯所需的时速，再以超速的名义对他处以罚款。
再说回星系中观察到的“红移”问题，乍看之下，这个结论似乎相当古怪。宇宙中的所有星系都在逃离我们的银河系，难道银河系是什么星际怪物不成！真是这样吗，银河系到底有什么可怕之处呢？它为何在所有星系中这么不受待见呢？只要简单思考一下，你就会发现，问题并不出在我们的银河系上，事实上，其他星系并不只是在逃离银河系，而是所有星系都在逃离彼此。请想象有这么一只气球，上面画着许多点（图11-11）。当你把气球吹起来，越吹越大，各个点之间的距离会不断增加，此时假如有一只昆虫停在其中一个点上，那么在它看来似乎那么所有其他点都在“逃离”它；而且，那些点远离昆虫的速度还会与它们和昆虫的距离成正比。
图11-11 气球膨胀时，上面的点会逐渐远离彼此
看过这个例子，我们应该很清楚了，哈勃观测到的星系后退现象并不是因为我们的银河系有什么特殊之处，或处在什么特殊的位置上，而只是因为宇宙空间中的星系网络在发生某种普遍一致的膨胀罢了。
根据观测到的膨胀速度以及当前相邻星系之间的距离，我们很容易计算出，这种膨胀一定始于五十亿年前。[9]
在那之前，被我们称为星系的独立星云开始构建均匀分布在宇宙空间内的恒星系统。更早之前，恒星本身是挤在一起的，而宇宙中充满了连续不断的高温气体。再往前回溯，气体的密度更大，温度更高，显然不同的化学元素（尤其是放射性元素）正是在那段时期形成的。再往前，宇宙物质都挤在我们在第七章讲过的超高密度、超高温度的核液里面。
现在，让我们总结一下，从头看一下宇宙是怎么一步步演化的吧。
故事要从宇宙的萌芽阶段讲起，当时我们今天能通过威尔逊山望远镜看到的整个太空（即半径5亿光年以内）内的所有物质，都被压缩在半径只有约八个太阳半径的球体内。[10]但这种超高密度的状态不会持续很久，只需两秒，宇宙的快速膨胀就会让其密度下降至水的一百万倍，几小时内其密度就会降为与水等同。大约在这个时候，此前连续的气体会分解为单独的气体球，这些气体球会构成单独的恒星。在持续膨胀下，这些恒星会被逐渐拉开，形成单独的星云，即我们所称的星系，时至今日，这些星系仍在不断向宇宙深处后撤。
现在我们可以想一想，是什么力量造成了宇宙的膨胀？这种膨胀是否有停止的一天，甚至调头转为收缩呢？宇宙有没有可能反过来，将银河系、太阳、地球以及地球上的人类都挤成一团具有核密度的块体呢？
根据我们所知的最可靠信息，这种情况永远不会发生。在宇宙演化初期，膨胀的宇宙冲破了使其聚合起来的一切束缚，现在宇宙将遵照简单的惯性定律，无止境地膨胀下去。这里所说的束缚即阻止宇宙分崩离析的重力。
我们来举一个简单的例子，假设我们要将一枚火箭从地球表面发射至星际空间。我们知道，现在的所有火箭，包括著名的V2火箭，都没有能进入自由空间的足够的推进力，它们的上升总会被重力叫停，然后被拉回地面。但如果我们能为火箭提供超过每秒11千米的发射速度，它就能摆脱重力的牵引，一路逃逸至自由空间，届时，它将不受阻碍地运动下去。11千米每秒的速度常被称为摆脱地球引力的“逃逸速度”。
现在想象一下炮弹在空中爆炸的场面，弹片会向四面八方飞去（图11-12a）。爆炸的威力让弹片克服了将它们聚合起来的引力。不用说，在这里，弹片之间的相互引力可忽略不计，也就是说，引力的作用如此微弱，完全不会影响弹片在空间中的运动。但是，假如这些引力很强，它们将阻止弹片继续飞散，并让弹片调头，重新聚合起来（图11-12b）。弹片究竟会无止境地飞散下去，还是会掉头回来，这取决于它们的动能和彼此之间的引力势能的相对值。
