如何向孩子解释「宇宙是如何形成的」? 第1页

从知乎科学的那篇文章过来的，好像说是乡村孩子的提问？那我尽量写详细一点，小朋友可能也没啥别的渠道接触这方面的知识。很多人可能觉得人类至今对这个问题一无所知，但实际上当前的理论还是能回答一些事情的。接下来我将逐层递进地介绍这个话题所需的背景知识，最后（在当前宇宙学理论所能讨论的范围内）为宇宙如何形成这个问题给出一个答案，希望可以在一定程度上解答小朋友的疑惑。

一、序言：从地球到宇宙

先来看一张照片：

请大家仔细看，是不是看到箭头所指位置有一个稍亮一些的像素点？这张照片有一个相当浪漫的名字——暗淡蓝点，它被拍摄于1990年2月14日，是旅行者一号太空探测器在距离地球超过60亿公里的地方对地球的一次回眸。是的，这个小小的像素点就是我们现在所生活的地球。天文学家卡尔·萨根曾这样评价这张照片：

这是家园，这是我们。你所爱的每一个人，你认识的每一个人，你听说过的每一个人，曾经有过的每一个人，都在它上面度过他们的一生。我们的欢乐与痛苦聚集在一起，数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说，每一个猎人与粮秣征收员，每一个英雄与懦夫，每一个文明的缔造者与毁灭者．每一个国王与农夫，每一对年轻情侣，每一个母亲和父亲，满怀希望的孩子、发明家和探险家，每一个德高望重的教师，每一个腐败的政客，每一个“超级明星”，每一个“最高领袖”，人类历史上的每一个圣人与罪犯，都在这里——一个悬浮于阳光中的尘埃小点上生活。

确实，也许对我们人类来说，这颗蓝色星球意味着一切。然而对宇宙来说，它实在是渺小得可怜，以至于它在旅行者一号的照片上只能占据一个像素点——那时的旅行者一号甚至没有走出太阳系。可以说我们所熟悉的一切事物在宇宙面前都会显得微不足道，因为“宇宙”这个词说的就是这世界上所有物质、所有空间的总和。我们抬头看看，能看到的看不到的都在宇宙里面，所有的一切共同组成了宇宙。那么宇宙究竟有多大呢？让我们一层一层来比拟。

• 第一层是行星，比如说我们的地球，它的周长大约是4万公里。这个距离如果是乘坐客机，大概要两天时间才能飞完。不过，如果让光来走这段距离，大约只需要0.13秒就可以走完，也就是一眨眼的功夫。
• 第二层是恒星系统，比如我们熟悉的太阳系，地球就是太阳系中的八颗行星之一。太阳系的尺度大约是1光年，这是一个什么概念呢？即使是让光来穿越太阳系，它也要走上一年才能走完这段距离。对比地球的尺度，可以看到太阳系的尺度大约是地球的两亿倍。
• 第三层是星系，这是大量恒星以及它们系统中的行星所聚集而成的天体系统。我们的太阳所属的星系是银河系，这是一个包含上千亿颗恒星的系统。银河系的尺度超过10万光年，是太阳系尺度的10万倍以上。这还只是尺度，如果考虑体积的话，那就大约是10万×10万×10万=1千亿倍。
• 在星系之上还有更大的天体结构，比如星系团、超星系团等等，直至整个可观测宇宙。这里可能要对“可观测宇宙”这个概念做一些介绍。由于种种原因（具体的原因后面会说），原则上我们观测宇宙所能涉及到的距离是有限的，当前大约460亿光年。以这个距离为半径，以我们的位置为原点，在宇宙中划出的一个球体区域就被叫做可观测宇宙，这个球的表面被称为“视界”。换句话说，当前在这个半径460亿光年的视界内的事物，原则上都是可以被我们观测到的，在这个距离之外的宇宙是什么样子我们一概不知。

可观测宇宙中包含大约上千亿个星系，亿亿亿颗恒星与行星，可以说它的庞大已不能被任何言语所直观描述。然而，可观测宇宙也只是整个宇宙的一小部分，在可观测宇宙外面还有多少星系多少物质我们无从得知。或许整个宇宙是有限的，它就像一个四维球的三维表面一样，可观测宇宙只是这个表面上的一小块近乎平整的区域。又或许整个宇宙是无限的，在视界之外有着无尽的可能——另一个地球？另一个版本的人类历史？甚至可能有着另一个你和我。让我们就此打住吧，理解到可观测宇宙这一层就足够继续我们接下来的话题了。

