關(guān)于宇宙的起源，冰島巨匠斯諾里·斯托里森在1220年編纂的斯堪的納維亞神話集《新埃達》里寫道：“最初是一無所有的。既沒有地，也沒有天，只有一個裂口，也沒有草原。而在這混沌虛無的北方和南方，則是冰雪的區(qū)域尼夫爾翰和火的區(qū)域木斯皮爾翰。木斯皮爾翰的火融化了尼夫爾翰的冰，在融化的水中產(chǎn)生了巨人伊默，伊默吃什么呢？好像還有一頭牛阿豪姆拉，那牛又吃什么？哦，好像還有一些鹽，故事就這樣一直繼續(xù)下去。
　　我可不想觸犯宗教感情，哪怕是北歐海盜的宗教感情也不行。但我得承認這樣描述宇宙的起源是不能令人滿意的。即使不說對那些無稽之談的非議，就故事本身而言，這個故事所產(chǎn)生的問題與它所提供的答案一樣多，而且每個答案都使初始狀態(tài)變得更為復(fù)雜。
　　我們不能僅對此書一笑了之，并且堅決放棄所有的宇宙學(xué)推測——追溯宇宙的歷史起源，這種念頭是不可抗拒的。自16世紀和17世紀現(xiàn)代科學(xué)誕生以來，物理學(xué)家和天文學(xué)家就在不斷地研究宇宙起源的問題。但這些研究一直籠罩在一種不體面的氛圍下。我記得，當我還是個學(xué)生以及后來在20世紀50年代開展研究工作（當時研究的是其他問題）時，人們就普遍認為，研究早期宇宙是體面的科學(xué)家不屑為之的事情。這種觀點也不無道理。縱觀整個現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)歷史，用來構(gòu)建早期宇宙史的觀測和理論基礎(chǔ)壓根就不存在。
　　然而，在過去的10年中，所有這一切都發(fā)生了變化。人們普遍接受了一種早期宇宙理論，天文學(xué)家們將這種理論稱為“標準模型”。它與我們所說的“大爆炸”理論基本相同，只不過它對宇宙成分的認識更加具體，而這種早期宇宙理論正是本書所關(guān)注的論題。為了便于理解，或許應(yīng)該首先根據(jù)當前標準模型所理解的早期宇宙的歷史作一概述。但這里僅僅是一個簡要說明，我們會在接下來的章節(jié)中對這一歷史及相信它的理由作出詳細解釋。起初，發(fā)生了一次爆炸。這個爆炸不同于我們所熟悉的地球上的那些爆炸，即先從一個明確的中心開始，然后向四周擴散，周圍被吞噬的空氣越來越多。這個爆炸是在各個地方同時發(fā)生的，從一開始便充滿了整個空間，每個物質(zhì)粒子都與其他粒子迅速分離開來。這里的“所有空間”可以指整個無窮宇宙，也可以指像球面那樣蜿蜒曲回的有窮宇宙。無論哪種情況都不易被理解，但這并無大礙�？臻g到底是有窮的還是無窮的，這對早期宇宙的研究來說并不重要。
　　在爆炸后大約0.01s的時間，即我們能夠自信地談?wù)摰淖钤鐣r間里，宇宙的溫度大約是1000億（1011）攝氏度。這一溫度甚至比最熱的恒星中心的溫度還要高。在這種高溫條件下，普通物質(zhì)的組成成分，包括分子、原子，甚至是原子核都無法聚集在一起;相反，在這一爆炸過程中迅速分離的物質(zhì)是由各種所謂的基本粒子組成的，而基本粒子正是現(xiàn)代高能核物理所研究的課題。
　　在這本書中，將會反復(fù)提到這些粒子——在這里，僅指出早期宇宙中數(shù)量最多的那些粒子就已足矣，更詳細的解釋將會在第3章和第4章中進行討論。大量存在的一種粒子是電子，即帶負電的粒子，它以電流形式通過電線，并形成當前宇宙中所有原子和分子的外殼。早期宇宙中大量存在的另一種粒子是正電子，即帶正電的粒子，與電子質(zhì)量完全相同。在當前宇宙中，只有在高能實驗室、某些放射現(xiàn)象、某些劇烈的天文學(xué)現(xiàn)象，如宇宙射線和超新星現(xiàn)象中才能發(fā)現(xiàn)正電子。但在早期宇宙中，正電子的數(shù)量與電子的數(shù)量不相上下。除電子和正電子之外，還有數(shù)量大致相同的各種中微子，即，沒有質(zhì)量或電荷的粒子，仿若虛無縹緲的幽靈一般。最后，宇宙中還充滿光。對此，不必與粒子區(qū)別對待，量子理論告訴我們，光是由零質(zhì)量、零電荷的粒子——光子組成的（每當燈絲中的一個原子從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)時，都會釋放出一個光子。從燈泡中釋放出來的光子非常多，看上去它們就像匯集成了一條連續(xù)的光束，但通過光電池，可以準確計算出光子的數(shù)量）。每個光子都攜帶著一定數(shù)量的能量和動量，其數(shù)量大小取決于光的波長。為了描述充斥在早期宇宙中的光線，一般可以這樣認為，光子的數(shù)量和平均能量與電子、正電子或中微子的大致相同。這些粒子（電子、正電子、中微子和光子）不斷地從純能量中產(chǎn)生出來，短暫存在后又湮滅了。因此，它們的數(shù)量不是早就注定的，而是由產(chǎn)生與湮滅過程的平衡所決定的。根據(jù)這一平衡，我們可以推斷出，在溫度高達1000億度的條件下，宇宙的密度約為水的40億（4×109）倍。