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關于宇宙的起源，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》里寫道：“最初是一無所有的。既沒有地，也沒有天，只有一個裂口，也沒有草原。而在這混沌虛無的北方和南方，則是冰雪的區域尼夫爾翰和火的區域木斯皮爾翰。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。但我得承認這樣描述宇宙的起源是不能令人滿意的。即使不說對那些無稽之談的非議，就故事本身而言，這個故事所產生的問題與它所提供的答案一樣多，而且每個答案都使初始狀態變得更為復雜。

我們不能僅對此書一笑了之，并且堅決放棄所有的宇宙學推測——追溯宇宙的歷史起源，這種念頭是不可抗拒的。自16世紀和17世紀現代科學誕生以來，物理學家和天文學家就在不斷地研究宇宙起源的問題。但這些研究一直籠罩在一種不體面的氛圍下。我記得，當我還是個學生以及后來在20世紀50年代開展研究工作(當時研究的是其他問題)時，人們就普遍認為，研究早期宇宙是體面的科學家不屑為之的事情。這種觀點也不無道理。縱觀整個現代物理學和天文學歷史，用來構建早期宇宙史的觀測和理論基礎壓根就不存在。

然而，在過去的10年中，所有這一切都發生了變化。人們普遍接受了一種早期宇宙理論，天文學家們將這種理論稱為“標準模型”。它與我們所說的“大爆炸”理論基本相同，只不過它對宇宙成分的認識更加具體，而這種早期宇宙理論正是本書所關注的論題。為了便于理解，或許應該首先根據當前標準模型所理解的早期宇宙的歷史作一概述。但這里僅僅是一個簡要說明，我們會在接下來的章節中對這一歷史及相信它的理由作出詳細解釋。起初，發生了一次爆炸。這個爆炸不同于我們所熟悉的地球上的那些爆炸，即先從一個明確的中心開始，然后向四周擴散，周圍被吞噬的空氣越來越多。這個爆炸是在各個地方同時發生的，從一開始便充滿了整個空間，每個物質粒子都與其他粒子迅速分離開來。這里的“所有空間”可以指整個無窮宇宙，也可以指像球面那樣蜿蜒曲回的有窮宇宙。無論哪種情況都不易被理解，但這并無大礙。空間到底是有窮的還是無窮的，這對早期宇宙的研究來說并不重要。

在爆炸后大約0.01s的時間，即我們能夠自信地談論的最早時間里，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，普通物質的組成成分，包括分子、原子，甚至是原子核都無法聚集在一起;相反，在這一爆炸過程中迅速分離的物質是由各種所謂的基本粒子組成的，而基本粒子正是現代高能核物理所研究的課題。

在這本書中，將會反復提到這些粒子——在這里，僅指出早期宇宙中數量最多的那些粒子就已足矣，更詳細的解釋將會在第3章和第4章中進行討論。大量存在的一種粒子是電子，即帶負電的粒子，它以電流形式通過電線，并形成當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，與電子質量相同。在當前宇宙中，只有在高能實驗室、某些放射現象、某些劇烈的天文學現象，如宇宙射線和超新星現象中才能發現正電子。但在早期宇宙中，正電子的數量與電子的數量不相上下。除電子和正電子之外，還有數量大致相同的各種中微子，即，沒有質量或電荷的粒子，仿若虛無縹緲的幽靈一般。，宇宙中還充滿光。對此，不必與粒子區別對待，量子理論告訴我們，光是由零質量、零電荷的粒子——光子組成的(每當燈絲中的一個原子從高能狀態轉變為低能狀態時，都會釋放出一個光子。從燈泡中釋放出來的光子非常多，看上去它們就像匯集成了一條連續的光束，但通過光電池，可以計算出光子的數量)。每個光子都攜帶著一定數量的能量和動量，其數量大小取決于光的波長。為了描述充斥在早期宇宙中的光線，一般可以這樣認為，光子的數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生出來，短暫存在后又湮滅了。因此，它們的數量不是早就注定的，而是由產生與湮滅過程的平衡所決定的。根據這一平衡，我們可以推斷出，在溫度高達1000億度的條件下，宇宙的密度約為水的40億(4×109)倍。此外，宇宙場內還摻有少量雜質，它們由較重的粒子：質子和中子組成，是原子核的組成成分(質子帶正電；中子稍重且不帶電)。其比例大約為每10億個電子(或正電子、中微子或電子)對一個質子和中子。為了設計宇宙的標準模型，這個數值的設置，即每一個核粒子中就有10億個光子是必須從觀測中獲得的關鍵數值。在第3章中討論的宇宙輻射背景的發現實際上就是對這一數值的檢測。隨著爆炸的繼續，溫度開始下降，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。這一溫度已經非常低了，在這種低溫條件下，電子和正電子開始湮滅，湮滅速度比它們從光子和中微子中被重新產生出來的速度還要快。物質在湮滅過程中所釋放出來的能量暫時減慢了宇宙冷卻的速度，但溫度仍在持續下降，最終在最初三分鐘結束時降到了10億度。這種溫度非常低，能使中子和質子開始組合成復合的原子核。首先形成的是重氫(或氘)核，它是由一個質子和一個中子組成。由于這時，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定的輕核，即氮核，它由兩個質子和兩個中子組成。