二、宇宙是在膨胀的

小朋友既然提问“宇宙是如何形成的”，那就意味着他（她）意识到了宇宙并不是从始至终都是现在这个样子，而是在随时间演化的。能意识到这一点其实很不容易，因为就算是爱因斯坦这样伟大的物理学家，他在刚开始研究宇宙的时候都自然而然地以为宇宙是静态的、从始至终不变的。爱因斯坦在1915年完成了他的广义相对论（一种关于时空和万有引力的物理理论）后，立刻就尝试应用这一理论来研究宇宙。一开始他根据广义相对论推导出宇宙是在随时间演变的，这让他无法接受。当时他认为宇宙一定是始终不变的，甚至他还修改了他的广义相对论以期望能推导出一个静态的宇宙。虽然当时有别的物理学家也提出了宇宙在演化的观点，但爱因斯坦并没有理会那些声音。

直到1929年，爱因斯坦的想法才彻底改变。原因是这一年天文学家哈勃发现，夜空中绝大多数的星系都在离我们远去，且离我们越远的星系相对我们退后的速度越快，这被称为哈勃定律。这是什么意思呢？是在说地球是宇宙的中心然后所有星系都在远离地球吗？显然不是，我们所在的地球或者说银河系在宇宙中只是一粒普通得不能再普通的尘埃罢了，并没有什么特殊的地位。所以，从“宇宙中的一切位置平等”出发，哈勃的发现只可能意味着一件事：我们站在宇宙中的任意一个星系或星球上都将会看到其他星系在离我们远去，即宇宙中所有的星系都是在互相远离的。

怎么理解互相远离呢？就好比小朋友们做课间操的时候成体操队形散开一样，每个小朋友都在互相远离对方。在散开之后，你会发现小朋友们的队伍占地面积比散开前要大得多对不对？同样的道理，所有星系之间互相远离也意味着宇宙空间的尺度正在随时间膨胀变大，这就是哈勃的观测结果所反映出的一个事实。我们还可以用一个正在充气的气球来理解宇宙的膨胀。假设宇宙是一个气球的表面，每个星系是画在气球上的一个点，那么当我们吹气球时，随着气球表面积的增大，将会看到画在气球上的所有的点都是在相互远离的，且距离越远的两个点相互远离的速度越快。如果整个宇宙是有限的，那么它和气球就只是四维球的三维表面和三维球的二维表面的区别。

现在我们可以回答第一节遗留的一个问题，为什么可观测的只是视界之内的宇宙？先来回顾一下哈勃定律：宇宙膨胀导致所有星系都在互相远离，距离越远的两个星系相互远离的速度越快。也就是说，站在我们的位置上看，距离我们越远的东西向后退行的速度越快，用公式表示就是： ，其中 是退行速度， 是距离， 是一个常数（不知道小朋友能不能理解这个公式，希望在转述我这篇文章的时候可以给小朋友仔细解释一下这个公式）。这样一来我们就会发现一件事，存在一个足够远的距离使得那个距离上的东西相对我们退行的速度超过光速（给大人的注释：这种超光速不传递信息，不违反相对论）。而宇宙中信息传递的最高速度就是光速，因此在那个足够远的距离之外的一切都无法向我们传递信息。以我们为原点，以这个距离为半径划出的球面就是第一节所说的视界，视界之内的就是可观测的宇宙，视界之外的一切不可观测。

还有一点要补充，视界的大小，或者说可观测宇宙的尺度是在随时间变大的。这一点很好理解。当前宇宙的视界半径大约是460亿光年，假如此时此刻距离我们460亿光年的地方有个东西向我们发射了一个光信号，几百亿年后当我们接收到这个光信号时，发射光信号的这个东西已经因宇宙膨胀退行至了比如距离我们1000亿光年的地方。那么就相当于在我们看到它时它已经距离我们1000亿光年了，那时的视界半径就不再是460亿光年，而是1000亿光年。因此视界半径/可观测宇宙的尺度是在随时间变大的。需要提醒的是，虽然可观测宇宙的半径在随时间变大，但这并不意味着将来它里面会包含更多的物质or我们会看到更多的星系，因为各星系之间的距离也在变大。