图11-12 炮弹弹片
把这里的弹片换成一个个星系，你就能理解前文所述的宇宙膨胀是怎么一回事了。不过，在这里，由于星系的质量非常大，它们之间的引力势能与动能相比并不是微不足道的，而是非常重要的，[11]因此，要确定宇宙膨胀的前景，我们必须对这两种能量展开一番细致研究。
从目前关于星系质量的可靠信息来看，这些彼此逃离的星系的动能是它们之间的引力势能的几倍，由此可见，我们的宇宙将无止境地膨胀下去，而没有任何机会在引力的作用下再次收紧。但必须记住，与整个宇宙有关的大部分数据都不十分精确，未来的研究也可能会推翻这一结论。但即使膨胀的宇宙突然停止前进，并调头收缩，也一定是几十亿年以后的事了，我们不必过于忧心灵魂乐中预言的可怕景象——“当星星坠落”，我们将被塌缩的星系碾碎！
令宇宙碎片以如此惊人的速度飞散的高爆炸性物质究竟是什么呢？答案可能会让你失望：或许从未有过什么一般意义上的爆炸。宇宙之所以膨胀，是因为在过去的某段时期（当然，没有记录可寻），它曾从无穷大收缩至超高密度状态，然后它开始反弹，就如同高压缩物质被强大的弹力驱使一样。如果你走进兵乓球室，刚好看到一只乒乓球从地板上高高弹起，你不用想就会知道，在你进入兵乓球室前的一刻，它一定刚从一个相对很高的地方落下，此刻，它正在弹力的作用下向上跳起。
现在，我们不妨放飞一下想象力，思考一下，在宇宙压缩前的阶段，一切事物的顺序是否都和现在相反？
80亿～100亿年前，你是否会从本书的最后一页读起，一直读到第一页为止呢？当时的人们是否会从嘴里扯出炸鸡，然后在厨房里为其赋予生命，并把它们送回养鸡场，在那里，让鸡从成年长回幼年，最后，让它们一只只爬进蛋壳，几周后，变成新鲜的鸡蛋呢？太有趣了！但我们无法从纯科学的角度回答这些问题，因为宇宙内部的极大压力会将一切物质都压缩成均匀统一的核液，此前阶段的一切记录都将被毫不留情地抹去。
【注释】
[1]包括作者的两本书：《太阳的生与死》（The Birth and Death of the Sun），1940年；《地球传记》（Biography of the Earth），1941年初版，1959年修订版。
[2]在我们星球上，氢主要存在于水中（与氧结合）。众所周知，虽然水覆盖了地球表面积的四分之三，但相比整个地球的质量，水的总质量是很小的。
[3]这是构成星际材料的尘埃微粒的大致尺寸。
[4]关于地球生命起源和演化的更详细讨论，可参考作者的另一本书《地球传记》（纽约，维京出版社，1959年修订版，1941年初版）。
[5]“红巨星”和“白矮星”这两个术语描述的是它们的亮度与表面的关系。由于密度低的恒星表面积大，向外辐射能量的面也大，因此表面温度相对较低，使它呈红色。相反，密度高的恒星表面一定温度很高，因此呈白热状。
[6]根据魏茨泽克的理论，太阳的形成不会比太阳系早太多，因此地球的大致年龄也应该在这个数量级里面。
[7]即上段描述的过程。
[8]能量单位。
[9]根据哈勃的原始数据，相邻星系的平均距离约为170万光年（即1.6×1019千米），它们相互远离的速度约为每秒300千米。假设膨胀速率一致，可得出膨胀时间为
。不过，根据最新信息计算出的膨胀时间还要更久一些。
[10]核液的密度为1014克/厘米3，当前宇宙物质的平均密度为10-30克/厘米3，线性收缩率为
。因此，目前5×108光年的距离在当时仅为
，即1 000万千米。
[11]运动粒子的动能与质量成正比，而相互之间的势能与质量的平方成正比。