宇宙膨胀背后的故事于最细微处见浩瀚宇宙

|程 鹗

1977年，温伯格在美国出书了一本面向群众的科普书《开端三分钟》（The First Three Minutes），首要介绍国际在大爆破后随即发作的一系列场景。这个引人入胜的标题——书中内容其实并不仅限于那“三分钟”——和别致、详实的科学内涵招引了很多读者，成为影响广泛的畅销书。

温伯格所著《开端三分钟》封面规划。

国际微波布景的发现又曩昔了12年，大爆破这个奇葩的主意不仅在科学界得到广泛认可，成为作为该书副标题的“国际来历的现代观念”（A Modern View of the Origin of the Universe），并且也不再是一个简略笼统的猜想，现已发展为有坚实的物理理论，并能够在实际国际中得到验证。

作为“外行”的彭齐亚斯和威尔逊宣布他们的微波丈量成果时，还曾小心谨慎地防止解说他们数据的含义，把这个不巴结的使命交给一起宣布诠释性论文的狄克小组。狄克他们也没有提“大爆破”，而是选用了普林斯顿搭档惠勒（John Wheeler）提议的“原始火球”（primordial fireball）的说法。仍是《纽约时报》报导时开门见山，大标题为：“信号暗示一个‘大爆破’国际”。（“Signals Imply a ‘Big Bang’ Universe”）。一年后，皮布尔斯开端选用“大爆破”这个字眼，意味着他们也总算“归顺”了伽莫夫、阿尔弗的国际来历理论。

在类星体上遭受重创的安稳态模型本已在苟延残喘，霍伊尔仍是尽心竭力垂死挣扎。直到2000年，他（去世前一年）还出书了一本专著保护安稳态国际，驳斥地理学界随大流承受大爆破理论的行径。但他现已沦为孤单的绝响：即便是他的老朋友古尔德、邦德都现已承受了大爆破学说。（1983年，霍伊尔的合作者、美国地理学家福勒（William Fowler）因发现恒星内部发作重元素的进程取得诺贝尔奖。包含福勒自己在内的很多人以为霍伊尔更应该得这个奖，由于该项作业实属霍伊尔创始。对霍伊尔未能获奖的原因有许多猜想，是诺贝尔奖争议事例之一。）

微波布景辐射的发现是安稳态模型破产、大爆破理论胜出的决定性工作。数学家埃尔德什（Paul Erdos）曾感叹：天主犯了两个过错：一是他用大爆破的方法发明晰国际；二是他还留下了微波辐射的依据。

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温伯格既不是地理学家也不是国际学家，而是一个研讨根本粒子的理论物理学家。他探究的目标因而是物理学中最微观的国际。由他来描绘、解说最微观的国际好像有点风马牛不相干。但是，这也正是1970年代物理学所特有的一道亮丽景色。

由于，在那开端的“三分钟”里，国际其实便是一个根本粒子试验室，高能物理学家的乐土。

伽莫夫年仅24岁时用量子力学的地道效应解说原子核衰变，随后又计算把粒子加快到必定的动能，就能够打破原子核的壁垒。为此，他帮忙考克饶夫和沃尔顿发明晰第一个粒子加快器。从那个加快器犹如健身房器械的管子里出来的质子成功地打开了锂、铍等原子核。

在咱们这个合适人类生计的国际里，试验室里发作的粒子不具有太高的速度，因而需求加快才干击碎原子核。假如换一个环境，比方太阳等恒星的内部，由于温度、压力十分高，那里的粒子自身便带有十分大的动能，不需求人为加快就能够持续核反响。加快器便能够在人类国际中模仿恒星内部的环境。

假如把胀大、冷却的国际回溯到开端，那会是一个即便太阳中心也相形见绌的最极点国际，其间的粒子会具有极高的能量。原子核——或任何有内部结构的粒子——都会在不断的磕碰中崩溃，回归为最原始的“根本粒子”。所以，伽莫夫依照他其时的知道幻想开端的“伊伦”只能由中子组成。

