Question

宇宙最初的样子是怎样的?

宇宙最初的样子是怎样的?

Answer 1

关于宇宙的起源，冰岛文学家斯托里森在1220年左右编写的北欧神话集《新埃达》中已有所阐述。按这本神话集所说，最初是一无所有的。既没有地，也没有天，只有一个裂口，也没有草原。而在这混沌虚无的北方和南方
，则是冰雪的区域尼夫尔翰和火的区域木斯皮尔翰。木斯皮尔翰的火融化了尼夫尔翰的一些冰。在融化的水滴里产生了一个巨人伊默。伊默吃什么呢？啊，看来还有一头母牛阿豪姆拉。可是母牛又吃什么呢？好吧，还要有点盐。故事就是这样继续下去。

　　我不想冒犯宗教感情，即便是北欧维京海盗的宗教感情。但是，我想这个故事实在不是一幅令人满意的宇宙起源的图景。且不说对那些无稽之谈的非议，只就故事本身，它所引起的问题就和它解答的问题一样多，而每个疑问的解答都要求初始条件的进一步复杂化。

　　追溯宇宙起源的这个念头是不可抗拒的。自从16至17世纪开始出现现代科学以来，物理学家和天文学家曾一次又一次地回到宇宙起源问题。

　　可是，就在这刚刚过去的十年里，一切都改变了。一个早期宇宙理论已经被广泛接受，以致常常被天文学家称为“标准模型”。这个理论多少有点像有时被称为“大爆炸”的理论，但是它进一步对宇宙的内容作了明确得多的规定。

　　最初发生了一次爆炸。这不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开始就充满整个空间的爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其他每一个粒子飞奔。

　　在爆炸发生后的百分之一秒，即我们能多少有把握谈论的最早时刻，宇宙的温度大约是摄氏一千亿度（1011℃）。这比最热的恒星中心还要热，事实上，它是这么热，以致不可能聚集成任何普通的物质成分，即不可能聚集成分子、原子甚至原子核，能够在爆炸中相互飞速地分离的只是各种基本粒子，它们是现代高能核物理的主题。

　　在这里介绍一下早期宇宙里存在最多的几种粒子。一类大量存在的粒子是电子，就是在电线的电流中运动的那种带负电荷的粒子，它们组成了现在宇宙中所有原子和分子的外层部分。另外一种在早期宇宙里非常丰富的粒子是正电子，这是一种质量和电子完全相同，但却带着正电荷的粒子。在今天的宇宙里，正电子只有在高能实验室里找到，或者在某些放射性现象中找到，或者在宇宙线和超新星爆炸等剧烈天文现象里找到，然而，在早期宇宙里正电子的数目几乎完全和电子相等。除电子和正电子之外，还有数目大致相等的各种中微子。这种幽灵般的粒子既没有质量，也没有电荷。最后，宇宙里还充满了光。但是不必要把光和粒子分别处理。量子力学告诉我们，光是由质量和电荷都为零的粒子——光子所组成的。每个光子携带着一定数量的能量和动量，大小取决于其波长。光子的数目和平均能量和电子、正电子或者中微子的数目大致相等。

　　这些粒子（电子、正电子、中微子、光子等）不断地从纯能量中产生出来，经历很短的寿命后又湮灭了。因此，它们的数目并不是预先注定的，而是由产生过程与湮灭过程的平衡确定的。从这个平衡我们可以推算出，这盆宇宙汤在温度为一千亿度时的密度是水的四十亿（4×109）倍。此外。宇宙汤内还掺有很少量的较重粒子：中子和质子——它们组成今天世界里的原子核（质子是带正电荷的；中子比质子稍微重一点，是电中性的），比例大致是每十亿个光子（或正电子、电子、中微子）对一个质子和中子。十亿个光子对一个核粒子这个比值是建立宇宙标准模型的关键性数值，必须由观测来得到。

