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關(guān)于宇宙的起源，冰島巨匠斯諾里 斯托里森在1220年編纂的斯堪的納維亞神話集《新埃達(dá)》里寫(xiě)道：“最初是一無(wú)所有的。既沒(méi)有地，也沒(méi)有天，只有一個(gè)裂口，也沒(méi)有草原。而在這混沌虛無(wú)的北方和南方，則是冰雪的區(qū)域尼夫爾翰和火的區(qū)域木斯皮爾翰。木斯皮爾翰的火融化了尼夫爾翰的冰，在融化的水中產(chǎn)生了巨人伊默，伊默吃什么呢？好像還有一頭牛阿豪姆拉，那牛又吃什么？哦，好像還有一些鹽，故事就這樣一直繼續(xù)下去。

我可不想觸犯宗教感情，哪怕是北歐海盜的宗教感情也不行。但我得承認(rèn)這樣描述宇宙的起源是不能令人滿意的。即使不說(shuō)對(duì)那些無(wú)稽之談的非議，就故事本身而言，這個(gè)故事所產(chǎn)生的問(wèn)題與它所提供的答案一樣多，而且每個(gè)答案都使初始狀態(tài)變得更為復(fù)雜。

我們不能僅對(duì)此書(shū)一笑了之，并且堅(jiān)決放棄所有的宇宙學(xué)推測(cè)——追溯宇宙的歷史起源，這種念頭是不可抗拒的。自16世紀(jì)和17世紀(jì)現(xiàn)代科學(xué)誕生以來(lái)，物理學(xué)家和天文學(xué)家就在不斷地研究宇宙起源的問(wèn)題。但這些研究一直籠罩在一種不體面的氛圍下。我記得，當(dāng)我還是個(gè)學(xué)生以及后來(lái)在20世紀(jì)50年代開(kāi)展研究工作(當(dāng)時(shí)研究的是其他問(wèn)題)時(shí)，人們就普遍認(rèn)為，研究早期宇宙是體面的科學(xué)家不屑為之的事情。這種觀點(diǎn)也不無(wú)道理。縱觀整個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)歷史，用來(lái)構(gòu)建早期宇宙史的觀測(cè)和理論基礎(chǔ)壓根就不存在。

然而，在過(guò)去的10年中，所有這一切都發(fā)生了變化。人們普遍接受了一種早期宇宙理論，天文學(xué)家們將這種理論稱(chēng)為“標(biāo)準(zhǔn)模型”。它與我們所說(shuō)的“大爆炸”理論基本相同，只不過(guò)它對(duì)宇宙成分的認(rèn)識(shí)更加具體，而這種早期宇宙理論正是本書(shū)所關(guān)注的論題。為了便于理解，或許應(yīng)該首先根據(jù)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)模型所理解的早期宇宙的歷史作一概述。但這里僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明，我們會(huì)在接下來(lái)的章節(jié)中對(duì)這一歷史及相信它的理由作出詳細(xì)解釋。起初，發(fā)生了一次爆炸。這個(gè)爆炸不同于我們所熟悉的地球上的那些爆炸，即先從一個(gè)明確的中心開(kāi)始，然后向四周擴(kuò)散，周?chē)煌淌傻目諝庠絹?lái)越多。這個(gè)爆炸是在各個(gè)地方同時(shí)發(fā)生的，從一開(kāi)始便充滿了整個(gè)空間，每個(gè)物質(zhì)粒子都與其他粒子迅速分離開(kāi)來(lái)。這里的“所有空間”可以指整個(gè)無(wú)窮宇宙，也可以指像球面那樣蜿蜒曲回的有窮宇宙。無(wú)論哪種情況都不易被理解，但這并無(wú)大礙。空間到底是有窮的還是無(wú)窮的，這對(duì)早期宇宙的研究來(lái)說(shuō)并不重要。

在爆炸后大約0.01s的時(shí)間，即我們能夠自信地談?wù)摰淖钤鐣r(shí)間里，宇宙的溫度大約是1000億(1011)攝氏度。這一溫度甚至比最熱的恒星中心的溫度還要高。在這種高溫條件下，普通物質(zhì)的組成成分，包括分子、原子，甚至是原子核都無(wú)法聚集在一起;相反，在這一爆炸過(guò)程中迅速分離的物質(zhì)是由各種所謂的基本粒子組成的，而基本粒子正是現(xiàn)代高能核物理所研究的課題。

