四、大爆炸宇宙模型
天文观测显示，宇宙中氦元素丰度约为30％。1948年俄裔美国物理学家伽莫夫（1904～1968）根据这一观测事实，在核反应理论基础上，提出了大爆炸宇宙论。伽莫夫假设宇宙的起点是一个高温和高密度的原始火球，初始火球中的物质以基本粒子和光辐射的状态存在。粒子与光的辐射导致火球膨胀冷却，在冷却的过程中，夸克首先合成质子和中子，以后发生剧烈的核聚变反应，由质子和中子聚合产生氦元素。宇宙火球继续向各方向迅速膨胀，体积迅速增大，辐射温度和物质密度急剧下降，在这过程中逐步形成星云和星系，直至形成我们今天所见到的这样的宇宙。大爆炸宇宙论解释了光谱红移和宇宙中氦丰度观测事实，还预言，大爆炸将会有残余的辐射遗留下来，这种辐射能量折算成温度只有绝对温度几度。但是，这个大爆炸模型还存在许多问题，提出后没有引起科学界重视，被冷落了十几年。
1964年贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯（1933一）和威尔逊（1936一）在调试一种新型射电望远镜时无意中发现宇宙深处存在着绝对温度为3度的微波噪声，它是一种背景辐射，在宇宙的所有天区到处弥漫着。天体物理学家们认为，这正是伽莫夫大爆炸模型所预言的大爆炸后的残余辐射。理论计算表明，如果宇宙背景辐射是大爆炸的遗迹，那么它应该具有黑体辐射的特性，1989年11月美国发射的一颗宇宙背景探索卫星的观测数据证实，宇宙背景辐射光谱与黑体辐射的理论值极其吻合。随后，宇宙学家们广泛接受大爆炸模型。
今天我们看到的宇宙大爆炸模型是综合天体物理学、粒子物理学、量子场论等多学科的理论和实验数据后得到的产物，人们称之为宇宙学的标准模型，这个标准模型几乎解释了我们的宇宙从创生出来以后所发生的一切。根据这个模型，大爆炸产生于100—150亿年前，大爆炸之后1043秒，万有引力作用首先分离出来，宇宙在量子真空巨大能量作用下，开始快速暴胀，基本抹平初始的量子涨落背景，形成均匀平直的宇宙，产生大量粒子和反粒子。到1035秒，暴胀停止，产生一次相变，强作用与弱电作用分离，并破坏粒子与反粒子的对称，使得宇宙中粒子数较反粒子数多出百亿分之一，以后绝大多数反粒子遇到粒子而湮灭，留下今天主要以粒子构成的星系。
此后宇宙开始缓慢的膨胀，依次经历了几个阶段：（1）爆炸开始到1011秒。宇宙温度降至1015度（100ev，ev表示电子伏特，是能量单位），再产生一次相变，电磁作用与弱作用分离。
（2）爆炸后约1秒时。亚原子粒子形成期随着温度继续下降，夸克开始结合成质子和中子。宇宙温度降至约100吉度（1Mev）时，物质密度相当高，整个宇宙达到热平衡，此时的宇宙成分是由质子、中子、电子、光子、中微子等组成的等离子体。
（3）100秒时。元素形成期由于整个宇宙在不断膨胀，温度迅速下降，当温度降到1吉度（10Kev）时，中子与质子结合成重氢并进一步合成氦，宇宙开始进入化学元素合成的时期，氦核的合成大约持续了3分钟，氦与质子的比例达到14。温度降低到1亿度（1Key）时，中子不是已经衰变成质子和电子就是已经和质子结合，几乎所有的中子都被用完。宇宙剩下的主要物质成分是大量的光子、中微子、电子和氢、氦等轻核。
（4）宇宙诞生后约30亿年时。进入天体形成期，温度降低到约1千度，体积也已很大，物质形成中性的原子，密度变低，光辐射可以自由透过，与物质的作用很弱，成为自由的光子气体和今天观察到的微波背景辐射的来源。这时宇宙间主要是中性的气态物质，相互间由重力吸引，初始微小的密度不均匀在重力作用下发展，逐渐凝聚成气体星云，再进一步形成各种天体。天体中的重元素要再过上亿年，当由氢核为主的星云通过重力吸引形成恒星，引发核聚变，产生高温，才能逐步合成重元素。
细心的读者一定会注意到，这个大爆炸模型没有描绘从0时刻到10-4。秒那短暂的一瞬间所发生的事情，也没有指明发生大爆炸的原因。对于这两个问题，宇宙学家们还没有找到明确的答案。一种可能的回答是，大爆炸的原因就是我们在本章第一节中讲到的真空相变产生的对称性自发破缺。至于在那一瞬间所发生的事情，第一节中也讲到过，那时的宇宙在时间尺度上和空间尺度上都小于所谓普朗克尺度，目前的所有物理学理论都不能加以处理。
五、恒星和太阳的演化
恒星演化理论是大爆炸宇宙模型中的一个重要组成部分，它讲述像我们的太阳这样的恒星的产生、演化和衰亡的全过程。
天文观测表明，夜空中清晰可见的银河系，是由无数恒星组成的扁平的螺旋形圆盘，它的直径约10万光年，厚度约1千光年。它缓慢地转动，约2.5亿年旋转一周。宇宙中类似的银河系有成千上万个。
