大爆炸-宇宙通史-第3部分

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


　　　　根据经典模型，原子就像一个小型太阳系，电子环绕中央的原子核旋转，由质子和中子组成的复合的原子核带有正电荷，并且和环绕的电子的总负电荷严格抵消。在我们的太阳系中，行星被引力保持在环绕太阳的轨道上；在原子中，是带负电荷的电子和带正电荷的原子核之间的电磁吸引力使得电子环绕原子核旋转。
　　　　过去，我们注意到这个简洁的模型可以解释很多基本的化学现象，比如，为什么原子的外层电子容易参与化学反应：因为它们离核较远，吸引力的约束较小。所以最简单的原子氢原子，只有由一个质子构成的原子核和一个电子组成，整个原子是电中性的：正1加负1等于零。所有原子都具有相同数目的电子和质子。每种元素内这种粒子的数量是唯一的，称为原子序数。比如氦原子有2个质子和2个电子，所以它的原子序数是2。而碳原子的序数是6。重元素含有数目众多的电子和质子。地球上最重的自然元素铀的原子序数是92。
　　　　在20世纪早期，把质子和中子看成坚实颗粒的观点甚为流行。但这个图景今天已经变得不那么清晰了。面对很多甚小系统的奇怪行为时，把它们看作由波动而非颗粒构成能够更好地进行解释。这个理论叫做波粒二象性。此外实验显示，电子看起来确实是不可分割，而质子和中子事实上并不是最基本的。它们能被分解成更小的颗粒，叫夸克。夸克现在被认为是最基本的。没有人曾经看到过夸克，但我们知道它们一定存在，因为在粒子加速器中检测到了。人们建造了粒子加速器，以不可思议的高速度把质子打碎，从而探测到夸克。在这些实验中质子似乎破碎了，所以科学家断定质子不是最基本的。自然界不喜欢形单影只的夸克，所以它总是成双或成三地出现。

自然界中的力

　　　　夸克的这种性质的起因与把夸克约束在一起的力的不同寻常的性质有关。这种力被称为强核力不是无缘无故的，它只在极小的尺度内才占主导地位，所以我们需要使用非常强大的粒子加速器才能使质子分裂。不像我们在大尺度环境中所熟悉的力例如引力或异性电荷之间的吸引力那样，强力随距离的增加而增加。换句话说，如果我们能够分开两个夸克，会发现分离的距离越大，两者之间拉回的力就越大。最终，当夸克分开到一定程度，造成这种形变所注入的能量是如此之大，以至于能量转化为质量，产生两个新的夸克。这样猛然间我们获得了2对夸克，而不是事先希望的把夸克单独隔离开。这个过程意味着我们在实验中从未产生过独立的夸克。在日常世界中，夸克只作为其他粒子的组分而存在，例如质子和中子中各含有3个夸克。
　　　　在刚刚大爆炸后极端高温的宇宙中，夸克具备足够的能量自由地运动。因此，通过理解最大尺度上的宇宙过程，可以增加我们对最小尺度上的粒子的了解。每个粒子在宇宙初期获得的能量比我们在粒子加速器中所能制造的高得多。即使我们建造一个和太阳系一样尺寸的加速器也不可能产生如此巨大的能量。
　　　　值得注意的是，当前我们通过粒子物理对微观世界的研究，和通过宇宙学对极大尺度的宏观世界的认识是紧密交织在一起的。为了了解整个宇宙，我们要依靠对于基本粒子的认识，而我们进行此项研究的最好的实验室就是处于萌芽期的宇宙。一个充满了高能基本粒子的炙热空间，是我们想象到的新生宇宙的最早景象。

