宇宙是如何起源的?宇宙的年齡是多少?黑洞是怎麼產生的?人類對茫茫宇宙的探索，不斷有新發現。

關於宇宙起源的問題，目前大爆炸的理論已被科學家們廣泛接受。儘管如此，大爆炸理論知識建起了研究的框架，框架裡的諸多問題依然是懸而未決。近年來，隨著科學家在諸如暗能量、黑洞、宇宙加速膨脹的課題上有了最新發現，使得宇宙進化的過程變得日益清晰起來。

上個世紀40年代末俄裔美籍科學家喬治·伽莫夫提出了“大爆炸理論”，用以解釋宇宙的起源。他認為宇宙是從一個溫度極高、密度極大的火球中誕生的，並稱我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘餘輻射中，其溫度約為6K(6K=－267℃)，即後來所謂的宇宙微波背景輻射，它是充滿整個宇宙的電磁波。

1964年美國貝爾電話公司的兩位無線電工程師彭齊斯和威爾遜意外地發現了這個微波背景輻射，恰好與伽莫夫預言的宇宙背景輻射十分接近，它在溫度上對應為2.7K，它無疑是對大爆炸理論最有力的支援。這一發現使我們能夠獲得很久以前在宇宙誕生時期所發生的宇宙過程的資訊。彭齊亞斯和威爾遜由此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

如果宇宙確實如大爆炸理論所說，從一個無限小的奇點向外膨脹而產生，那麼從大的尺度說，宇宙中不同區域的性質應該不一樣，起碼宇宙空間中物質的密度就應該有所不同。但是宇宙並不像大爆炸理論所描述的那樣，從宇宙學的尺度來看，宇宙中各型具有高度的均勻性，無論在哪個方向上測量微波背景輻射，人們都能大致得到2.7K這個數字。

另一方面，從美國國家航空航天局(NASA)發射的微波背景開拓者衛星(COBE)和最近的微波各向異性探測器(WMAP)所捕捉到的微波背景輻射資訊來看，宇宙誕生後38萬年左右基本上是均勻的，但不是非常均勻，微波背景輻射的各向異性只有十萬分之一，最終這種微小差異造成了小範圍內物質的聚集，星系由此而形成。

再者，按大爆炸理論，從宇宙最初的不均勻性還預示著宇宙是彎曲的。但是最近WMAP的觀測顯示我們的宇宙空間是沒有彎曲的無限平直的世界。後文將要指出，為了彌補大爆炸理論上的這些缺陷，20年前物理學家古斯和佐藤各自提出了宇宙暴脹論的假說，並且經受了WMAP觀測結果的關鍵性檢驗。

宇宙年齡已有137億歲

關於宇宙的年齡一直沒有一個準確的定論。對此，天文學家們一直在追尋宇宙年齡的確鑿證據。最近美國國家航空航天局的研究小組根據微波各向異性探測器的觀測結果，認為年齡是137億歲(正負2億歲)，並繼續加速膨脹。再者，明確了宇宙的構成是普通物質僅佔4％，真相不明的暗物質佔2396，使宇宙迅速膨脹卻真相不明的“暗能量”佔73％，而且求出相當宇宙膨脹速度的哈勃常數為71。

關於宇宙年齡的問題，現在計算的方法是在假設的膨脹速度的基礎上，追溯推算出宇宙體積為零時的時間而得出的。根據上述最新的資料以大約1％的誤差算出宇宙的年齡是137億歲。

從這次的觀測結果，佔宇宙73％的暗能量增強了過去愛因斯坦提出的“宇宙常數”的可能性。有意思的是，愛因斯坦沒想到，當初他認為是錯誤的、讓他極為懊悔的“宇宙常數”竟然是極有道理的，幾乎可稱得上是宇宙的本質。

誕生12億年後出現大規模結構

在美國國家航空航天局新發現中最令人吃驚的是，第一代恆星在宇宙誕生之後第2億年就開始發光，比許多科學家預測的還要早得多。日本國家天文臺的杉山教授說：“微波各向異性探測器除了觀測到宇宙微波背景輻射的非常詳細的溫度起伏的影象，還觀測到偏光，即光(電磁波)的偏移情況。從這個偏光的狀態知道宇宙誕生第2億年大規模的中性氫發生再離子化。”

從宇宙誕生的38萬年後，宇宙中各自存在的質子與電子相互結構構成氫原子(中性氫)，光線變直，宇宙從黑暗中浮出，具有了可視性。但是，現在在星系間空間的質子與電子幾乎各自離子化存在。

