《起源》作者：巴赫拉姆·莫巴舍尔
上一节，我们介绍了宇宙的起源，时空和粒子这些概念的意义。这一节，我们继续深入到宇宙当中，一起了解它的结构、体积和寿命。
宇宙中元素的形成
在宇宙大爆炸发生的那一瞬间，无数粒子被释放出来，它们主要由质子、中子、电子和中微子组成。短短1秒钟之后，在大爆炸的高温作用下，一些质子和中子相结合，形成了氘，也就是重氢。氘的状态并不稳定，它还会继续发生反应，生成氦原子核。这个过程被称为“大爆炸核合成”。在宇宙大爆炸10分钟后，整个核合成过程就已经宣告结束了。此时的宇宙里，充斥着氢原子核与氦原子核。而比它们更重的元素，直到几十亿年之后才会出现。
在大爆炸最初的10分钟里，宇宙中形成了氘、氦这些轻元素的原子核，但是由于当时宇宙极高的温度和密度，导致电子无法与这些原子核结合形成原子。直到大爆炸发生的28万年后，随着宇宙的膨胀与冷却，第一批原子才得以出现。
这些原子会向四面八方反射光子，且不让它们逃逸，这相当于是在光子面前树起了一道不透明的墙，让光无法穿透过去。因此，整个宇宙见不到一丝光明。这个时期因此被称作“黑暗时期”，时间长达6亿年之久。
在黑暗时期里，宇宙没有任何光源，而占据宇宙统治地位的是暗物质。这些暗物质最终会坍缩形成恒星和星系。直到宇宙中出现了第一代恒星和星系以后，黑暗时期才宣告结束，宇宙中才出现了第一束光。
宇宙的基本结构
坍缩指的是物质在引力作用下，形成高密度、大质量的结构。无论是普通物质还是暗物质都会发生坍缩。宇宙的结构就是在物质坍缩中形成的。物质坍缩会形成丝线一样的结构，它们被称为宇宙网。
在大爆炸之初，宇宙是一张热的、均匀的、平滑的网。但在引力的作用下，氢、氦这些气体分子会和暗物质汇集起来，形成密度更高的区域，这个区域叫作“暗物质晕”。这些晕就像生产丝线的材料，它们会在引力的作用下继续坍缩，直到氢和氦相聚和，形成宇宙中的第一代恒星。
之所以称其为第一代恒星，因为恒星并不是短时间内一次性诞生的。在整个宇宙的生命中，都会有新的恒星不断形成，此时此刻也许就有某颗恒星正在诞生。值得一提的是，我们的太阳就不是第一代恒星，太阳大约有50亿岁，是一颗年龄适中、质量平均的恒星。
恒星是从氢和氦组成的原始气体中形成的，它可以通过核聚变把气体中的轻元素变成重元素，比如碳元素和氧元素，以及其他各种金属元素。在核聚变的同时，恒星也会发出自己的光，这也是太阳光出现的原因。
天文学家将恒星分成了三个星族。第一星族最年轻，它们富含金属元素，我们的太阳就属于第一星族。第二星族比较古老，它们含有的金属很少。而第三星族指的是宇宙中最早出现的那一批恒星，它们的质量非常大，大约是太阳质量的60到300倍。同时，它们的寿命都很短，大约只有几百万年。因此，天文学家很少有机会能观测到它们。
尽管在我们眼中，恒星已经足够大了，但是恒星仅仅是宇宙中形成的一种小结构，它们也会在引力的作用下相聚集，形成一种更大的结构，那就是星系。
平均每1千亿颗恒星组成了一个星系，像我们的银河系就是这样一个庞大的星系。星系里除了有恒星之外，还有气体和尘埃，以及大量暗物质。所以，如果我们把宇宙看作是一片海洋，星系就像是海洋中的小岛，而恒星就像是小岛上的石头。
在宇宙中，还有比星系更大的结构，它被称作星系团。一个星系团可以包含几十个到几百万个星系，在星系团的高密度环境里，星系之间还可能发生碰撞，在碰撞中星系原来的形状会发生改变，还会演化出新的星系。
宇宙中最大的结构是超级星系团，它由许多不同的星系团组成。我们所在的银河系，就处在某个无比巨大的超星系团里。而所有这些超星系团最终组成了整张宇宙网，这便是宇宙的整体结构了。
持续膨胀的宇宙
由此可见，宇宙的大小已经超越了人类的想象力。人们不禁想要知道，宇宙是否存在着确定的大小呢？还是说它会一直膨胀下去？
这里，我们需要引入爱因斯坦的广义相对论来解答这个问题。在广义相对论中，爱因斯坦曾经预言：物质会让周围的空间发生弯曲。
举例来说，当一束光从太阳旁边射过时，光线在靠近太阳的地方会变成一条弧线，远离太阳后又恢复成直线。这是因为太阳的质量造成周围空间变得弯曲，光线经过弯曲空间的时候，看上去也就变成了弯的，就好像有一种神秘的力量在拉动光线一样。
按照广义相对论的观点，如果我们把整个宇宙看作是一个空间，那么这个空间该是什么形状的呢？科学家通过几何模型演算，给出了三种不同的假设。