读到这里大家可能还有一个疑问，为什么视界是有限大的呢？如果宇宙已存在了无限久的时间，那么视界的半径就应该在无限久的时间里扩张到无限大呀？实际上，视界是有限大的这件事恰恰暗示着一个事实——宇宙已存在的时间是有限的。换句话说，宇宙有一个开端。

三、宇宙的早期

既然宇宙应当有一个开端，那么它是怎么一步步演变至今天的样子的？让我们一步步反推回去，从宇宙正在膨胀这一事实我们知道空间尺度是在随时间变大的，那么昨天的宇宙一定比今天的小，前天的宇宙一定比昨天的更小。一直往前推，会不会在很久很久以前宇宙的尺度远小于今天？甚至那时的可观测宇宙还没我们一个巴掌大？确实是这样的，从爱因斯坦的广义相对论出发，我们确实可以推理出这样一个结果。在现代宇宙学中，我们一般认为宇宙的开端就是这个尺度很小的时期。现在的理论研究和天文观测表明这个开端大约在138亿年前，当前宇宙中的一切都可以追溯到那个时期。

现在我们要问，宇宙在那个尺度很小的时期是一种怎样的景象？所有星系所有星球仅仅挨在一起吗？并不是，在那个时期宇宙中的物质还没有形成星球星系的结构，所有物质是以一团高温粒子的形式存在的（小朋友如果不知道物质是由粒子组成的话，就先和他们说说物质的基本结构）。这里可能需要对“高温”做一些解释，用热力学的知识可以证明一个结论：宇宙的温度反比于它的尺度。因此，在宇宙诞生初期温度是很高的，高到所有物质无法形成结构，只能以一团粒子的形式存在。那么宇宙是怎么由这个小尺度的热汤演化成今天这副样子的呢？1948年，一位名叫伽莫夫的物理学家构建了一套理论来描述这个过程，这就是后来家喻户晓的“宇宙大爆炸”理论。

伽莫夫认为，结构是在宇宙膨胀、温度降低的过程中逐渐形成。最开始宇宙中有一团温度高达数亿亿℃的热粒子，包括电子、夸克、光子等（这里可能要向小朋友介绍一下有哪些常见的粒子）。随着宇宙膨胀，温度逐渐下降，当宇宙的温度下降至大约一万亿℃时（此时距离宇宙诞生才过去了0.0001秒），夸克之间无法抵挡强相互作用的束缚，开始形成质子、中子的结构。当温度下降至大约十亿℃，质子和中子无法抵挡核力的束缚开始结合成为原子核。温度下降至一万℃，电子和原子核无法抵挡电磁力的束缚开始结合成为原子。原子形成后，绝大多数粒子已从热汤中分离了出来。最后分离出来的是光子，它形成了一种被称为背景辐射的结构，此时宇宙的温度已降低至大约3000℃，距离宇宙诞生已过去了约38万年，宇宙的尺度相比质子、中子形成时已膨胀了近十亿倍。

再往后，宇宙开始由一堆粒子气体的状态向今天的结构演化，形成的原子开始在万有引力的作用下聚集。在大约三千万年后，宇宙中开始出现原子的聚集体——恒星。恒星形成很多以后，它们也会在引力的作用下形成新的结构——星系，此时距离宇宙诞生已过去了好几亿年，宇宙的温度已经降低到了大约零下250℃。之后星系也会聚集形成更大的结构，如下图5所示。在宇宙诞生大约80亿年时，太阳开始形成了，又过了没多久，我们的地球以及太阳系的其他行星也陆续形成了。再往后地球逐渐稳定下来，开始形成海洋、山脉、河流，接着出现了生物，出现了人，成为了今天这个样子。演化到现在，距离宇宙诞生已经过去了大约138亿年，宇宙的温度已经降低到了大约零下270℃，只比绝对零度高2.7℃了。

大爆炸理论听起来很有道理，但怎么证明它说得是对的呢？大爆炸理论有两个核心预言：①宇宙中氢元素与氦元素的比例是3:1，②宇宙中有前面提到的背景辐射这种结构。这两项科学预言都已在上个世纪被实验观测证实，由此坐实了宇宙真的有一个高温小尺度的早期。