越大越冷

　　　　在第一个普朗克时间之后，微小而炽热的宇宙不可思议地开始膨胀，也开始逐渐冷却下来。宇宙是一个沸腾的夸克的海洋，每个夸克携带着巨大的能量以极高的速度在运动，结果是当时没有我们现在看到的这些原子和分子的形态，因为这些复杂的结构是不可能抵御极高温度的分裂力的。夸克的能量太高，无法被捕获和限制在质子和中子内。事实上在宇宙的婴儿期，夸克可以自由飞驰直到与一个邻居相撞。除了夸克，这种早期的亚原子粒子的浆汁中还含有反夸克除了带有相反的电荷，和夸克完全相同。现在人们相信每种粒子都有对应的反粒子，除了所带电荷外其他特性完全一致。电子对应的反物质粒子是正电子，带有正电荷，其他方面和电子相同。在科幻小说里反物质的概念很常见，它们是无数极为先进的星际飞船发动机的基础，所有这些都来自一个实验事实：当一个粒子和对应的反粒子相撞时，两个粒子都会湮灭，同时释放出巨大的能量。如果在原始宇宙中一个夸克与一个反夸克相遇，它们就会消失，同时发出辐射闪光。反向的进程也会发生，足够高能的辐射（当然是在宇宙演化的早期阶段的能量水平）可以同时产生一对粒子，包含粒子和它的反粒子。这个时期的宇宙充满了辐射，辐射产生粒子对，粒子又极快地在互相碰撞中湮灭，并把能量转移回背景辐射。
　　　　贯穿整个时期，宇宙持续地膨胀和冷却。经过第一个1微秒（仅仅10万亿亿亿亿个普朗克时间），当温度降低到约10万亿度的临界值以下时，夸克的运动速度降低到能够被它们之间的相互引力（强力）所捕获的程度。三个一组夸克聚集到一起形成了我们熟悉的质子和中子，总称重子；而反夸克聚集成反质子和反中子，总称反重子。如果重子和反重子的数量是相等的，那么极有可能它们之间的碰撞会使得重子全部湮灭。而当宇宙膨胀时，辐射的能量被稀释，不再能够产生新的粒子，这样宇宙中的物质就不可能留存到现在。
　　　　仅仅由于从一开始就存在的一点微弱的不平衡挽救了物质，使得我们今天得以存在，使我们能够在这里思考很久以前发生过什么。出于我们至今尚未知晓的原因，每十亿个反重子会对应十亿零一个重子，所以在最初的混战结束后，几乎所有的反重子都消失了，留下的残余的质子和中子形成了今天的原子核。

宇宙的同谋论

　　　　让我们暂时回到现在。想象两个从地球上看去处于相反方向上的距离我们90亿光年的星系，它们之间的距离是180亿光年。泛泛而言，在最大的尺度上，它们身处的宇宙区域看起来是一样的。其中一个可能位于星系团的中心深处，就像我们附近的室女座星系团，另一个可能孤立得多；但是在第一个星系团附近会有孤立的星系，而在第二个星系的附近则不可避免地存在着星系团。所以每个区域都有相同比例的相同类型的星系，而且本地的温度也是一样的。
　　　　这就产生出一个被称为“宇宙同谋”的问题。宇宙年龄目前最好的估计是137亿年，不到180亿年，所以光还没有足够的时间从一个星系传到另一个星系。而根据相对论，光是宇宙中最快的东西。如果连光都没有时间穿过两个区域中间的空间，其他任何事情也不可能发生，没有任何东西能够从一个区域传递到另一个，所以两个区域之间的任何差异都无法消除。但是，无论我们朝哪个方向看，宇宙似乎都一样，有同样类型的星系，几乎按照一样的模式分布，好像它们曾经互相商量过一样。这个事实变得令人不解，被称作“宇宙同谋”。
　　　　为什么这会成为一个问题？难道宇宙在各个方向上看起来一样不是很自然的事情吗？也许有某个现在还不为人所知的规律在支配大爆炸的物理变化，保证只有几乎是均匀的宇宙才能产生。但是现在我们还没发现有任何物理理论能够预言这一现象的迹象，所以至少需要考虑如下的可能，就是宇宙诞生之时不同区域之间可能存在巨大的温度差异，比如在早期宇宙中，一半的温度可能是另一半温度的两倍。那么这样如何产生我们现在观察到的宇宙的均匀性呢？热量没有时间流动到宇宙中冷的部分，甚至没有时间在两个区域之间以光速发送一个消息。在这种环境下，原始的不平衡不可能被修正；而实际上，这些互相远离毫无关联的区域却是非常相似的。
　　　　我们的两个星系现在是互相远离。但是宇宙在非常年轻时要小得多，而在两边的物体有可能互相接触从而交换热量，达到今日所见的均匀性。现在的问题是，这个早期阶段的宇宙到底有多大？出乎意料地，答案相当简单。
　　　　到目前为止我们只讨论过一种能够在天文距离上起作用的力，就是万有引力。它本质上是一种把物体拉到一起的吸引力。引力本身会减缓膨胀的速度。我们可以尝试从现在反推出宇宙的大小随时间是如何变化的，而我们发现宇宙同谋的问题一直到早期宇宙都存在。换句话说，宇宙从来没有小到过能够让光从一侧运动到另一侧的程度。所以从来没有小到能够使得温度差被平坦掉的程度。这个推论是建立在引力是唯一影响膨胀速度的力的基础上的，所以如果我们要解决同谋问题，就必须放弃这个观点。

