关于作者史蒂文·温伯格（Steven Weinberg），美国国家科学院院士、伦敦皇家学会外籍会员、美国哲学和科学史学会会员，美国理论物理学家，1979年诺贝尔物理学奖得主，曾获得美国国家科学奖章、“刘易斯·托马斯奖”（诗人科学家奖）等多项殊荣。温伯格出版了多部极具影响力的理论物理教材。在专业领域之外，他致力于将科学理念与人文知识相结合，所著的《最初三分钟》《仰望苍穹》等书畅销全球。 关于本书该书是1979年诺贝尔物理学奖获得者史蒂文·温伯格关于宇宙起源早期状态的经典代表作品，被评为“改变世界的25本科普书”之一。 核心内容第一，我们的宇宙由什么构成？为什么说它的“配方”是在最初的3分46秒里决定的？ 第二，为什么这3分46秒不但可以解释宇宙，同时也是对大爆炸理论本身最有力的支持？ 前言 你好，欢迎每天听本书。想必很多人都知道，我们的宇宙是从大爆炸中诞生的，一切物质、星系、生命都在其中孕育。但是，宇宙具体是什么样子？它的“配方”是怎么组成的？但凡你真正想过“宇宙是什么？”这个问题，你一定想认识的更具体一点。本期音频要为你解读的，就是这本叫做《最初三分钟》的书，它要跟你的探讨的正是这个话题，关于早期宇宙的问题。 你也许想象不到，宇宙之所以是今天这样，这一切都决定于大爆炸的最初三分钟。正是这短短的三分钟，为之后138亿年的宇宙历史打下了基本的底色，也决定了我们每一个人的终极命运。 这本书的作者是物理学家史蒂芬·温伯格。对普通人来说，他可能不如霍金有名，但要论起在物理界的学术地位，其实他可比霍金要高得多了。甚至可以说，温伯格是当代最伟大的几个物理学家之一。他是诺贝尔物理学奖的获得者，因为他建立了一个很厉害的模型，但在学界看来，这个模型的意义其实要远远超过诺贝尔奖本身。为什么这么说？ 我们知道，现代物理有一个终极目标，就是统一自然界的四种基本力，也就是引力、电磁力、强核力和弱核力。在向这个终极目标前进的道路上，温伯格可以说是走出了第一步，他建立的模型叫做“弱电统一理论”，也就是证明了弱核力和电磁力实际上是同一个东西。这也是他获得诺奖的原因。那么在温伯格之后，现在我们正在尝试把强核力也包括进来，证明它和弱核力、电磁力同样是一个东西，不过这个理论还没有最终完成。当然了，如果将来有人能够把引力也包括进来，达成所有四种力的大统一，那这个人就完成了物理学界的最终目标，到时候，他的历史地位肯定将会媲美牛顿和爱因斯坦。 现在你知道了，温伯格在物理学界的地位是非常高的，那么我们今天讲的这本书《最初三分钟》，就是他写的一本著名的科普书。所以说，如果你想体验当代最好的物理学家为你讲解宇宙的诞生，这本书无疑就是你的首选。 这本书最早出版于1977年，而就在那之前的十几年里，人类对宇宙的认识发生了一次巨大的飞跃。一种新的理论，也就是今天我们熟知的“大爆炸理论”登上舞台，成为公认的关于宇宙起源的科学解释。本书其实就是对这个新兴理论进行的一次全面总结，它的内容大致可以分成两部分：其一是对大爆炸理论发展的历史回顾，关于这部分内容，“每天听本书”栏目有另外一本书《大爆炸简史》的讲解，你可以去收听，我在这里就不重复介绍了。 今天要给你讲的是这本书的精华部分，其实从书名就可以看出来，就是宇宙诞生之后三分钟内所发生的故事。在这本书里，温伯格体现出了他深厚的功力，通过理论计算，他就像放电影那样，准确地给我们描绘了宇宙诞生之后三分钟，或者更准确地说，3分46秒这段时间里发生的一切。所以这本书严格来说，其实应该叫做《最初的3分46秒》。不过温伯格自己说了，如果书名取成这样，大概会吓跑一大半读者，所以我们也不必在名字上过多纠结。当然，你肯定很好奇，为什么是3分46秒？这个数字到底有什么重要意义？不要着急，接下来，就让我们跟随温伯格的脚步，一起去看一看这场关于“宇宙创世”的电影，去了解一下在最初的3分46秒里到底发生了什么神奇的故事。 接下来，我将分成两部分为你解读。 