在這本書(shū)中，將會(huì)反復(fù)提到這些粒子——在這里，僅指出早期宇宙中數(shù)量最多的那些粒子就已足矣，更詳細(xì)的解釋將會(huì)在第3章和第4章中進(jìn)行討論。大量存在的一種粒子是電子，即帶負(fù)電的粒子，它以電流形式通過(guò)電線，并形成當(dāng)前宇宙中所有原子和分子的外殼。早期宇宙中大量存在的另一種粒子是正電子，即帶正電的粒子，與電子質(zhì)量相同。在當(dāng)前宇宙中，只有在高能實(shí)驗(yàn)室、某些放射現(xiàn)象、某些劇烈的天文學(xué)現(xiàn)象，如宇宙射線和超新星現(xiàn)象中才能發(fā)現(xiàn)正電子。但在早期宇宙中，正電子的數(shù)量與電子的數(shù)量不相上下。除電子和正電子之外，還有數(shù)量大致相同的各種中微子，即，沒(méi)有質(zhì)量或電荷的粒子，仿若虛無(wú)縹緲的幽靈一般。，宇宙中還充滿光。對(duì)此，不必與粒子區(qū)別對(duì)待，量子理論告訴我們，光是由零質(zhì)量、零電荷的粒子——光子組成的(每當(dāng)燈絲中的一個(gè)原子從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)時(shí)，都會(huì)釋放出一個(gè)光子。從燈泡中釋放出來(lái)的光子非常多，看上去它們就像匯集成了一條連續(xù)的光束，但通過(guò)光電池，可以計(jì)算出光子的數(shù)量)。每個(gè)光子都攜帶著一定數(shù)量的能量和動(dòng)量，其數(shù)量大小取決于光的波長(zhǎng)。為了描述充斥在早期宇宙中的光線，一般可以這樣認(rèn)為，光子的數(shù)量和平均能量與電子、正電子或中微子的大致相同。這些粒子(電子、正電子、中微子和光子)不斷地從純能量中產(chǎn)生出來(lái)，短暫存在后又湮滅了。因此，它們的數(shù)量不是早就注定的，而是由產(chǎn)生與湮滅過(guò)程的平衡所決定的。根據(jù)這一平衡，我們可以推斷出，在溫度高達(dá)1000億度的條件下，宇宙的密度約為水的40億(4×109)倍。此外，宇宙場(chǎng)內(nèi)還摻有少量雜質(zhì)，它們由較重的粒子：質(zhì)子和中子組成，是原子核的組成成分(質(zhì)子帶正電；中子稍重且不帶電)。其比例大約為每10億個(gè)電子(或正電子、中微子或電子)對(duì)一個(gè)質(zhì)子和中子。為了設(shè)計(jì)宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型，這個(gè)數(shù)值的設(shè)置，即每一個(gè)核粒子中就有10億個(gè)光子是必須從觀測(cè)中獲得的關(guān)鍵數(shù)值。在第3章中討論的宇宙輻射背景的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上就是對(duì)這一數(shù)值的檢測(cè)。隨著爆炸的繼續(xù)，溫度開(kāi)始下降，約十分之一秒后下降到300億(3×1010)度；約一秒后下降到100億度；約14s后下降到30億度。這一溫度已經(jīng)非常低了，在這種低溫條件下，電子和正電子開(kāi)始湮滅，湮滅速度比它們從光子和中微子中被重新產(chǎn)生出來(lái)的速度還要快。物質(zhì)在湮滅過(guò)程中所釋放出來(lái)的能量暫時(shí)減慢了宇宙冷卻的速度，但溫度仍在持續(xù)下降，最終在最初三分鐘結(jié)束時(shí)降到了10億度。這種溫度非常低，能使中子和質(zhì)子開(kāi)始組合成復(fù)合的原子核。首先形成的是重氫(或氘)核，它是由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成。由于這時(shí)，它的密度仍然非常高(比水的密度稍低)，因此，這些輕核能迅速組合成最穩(wěn)定的輕核，即氮核，它由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成。

