|
若想无中生有，必先创造宇宙。  今天我们对宇宙的认识都是建立在观测数据的基础上的，很久以前，人们一直认为宇宙里的星系都是漂浮在虚空之中的，而且大致是静止的。星系退行的谜团直到埃德温·哈勃把他的研究方向转移到这个问题上后才有了起色。 他当时并不看好各种理论，因为强大的威尔逊山天文台的100英寸望远镜使新数据的可信性得到了保证。他的口头禅很简单：“除非实证结果已经穷尽，否则我们不需要借助于思辨的梦幻般玄想。” 在测量了星云的距离并证明其中许多是独立星系多年后，埃德温·哈勃在天文学世界里再次展现了自己的权威。哈勃的一次重要观察结果不知不觉地为勒梅特和弗里德曼的宇宙创生模型提供了第一个重大证据。 到了1929年，哈勃和他的助手赫马森已经测量了46个星系的红移和距离。不过，这些测量数据中有一半的误差边际显得太大。为了谨慎，哈勃只用那些他有信心的星系测量结果。他将每个星系的速度与距离关系绘制在了一张图上。几乎所有的星系都显示出红移，这意味着它们在退行。另外，图上的点似乎表明，星系的速度都和它们到地球的距离有关。  如果哈勃是正确的，那么这个结果的影响就太大了。星系不是随意地在宇宙中奔驰，而是其速度与其距离有严格的数学关系。这就是关于我们现在所称的大爆炸的第一个观测证据，也是曾经可能存在过创生那一瞬间的第一条线索。 通过这个证据，如果让时间倒退，星系就会更加接近我们现在的位置。比如，假定现在有一个以某个速度飞离银河系的某个星系，如果速度不变的话，昨天的这个星系肯定比现在要接近银河系，上周则更接近… 事实上，用其速度除以到银河系的当前距离，我们就可以推断出该星系何时位于我们的银河系的位置上。如果每一个星系都有一个正比于其到我们银河系的距离的速度，那么在过去的某一时刻，它们都会同时被定位在我们银河系的位置上。（哈勃当时并不知道宇宙是在加速膨胀的） 由此可见，宇宙中的一切在创生的那一刻都是从一个致密区域出来的。如果时间从零向前跑，那么得到的结果便是一个不断演化不断膨胀的宇宙。这正是勒梅特和弗里德曼理论所给出的结果，这就是宇宙大爆炸，一个有史以来最伟大的故事。  通过不断的修正，宇宙起源于距今137.98亿年以前。那个时候，已知宇宙所有的空间、所有的物质、所有的能量，都包含在一个极小极小的尺度之内。那时的温度是非常之高，自然界中描述这个宇宙的四种基础作用力还都是统一在一起的。虽然我们依然不知道它是如何出现的，但这个比针尖还要小的宇宙只能膨胀、膨胀、急速的膨胀。 爱因斯坦在1916年发表了广义相对论，为我们提供了有关引力的现代理解，物质和能量的存在弯曲了它们周围的空间和时间。在20世纪20年代，量子力学又被发现，为我们提供了微观世界的现代观念——分子、原子和亚原子粒子。 这两种对自然界的理解方式在形式上是彼此不相容的，但是引力和量子力学之间的冲突对当代宇宙没有什么实际的影响。天体物理学家们把广义相对论和量子力学的原理和工具应用于不同种类的问题上。但在宇宙开始的时候，我们判断两者一定曾经有某种强制的联姻关系。  在宇宙刚刚开始的时候，那些难以想象的小尺度被命名为普朗克时间和普朗克长度，马克斯·普朗克是德国科学家，就是他在1900年引入了量子化能量的概念，被誉为“量子力学之父”。所谓的普朗克时期是指大爆炸之后时间间隔从t＝0到t＝10^-43秒（1秒的千亿亿亿亿亿分之一），宇宙尺度增长到10^-35米（1米的千亿亿亿亿分之一）之前的这段时期。 我们现在只能预计在普朗克时期结束时，其他三种自然力仍然是统一的，引力逐渐分离出来，成为我们目前的理论可以很好地描述的独立作用力。此后，宇宙继续膨胀，刚才还保持统一的作用力分裂成“弱电力”和“强核力”。 再后来弱电力分裂成电磁力和“弱核力”，从而使得我们已经能够认识到的四种作用力显露了出来——决定放射性衰变的弱核力，把原子核束缚起来的强核力，使得分子结合在一起的电磁力，把大团物质聚集在一起的引力。 至此宇宙已经诞生了万亿分之一秒。  这时的宇宙温度还是足够高的，物质以亚原子粒子的形式存在，能量以光子的形式存在（光子既是粒子又是波），它们之间的相互作用持续不断。这种能量和物质之间的转换完全遵守爱因斯坦最著名的质能方程：E=mc^2，它既可以用来算你的能量“值”多少物质，也能用来算你的物质“值”多少能量。 方程里c^2是光速的平方，它是个巨大的数字，用它乘以质量，让我们知道在这个“运算”中我们可以获得多么巨大的能量。随着宇宙的不断膨胀并且冷却，宇宙增长到大于我们的太阳系尺度时，温度已经迅速下降到1万亿开尔文（温度单位）以下。 现在，百万分之一秒过去了。 宇宙的温度和密度没有那么高了，亚原子粒子都抓住了身边的伙伴，创造了一个永久性的重粒子新家族，称为强子。这种转变很快形成了质子和中子，以及其他不为人所熟悉的重粒子。随着宇宙继续冷却，自发产生基本粒子的能量在减少。 在强子时代，环境中的光子因为没有足够的能量，不能再根据质能方程来制造轻子-反轻子对。而且，在正反物质湮灭中产生的光子，也由于宇宙的不断膨胀而损失能量，降到了产生强子-反强子对所需的能量门槛之下。 一秒钟的时间已经过去了。  宇宙尺度已经增长到了几光年，大约相当于从太阳到离它最近的恒星的距离。就在现在，每个质子对应一个电子已经成为现实。随着宇宙继续降温，降到1亿开尔文以下时，质子与质子，还有中子发生融合形成原子核，孵化出一个婴儿宇宙，其中90%的原子核是氢，10%是氦，还有少量的氘（重氢）、氚（超重氢）和锂。 在接下来的38万年里，我们的这个婴儿没有发生什么新鲜事。在这漫长的时光里，宇宙温度仍然足够高，高能电子可以自由地在光子之间漫游，不断地吸收和发射光子，发生相互作用。但是，光子这个时候没有办法到处漫游，宇宙还是漆黑一团的。 当宇宙温度低于3000开尔文（大约是太阳表面温度的一半）时，这种自由自在就戛然而止了，所有的自由电子都跟原子核发生了结合。它们的结合留下了无处不在的可见光，不仅为那一刻天空中的所有物质留下了永远的印记，也宣告了原初宇宙粒子和原子的形成过程已经完成。 到这里，我们的这个宇宙不仅有了光，也有了形成基础物质的粒子，此后的故事将注定更加精彩，更加的波澜壮阔，咱们下次再聊。  “科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于天文爱好者，此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们，这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新！ |
|
|