第一，我们的宇宙由什么构成？为什么说它的“配方”是在最初的3分46秒里决定的？ 第二，为什么这3分46秒不但可以解释宇宙，同时也是对大爆炸理论本身最有力的支持？ 第一部分 好，首先我们来看看，宇宙是由什么构成的？在经典物理学看来，世界上主要存在着两种“东西”，一种叫做物质，一种叫做能量。后来爱因斯坦提出了相对论，我们知道他有一个著名的质能方程E=mc^2，其中E是能量，m是质量，也就是说，能量等于质量乘以光速的平方。所以这个方程告诉我们，物质和能量其实是一回事，它们之间可以相互转化，比方说原子弹爆炸，就是一小部分质量转化成能量的结果。从某种程度上说，你可以把物质粗略地理解成一种凝聚得很“紧密”的能量形态，质量越大，其中“凝结”的能量也就越多。 我们知道，今天的宇宙是由“物质”主导的，换句话说，今天宇宙里大部分能量都以“物质”的形态存在。而你在中学里都学过，物质的质量主要集中在原子的原子核当中，原子核又主要由质子和中子组成，其中质子带正电，中子不带电。 所以总而言之，在今天的宇宙里面，绝大多数物质都由质子和中子这两种粒子组成。如果把我们的宇宙比作一锅汤，那么，质子和中子就是这锅汤里面最基本的两种配方，它们构成了这锅汤的主体。另外还有很多其他基本粒子，但是它们只相当于调料，并不是这锅汤的主要成分。 科学家通过观测知道，在今天的宇宙里，质子和中子的比例大概是7:1，也就是说，每七个质子对应着一个中子。所以，这就是我们宇宙的主要“配方”，它在很大程度上决定了宇宙这锅汤的“味道”。如果这个比例不是这样，那么，我们的宇宙就会变成一个完全不同的样子，银河系，太阳系，甚至我们自己是否还会存在，那就不好说了。 但是，为什么是7:1？这个比例是怎么来的？人们在很长一段时间里都并不知道，甚至为什么会有“中子”存在，这也曾经是一个谜团。因为在自然界，中子是一个不稳定的东西，如果它没有被吸纳到原子核里面，而是独立存在的话，它就会自动放出一个电子，从而衰变成质子，这个过程叫做“Beta衰变”。所以，最初的中子从哪里来？它又是如何被保存到原子核里去的？质子和中子为什么会保持7:1的比例，而不是所有的中子都彻底衰变成质子？这些问题都关系到我们宇宙最根本的秘密。在这本书里，温伯格告诉你，原来一切的答案就取决于宇宙诞生之后的最初3分46秒。 在这3分46秒里面究竟发生了什么？温伯格指出，其实道理很简单，只要假设我们的宇宙是从一个非常高温高密度的状态膨胀而来，我们就可以回答前面提出的所有问题，甚至还可以详细地描绘出这个过程中的每一个步骤。接下来，就让我们像放电影那样，来看一看宇宙是如何慢慢进化的。 在宇宙诞生的极早期，它局限在一个非常小的空间里面，就像是一个小点。这时候，整个宇宙都处在一个极度高温高密度的状态。比方说，在大爆炸之后的0.01秒，宇宙的温度可能高达1000亿度，这是什么概念？我们知道太阳表面的温度只有6000度，1000亿度是太阳表面温度的1600万倍，是一个难以想象的高温。 在这种条件下，宇宙里的“物质”和今天很不一样。首先，原子核根本无法稳定存在。因为在极度高温之下，宇宙里充满了各种高能粒子，哪怕质子和中子偶然结合成原子核，它也会马上遭到冲击，重新分裂成碎片。所以，质子和中子这个时候都是“自由”的，它们只能以单个的形式存在，没有办法稳定结合在一起。 不过，虽然没办法结合，但1000亿度的高温却足以让质子和中子不断转化，也就是互相变来变去。具体地说，如果质子被一个带有足够能量的电子撞到，它就会变成中子，反过来也一样。在大爆炸的最初，宇宙里充满了高能电子，它们对所有的质子和中子都不停地进行冲击，所以，两者也就不停地相互转化，你变成我，我变成你。理论上讲，这时候谁变成谁的可能性都差不多，所以两者的数量应该是一半对一半，这就是我们宇宙最初的“配方”，也是最初中子的由来。 哎，你注意啊，在最开始的时候，质子和中子的数量是一半对一半，那为什么，它后来变成了今天的比例，也就是7:1呢？ 