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第五篇 地外生命 ★宇宙生命的起源（第3页）

在十多年的时间里，大爆炸和连续创生论的争论非常激烈，但没有实际的证据来裁决到底哪一个对。在这段时间里，“大爆炸”这个词是一种贬义用语，引申含义是“不严肃”、“可笑”。

4．光焰的余辉

热寂、宇宙膨胀等理论，似都不足以令大多数人信服大爆炸的存在。如果过去某个时候曾发生过一次大爆炸，如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹?既然有那么多宗教考古学家热衷于寻找伊甸园的旧址、亚当夏娃的文物，科学家是否该去发掘一下宇宙创生的遗迹呢?

1948年，伽莫夫指导的一位年轻研究生R。A．阿尔弗在他的博士学位论文中提出，宇宙源于约140亿年前的一次大爆炸，并详述了宇宙诞生的最初几分钟里，基本粒子结合成为元素的过程。论文的题目是“化学元素的起源”，发表于《物理评论通讯》杂志上。在这篇文章里，伽莫夫玩了一个文字游戏，将对此项研究并无贡献的物理学家H．贝特的名字添入论文中。这样，论文的3位作者阿尔弗、贝特、伽莫夫的名字，念起来与希腊字母表中头3个字母阿尔法、贝塔和伽马颇为相似。这对一篇谈论宇宙起源的论文来说，实在是再合适不过了。

这篇论文给出了大爆炸理论的第一个数学模型。此后不久，阿尔弗与另一位科学家赫尔曼一道，在《自然》杂志上发表了另一篇论文，提出了一个证实大爆炸理论的方法。

按照大爆炸理论，最初的几分钟里，宇宙是一个炽热的火球，到处充满温度高达几十亿度的光辐射。由于此时的宇宙处于热动平衡中，这种辐射具有独特的光谱特征，称为“黑体谱”。随着宇宙的膨胀，辐射的温度不断下降，但仍保留着黑体谱的特征，以及总体均匀性。按照推算，现在的宇宙应存在着温度约为5K的背景黑体辐射。

这个杰出的预言在当时并未引起重视，而被埋没在浩瀚的物理学文献之中。在没有电脑、没有互联网的1948年，科学家之间的交流无法与今天同日而语。阿尔弗与赫尔曼不是射电天文学家，没办法自己设计出合适的探测器来在太空中搜索大爆炸的残留辐射——即使他们愿意那样做，在那个时代也没有足够的技术力量。而且，在40年代和50年代，在多数物理学家看来，再现宇宙早期史的细节并不是一种严肃的学术活动。

多年以后，即1965年，美国贝尔实验室的两位无线电工程师A．彭齐亚斯和R．威尔逊，在为跟踪一颗卫星而校准一具非常灵敏的天线时偶然发现，接收器中存在着某种无法消除的噪声。这表明宇宙浸润在一种辐射当中，它相当于在电磁波谱微波波段波长7．35厘米的某种无线电信号，以相同的强度从空间各．个方向射向地球，在大尺度上分布非常均匀。其温度约为3K，谱线有完美的黑体谱特征。与此同时，美国普林斯顿大学R．迪克领导的一个科学家小组，独立地重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言，并着手设计一台探测器供搜索大爆炸的残余辐射。他们听说了贝尔实验室发现的这种辐射之后，立即将它解释为大爆炸后原初宇宙高热的遗迹，即大爆炸火球黯淡下去的最后光芒。

由于这种背景辐射频率集中在微波波段，因此被称为微波背景辐射。大多数天文学家都认为，它的发现为大爆炸理论提供了结论性的依据。大多数人因此而接受了大爆炸曾经发生的说法，抛弃了连续创生论。因为这项发现，彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年诺贝尔物理学奖。然而，最早对微波背景辐射作出预言的阿尔弗和赫尔曼，却未因此获得荣誉，甚至在许多总结大爆炸理论发展史的文献中被遗忘。

还应当提及的是，在1983年，人们开始获悉苏联无线电物理学家什茂诺夫或许早在1958年就发现了这种辐射，并用俄文公布了这一事实。什茂诺夫建造了一具对微波信号敏感的天线，并报道探测到了某种在天空中各个方向上均匀的信号，与之相当的辐射具有的温度在1K到7K之间。当时无论是他本人或是其他任何人都不清楚这项发现的重要性。事实上，什茂诺夫直到1983年才闻知大爆炸的预言及彭齐亚斯和威尔逊的发现，这已是他们2位获得诺贝尔奖5年后的事情了。像阿尔弗和赫尔曼一样，什茂诺夫亦未能获得应有的荣誉，科学史上往往颇多此种遗憾。