此外，宇宙場內(nèi)還摻有少量雜質(zhì)，它們由較重的粒子：質(zhì)子和中子組成，是原子核的組成成分（質(zhì)子帶正電；中子稍重且不帶電）。其比例大約為每10億個電子（或正電子、中微子或電子）對一個質(zhì)子和中子。為了設(shè)計宇宙的標準模型，這個數(shù)值的設(shè)置，即每一個核粒子中就有10億個光子是必須從觀測中獲得的關(guān)鍵數(shù)值。在第3章中討論的宇宙輻射背景的發(fā)現(xiàn)實際上就是對這一數(shù)值的檢測。隨著爆炸的繼續(xù)，溫度開始下降，約十分之一秒后下降到300億（3×1010）度；約一秒后下降到100億度；約14s后下降到30億度。這一溫度已經(jīng)非常低了，在這種低溫條件下，電子和正電子開始湮滅，湮滅速度比它們從光子和中微子中被重新產(chǎn)生出來的速度還要快。物質(zhì)在湮滅過程中所釋放出來的能量暫時減慢了宇宙冷卻的速度，但溫度仍在持續(xù)下降，最終在最初三分鐘結(jié)束時降到了10億度。這種溫度非常低，能使中子和質(zhì)子開始組合成復(fù)合的原子核。首先形成的是重氫（或氘）核，它是由一個質(zhì)子和一個中子組成。由于這時，它的密度仍然非常高（比水的密度稍低），因此，這些輕核能迅速組合成最穩(wěn)定的輕核，即氮核，它由兩個質(zhì)子和兩個中子組成。
　　在最初三分鐘結(jié)束時，宇宙的組成主要是光、中微子和反中微子。仍有少量的核物質(zhì)，由73%的氫和27%的氦組成。此外，還有從電子—正電子湮滅時代遺留下來的少量電子，數(shù)量與核物質(zhì)相同。這些物質(zhì)繼續(xù)迅速分離，溫度變得越來越低，密度變得越來越小。幾十萬年之后，溫度降到足夠低。在這樣的溫度條件下，電子能夠與核相結(jié)合，形成氫原子和氦原子。由此產(chǎn)生的氣體在地心引力作用下開始形成氣團，并最終凝聚形成當今宇宙的星系和恒星。然而，恒星在形成時期所包含的成分正是在最初三分鐘里所產(chǎn)生的那些成分。上述標準模型并非想象范圍內(nèi)關(guān)于宇宙起源的最佳理論。正如《新埃達》一樣，它對宇宙的起點，或者大約最初百分之一秒的說法總是有些模糊不清，讓人難以理解。另外，還需要確定起始條件，特別是光子和核粒子的最初比例是否為10億比1，這是令人異常頭痛的一件事情。如果這個理論能夠提出更為準確的邏輯必然性，那就最好不過。比如，從哲學(xué)角度來看，另一個更有吸引力的理論是所謂的“恒穩(wěn)態(tài)模型”。20世紀40年代末，赫爾曼·邦迪、托馬斯·戈爾德和弗雷德·霍伊爾（其表述方式與其他人稍有不同）提出了這一理論。根據(jù)這個理論，宇宙基本上就一直是現(xiàn)在這個樣子。隨著它的膨脹，新物質(zhì)不斷被創(chuàng)造出來，填補了星系間的空隙。從潛在可能性上講，有關(guān)宇宙為何是目前這種狀況的問題都可用這一理論來回答�？梢哉f，它之所以是這樣，是因為這是它能夠保持不變的唯一一種方法。宇宙起源問題被排除了，因為根本就不存在早期宇宙。
　　那我們是如何得出“標準模型”的呢？它又是如何取代其他理論，如恒穩(wěn)態(tài)模型的呢？這個共識的取得不是因為哲學(xué)傾向的轉(zhuǎn)變，也不是因為受天體物理學(xué)界名流的影響，而是從經(jīng)驗中得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，是對現(xiàn)代天體物理學(xué)必備的客觀性的贊美。
　　接下來的兩章將說明讓我們得出標準模型的兩個重要線索，即發(fā)現(xiàn)遙遠星系后退和發(fā)現(xiàn)充斥在宇宙中的微弱無線電靜電，它們都是從天文觀測中發(fā)現(xiàn)的。對科學(xué)史學(xué)家來說，這是一個內(nèi)容豐富的故事：既有錯誤的開端，錯失的良機，又有理論上的先入為主和個性的展示。
　　綜述完觀測到的宇宙學(xué)現(xiàn)象之后，我試圖將零散的數(shù)據(jù)匯總在一起，刻畫出一幅連貫清晰的早期宇宙物理狀況圖。這樣，我們就能追溯到更為詳細的宇宙最初三分鐘的狀況了。在追溯過程中，可以采用電影似的處理方法：即一格一格地觀察宇宙如何膨脹、如何冷卻、如何形成。另外，我們還試圖窺探對我們來說仍是謎一般的時代——最初百分之一秒以及之前的那段時間。
　　我們對這個標準模型真的有把握嗎？會不會有新的發(fā)現(xiàn)推翻它，并使用其他宇宙起源學(xué)說取代當前的標準模型？甚至?xí)�不會�?fù)興恒穩(wěn)態(tài)模型？我無法否認在描述最初三分鐘時，總有一種不真實感，我們是否真的知道自己在談?wù)撌裁础?br />

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