这就是大爆炸带来的结果。关键在于，随着宇宙的膨胀，它的温度也随之不断降低。宇宙的半径每膨胀一倍，温度就下降到原来的一半，要记住，温度是影响我们宇宙这锅汤料配方最重要的因素。因为温度降低，也就意味着宇宙里粒子携带的平均能量在不断减少，这就引发了一个微妙的改变：随着宇宙膨胀，质子和中子的比例不再是1:1，中子开始慢慢变少，质子开始慢慢变多。 这是为什么呢？道理其实很简单：因为中子要比质子稍微重一点点。所以同样是受到电子撞击，让质子变成中子需要的能量，就比中子变成质子要高一点点。当宇宙温度非常高的时候，这种差异可以忽略不计，因为当时宇宙里充斥着大量的高能电子，对于这些电子来说，它们把中子转变成质子，或者把质子转变成中子，难度是差不多的，因为电子的能量太高了，这两种过程所需的能量虽然有微小的差异，但几乎可以忽略不计。所以，这时候中子和质子的比例是1:1。 但随着宇宙温度的下降，电子的平均能量开始慢慢减少，哎，这时候差异就慢慢体现出来了。因为这时候，因为能量不足，有些电子只能让中子变成质子，而不能反过来。这样一来，就会导致更多的中子向质子转化，于是质子的比例就开始慢慢增加。到了大爆炸之后大约14秒，宇宙温度已经从1000亿度下降到30亿度，而质子和中子的比例也已经相应地变成了83:17，差不多是5:1，和原来的一半对一半已经相差很多了。 这时候发生了一件重要的事情，就是当温度降到30亿度的时候，宇宙里的电子和正电子对开始大规模地互相湮灭，而不再重新产生。在很短的时间里，宇宙里的电子减少了99%以上，从此以后，我们的质子和中子基本上就不再因为电子的撞击而互相转化。 这是不是意味着，质子和中子的比例从此就固定下来了呢？很遗憾，并没有。因为我们前面说过，中子它在自由形态之下，是一个不稳定的东西。就算没有电子撞击，它也会通过beta衰变自发地变成质子，而且这是一个单向的过程，也就是只能变过去而变不回来。在大爆炸的前几秒钟里，这种效应还不是很明显，因为每个中子平均要过大约15分钟才会衰变，但是现在，这就变成了一个需要认真对待的因素。本来宇宙里的中子就已经没多少了，如果再任凭它们自由衰变，那么到最后必然全部消失，全部变成质子。那么，为什么还会有我们今天的宇宙呢？ 哎，关键还是在于温度。因为我们刚才说了，中子的Beta衰变有一个前提，也就是必须在“自由”的形态下。不过，如果它能够跟质子结合起来，形成一个原子核，这时中子就不会衰变了。 这就带来了一线希望。如果想要保住剩下的中子，只需要让它们“成家”，也就是结合到原子核里去就行了。然而，事情并没有那么简单。我们前面说过，在大爆炸的早期，因为温度很高，原子核根本无法稳定存在。换句话说，在高温之下，质子和中子组成的“家庭”很容易就被一个高能粒子打中，重新分裂成“单身”的模式。尤其是最简单的家庭组合，也就是一个质子加一个中子，这样的原子核很不稳定，特别容易被打散。 当然，学过化学的都知道，原子核其实有更加稳定的模式，比方说氦的原子核，也就是两个质子加两个中子，哎，这种“四个人”的家庭就非常稳定，很不容易拆散。但问题是，两个质子和两个中子不可能一下子凑到一起，你还是得一步步来。不管怎么样，必须要先有一个质子和一个中子，然后才能依次往里加上另外两个人。所以说，这里存在一个瓶颈，就是无论如何，你必须要能够先让一个质子和一个中子的最简单组合稳定存在，然后才能进一步结成更稳定的其他家庭模式。如果第一步走不出去，后面也就无从谈起。 所以总而言之，想要拯救剩下的中子，我们必须期待宇宙降到一个特定的温度，使得最简单的原子核模式，也就是一个质子加一个中子可以稳定存在。如果宇宙能够在所有的中子都衰变成质子之前降低到这个温度，那么，它就可以拯救剩下的中子，把它们都结合到原子核里去。反过来，如果宇宙的温度降得不够快，那么，我们就只能眼睁睁地看着所有的中子都衰变成质子。