考克饶夫和沃尔顿的在剑桥建筑的加快器把质子加快到了具有几万“电子伏”的动能（电子伏是一个高能物理常用的能量单位，是一个电子在一个伏特的电压中加快所取得的动能。）。从动能来看，这些质子相当于来自一个温度高达10亿度的国际，远高于太阳的中心，大体相当于大爆破之后200秒时的国际。

1930年代考克饶夫和沃尔顿规划的粒子加快器。

当爱丁顿有板有眼地描绘他怎么在幻想中将国际的演化“倒带”回放到时刻的起点时，他没有想到就在他眼皮底下的几个年轻人所鼓捣着的粗陋家伙便在完成这个操作，并且现已接近了国际爆破后的“开端三分钟”。

1950年代美国布鲁克海文国家试验室的回旋加快器（Cosmotron）。

越来越大、能量越来越高的加快器提醒出一个簇新、奥妙而五光十色的微观国际。形形色色的粒子在不同的能量层次上呈现、分化，表现出不同的磕碰、反响机理。这些在最小规范上的常识、数据的堆集正好为大规范的前期国际供给了实在的条理：在某个时期的国际中天翻地覆的就应该是某个相应能量的加快器中所看到的粒子和它们的反响进程。

1968年，也便是伽莫夫去世的那一年，斯坦福大学的直线加快器用高能的电子炮击氢原子核，证明质子并不是本来幻想的根本粒子，而是由更根本的“夸克”（quark）组成。中子亦然，因而不可能是能存在于“伊伦”中的原始粒子。

1970年代，包含华裔物理学家丁肇中（Samuel Ting）在内的很多高能物理学家使用大型加快器一层层地揭开了微观国际的奥妙，逐步构成根本粒子的“规范模型”（Standard Model）。正是在这个模型的基础上，温伯格得以“越界”总结、描绘国际的前期胀大、演化进程。

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勒梅特从前把他的国际蛋地点的时刻叫做“没有昨日的那一天”（The Day without Yesterday）。在那一刻，爱丁顿的录像带现已倒到了头，不再有更早的曩昔。咱们不知道——也不可能知道——那时的国际切当会是什么姿态。由于广义相对论在那一刻呈现了数学上的“奇点”（singularity），不再具有物理含义。最多，咱们只能泛泛地描绘国际那时没有空间尺度，处于时刻的零点，而温度、压力、密度都是无穷大。

“原始火球”爆破后，一个有实在物理含义的国际才开端打开。温伯格在他的书中将爱丁顿倒好的录像带一幕一幕地重放：

大爆破发作0.01秒后，国际的温度高达一千亿度。在那样的“炼狱”中，根本上只存在没有或简直没有质量的光子、中微子、电子以及它们相应的“反粒子”：反中微子和正电子。这时分的国际是一个天伦之乐的大家庭，一切粒子胶组成一团，不分彼此，处于彻底的热平衡状况。也有极少量（十亿分之一）的质子和中子混在其间，它们不停地被很多的轻子炮击而来回互变，中子乃至没时机自己衰变成质子。

0.12秒时，国际的温度跟着胀大冷却到约三百亿度。那些不幸的极少数质子、中子被炮击的程度略微平缓，部分中子得以衰变成质子。本来数目相同的质子、中子数开端呈现差异。质子占62%而中子只要38%。

1.1秒时，温度冷却到一百亿度。友善的大家庭第一次呈现割裂：不爱与别人掺和的中微子退了群（decouple）。这些中微子自顾自地充满于国际空间，不再与其它粒子往来，构成所谓的“国际中微子布景”（cosmic neutrino background），连续至今。（惋惜的是，这一布景的存在还仅仅理论猜测。由于中微子简直彻底不与其它物质发作反响，与众不同地难以勘探。国际中微子布景的能量十分低，更是难上加难，至今仍然无法找到这个能够验证大爆破理论的依据。）

