科普：水火不容的宇宙同源学说与相对论[原创][图]

　前提1、广义相对论告诉我们：光速是宇宙中最大的速度，当质量足够大时，如黑洞，光便不能逃逸出去。 　　 　　前提2、现在的宇宙起源说告诉我们：宇宙是从同一事件出现的（所谓的宇宙同源），无论是大爆炸学说的奇点，或是多重宇宙结构的膜论，都认为宇宙起源于同一事件，事实上现今人类对宇宙的观察证据似乎也支持这种观点。 　　那么矛盾出现了：矛盾1、黑洞只需要3.4个太阳质量便可形成，那么我们的宇宙是多大的质量？如果这些物质能量在未开成宇宙前集合在一起又是一个怎样在的“黑洞”？宇宙物质能量必需有超过光速的速度才可能崩离（在这里我觉得只有这个词稍合适些）出来，而且这种宇宙物质不可能以电磁辐射形式出来，因为电磁辐射的速度是恒定的，换句话说就是电磁辐射不能脱离黑洞引力场。如果依照宇宙同源理论必然会推导出一个结论：超光速是存在的！宇宙的爆胀学说也可以得到相同的结论。 　　　　　　　　　　矛盾2、我们知道广义相对论是可以用数学模型表达的，也就是说用它描述的宇宙必定是一个连续的的宇宙；量子论为不连续的宇宙观，但在计算普朗克时间和空间时却引进了相对论的常量：光速恒定且为宇宙最大速度的概念，并用这一计算结果来建立宇宙模型，并推导出超光速的宇宙形成过程，这不自相矛盾吗？ 　　　　　热力学第三定律告诉我们：能量的传送是不连续的，是一份一份进行的（黑体辐射试验）。这个结论是在我们现实的条件下，准确点说是在现实的地球上条件下获得的，并不具有广泛的宇宙学意义，由此来推导整个宇宙事件未免太有点牵强附会了。以上两个矛盾只能说要么宇宙同源说错了，要么广义相对论错了（或不全面），要么两个理论都有着重大的缺陷。这告诉我们：千万不要把学说当真理。 　　附：宇宙的模型 　 　　正如大家所熟知的那样，爱因斯坦在1915年至1916年间完成的广义相对论将宇宙空间各处的弯曲状况用数学公式作了表述。虽然在他的研究中没有触及‘宇宙的边缘是什么状态’的问题，但是爱因斯坦并没有忽视把宇宙作为一个整体来考虑的重要性。 　　宇宙中存在无数的天体，它们会不会在万有引力的作用下全部聚成一堆呢？这种担心并不是毫无根据的，因此，爱因斯坦在描述宇宙状态的方程式中加入了一项‘宇宙常数’，用它表示斥力，避免了天体全部集中的问题。 　　后来，随着宇宙观测技术的进步，爱因斯坦领悟到没有必要考虑如此特殊的常数，他说，“在方程式中加入宇宙常数是一生的失策”。不过，关于宇宙常数究竟是否需要的问题，至今仍然没有定论，最近，不少学者认为宇宙常数仍然有保留的必要。 　 　 　　1920年前后，广义相对论刚问世的时候，人们（甚至包括学者们）的宇宙观是相当单纯的。相对论把原来三维的空间与时间放在同等的立场上考虑，进行了数学公式化。现实中，与上下左右前后都能自由移动的空间相比，只能沿着固定方向经过的时间有很大的不同。爱因斯坦对空间进行了深刻的思考（虽然他并没有断言空间是封闭的……），然而关于时间，他却没有发表任何具体的意见。当时人们都认为时间是从过去流向未来的单方向永远延续的东西。空间是封闭的——爱因斯坦的头脑中充满了打破常识的新思想，至于从远古流向未来的漫长的时间，其整体又是怎样呢？爱因斯坦也许顾不上去考虑这个问题。 　　爱因斯坦的广义相对论公式与牛顿的力学公式一样，是用微分方程式来描述的。有关时间及空间的边缘部分的状况（称为边界条件），是由解方程式的人所自由设定的。因此，以广义相对论的公式为基础，众多的学者们提出了各种各样的宇宙模型。 　　荷兰天文学家德西特在假定宇宙中不存在物质的前提下，求出了广义相对论方程式的解，结果表明宇宙会不断地膨胀下去。通过改变宇宙常数的符号与大小，他又提出了宇宙是封闭的观点。如果平行的两束光最终交汇，宇宙就是封闭的；而如果这两束光渐渐远离的话，宇宙就是开放的。 　　当然，不存在物质（不存在天体）的宇宙只是一种近似，现实并非如此。不过德西特毕竟是第一个求出方程的解并提出封闭宇宙观点的人，他的模型被称为爱因斯坦-德西特宇宙（1932年）。 　　前苏联数学家弗里德曼求解了不带宇宙常数的方程式。与德西特不同，在弗里德曼的模型中有天体存在，也就是说，宇宙的平均密度不是零而是某个数值。计算结果表明：如果宇宙的平均密度很小，宇宙就会永久地膨胀下去；如果宇宙的平均密度大于某一数值，宇宙就会在膨胀到一定程度后反过来收缩，如此循环往复，当然该周期长达数百亿年。弗里德曼的解至今仍是宇宙的基本模型之一。 　　比利时天文学家勒梅特的模型表明，一定大小的宇宙会发生突然的迅速膨胀。该模型成为后来的大爆炸理论的先驱。 　　如上所述，许多人致力于求解广义相对论的方程并得出了具有各种特征的解。但是，解中的时间究竟有哪些涵义呢？关于这一点，任何论文都没有明确的阐述。时间也许会像封闭的空间一样，经过大迂回后回到原来的出发点——某些论文似乎有这样的意思，但是，大家都回避对时间做出明确的表态。