太阳位于银河系之中，类似太阳的恒星在银河系内有1000亿个。根据现代宇宙学恒星理论，早期宇宙中充满大量宇宙尘埃物质，它们主要是大爆炸后产生的氢原子和轻元素物质。这些尘埃物质在万有引力作用下相互吸引逐渐聚集成团，体积和质量越来越大，获得的引力也越来越大，从而吸引更多周围的尘埃，慢慢聚集成巨大的星体。太阳形成于约50亿年之前，它在集聚了足够的氢核燃料以后，由于万有引力作用导致向内聚爆，产生高温和高压引发氢核热核反应，合成氦原子核，释放聚变能，不停向外辐射光和热。核聚变产生的巨大能量向外爆发，抵消了引力作用的内向塌缩，使太阳维持住它目前的体积。太阳的质量约为2×10克，半径约为地球半径的100倍，表面温度为5500度，预计还可发热大约50亿年。
恒星演化理论指出，太阳中的氢核燃烧后期，聚变核能减弱，引力将把较重的氦核集中于星体中心，氢核将在氦核球外的环内继续燃烧，就像临终前的回光返照，那时太阳转变为红巨星，它的体积将急速增大，散发出更多的光和热，形成将地球甚至火星包含在内的大火球，消灭掉地球上所有的生命和一切形式的文明，产生一次壮丽的葬礼。以后，当太阳消耗尽自身的核燃料后，它逐渐趋于冷却，在重力的吸引下物质向内坍塌集中，体积变小，成为一个密度高达每立方厘米1000千克的白矮星。这时在内部重力产生的高压作用下，电子从原子中游离出来形成电子气，电子相互之间由于泡利不相容原理而产生的斥力与引力对抗，保持白矮星内部的平衡。
在一般情况下，质量比太阳大1.3倍的恒星，在其耗尽自身核燃料后，引力收缩作用很大，电子气的斥力不足以对抗，电子被压进原子核中与质子结合成为中子，同时放出中微子，形成密度极大（比白矮星密度大一万亿倍）的中子星。在中子星内部，引力迫使物质向内塌缩，但是受到中子产生的斥力的对抗，从而中子星在整体上再次保持平衡。与此同时，中子星外层物质引力坍塌产生向内的冲击波，撞击到核心的中子球后会产生一次强烈的爆炸，称为超新星爆发，其亮度可达太阳亮度的100亿倍。超新星爆发将大量物质抛向太空。
如果恒星的质量更大，中子所产生的斥力将不足以抗拒由万有引力导致的向内塌缩，中子星发生大崩塌，最后就会形成黑洞，黑洞将一切物质包括光在内全部吸引进去。
第三节地球的演化及地壳的板块构造模型
一、地球的演化
从发现的化石的年龄推算，地球大约产生于45—47亿年以前。当时，太阳系中充满了各种来源的宇宙尘埃，大部分是宇宙形成初期产生的氢和氦原子，也有少量超新星爆发喷出的重元素。
这些尘埃由于引力作用而聚集，形成许多个微行星，环绕着太阳运行。以后微行星之间互相撞击、合并，逐渐增大，历经上亿年的时间，生成像地球这样的大行星。在地球形成初期，一个相当大的行星撞击地球，抛出大量物质，其中的一部分形成月球。
在地球形成早期，由于宇宙尘埃集聚和微行星碰撞，地球是一个熔融状态的高温大火球，是真正的大地炼狱。在上亿年的时间内，陨石的不停撞击和放射性元素的衰变使地球内部产生巨大的热量，形成地下赤热的岩浆和连续不断的火山爆发，并喷发气体。
自地球内部喷出的水成为水蒸气漂浮于大气之中，早期大气中含有毒性很高的氰化物、甲醛、二氧化碳等，但只有很少的氧气。
到距今44.4亿一44.1亿年时，地球表面开始冷却，到39亿年前地球表面开始形成薄薄的固体外壳，这就是我们今天脚下地壳的原初形态。以后在万有引力作用下，重元素逐渐向球心集中，由里向外逐步形成地核、地幔和地壳。在这段时期，大大小小的陨石将地球外壳撞击成一个个坑洞，同时也带来宇宙中年龄更老的恒星爆发所形成的外来物质。
二、地球的构造
地球在距离太阳约1.5亿公里的距离上绕太阳每年公转一周，同时每天自转一周。由于自转，它的赤道直径比南北两极直径稍长一点，并不是正圆球体，而是略微有一点像椭球，但是一般大致可以看作是一个半径为6370公里的球体。
地球内部是处于高温高压下的铁、镍和一些重元素所组成的地核，半径约3470公里，分为两层，核心部分是固体，外面一层是液体。地核之外主要是由硅（si）和镁（Mg）组成的地幔，平均密度约为每立方厘米3.3克，厚度约2885公里。地幔也分为上地幔和下地幔两层，靠里面的是下地幔，下地幔是粘稠的赤热岩浆，能缓慢流动；上地幔是已经接近固体的更加粘稠的物质。地幔外面是冷却后形成的地壳岩层，隆起的部分地壳成为约35—60公里厚的大陆，平均密度约为每立方厘米2.7克，凹下部分地壳约5—12公里厚，外面充满水成为海洋。海洋是地球上各种生命长河的最初发源地，而陆地则是人类和许多动植物今天的家园。
由于大陆地壳的密度低于粘稠液体的地幔的密度，地壳会浮在地幔上漂移。地核内带电流体相对地壳不停地运动，产生地球的磁场。带电流体运动方向的改变会造成地磁方向的倒转。地球磁场在历史上曾不断地倒转方向，大约70万年前，地球的北极是位于现在南极洲的位置上，现在的指南针在那个历史时期会指向北方。
地幔像火山岩浆一样不断地流动，带动其上的地壳运动。地球上的地壳在火山岩浆的作用下不断产生裂断，形成新的地壳，并分裂成七大板块和二十个小板块，大小板块之间的相互位置一直在移动。板块的运动引起互相的挤压，在板块的边沿形成火山和地震的多发带。