關於這個再離子化何時發生，迄今為止尚不能正確地知道，但是宇宙開始出現的星輻射紫外線，則是揭下中性氫的電子產生的。杉山教授說：“宇宙微波背景的電磁波通過偏光的狀態向我們傳達了質子俘獲電子的資訊。這次從它的偏光狀態確認宇宙誕生後的第2億年背景輻射的電磁波與電子碰撞的痕跡。”即宇宙誕生後的第2億年，星星發光，通過這個恆星輻射紫外線，中性氫的電子被揭下，開始了宇宙的再離子化。

另外，日本東京大學的岡村教授的研究小組通過夏威夷的凱克望遠鏡觀測到宇宙誕生後第12億年就有了與現在星系團相匹敵的大規模的結構。岡村教授說：“我們在後發座方向發現宇宙誕生後的第12億年有43個星系成帶狀聚在一起，以及星系完全不存在的區域。”鑑於微波各向異性探測器的溫度起伏非常小，岡村教授認為從那種狀態僅用了12億年就完成了恆星和星系的大規模結構，看來很可能是受“暗物質”的影響。

具體的恆星或星系，以及星系群的大規模結構是怎樣構成的，我們還不完全清楚，這次一系列觀測結果被視為在闡明宇宙進化上的重要發現。

哈勃常數的確定

1929年美國天文學家埃德溫·哈勃通過觀測發現，幾乎所有的星系都在遠離銀河系而去。他注意到，遠處的星系比近處的星系更快速地飛離，它們的距離和速度有一定的關係，於是他提出了著名的哈勃定律，即星系從地球遠去的相對速度等於地球到星系的距離與哈勃常數的乘積。

從這個事實求出相當其膨脹速度的哈勃常數，並且知道它幾乎相等於求宇宙年齡。因為從這個速度單純地往前推，就可知道宇宙開始膨脹的時刻，即誕生的時刻。為此，若干研究小組測出各個星系的距離與速度，試圖測定哈勃常數。早在2001年“哈勃太空望遠鏡主要計劃”之一是以誤差14％的精度求出哈勃常數為72。

這次從微波各向異性探測器進行宇宙微波背景輻射的觀測求出哈勃常數為71，具有誤差5％的精度。那麼，是否可以說哈勃常數幾乎就是這個值了呢?東京大學的佐藤教授這麼說：“從宇宙微波背景輻射的結果給出了在相當精確定位下的哈勃常數的值。

復活宇宙常數

那麼，從哈勃常數71所求的宇宙年齡是否可以說相當準確的呢?實際不是那麼回事。例如假定宇宙是平直的，從這個數值所得的年齡大約92億歲。現已知道在我們銀河系中心附近存在的球狀星團是超過130億歲的老年天體，所以這二者顯然是矛盾的。

解決這一矛盾最簡單的辦法，是恢復“宇宙常數”作為現時宇宙的積極組成部分的理論地位。說起來膨脹的宇宙用愛因斯坦廣義相對論的引力方程來描述最合適。愛因斯坦一開始考慮宇宙不應該膨脹或收縮。因此，為了制止物質的引力引起的收縮，即讓宇宙“靜止”下來，在引力方程中引入了一項“宇宙常數”。

上個世紀20年代美國天文學家哈勃觀測到宇宙確實是在不斷膨脹，而且這一觀測結果完全與愛因斯坦引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相吻合，迅速得到了世界上絕大多數科學家的認可。愛因斯坦非常後悔，他本來是想把宇宙“靜止”下來，但實際上宇宙是在膨脹著的。他因此承認：“引入‘宇宙常數’是我這一生所犯的最大錯誤!”但是，從最近的觀測獲知宇宙正在加速膨脹，可以說被拋棄的宇宙常數又一次被複活了。

這次微波各向異性探測器的觀測資料暗示宇宙常數的存在，而且正是佔宇宙73％的暗能量提高了這個宇宙常數的可能性。

宇宙加速膨脹的證據

根據愛因斯坦廣義相對論，引力未必一定是吸引的力，它還可以是相互排斥的“斥性引力”，由於迄今為止所知的物質或能量都產生的是引力，因此科學家推測，整個宇宙也都是引力統治的王國。所謂“斥性引力”只是理論上的假設，與我們現在的宇宙沒有關係。而且，直到上個世紀90年代，天文學家還相信，是引力導致了宇宙膨脹速度在逐漸減慢。

然而，宇宙總是給人以驚訝。1998年，天文學家觀測到的一次超新星爆發在瞬間發出了100億倍太陽亮度的光線，但是這個觀測資料卻比按流行的宇宙理論預測的亮度值要低。於是，有一部分科學家懷疑，這個現象也許說明，宇宙的膨脹速度並不總是一直處於減速狀態，有些時候宇宙膨脹是在加速!如果那樣的話，幾十億年前爆發的超新星的光線有可能穿越了比預計更長的路程到達地球，因此亮度比理論值低，也就不足為怪了。