质子我们知道，就是氢的原子核，换句话说，如果中子全部都衰变了，那么除了氢之外，宇宙里的绝大多数其他化学元素都将不复存在。 那么，这个温度是多少呢？温伯格告诉我们，大约是9亿度。也就是说，我们必须耐心地等到宇宙的温度降低到9亿度，这时候才会出现稳定的原子核。而什么时候宇宙的温度会降到9亿度？哎，温伯格通过计算，同样给出了答案。你肯定猜到了，这就是我们反复提到的那个神奇数字：3分46秒。 好，现在我们就来看看，在大爆炸之后3分46秒的那一刻，究竟发生了什么？首先，这时候的宇宙温度降低到了9亿度，从而使得一个质子和一个中子可以初步组成一个稳定的原子核。然后，一个新的质子和一个新的中子很快加入进来，在此基础上继续结合，构成更加稳定的“四人”组合，也就是氦的原子核。关键在于，我们非常幸运，因为在3分46秒的时候，宇宙里的中子还没有来得及全部衰变，通过计算我们可以得出结论，这时候宇宙里大概还剩下大概13%的中子。 所以，在这个决定命运的3分46秒，宇宙里剩下的中子全部被结合到了原子核里面，因为它们在原子核里不会衰变，所以这些中子就得以长久保留。从这一刻开始，宇宙里质子和中子的比例不再发生大的变化，换句话说，我们宇宙的“配方”也就从此固定了下来。在接下来的138亿年里，宇宙会以这些物质为基础，进一步演化，最终形成今天的样子。从满天繁星到日月光芒，从山川河流到帝王将相，我们今天看到的一切，知道的一切，基本上都是由这些粒子组成的。可以说，整个世界的命运，基本上都在这个关键的时刻被决定了。 以上就是我们讲的第一点，为什么宇宙的“配方”是在最初的3分46秒那一刻被决定的。 第二部分 接下来我们再讲讲第二点，为什么这个结论对大爆炸理论本身非常重要？ 前面我们说了，科学家们很早就知道在宇宙里，质子和中子的比例大概是7:1，但一直不知道是为什么。而大爆炸理论可以详细地告诉我们答案。通过计算，我们已经得出结论，宇宙必然在3分46秒左右形成氦原子核，而当时所有的中子都会被结合到原子核里面。同样，我们通过计算还可以得出，当时宇宙里必然还剩下大约13%左右的中子，换句话说，还有87%左右是质子。哎，用87除以13，比例恰好是7:1左右，这就完美地回答了上面的问题。 不仅如此，我们还可以回答另一个著名的问题叫做“元素丰度”。丰是丰富的丰，所谓元素丰度，就是宇宙里元素的相对含量，同样，科学家早就知道我们的宇宙基本上由氢和氦组成，两者的比例大概在3:1，但为什么是这样，也一直没有答案。而在大爆炸理论看来，这只不过是质子和中子比例的一个简单推论。因为在3分46秒的时候，质子和中子的比例是7:1，而在那一刻，几乎所有的中子都形成了氦的原子核，这就必然导致宇宙里氢和氦的比例大概是3:1。 当然，你可能要问，为什么当时只形成了氦原子核，而不能形成更复杂的原子核呢？因为氦原子核是最容易形成的包含中子的原子核。我们知道氦原子核是两个质子加两个中子的“四人家庭”，其实更多人数的稳定家庭在理论上是可能的，不过大自然很神奇，因为你想要增加人数，要么往四人家庭里再加一个人，要么把两个四人家庭合并起来。但不幸的是，不管是五个人还是八个人的家庭都是不稳定的，所以这种合并无法自然发生。物理学可以证明，在最初的三分钟之后，几乎所有的中子最后都进入了氦核，也就是“四人家庭”。想要组成更大的家族，我们只能等到很久以后，要等到恒星开始燃烧的时代才能最终实现。 关键在于，这证明了我们的宇宙必然包括大约75%的氢和25%的氦，而这完美地符合观测。你可别小看这件事，它非常重要，因为这个结果证明：大爆炸理论并不是空谈，而是一种实实在在，可以进行精确预测和检验的科学理论。要知道在当年，很多科学家都对探索“宇宙诞生”表示过怀疑，觉得这是不可能的事情。在大爆炸理论提出的早期，甚至有不少人认为，任何探索宇宙诞生的理论都只是纯粹的数学游戏，注定不会有结果。因为很显然，你不可能回到宇宙诞生的那一刻，去实际检验你的理论，所以这就跟以前哲学家争论一根针尖上能站几个天使一样，基本上就是完全的空想。 