5．最初3分钟

大爆炸是什么时候发生的呢?由于红移容易测量，所以我们相当确切地知道星系退行的速度。但确定宇宙的年龄，我们还必须确定星系的距离。距离越大，星系退行到现在位置所需的时间也越长。但距离并不容易确定出来。科学界对宇宙的年龄有不同说法，大体在100～200亿间之前，比较通行的说法是150亿年。我们并不确切地知道大爆炸已经过去了多久，倒是对大爆炸刚刚发生之后1秒到几分钟的时间里发生的事了解得更多。’

最初的1秒钟是宇宙史上的一道分水岭。在此时刻以后，宇宙的温度已降到一定程度，能用我们现有的物理知识来描述，从而获得一幅大致准确的宇宙鸟瞰图。而在1秒钟之前，致密、高热的宇宙是一堆人类尚无力了解其行为的粒子，现有的物理规律不足以描述其行为。这是黑箱式的1秒钟。

在1秒钟之前，宇宙中应该存在着等量的质子和中子，因为弱相互作用会使质子与中子相互转化，维持其数目的平衡。但到了1秒钟时，膨胀速度变得太大了，弱相互作用不能再维持质子与中子数的平衡。由于中子比质子稍重一些，质子转变为中子需要消耗较多能量，比中子转变为质子困难一些。然后，弱相互作用停止，中子和质子不再大量互相转换，留下的中子与质子相对数目有一个确定的比值——大概是1：6。

在最初1秒过后、3分钟之内，中子和质子进行剧烈的聚合反应，形成氘核、氦核和锂核，主要是形成氦核。这个过程用完了所有的中子，余下的质子就成了氢原子核。3分钟过后，宇宙的温度降到10亿度以下，物质密度也迅速下降，这类核反应遂告中止。计算表明，最初3分钟里大约有22％～24％的物质形成的氦4，剩下的物质几乎全部保持氢的形式，仅有十万分之几成为氦3和氘，还有百亿分之几成为锂。

因此，大爆炸模型预言宇宙中应有22％～24％的物质为氦，余大绝大部分为氢。最初3分钟里形成的氢和氦，构成了宇宙中99％以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素，只占宇宙总质量的不到1％，它们大部分是在大爆炸之后很久于恒星的内部形成的。

对宇宙各处的氦、氘及其他元素等的观测，极好地证实了上述丰度值的普适性。简单的大爆炸模型与严格的天文观测间形成了美妙的一致。这一预言是大爆炸图景最大的成功。

6．时空尽头

大爆炸模型并不是终极真理。它只是现有宇宙起源理论中最好的，但仍有许多难题未能解决。例如最初3分钟过后的许多年里，物质如何聚集成团形成星系、恒星，依旧是一个模糊的过程。此外，把“大爆炸之前是什么”简单地归为逻辑上不合理的问题而不予回答，虽然很高明却似乎有点不负责任。

对于大爆炸模型，科学界目前存在的一个主要分歧在于，宇宙是“开放”的，抑或是“闭合”的。这个问题关联到宇宙的终结。

根据推断，宇宙的形成距今约100～200亿年。天文观测表明，各种天体的年龄均小于200亿年，这与大爆炸理论符合得很好。我们的地球大概是50亿年前形成的，至于人类出现的历史便短得不值一提了。宇宙现在还算得上年轻，担忧末日来临，对单个人来说是十分无聊的事。然而，为全人类的命运想一想这个问题，还是有必要的。

按照大爆炸模型，宇宙在诞生后不断膨胀，与此同时，物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。如果宇宙的总质量大于某一特定数值（临界质量），那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩，造成与大爆炸相反的“大坍塌”，这样的宇宙是“闭合”的。如果宇宙总质量小于这一数值，则引力不足以阻止膨胀，宇宙就将永远膨胀下去，即“开放”的。

开放宇宙和闭合宇宙2种理论都很流行，且相持不下。这是因为给宇宙过磅实在过于困难，无论从实际观测或理论推导上都不易实现。最近几年，天文观测结果似乎更多地支持开放理论，即宇宙总质量太轻，达不到引起收缩的临界质量；甚至有人声称发现了造成宇宙加速膨胀的“反引力”。不过，这些结果没有一项是决定性的。

