原始的混沌和膨胀的宇宙
纵观整个宇宙，我们立即面临一个极其重要的问题，即它是否随着时间的推移而演变。在过去、现在和将来，宇宙是与我们迄今为止看到的样子大致相同，还是它正在经历了不同的进化阶段？
总结从不同科学领域获得的经验，我们有一个明确的答案： 是的，我们的宇宙在不断变化。它的过去、现在、遥远的未来， 是三个截然不同的状态。从各个学科收集的大量科学事实进一步表明，我们的宇宙有一个开端。从这个开端起，宇宙不断演化， 最终发展变成今天的样子。
众所周知，行星系统的年龄已达数十亿年，在各种独立研究中这个数字不厌其烦地反复出现。显然月亮是被太阳的引力从地球上扯下来的一部分物质，也应该是数十亿年前形成的。
对恒星演化的研究表明，我们在天空看到的大多数恒星都有数十亿年的历史。通过对恒星运动的普遍研究，特别是对双星、三星和更复杂星系的相对运动的研究，天文学家得出结论，这些结构的持续时间不会超过数十亿年。
另一个独立的证据是，各种化学元素，尤其是缓慢衰变的放射性元素，如钍和铀，虽然它们不断衰变，但它们仍存在于宇宙中，这使我们有理由相信，要么这些元素仍然由其他轻元素原子核不断形成，要么这些元素只是大自然货架上年代久远的库存罢了。
我们目前对原子核嬗变的了解迫使我们放弃第一种可能性。因为即使在最热的恒星内，温度也不会达到足以“制造”重原子核的温度。事实上我们已经知道，恒星内部的温度是几千万度，而要想用轻元素的原子核制造出放射性的原子核，温度得达到几十亿度才行。
因此，我们必须假设这些重元素的原子核是在宇宙的某个时代产生的，在那个特殊的时刻，所有的物质都经受了极其可怕的高温和高压。
我们可以粗略计算这个宇宙的“炼狱”时期。我们知道钍和铀238的半衰期分别为180亿年和45亿年，而它们还没有衰变太多，因为它们到目前位置与其他稳定元素的数量近似相同。至于铀235，其半衰期仅为5亿年，其数量则比铀的数量少140倍。
钍和铀238的大量存在表明这些元素的形成不会超过数十亿年，我们可以从较少的铀235中进一步计算这个时间，因为这个元素每5亿年削减一半，所以你必须经历7个这样的半衰期（即35亿年）才能减少到原来数量的1/128，因为：
从核物理学角度计算出的化学元素的年龄，与从天文数据计算出的星系、恒星和行星的年龄非常一致！
然而，在数十亿年前形成一切事物的早期阶段，宇宙处于什么状态？宇宙经历过哪些变化，才能变成今天的样子？
对这两个问题最恰当的答案，是通过研究“宇宙膨胀”现象得出的。正如我们以前所见，在宇宙的巨大空间中，有大量巨大的星系。太阳所属的并且包含数百亿颗恒星的银河系只是其中之一。我们也看到了视野范围内（当然，这个视野是由200 英寸望远镜帮助下实现的）这些星系基本上是均匀分布的。
当威尔逊的天文学家哈勃研究来自遥远星系的光时，他发现它们的光谱略微向红色端移动；星系越远，“红移”就越明显。事实上，我们发现每个星系的“红移”大小与它们离开我们的距离成正比。
对这种现象最自然的解释是假设所有星系都正在离开了我们，离开的速度随着距离的增加而增加。这种解释是基于所谓的“多普勒效应”。也就是说，当光源接近我们时，光的颜色向光谱短波长的蓝紫色端移动；当光源离开我们时，光的颜色向光谱长波长的红色端移动。当然，为了实现显著的谱线移动，光源和观察者之间的相对速度必须很大。
伍德（R. W. Wood）教授因在巴尔的摩闯红灯而被捕，他告诉法官，由于我们上面提到的多普勒现象，他把红色信号灯看成绿色的了。教授只是在欺骗法官罢了。如果法官的物理学习得很好，他会问伍德教授说，红灯能够被视为绿灯，汽车得以极高的速度行驶才行，然后再以超速的理由处以罚金！
让我们回到银河系的“红移”问题。乍一看，这个问题有点令人尴尬：为什么宇宙中的所有星系都正在离开我们呢？银河系是能把所有东西都吓跑的怪物吗？如果是这样，我们银河系的可怕性质是什么？为什么它看起来如此不同？如果你想到这个问题，很容易发现银河本身没有特殊的功能。其他星系实际上并没有故意避开我们。
事实是，所有的星系都是相互分离的。想象一个带有小圆点的气球（图1）。如果你吹入气球并使其膨胀地越来越大，点之间的距离将增加。因此，任何一个点上的蚂蚁都会认为所有其他点都从它所处的位置“逃脱”。不仅如此，在这个膨胀的气球上，点退后的速度与它们与蚂蚁之间的距离成正比。
图1 地球膨胀时，气球上的每一个点都与其他点逐渐远离