13.83秒时，温度冷却到三十亿度。国际中的电子和正电子开端大规模相互磕碰而湮灭，转化为光子。也是在这个时分，伽莫夫描绘的“中子抓获”的元素制作进程才得以开端，国际中第一次呈现氢、氦原子核以及它们的几种同位素。

3分零2秒后，温度冷却到十亿度。电子和正电子湮灭后根本消失，国际这时充满了光子和中微子，以及越来越多的氢、氦同位素。由于不再有电子、正电子的持续炮击，还未被“抓获”的自在中子也得以大规模衰变成质子。国际中质子、中子的份额呈现明显差异：86%的质子对14%的中子。在那之后，一切的中子都被抓获、“关闭”在氢、氦原子核中（原子核内的中子寿数十分长，根本上不会自己衰变）。

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温伯格的书名叫做《开端三分钟》。这除了招引读者眼球外，也由于他觉得国际的开端三分钟是最精彩的。那之后国际仅仅惯性地胀大、冷却，“再没什么有意思的工作发作了”。这个说法也许是出于他对根本粒子物理的情有独钟，但不免夸大。

在开端的疯狂曩昔后，国际仍然持续地胀大、冷却着。大爆破之后五万年左右，国际中有质量的粒子开端逾越光子、中微子等成为主体力气，引力也开端发挥效果。几十万年之后，国际总算冷却到“只要”几千度的“低温”。这时带正电的氢、氦等原子核才干够与带负电的电子持久性的结合，构成安稳、中性的原子。一向与这些带电粒子牵扯不清的光子总算也得以抽身，与那些远古的中微子相同退了群，成为另一道与世无争的国际布景。跟着国际持续的胀大，这些光子的频率不断地红移，终究会在微波频段被彭齐亚斯和威尔逊意外地发现。

但在地球和地球上的贝尔试验室呈现之前，这些光子的频率会先红移到红外线波段。那时整个国际不再有可见光，进入所谓“漆黑时代”（Cosmic Dark Age）。（当然，可见光、漆黑这些概念都是以地球人类为主体的描绘，而那时分还远远没有人类。）

漆黑时代一向持续到大爆破二亿年后。这时氢原子在引力效果下构成第一代恒星，内部因压力点着核聚变而发光、发热。国际才再度呈现光亮。在那之后的几亿年里，国际持续胀大、冷却，恒星集合成为类星体、星系、超星系等等。恒星内部的核聚变逐级发作后制作出碳、氧、硅、铁等较重的元素，然后在恒星“逝世”之前的超新星迸发中将这些元素抛洒出来。某些恒星坍缩成密度巨大的中子星。它们的磕碰、兼并又能制作出铅、金、铂等重金属。

在大爆破之后大约92亿年，国际的某个旮旯中呈现了太阳系。最早呈现的是作为恒星的太阳，随后是木星、土星、天王星和海王星，然后才有水星、金星、地球和火星。又曩昔40多亿年后，地球上呈现了人类。他们昂首仰视、垂头深思，从浪漫的幻想和原始的敬畏到才智的知道和逻辑的推理，通过几百年的尽力，逐步发现了国际的胀大、理清了国际的来历和条理。

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温伯格等物理学家所描绘的这个图景是一个精确、定量的物理进程。它不仅能猜测微波布景辐射，并且还能十分精确地解说今日国际中各种元素的由来和份额。另一位也以热心科普闻名的物理学家克劳斯（Lawrence Krauss）的裤兜里永远地放着这么一张数据卡片。当他遇到对国际来历于大爆破表明置疑的人时，便会骄傲地拿出卡片引用，阐明大爆破不是幻想臆测，而是一个现已被证明的理论。

但是，也正是在1970年代末，当根本粒子和国际来历在物理学中趋近光辉的高峰时，一丝不苟的物理学家发现他们的大爆破理论仍然有着明显的缺点，无法解说国际胀大进程中的几个奇诡、固执的谜点。

（待续）