但是，大爆炸理论的发展最终改变了这种看法。它证明，科学的力量完全超越我们的想象，哪怕是宇宙创生这样宏大的命题，我们也仍然可以通过科学计算，给出非常详细的预测。除了元素丰度之外，大爆炸理论还预言了著名的“宇宙背景辐射”。它告诉我们在宇宙诞生38万年之后，随着温度的进一步下降，剩下的电子会跟原子核结合起来，形成完整的原子。而没有了自由电子的阻碍，光得以第一次穿过透明的宇宙，从而在天空中留下温度为3K左右的背景辐射。1964年，两位美国物理学家，一位叫做彭奇亚斯，一位叫做威尔逊，他们在偶然的情况下，无意中发现了这种辐射，随即获得诺贝尔物理学奖。 宇宙背景辐射是20世纪最重要的科学发现之一，而且已经成为科学史上著名的传奇时刻。这个故事最神奇，最有意思的地方就在于，这么重要的发现，居然纯粹是误打误撞做出的。因为两人一开始只是想做一根很灵敏的天线，根本就没有想到居然会发现宇宙诞生之初留下的回音。 所以事后，很多人就觉得奇怪，因为大爆炸早就对此做出了预言。在差不多10年的时间里，任何人只要按照理论预言，稍微认真地去找一找这种辐射，这个荣誉就是他的，诺贝尔奖自然也唾手可得，但就是从来没有人去找过。所以为什么呢？为什么这么多人都把机会白白放过，而最终留给了两个误打误撞的幸运儿，这让人百思不得其解。 在这本书里面，温伯格也发表了他的看法。他认为，恐怕就连提出大爆炸理论的物理学家自己都低估了科学的力量。他们万万没有想到，一个纯粹建立在数学上的理论，一个纯粹在纸面上推导出来的模型，居然真的能够实实在在地描述我们的宇宙，而且还和观测符合得很好！就像你也很难相信，我们真的可以通过纯粹的理论计算，详细地还原出宇宙在最初三分钟里演化的样子，甚至能够精确地预言组成今天宇宙的物质配方，这真的是一件太不可思议的事情！ 或许，这是这本书给我们的另一个启示：不管宇宙看上去多么宏大，多么遥不可及，它仍然是可以通过科学方法去理解和预测的。只要从几个简单的假设出发，我们就可以通过物理理论，非常详细地计算出宇宙诞生的全部经过。 当然，我们说了，《最初三分钟》最早出版于1977年，也就是40多年前。所以，这本书里为我们描述的只是所谓的“标准大爆炸”模型。而到了今天，我们对宇宙的本质和起源又有了更加深入的认识。我们发现在宇宙里，普通物质原来只是一小部分，除此之外，还存在着神秘的暗物质和暗能量。我们意识到在标准的大爆炸阶段之前，宇宙还经历过更加猛烈的“暴涨”阶段。我们提出了M理论、希格斯机制、对称性破缺等等更加高深的理论，虽然可能对于普通人来说，这些名词犹如天书，根本不知所云，但说不定在将来的某一天，这些理论同样会被证明。到时候，我们对宇宙的理解又将大大地往前推进。所以，还是让我们记住那句话：千万不要低估科学的力量。 总结 好了，最后让我们来简单地总结一下今天的音频内容。我们的宇宙是怎么来的？它为什么会是今天这个样子？现在我们知道，原来在很大的程度上，这都取决于大爆炸之后3分46秒内发生的一切。在这个极其重要的时间点，组成宇宙物质的基本“配方”，也就是质子和中子的比例最终确定了下来，从而也决定了氢和氦的数量，并最终决定了宇宙的演化方向。温伯格证明，通过大爆炸理论，我们可以详细地描绘出这个过程中的每一个步骤，并相当准确地预言出配方比例，而这一切只需要建立在几个简单的假设上面。 所以，在某种程度上，《最初三分钟》不仅向我们展示了宇宙创始之初的景象，也同样展示了科学本身的意义。从温伯格的描述里，我们不仅能够领略到宇宙的壮美，自然的神奇，更不禁感慨人类智慧的伟大。凭借科学的力量，我们居然能够在138亿年之后，能够在银河系边缘一颗不起眼的小小行星上，光用纸和笔就得以窥探宇宙创始之初的面貌，还有什么能比这更加不可思议呢？ 撰稿：曹天元 划重点 |
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