这个例子清楚地表明，哈勃观测到的星系退后的现象与我们银河系的位置或其性质无关。这种现象仅仅是由于星系分散的宇宙空间正在经历了普遍均匀的膨胀。
根据观测到的膨胀率和今天相邻星系之间的距离，可以很容易地计算出这种扩张至少在50亿年前就开始了。
在此之前，当时的星云（现在的星系）正在形成整个宇宙中均匀分布的恒星。再往前，这些恒星也紧紧地堆积在一起，使得宇宙充满了连续的炽热气体。再往前，气体更为紧密而炽热，这个阶段显然是生产各种元素（特别是放射性元素）的时代。
现在让我们总结这些情况，并以正常顺序观察宇宙的演变。
在整个历史的开端，在宇宙的萌芽阶段，今天的威尔逊山望远镜（观测半径为5 亿光年）所见的所有材料被挤压成太阳半径8 倍大小的球体，但这种非常致密的状态无法长期存在。在短短的两秒钟内，宇宙经历迅速的扩张，密度将达到水的数百万倍； 几个小时后，将达到水的密度。
可能在这个时候，原本连续的气体将分裂成单独的气体球，这就是今天的恒星。在不断扩张的情况下，这些恒星后来被进一步分开，形成各种星云系统，这些系统就是现在的各种星系，并且仍在向遥不可测的宇宙深处不断退去。
我们现在可以问自己：导致这种宇宙扩张的力量是什么？这种扩张会在未来停止并变成收缩吗？宇宙是否有可能转过头，将银河系、太阳、地球和人类重新挤成原子核密度的一整块呢？
根据现有最可靠的信息，这种事情永远不会发生。很久以前，在宇宙演化的早期，宇宙冲破了束缚自己的锁链——这条锁链就是阻止宇宙中物质分离扩张的重力——而膨胀，因此，他们会遵循惯性定律一直膨胀下去。
我们举一个简单的例子来说明这种情况。从地球表面发射火箭到星际空间。我们知道过去的所有火箭，包括著名的V-2 火箭，都没有足够的驱动力进入太空; 它们会被重力阻挡，并在它们上升时落回地球。但是，如果我们能够使火箭有足够的动力以超过11公里/秒的速度启动，那么火箭就可以克服重力，进入自由空间并且畅通无阻，这个速度就是克服地球重力的“逃逸速度”。
想象一下，一发炮弹在空中爆炸了，它的碎片向四面八方飞去（如图2a所示）。爆炸期间产生的力抵抗了将它们拉到一起的引力，使弹片彼此飞离。不用说，在这个例子中，弹片之间的引力非常弱，不足以影响它们在空间中的运动，因此可以忽略。然而，如果这种重力很强，弹片将在中途停止并转向，以返回其共同的重心（如图2b所示）。根据动能和引力势能的相对大小，就决定了它们最终会返回，还是不受限制地持续飞行下去。
图2 a b
通过用星系代替炮弹，你就能获得上面提到的膨胀宇宙的图景。只不过，此时每个星系的巨大质量会产生强大的引力势能，与动能相当。因此，只有仔细研究这两种能量，才能确定宇宙膨胀的前景。
根据目前可用星系质量最可靠的数据，每个相互离开的星系的动能都是其引力势能的数倍。在这种情况下，宇宙将无限扩展，而不会被它们之间的引力拉回来。但是，请记住，有关宇宙的数据通常不是很准确，未来的进一步研究可能会扭转整个结论。
然而，即使宇宙真的停止扩张并开始收缩，也需要数十亿年。因此，在黑色诗歌中预测的那种“星星开始下降”，以及在坍缩星系的重压下我们粉身碎骨的场景，眼下应该还不会发生。
这种导致宇宙的各个部分以极快的速度飞离的高爆炸性物质到底是什么呢？这个问题的答案可能让你失望：事实上，很可能从未发生过所谓的爆炸事件。宇宙现在正在扩张，只是因为它从一个无限广阔的区域缩小到非常致密的状态（当然，这个过程没有任何历史记录保存），然后像具有强大弹性的压缩物体一样反弹回来。如果你走进一个舞厅，恰好看到一个乒乓球从地板跳到空中，你当然会得出结论（根本不需要考虑）说在进入这个房间之前，球一定是先落到地板上，由于弹性作用才再次跳跃起来。
现在，我们让想象力自由发散一下，想象一下在宇宙的收缩阶段，是否所有事物都会被逆转？
是否在80 亿年或100 亿年前，你会从这本书的最后一页一直读到书的第一页？那时的人是否会把炸鸡从嘴里拿出来，在厨房里将其复活，并把它来送到养鸡场？在那里，它从一只大鸡长成一只小鸡，最后缩进蛋壳，然后在几周内又变成新鲜的鸡蛋？ 这实在是很有趣。
然而，对于这些问题，不可能从纯科学的角度来回答，因为在这种情况下，宇宙内部的巨大压力会将所有物质挤压成均匀的核液体，从而将所有的痕迹完全抹除掉。
《从一到无穷大》
（知乎重磅推荐，小学生都能读懂的全新译本。科普读物宗师之作，爱因斯坦亲自推荐，清华大学新生入学礼物。融汇数学、物理学、生物学、天文学于一体，理解科学底层逻辑的入门级权威作品！）