有趣的是，科学家发现，无论宇宙是开放或闭合的，它都必须非常接近临界质量。如果质量太大造成引力太大，宇宙便会在膨胀后不久就开始收缩，活不了太长。这样，恒星还来不及形成，生命和人类就更不用提。如果宇宙质量太小，宇宙就会膨胀得太快，物质很快就变得非常稀薄，不足以聚集成恒星、星系，生命也不会产生。在这两类宇宙里，都不会产生人类这种对宇宙起源寻根究底的麻烦东西。或许在某些地方存在着与临界质量相距很远的宇宙，但既然眼前这个宇宙里有我们的存在，那么它的质量必须与临界质量相差不大。这个事实无形中使确定宇宙是开放或闭合更为困难——我们需要非常精确的数据来确定宇宙的质量到底是大于或小于临界质量。

因此，我们不得不对两种未来都进行一下预言。

如果宇宙永远膨胀下去，在非常遥远的将来——譬如1亿亿亿年以后，所有的恒星都已燃烧完毕，茫茫黑暗中，潜伏着一些黑洞、中子星等天体。宇宙的尺度已经膨胀到今天的1亿亿倍，而且还在扩张下去。在这个系统里，引力不足以使膨胀停止，但不动声色地消耗着系统的能量，使宇宙缓慢地走向衰亡。黑洞在霍金效应的作用下释放出微弱的辐射，最终全都以光和热的形式蒸发掉。足够长的时间之后，连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了，宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤，其中有光子、中微子，越来越少的电子和正电子。这些粒子缓慢地运动，彼此越来越远，不会再有任何基本物理过程出现。这是寒冷、黑暗、荒凉而空虚的宇宙，它已经走完了自己的历程，面对的是永恒的生命，抑或永恒的死亡。这种情景，与传统意义上的“热寂”并不相同，荒凉程度却甚为相似。

如果宇宙质量大于临界质量，终有一天开始收缩，又将如何呢?在大尺度上，收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的，像一场倒放的电影，收缩的过程起初很慢，随后越来越快。在从膨胀到收缩的转折点过后，宇宙的体积开始缩小，背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉，生命无处可逃，全都被煮熟烤焦。最后，行星、恒星也毁灭了，分布在如今浩瀚空间里的物质被挤进一个很小的体积中，最后3分钟来临了。

温度变得如此之高，连原子核也被撕毁，宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。在最后的1秒钟里，质子和中子也无法区分，挤成一堆由夸克构成的等离子体。在最后的时刻里，引力成为占绝对优势的作用力，它毫不留情地把物质和空间碾得粉碎，时空曲率不断加大。在这场“大坍塌”中，所有的物质都不复存在，一切“存在”的东西，包括时间和空间本身，都被消灭。剩下的只有一个时空奇点。

深海烟囱起源说

随着深海探测的深入研究，特别是20世纪70年代对加拉巴哥斯群岛（Galapagoslslands）海洋中脊的火山喷口的研究，表明海水在深海烟囱（deepseavent）中经历了巨大的温度和化学梯度的变化，可能形成多种溶解物，包括原始生物化学物质。深海烟囱巨大的热量，可以产生在大陆火山区里产生的那种缩合物。因此，美国霍普金斯大学的地质古生物学家斯坦利（S．M．Stanly，1985）提出生命的深海底烟囱起源说。在海洋中脊，深海烟囱与炽热岩浆直接连通，温度高达1000℃，使周围海水沸腾，冒出的滚滚浓烟里富含金属、硫化物，热水中富含H－3、CH－4和H－2S，这是一个既有能量又有生命起源所必需的物质的还原环境，于是有机化合在这里发生，并且按照温度递降出现了一系列化学反应梯度区。由H－2、H－3、H－2S、CO－2经高温化合形成氨基酸，继而硫和其他复杂化合物形成多肽、核苷酸链，形成似细胞体的合成物。有趣的是，这些成分在高热作用下化学合成了硫细菌。鉴于现代深海形成硫细菌的事实，斯坦利推想，在太古代绿岩带里面也一定存在类似于现代深海洋中脊的地质条件，存在深海烟囱，生命化学合成的一系列反应就在那里发生，生物有机高分子在那里缩合而成，最后原始生命就在那里诞生。据美国《华盛顿邮报》最近（1992）报道，加利福尼亚大学洛杉矶分校的分子生物学家詹姆·莱克在大洋底烟囱附近找到了在黄石公园热泉里生存的嗜硫细菌，为海底烟囱热泉生命起源的非常规理论提供了证据。