　　随着爆炸继续下去，温度下降了，在约十分之一秒以后下降到摄氏三百亿（3×1010）度；约一秒以后降至一百亿度；十四秒后降至三十亿度。冷却到这个地步以后，电子和正电子湮灭的速度开始快于它们从光子和中微子重新产生出来的速度。这种物质湮灭过程所释放出的能量暂时延缓了宇宙的冷却速度，不过温度仍然在下降，在最初的三分钟终了时，下降到十亿度。这个温度已经足够低，能使中子和质子开始组合成复合的原子核。首先是由一个中子和一个质子组合成一个重氢（氘）核。由于这时的密度还足够大（稍微比水小一些），所以这些氘核可以迅速地组成最稳固的轻原子核，即是由两个质子和两个中子组成的氦核。

　　最初三分钟终了时宇宙的组成主要是光、中微子和反中微子。核物质仍然只占很小一个份额，现在它们当中有百分之七十三是氢，有百分之二十七是氦，还有跟这些核物质同样稀少的电子，它们是经过电子-正电子湮灭期以后剩下的。所有这些物质继续飞驰分离着，一直在冷却下去和稀薄下去。又过了几十万年，温度终于冷却到足够低，可以让电子与氢核和氦核组成原子。这样组成的气体由于引力影响而形成气团，最后凝聚为今日宇宙里的星系和恒星。但无论如何，星辰得以开始它们的生命的组成物，正是在这最初三分钟所产生的。

　　上面简单叙述的标准模型仍然不是关于宇宙起源可以想得出的最令人满意的理论。就和《新埃达》一样，在阐述宇宙的开始时，或者在第一个百分之一秒左右，这个理论仍然存在着令人困惑的含混之处。再则，还有必要去确定起始条件，特别是光子对核粒子的初始比率——十亿比一，而这是令人不愉快的工作。我们宁愿在理论里有更大的逻辑必然的观念。

　　例如，另一个称为“稳恒态模型”的理论在哲学上就有更大的吸引力。这个模型是在20世纪40年代提出的，在这个模型里，宇宙永远都是和现在一样。当它膨胀时，在星系分离开的缝隙里，有新的物质产生。这个理论隐含了所有关于宇宙为什么会是这个样子的问题的答案。答案是宇宙之所以如此，是因为只有如此它才能保持着永远不变。宇宙起源的问题被一笔勾销了。在这个理论里根本不存在早期宇宙。

　　那么我们怎么会得出“标准模型”的呢？它是怎样胜过诸如稳恒态模型等其他理论的呢？它之所以成立，是因为近代天体物理学基本上是客观的，人们对它达成了一致的看法，既非由于哲学偏爱的变迁，也非由于天体物理学巨匠们的影响，而是由于来自经验数据的压力。

　　在叙述了观察到的宇宙学现象之后，我将试图把个别的资料并在一起，以组成一幅早期宇宙物理条件的连贯的图画，这将更具体地把我们带回到最初的三分钟去。我们将会像看电影那样，按顺序地看到宇宙的膨胀、冷却和形成。我们还将试图看一下那个仍然笼罩着迷雾的时期（最初的百分之一秒）和在此之前的事情。

　　我们可以确信这个标准模型吗？它会不会由于新的发现而被推翻，而被别的宇宙起源说所超过？或者，甚至稳恒态模型会东山再起？也许会。我不能否认在我写到最初三分钟的事情时，似乎是充满信心，但心里并不是那么踏实。

　　但是，即使它最后被别的理论所取代了，标准模型终究在宇宙学历史里起过重要的作用。现在（虽然是在最近的十多年以来），把物理学及天体物理学的理论想法在标准模型中计算出其结果来进行检验，已经是正规的方法。标准模型已经常被用作论证天文观测计划的理论基础。这样，标准模型为理论工作者和观测者提供了基本的共同语言，使他们了解彼此在做些什么。如果有一天标准模型被一个更好的理论所取代的话，这个理论很可能是由于受到标准模型启发而进行的观察和计算所得到的。

　　对宇宙的将来而言，它可能永远不断地膨胀下去，变得更冷、更空虚、更死寂；或者它可能重新收缩，将星系、恒星、原子和原子核重新粉碎成原来的组成粒子。这样我们在预言最后的三分钟里的事件进程时所遇到的问题，便和我们在回顾最初的三分钟里所遇到的问题是同样的了。