疯狂的暴胀

　　　　现在流行的解决方案在一定程度上增加了大爆炸理论的复杂度。大多数宇宙学家们现在相信曾有一个异常短暂的快速膨胀期，称为暴胀。在大爆炸后10…35秒到10…32秒之间，宇宙扩展了几十亿倍。在暴胀阶段的最后，膨胀回到了一个比较稳定的速度，和今天观测到的一致。
　　　　如果没有暴胀时期，我们所看到的宇宙中相对侧的区域就既没有时间来交换热量，也没有可能达到充分的平衡。假设的这种快速膨胀使我们能够认为宇宙开始时要小得多，从而可以在加速膨胀开始之前达到温度均衡。剩余的少量不均匀性被尺度上的巨大增加所消除。这个迷人的快速暴胀带来的一个结果就是我们所观测到的区域只是整个宇宙的极小的一部分。即，我们只能观察到实际上是我们周围局部的一点变化，而这注定是非常有限的。用一个日常的比喻，我们知道地球从珠穆朗玛峰峰顶到最深的海沟的底部有很大的高度变化。暴胀的等价效果就是把你脚尖下的一小块地方扩展到整个地球这么大，或者等效地把我们缩小到比最小的病毒还小很多的地步，那么在我们能够到达和探索的范围里，高度的变化将是微乎其微的。对于宇宙中的温度起伏，暴胀也带来了同样的效果。
　　　　但是为什么在婴儿期宇宙膨胀速度会如此突然地急剧增加？看起来需要引入一种新型的力，它和引力起的作用相反，来对这种巨大的加速负责。科学家已经开始研究这种力应该具备什么样的属性，但还没有得出明确的结论。就我们所知，暴胀发生前的宇宙环境并没有任何特别之处，故而这种加速力的突然出现和消失显得多少有些随意。但是它的存在确实使我们能够处理宇宙同谋的问题。
　　　　引入暴胀之后还能为我们解决哪些问题呢？暴胀还能解释我们今天观察到的宇宙中的另两种现象。没有暴胀，那么这两种现象根本无从解释。首先，根据粒子物理的标准理论，一种被称作“磁单极子”的粒子应该能够偶尔被探测到。但实际上，我们从未探测到磁单极子。这无疑需要某种解释。暴胀理论使我们能够争辩，因为这种粒子分布得太稀疏了，所以探测不到并不令人惊讶。比如，为了辩论我们假设在大爆炸中产生了100万亿个这种粒子，那么我们会感到奇怪为什么一个都没有发现。但是如果同样数目的粒子被散布在比暴胀之前大几十亿倍的宇宙中，那么在我们可观测的宇宙范围内找不到这种粒子就很有可能了。暴胀的力度是如此之大，就在它起作用的短暂时间里，它所产生的宇宙也比传统大爆炸理论所预计的大了不知道多少倍。暴胀为这些失踪的粒子提供了一个解释：它们被过度稀释了。

生活在一个平坦的宇宙中

　　　　看似荒唐的暴胀观点的第三根支柱，可能也是最有说服力的一个，涉及宇宙的几何学。大多数人都很熟悉我们在学校可能还有点不情愿学习的欧几里得几何学，我们被告知三角形内角和等于180度。但事情并不总是这样。比如想象画一条线，从北极出发沿格林尼治子午线到赤道，再沿赤道向东转过90度，最后沿子午线穿过俄罗斯回到北极完成一个三角形。那么我们就经过了2个90度的转角，90＋90=180度。而我们还需要加上两条子午线之间的那个顶角。欧几里得几何学仅适用于平面。
　　　　而宇宙中的几何学又会是一种什么样的形式呢？事情要复杂得多，因为我们面对的是一个四维空间（三个熟知的空间坐标，加上时间），而非一个二维的表面。让我们考虑最大的尺度，而忽略物质造成的局部畸变。宇宙有无数种可能的几何学，而我们的宇宙似乎精心地选择了一个特殊的类型。观测表明（见第三章中宇宙微波背景辐射），我们生活在一个平坦的宇宙