首先，如果宇宙的空间曲率是正的，那么整个宇宙就会是一个封闭的圆球形，这意味着宇宙的膨胀总有一天会停止，那个时候的宇宙就有了一个确定的大小，虽然它的大小会是一个天文数字。
相反，如果空间曲率是负的，整个宇宙就会像马鞍一样两头翘起来，这意味着宇宙会永远膨胀下去，没有边界，也没有尽头。
那如果空间曲率恰好等于零呢？这意味着宇宙刚好可以终止膨胀，但条件是时间达到无穷大以后。这等于是说，宇宙还是会永远膨胀下去，但是膨胀会以匀速进行，宇宙会形成平坦的结构。
那么现在问题就变得简单了。如果我们想要知道宇宙的形状，我们不必真的去观测整个宇宙，只需要测量它的空间曲率就好了。而空间曲率又是由物质的密度决定的。
换句话说，如果宇宙的物质密度比较小，空间曲率就会呈负数，宇宙就会越来越大。如果物质密度非常大，空间曲率则会是一个非常大的正数，宇宙就会很快团成一个球。而空间曲率恰好为零的时候，意味着宇宙中的物质达到了一个“临界密度”。在这个密度下，宇宙既不会停止膨胀，又不会加速膨胀，而是会匀速膨胀下去。
科学家通过天文望远镜观测距离我们非常遥远的星系，结果发现，星系之间正在相互远离，而且距离我们越远的星系，远离我们的速度也越快，这样的速度和距离比还是线性的。也就是说，宇宙正在膨胀之中，而线性关系则说明宇宙正在匀速膨胀。科学家由此推算出了宇宙的膨胀速率，它被称作哈勃常数。通过哈勃常数，科学家可以倒推出此时此刻距离宇宙发生膨胀之初——也就是宇宙大爆炸时相隔的时间，这个时间也就是宇宙的年龄——138亿岁。
宇宙大爆炸既然给宇宙带来了年龄，那大爆炸的中心又在哪里呢？事实上，你可以把宇宙中的任何一个位置看作是它的中心。这是因为，当你遥望138亿光年外的任何地方时，你都能看到宇宙大爆炸发生的那个瞬间，而你注视着的那个点，自然就是宇宙诞生的起点。
同样的，如果有一个人在138亿光年外观察我们银河系，他也会看到宇宙大爆炸的瞬间，他自然也会把我们这个点看作是宇宙的中心。所以说，任何一个点都可以被看作是宇宙的中心。
既然宇宙一直在无穷无尽地膨胀下去，它所蕴含的星系和恒星数量也是无限多的。那么，按照这个思路，无论我们抬头望向哪个方向，那里都应该有一颗发光的恒星，夜空不应该是黑暗的，而应该像白天一样被点亮。可事实上却并非如此。这又是为什么呢？
“夜空为什么是黑暗的“这个问题一度困扰了天文学家很久，它被以德国天文学家海因里希·奥伯斯的名字命名为奥伯斯佯谬。
目前，科学家给出了两种解释。第一种解释是，因为宇宙的年龄是138亿岁，所以我们只能看到138亿光年范围内的恒星，距离更远的恒星发出的光没有足够的时间抵达我们。第二种解释是，那些距离我们更远的恒星，它们移动的速度也更快，以至于它们发出的光会向光谱的红光一侧移动，变成不可见光，所以，我们无法在看到这些恒星。
神秘的暗物质和暗能量
宇宙中既然有不可见的光，是不是还存在着不可见的物质呢？没错，这种不可见的物质的确存在，它被称作“暗物质”。
暗物质这个概念，最早是在上世纪30年代由瑞士天文学家弗里茨·兹维基提出的。兹维基在研究中发现，一个星系团中的动力学总质量要比恒星发光体的总质量大上许多，这说明在一个星系团中，存在着某种只提供引力、但不会发光的物质，因此茨维基形象地将其命名为“暗物质”。
在对暗物质进行继续研究后，科学家将其分成两类。第一类是普通暗物质，由质子和中子组成。这类暗物质比较好理解，它们主要来自于死去的恒星，或者尚未开始核聚变的恒星，因此无法发光。
大多数暗物质其实属于第二类，叫作特别暗物质。科学家尚不清楚这些特别暗物质本质上到底是什么。有些科学家猜测它们可能是中微子，也有科学家认为它们是一种不与其他粒子相互作用的某种大质量粒子。总之，这种物质不会发光，质量还特别大，它所制造出来的引力作用，能让物质聚在一起，让宇宙不至于过快地膨胀下去。
这些暗物质占据整个宇宙组成的24%，而组成我们身边一切看得见、摸得着事物的普通物质，只占了宇宙组成的4.6%。由此可知，暗物质要远比可见的物质多很多，只是我们看不到罢了。
不过，无论是暗物质还是普通物质，都不是组成宇宙的主要成分。构成宇宙71.4%的是一种被称作“暗能量”的实体。暗能量虽然叫作“能量”，但它却是实打实存在的实体。因为它能产生一种神秘的排斥力，趋使星系分离，给宇宙膨胀带来动力。
不过科学家目前只能计算出暗能量在宇宙中的占比，至于暗能量到底是什么，还没有人能给出明确的回答。我们唯一知道的是，暗能量的发现成为了宇宙膨胀理论的又一个有力证据。
