“大約150億年前，”費政老師的聲音變得悠遠，彷彿在講述一個古老的神話，“整個宇宙——時間、空間、物質——都聚集在一個極小、極熱、密度極高的狀態。我們稱之為‘奇點’。”
他在點旁邊寫下“t=0”。
“然後，它開始膨脹。”費政老師說，“不是我們平常理解的爆炸，而是時空本身開始擴張。1929年，哈勃發現星系都在遠離我們，而且遠離速度與距離成正比——這就是宇宙膨脹的直接證據。”
他在時間軸上向右移動粉筆。
“但隨著研究的深入，天文學家發現標準大爆炸模型有些問題。”費政老師停下筆，“比如，為什麼宇宙如此均勻？為什麼如此平坦？1980年，古斯等人提出了‘暴脹理論’，認為宇宙在極早期經歷了指數級膨脹——在極短時間內，宇宙尺寸膨脹了數十個數量級。”
王梅推了推眼鏡，輕聲說：“那得多快啊……”
“超光速。”費政老師點頭，“但這是時空本身的膨脹，不違反相對論。暴脹理論預言宇宙應該是平坦的，而且背景輻射應該幾乎各向同性——這兩點後來都被觀測證實了。”
他繼續向右移動粉筆。
“暴脹結束後，宇宙繼續膨脹冷卻。大約在大爆炸後3分鐘，宇宙溫度降到約10億開爾文，氘核得以穩定存在，並迅速引發一系列核聚變，合成了氦-4、氦-3和少量鋰-7。”費政老師看向王梅，“這個過程被稱為 ‘大爆炸核合成’ ，它產生了宇宙中原初的輕元素。理論預測的丰度，與今天我們觀測到的宇宙中輕元素的丰度高度吻合。這是大爆炸理論的第一個關鍵證據。”
“第二個證據呢？”曉曉輕聲問。
“宇宙微波背景輻射。”費政老師說，粉筆停在時間軸上一個位置，“大約30萬年後，溫度降到約3000開爾文，電子和原子核結合成中性原子，光子開始自由傳播。1965年，彭齊亞斯和威爾遜偶然發現了這種均勻的微波輻射——溫度2.7開爾文，遍佈整個天空。這是大爆炸的‘餘暉’。”
他在黑板上寫下“C: 2.7K”。
“1992年，”費政老師的聲音提高了一些，“COBE衛星首次精確測量了它的黑體譜，並發現了微小的各向異性——十萬分之一的溫度起伏。這些起伏，正是後來星系、恆星、行星形成的‘種子’。”
張明舉手：“老師，那這些起伏是怎麼變成星系的？”
“透過引力。”費政老師說，“密度稍高的區域引力更強，會吸引更多物質，就像滾雪球。經過幾十億年，這些微小的漲落逐漸放大，形成了我們今天看到的宇宙大尺度結構——星系、星系團、超星系團。”
他停下來，看著黑板上的時間軸：“所以，宇宙起源於一次熾熱緻密的大爆炸，經歷了暴脹，逐漸冷卻，形成了原子、星系、恆星、行星，並且至今仍在膨脹。”
周博追問：“那宇宙會一直膨脹下去嗎？”
費政老師頓了頓，表情變得微妙。
“這個問題，”他說，“在1996年的今天，還沒有定論。”
他在時間軸的右端畫了三個分支：一個向上彎曲，一個向下彎曲，一個直線延伸。
“宇宙的未來取決於它的總質量和能量密度。”費政老師解釋，“如果密度超過臨界密度，引力最終會戰勝膨脹，宇宙將停止膨脹並開始收縮，最終可能坍縮回一個奇點——這叫‘大擠壓’。”
“如果密度低於臨界密度呢？”肖恩問。
“那麼宇宙將永遠膨脹下去。”費政老師說，“星系之間的距離會越來越遠，恆星會燃燒殆盡，宇宙會變得越來越冷、越來越暗，最終進入‘熱寂’狀態。”
“那如果密度正好等於臨界密度呢？”朱娜認真地記著筆記。
“那麼宇宙將處於‘臨界’狀態。”費政老師畫了一條水平的虛線，“膨脹速度會逐漸趨近於零，但永遠不會反轉。這樣的宇宙是‘平坦’的。”
他停下來，看著我們：“而COBE的觀測資料暗示——宇宙很可能就是平坦的。”
王強皺著眉頭，撓了撓他那頭亂髮：“可是老師，我們算過啊，能看見的星星、星系，加上氣體、塵埃，頂多佔臨界密度的5%左右。就算加上暗物質——您剛才提到過暗物質——也還差得遠啊。”
“問到了關鍵點。”費政老師讚許地看了王強一眼，“確實，我們能觀測到的重子物質——也就是組成你我的普通物質——只佔臨界密度的不到5%。而透過星系旋轉曲線、星系團動力學、引力透鏡等觀測，我們推斷還存在大量暗物質。”
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