在最初三分鐘結(jié)束時(shí)，宇宙的組成主要是光、中微子和反中微子。仍有少量的核物質(zhì)，由73%的氫和27%的氦組成。此外，還有從電子—正電子湮滅時(shí)代遺留下來(lái)的少量電子，數(shù)量與核物質(zhì)相同。這些物質(zhì)繼續(xù)迅速分離，溫度變得越來(lái)越低，密度變得越來(lái)越小。幾十萬(wàn)年之后，溫度降到足夠低。在這樣的溫度條件下，電子能夠與核相結(jié)合，形成氫原子和氦原子。由此產(chǎn)生的氣體在地心引力作用下開(kāi)始形成氣團(tuán)，并最終凝聚形成當(dāng)今宇宙的星系和恒星。然而，恒星在形成時(shí)期所包含的成分正是在最初三分鐘里所產(chǎn)生的那些成分。上述標(biāo)準(zhǔn)模型并非想象范圍內(nèi)關(guān)于宇宙起源的理論。正如《新埃達(dá)》一樣，它對(duì)宇宙的起點(diǎn)，或者大約最初百分之一秒的說(shuō)法總是有些模糊不清，讓人難以理解。另外，還需要確定起始條件，特別是光子和核粒子的最初比例是否為10億比1，這是令人異常頭痛的一件事情。如果這個(gè)理論能夠提出更為的邏輯必然性，那就好不過(guò)。比如，從哲學(xué)角度來(lái)看，另一個(gè)更有吸引力的理論是所謂的“恒穩(wěn)態(tài)模型”。20世紀(jì)40年代末，赫爾曼 邦迪、托馬斯 戈?duì)柕潞透ダ椎?霍伊爾(其表述方式與其他人稍有不同)提出了這一理論。根據(jù)這個(gè)理論，宇宙基本上就一直是現(xiàn)在這個(gè)樣子。隨著它的膨脹，新物質(zhì)不斷被創(chuàng)造出來(lái)，填補(bǔ)了星系間的空隙。從潛在可能性上講，有關(guān)宇宙為何是目前這種狀況的問(wèn)題都可用這一理論來(lái)回答。可以說(shuō)，它之所以是這樣，是因?yàn)檫@是它能夠保持不變的一種方法。宇宙起源問(wèn)題被排除了，因?yàn)楦揪筒淮嬖谠缙谟钪妗?/p>

那我們是如何得出“標(biāo)準(zhǔn)模型”的呢？它又是如何取代其他理論，如恒穩(wěn)態(tài)模型的呢？這個(gè)共識(shí)的取得不是因?yàn)檎軐W(xué)傾向的轉(zhuǎn)變，也不是因?yàn)槭芴祗w物理學(xué)界名流的影響，而是從經(jīng)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，是對(duì)現(xiàn)代天體物理學(xué)必備的客觀性的贊美。

接下來(lái)的兩章將說(shuō)明讓我們得出標(biāo)準(zhǔn)模型的兩個(gè)重要線索，即發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)星系后退和發(fā)現(xiàn)充斥在宇宙中的微弱無(wú)線電靜電，它們都是從天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的。對(duì)科學(xué)史學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)內(nèi)容豐富的故事：既有錯(cuò)誤的開(kāi)端，錯(cuò)失的良機(jī)，又有理論上的先入為主和個(gè)性的展示。

綜述完觀測(cè)到的宇宙學(xué)現(xiàn)象之后，我試圖將零散的數(shù)據(jù)匯總在一起，刻畫(huà)出一幅連貫清晰的早期宇宙物理狀況圖。這樣，我們就能追溯到更為詳細(xì)的宇宙最初三分鐘的狀況了。在追溯過(guò)程中，可以采用電影似的處理方法：即一格一格地觀察宇宙如何膨脹、如何冷卻、如何形成。另外，我們還試圖窺探對(duì)我們來(lái)說(shuō)仍是謎一般的時(shí)代——最初百分之一秒以及之前的那段時(shí)間。

我們對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型真的有把握嗎？會(huì)不會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)推翻它，并使用其他宇宙起源學(xué)說(shuō)取代當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)模型？甚至?xí)粫?huì)復(fù)興恒穩(wěn)態(tài)模型？我無(wú)法否認(rèn)在描述最初三分鐘時(shí)，總有一種不真實(shí)感，我們是否真的知道自己在談?wù)撌裁础?/p>

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