四、物质的起源

（这一节如果小朋友理解不了的话就掐掉吧，我感觉如果小朋友没接触过中学数学和物理知识的话可能没法理解这些内容）

至此，我们已经大致了解了从宇宙诞生后0.0001秒到今天的这段历史。不知大家是否有这样一个疑问，我们说宇宙一开始有一团热粒子，那么这团热粒子是从哪来的呢？或者说，在宇宙刚诞生0.0001秒内发生了什么？从上世纪80年代开始，宇宙学家们开始意识到一个惊人的事实，那就是今天宇宙中的所有物质几乎全部来源于宇宙极早期的一场剧烈的“暴胀”过程以及紧接其后的“重加热”过程。

暴胀是宇宙诞生后极短的时间内经历的一场剧烈的“指数”膨胀过程。这一时期的持续时长只有0.00...01（30个0）秒，但期间宇宙的尺度却至少膨胀了一亿亿亿倍！这种剧烈的暴胀过程是由一种被称为“暴胀子”的物质造成的，它和其他物质相比有着非常不同的性质。其他物质的密度都是随着宇宙膨胀越来越低的（宇宙体积因子增大把物质稀释了），而暴胀子这种物质的密度在宇宙暴胀过程中几乎不随宇宙尺度的增大而改变。也就是说，在暴胀过程中宇宙体积因子在急剧变大，但暴胀子的密度几乎不变，所以暴胀子的总量在宇宙暴胀过程中会剧烈增加，估算一下总量至少增加了100...0（70个0）倍。在暴胀过程结束后，重加热过程开始，此前产生的这些暴胀子会全部衰变成前面提到的那一团热粒子，这就是今天宇宙中基本粒子的产生过程。重加热过后，宇宙开始按照第三节所说的那样演化，一团热粒子最终演变成为今天宇宙的结构。

暴胀理论是一个关于物质起源和宇宙结构起源的十分深刻的理论，不用公式是没法讲清楚的。所以这里就点到为止吧（总不能给小朋友讲弗里德曼方程吧）。想更深入了解暴胀理论又不想看教科书的小伙伴可以点个关注，下个月我可能会写一篇暴胀理论的简介放在我的专栏。

五、总结

下面这个表格通常被称为“宇宙热历史”，它按时间顺序总结了前文提到的那些在宇宙形成过程中发生过的标志性事件。当然，也包含一些前文没提到但足够重要的事件。这就是当前的宇宙学理论对宇宙形成历史的基本认识。为避免误导大家，我用“**”来标记宇宙学家们猜测发生过的事件，用“*”来标记有一定依据但没有实锤的事件，没有标记的是观测证据充分基本实锤的事件。（注：下表中温度单位1GeV=10^13℃）

宇宙学是一门相当宏大的学科，这篇文章篇幅所限只能向小朋友以及正在读这句话的大朋友们展现这门深奥学科的一小部分。有很多更加有趣的内容本文无力去涉及，比如暗物质、暗能量、引力波、真空与粒子、霍金的量子宇宙等等。小朋友如果对宇宙感兴趣的话，可以买一些科普书给小朋友看，比如《今日天文》系列、《宇宙学是什么》、卡尔·萨根《宇宙》、霍金《时间简史》等（想当年我也是看了《时间简史》之后开始对宇宙感兴趣）。

一些感想

最近在看B站一位叫做 @乡村教师日记 的up主的视频，深深地感受到乡村孩子在获取知识方面有多么得不容易。在城市里的孩子有感兴趣的问题可以上网或者去图书馆很方便地获取有关的内容资料，但是乡村的孩子有了疑惑可能直到他们长大都无法得到解答。所以我觉得 @知乎科学 和 @橡果科学 发起的这个为乡村孩子答疑的活动真的非常好，一篇内容详实的回答说不定真的可以在孩子的心中埋下一颗种子，激发他们对自己山村之外更广大世界的向往，甚至影响孩子将来选择的道路。（说不定我的这篇回答也可以激发某个小朋友对宇宙的兴趣，从而走上探索宇宙的道路呢( •̀ ω •́ )✧

最后再推荐一些我关于宇宙的回答：