在最初三分鐘結束時，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，由73%的氫和27%的氦組成。此外，還有從電子—正電子湮滅時代遺留下來的少量電子，數量與核物質相同。這些物質繼續迅速分離，溫度變得越來越低，密度變得越來越小。幾十萬年之后，溫度降到足夠低。在這樣的溫度條件下，電子能夠與核相結合，形成氫原子和氦原子。由此產生的氣體在地心引力作用下開始形成氣團，并最終凝聚形成當今宇宙的星系和恒星。然而，恒星在形成時期所包含的成分正是在最初三分鐘里所產生的那些成分。上述標準模型并非想象范圍內關于宇宙起源的理論。正如《新埃達》一樣，它對宇宙的起點，或者大約最初百分之一秒的說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。如果這個理論能夠提出更為的邏輯必然性，那就好不過。比如，從哲學角度來看，另一個更有吸引力的理論是所謂的“恒穩態模型”。20世紀40年代末，赫爾曼 邦迪、托馬斯 戈爾德和弗雷德 霍伊爾(其表述方式與其他人稍有不同)提出了這一理論。根據這個理論，宇宙基本上就一直是現在這個樣子。隨著它的膨脹，新物質不斷被創造出來，填補了星系間的空隙。從潛在可能性上講，有關宇宙為何是目前這種狀況的問題都可用這一理論來回答。可以說，它之所以是這樣，是因為這是它能夠保持不變的一種方法。宇宙起源問題被排除了，因為根本就不存在早期宇宙。

那我們是如何得出“標準模型”的呢？它又是如何取代其他理論，如恒穩態模型的呢？這個共識的取得不是因為哲學傾向的轉變，也不是因為受天體物理學界名流的影響，而是從經驗中得到的數據結果，是對現代天體物理學必備的客觀性的贊美。

接下來的兩章將說明讓我們得出標準模型的兩個重要線索，即發現遙遠星系后退和發現充斥在宇宙中的微弱無線電靜電，它們都是從天文觀測中發現的。對科學史學家來說，這是一個內容豐富的故事：既有錯誤的開端，錯失的良機，又有理論上的先入為主和個性的展示。

綜述完觀測到的宇宙學現象之后，我試圖將零散的數據匯總在一起，刻畫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的宇宙最初三分鐘的狀況了。在追溯過程中，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，我們還試圖窺探對我們來說仍是謎一般的時代——最初百分之一秒以及之前的那段時間。

我們對這個標準模型真的有把握嗎？會不會有新的發現推翻它，并使用其他宇宙起源學說取代當前的標準模型？甚至會不會復興恒穩態模型？我無法否認在描述最初三分鐘時，總有一種不真實感，我們是否真的知道自己在談論什么。

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