宇宙始于火还是始于冰

关于宇宙演化有两个对立的方案：一个方案认为宇宙始于火；另一个方案认为宇宙始于冰。前者能较好地说明宇宙早期的演化，后者自认为能说明宇宙演化晚期团块结构的形成。

火球假说

宇宙始于原始火球的一次爆炸，所发展出的宇宙演化模型，为大多数宇宙学家所偏爱，被称为“标准模型”

按照标准模型，距今 150 亿年前的宇宙物质的状态是密度和温度的无穷大或接近无穷大的状态。宇宙的原始状态是一种对称的真空状态，以 1050 或更大的系数开始膨胀。这时，四种基本相互作用力，即引力、强力、弱力和电磁力仍不可区分。随着宇宙的膨胀和降温，犹如水变成冰那样，真空发生了一系列的相变。到爆炸后的 10-43 秒，温度降为 1032 开尔文时，超统一相

变发生，引力首先分化出来，夸克和轻子可以相互转变。到爆炸后的 10-36

秒，温度为 1028 开尔文，大统一相变结束，强作用力和弱—电作用力分离，

物质与反物质之间的不对称开始出现。到爆炸后的 10-10 秒，温度降为 1020 开尔文，弱电相变发生，弱电作用力和电磁作用力分离，完成四种基本作用力的全部分离。到爆炸后的 10-6 秒，温度降为 1013 开尔文，宇宙物质的密度仍为现在密度的 1039 倍，宇宙半径的膨胀系数已为 1013。这时宇宙已进入强子时代，但宇宙物质主要以辐射的形式存在，光子数与质子数之比约为 1 亿： 1。在爆炸后的 10-2 秒，温度降为 1011 开尔文，宇宙进入轻子时代。到爆炸后的 1 秒，温度降为 1010 开尔文，这时的宇宙物质还是由质子、中子、电子、光子等基本粒子组成的“宇宙汤”，但中子数与质子数以接近相等的比例冻结，正负电子湮灭。到爆炸后的 3 分钟，温度降为 109 开尔文时，宇宙才进入核合成的时代，由两个中子和两个质子构成的氦核形成，一些轻元素，如氘、氚、锂、铍、硼等也形成了。到爆炸后的 4 万年，温度降为 4000 开尔文，这时的宇宙才由以辐射为主转变为以物质为主，主要物质是质子和电子，它们结合成氢原子。到爆炸后的几亿年，温度降低到几百开尔文时，才开始进入星系形成的时期，中性原子在引力的作用下，逐渐凝聚为原星系，原星系集在一起形成等级结构的星系团，同时，星系本身也分裂为千万颗恒星。

这种热爆炸模型在详细解释宇宙成团结构时遇到困难，宇宙始于冰的“冰球假说”正是为解决这方面的难题而提出来的。

冰球假说

与火球假说相反，冰球假说认为，宇宙是从绝对零度或接近绝对零度的宏观均匀的稠密气体状态开始膨胀的。

在绝对零度这么低的温度下，怎么会是气态呢？这不是与水在摄氏零度就结冰的经验矛盾吗？物质的相态，究竟是气态还是液态或固态，决定于其内能总和的正负。如果内能为负值将表现为固态或液态，如果内能为正值则呈气态。一个物理体系的总内能是由组成物质的动能和位能之和构成的。宇宙初始的气态是它的高密度决定的。按照量子力学的测不准关系，在绝对零度时，一个电子或质子的平均动量近似等于普朗克常数除以粒子间的平均距

离。因为功能与动量的平方成正比，于是动能也就与粒子间平均距离的平方成反比了。而由化学内聚力决定的位能，即带有相反电荷的粒子之间的静电吸引能，是与粒子间平均距离成反比的。在高密度情况下，尽管温度极低，由于动能大于位能，总内能为正，因此介质呈气态。

冰球假说暗示，在现有物理定律起用前的不到 1 微秒，无论发生什么过程，均不会产生宏观密度变化或释放大量能量。关于宇宙演化的基本思想脉络是，完全无序的宇宙初始介质，从凝结然后破裂为固态氢组成的行星般大小的碎块开始呈现出结构序。在引力作用下，这些碎块“粒子”组成的冷“气体”宇宙产生密度的涨落，演化为自引力星团。这些团块又依次成为“粒子”，再三重复这一过程，一个蜂窝状的自引力系统等级结构就由小到大地构建起来。

冷的、高密度的气态宇宙介质，随着空间膨胀而来的是粒子间的平均距离增加，动能和相互作用能同时减少，但动能减少得更快，终使总内能变为负值。于是，宇宙介质发生相变，先是液化，随后凝结为固态。而这种固态介质不久就开始破碎，其破碎是以消耗能量最小的方式进行的，也就是碎块尽可能地大，以使表面积与体积之比尽可能小，这样单位质量所做的功也就小。但碎块的大小最终决定于其内聚力与自引力之和恰好维持其块状而不再进一步分离。这样就形成了其质量约为地球质量 10 倍的金属态氢组成的球。在形成了这样的金属氢组成的固态球之后，它作为早期宇宙的“粒子”，使宇宙的演化完全在引力的主宰下进行。

这时，我们可以把宇宙看作是由这些“粒子”组成的宏观均匀的引力“气体”。与火球假说不同，冷的引力气体内能一开始就是负值，随着宇宙的空间膨胀，其负值越来越大，引力积聚必然稳定增大。由于空间膨胀，动能和引力能都减少，但动能减少的速度比引力能减少的速度快。当两者的比例低于 2：3 时，“气体”在各个尺度上密度涨落的增长变得极不稳定，这种不稳定引起的运动会抑制这种不稳定的增长，最终在保持低于 2∶3 的水平上实现膨胀和不稳定的平衡。二者的比值保持在 1∶2 和 1∶1 之间的一个定值，随着宇宙膨胀动能和引力能一起稳步增加，内能也以同一速率增加，终使介质变成比“粒子”

（行星般大小的固态氢球块）的平均间隔稍大的块状物。过密的团块比作为一个整体的介质膨胀得慢些，很快分离为独立存在的自引力星团。这一星团又作为“粒子”，在宇宙继续膨胀中形成“星团的星团”。这些星团的星团又作为粒子起作用，这样连续进行下去，就形成了蜂窝状的自引力星团等级结构。天体物理学家雷泽尔（DavidLayzer）极力主张这种冷演化的宇宙图像。