這個結論太驚世駭俗，如果宇宙膨脹曾經加速，就說明了宇宙空間中也有斥性引力在起作用，這種力量讓宇宙的退行速度加快。

但是主流科學家對這種解釋表示質疑，他們提出其他的原因也能讓超新星看上去比預期的要昏暗，比如漂浮在星系間的塵埃遮蔽了超新星的光線，或者早期誕生的超新星本來就比較暗。幸好有一種方法可以驗證哪種說法正確。如果超新星看上去比較暗淡是由於宇宙塵埃遮蔽造成的，或者是星體原本就比較暗淡，那麼光線的減弱應當隨著天體紅移的增加而更加明顯。而如果超新星變暗是由於宇宙在經歷了早期的減速膨脹後轉為加速膨脹造成的，那麼來自減速時期爆發的超新星光線應該顯得比理論值明亮(反之，加速膨脹時期爆發的超新星光線則應顯得比理論值暗淡)。

為了利用紅移效果來測定宇宙膨脹快慢，就必須尋找一顆亮度固定，並且雖然離我們很遠卻可以被觀測到的天體。科學家們發現一種稱為Iα型超新星，這顆超新星爆發的時間發生在100億年前，當時的宇宙只有現在的三分之一那麼大。這顆星體很明亮，比假定宇宙塵埃遮蔽而導致的亮度要明亮許多，因此超新星變暗至少不完全是由宇宙塵埃造成的，應該還有宇宙減弱膨脹的影響。

美國國家航空航天局的科學家們通過測算髮現，宇宙中的星系正在以加速度離我們遠去，也就是說，宇宙的確在加速膨脹。他們認為，只有一種現象才能解釋這種加速膨脹現象，那就是宇宙中確實存在一種起斥力作用的暗能，正是它引起了這種加速膨脹現象。

據此，最近美國國家航空航天局的一項新發現證實宇宙中的暗能將抵消宇宙星系引力的作用，使宇宙一直不斷膨脹下去，永遠也不會發生如劍橋大學已故理論物理學家斯蒂芬·霍金教授所預言的那種“宇宙大坍縮”結局。

現在霍金教授也改變了對宇宙的起源和歸宿的看法，認為宇宙最終將無限地膨脹下去，而不是膨脹到一定程度後在引力作用下收縮。關於這項發現的重要性，劍橋大學天體物理學家安東尼·拉森比教授稱，美國國家航空航天局的宣告將成為人類宇宙學史上最重大的發現之一，並將改變人類的宇宙觀。

宇宙起源新說：暴脹理論

上個世紀80年代物理學家阿蘭·古斯與佐藤一彥各自提出了宇宙暴脹論，認為宇宙在大爆炸之初還有一個宇宙超急膨脹的暴脹時期，使沙粒大小的空間在10－34秒內其體積增大了好幾十個數量級。這種暴脹的急劇程度是以後宇宙大爆炸所進行的那種膨脹速度完全無法比擬的，正是這種暴脹解決了大爆炸理論留下的缺陷。

宇宙暴脹論有兩個關鍵性的預見：第一，早期宇宙基本上是均勻的，但不是非常均勻。由於考慮早期宇宙是沙粒般極小的區域，可以認為這個小區域具有均勻的溫度。接著在它還不及非均勻化的一瞬間就急劇膨脹為很大宇宙的話。自然在這個宇宙中的溫度也就是基本均勻的。事實上，後來美國國家航空航天局的開拓者衛星探測結果證實了暴脹論的這一預見：早期宇宙不是非常均勻的，宇宙背景輻射的溫度有十萬分之一的起伏。

宇宙暴脹論的第二個關鍵性預言要求宇宙是“平直”的，但不是像光滑的桌面那樣尋常意義上的平坦。新的測量結果顯示，宇宙實際上是平直的。在宇宙學研究的時空四維世界中，“平直”意味著平行線絕不會相聚，而在彎曲宇宙中，平行線最終將相交。按照愛因斯坦的理論，宇宙的曲率由它所含有的物質和能量決定。要使宇宙保持平直，宇宙內物質的密度和能量的密度之和必須正好等於l臨界值。

但是觀測資料卻顯示已知物質和暗物質加在一起也只佔總數的27％。因此其餘的73％必然來自一種不可知的暗能量，它對宇宙的未來提供了一種暗示，即所有物質加在一起也沒足夠的引力來阻止膨脹，而且具有斥力效應的暗能量還將加速這種膨脹。

同樣的宇宙暴脹論也不是完美無缺，例如究竟是什麼導致了宇宙的急劇膨脹?因為宇宙發生暴脹，則必須要有一種巨大的斥力抗衡萬有引力才行。古斯認為早期宇宙是一鍋“夸克湯”，佐藤認為是真空的“零點能”。總之，什麼斥力至今仍不清楚。這些問題或許在即將發射的普朗克宇宙微波輻射衛星等觀測後才能說清楚。