这样做也是可以理解的，在空间是封闭的还是开放的问题尚无明确的证据时，比空间更复杂的时间是什么？它有无始终？就是逼问这些问题，也不会有人有说三道四的依据。 　　后来，各种各样的宇宙论不断地问世，理论和观测都在不断地进步。第一个直接把时间的初始与终结作为问题研究的是进入20世纪80年代以来斯蒂芬·霍金的理论。 膨胀的宇宙 　 　　本世纪30年代初期，美国天文学家哈勃（1889-1953）的工作给宇宙论带来了巨大的改革。哈勃生于密苏里州，在芝加哥大学学过物理，后来到英国在牛津大学学习法律成为一位律师，其后，由于兴趣的转移，他再次回到芝加哥大学学习天文学并获得博士学位。在其他国家里，通过律师资格考试后再转行搞自然科学的事例令人难以置信，然而在美国，看来人们有很大的自由去选择自己的天职。 　　1920年，哈勃来到威尔逊天文台工作，他仔细地观测了许多恒星的固有运动。起初，哈勃测量了18颗已知距地球距离的恒星，结果表明从它们发来的光全部存在着红移，他对此吃了一惊。所谓‘红移’，用通俗易懂的说法就是：从构成恒星物质的分子观点推定的本来是偏蓝的光，我们看到时却感到它偏红。哈勃于1929年发表了他的观测结果。如果恒星一边后退一边发光而且光速（相对于观测者）是不变的话，根据多普勒效应，我们接收到的光的波长就会长于其原来的值。声音将变向低音，光将偏向红色。 　　哈勃的观测结果发表后，一些理论家提出了宇宙膨胀说：星星在逃逸，而且距离越远的恒星逃逸速度越快。据说哈勃本人一开始并不支持该学说，宇宙在膨胀？不是在说胡话吧？如果恒星表面存在很强的引力场的话，也会造成红移现象。总之应该慎之又慎才对…… 　　哈勃进一步对恒星进行了观测。如果恒星带有自转，那么它的一端会靠近地球而另一端则会远离，他详细研究了各种可能因素，结果表明：红移只能用星体的后退来解释。 　　星体在后退也就是宇宙在膨胀，通过观测所发现的这一事实使哈勃名载史册。不过，在爱因斯坦时代想也不曾想过的宇宙膨胀学说真正得以定型，是在第二次世界大战之后的事情。 　 　　1946年，第二次世界大战结束后翌年，一位名叫乔治·伽莫夫（1903-1968）的学者提出了宇宙起源于大爆炸的令人惊叹的学说。伽莫夫生于俄国的敖德萨，在前列宁格勒大学取得博士学位，后来到德国的哥廷根大学、丹麦的哥本哈根大学等当时量子力学的发祥地学习，其后，他又到过剑桥大学以及巴黎、伦敦等地的大学，伽莫夫像候鸟一样地迁徙于众多的大学之间，1934年他来到美国并在那里定居。 　　在美国，伽莫夫曾经担任乔治·华盛顿大学以及科罗拉多大学的教授，他的研究领域涉及物理学、天文学甚至生物学，他在晚年研究过DNA的遗传密码。伽莫夫还是一位多产的科普读物作家，他的作品被翻译成多种文字出版，许多学者就是在少年时代被他的书吸引、受其影响走上物理学的研究之路的。伽莫夫考察过原子核中基本粒子的隧道效应、研究过高温高压的星体的性质，他的研究课题内容十分广泛。不过，伽莫夫这个名字使我们首先联想到的还是大爆炸宇宙学说。该学说最初并没得到大家的信任，或许在大家的眼里，伽莫夫的研究课题过于分散，大爆炸不过是假说之一罢了。 　　但是，随着基本粒子理论的发展，理论研究逐步趋向于用统一的观点去理解自然界中存在的力，因此有必要回到宇宙的创生时期，考察当时的情况。所谓宇宙的创生……难道就是伽莫夫所预言的大爆炸？除此之外找不到别的更可信的学说，人们开始相信大爆炸有充分的理论根据。此外，彭齐亚斯和威尔逊于1965年发现的存在于宇宙空间各方向上的强度相同的宇宙背景辐射，作为大爆炸遗留下来的电波来解释，更使大爆炸理论越发可信。宇宙的初始即时间的初始是什么？……候鸟型物理学家伽莫夫首先触及了这个问题。 　 最初发生过大爆炸？ 　 　　今天，很多人都知道宇宙是从大约100亿年或150亿年前的大爆炸开始的，虽然它还没有被大篇幅地写入学校的理科教科书，但是大多数科学家都相信，确实发生过大爆炸。 　　但是，持不同观点的也大有人在。加利福尼亚大学的汉内斯·阿尔夫本名誉教授根据自己研究的等离子体理论提出了宇宙创生的学说。等离子体是超高温物质的振动形态，阿尔夫本教授认为星团以及银河系都产生于等离子态的物质。他与奈尔分享了1970年度诺贝尔物理学奖。 　　按照阿尔夫本教授的计算，宇宙的创生不是在150亿年前，而是应当更早。虽说他的理论并非毫无根据，但是赞同他的人的确为数不多。需要指出的是，有关宇宙的学说还有许多。 　　根据大爆炸理论，假定宇宙的创生发生在150亿年前，那么，在此之前是什么状态？或者，200亿年前是什么状态呢？大家很自然地会关注这些问题。 　　遗憾的是，在相当长的时期里没有人从正面回答这个问题。最初发生了大爆炸，之后如此如此、这般这般……之类的理论不胜枚举。它们的核心都相同，那就是‘最初发生过大爆炸’。 　　毫无疑问，即使在今天，从某种意义上来说，大爆炸就是时间的开端。在大爆炸以前，时间只是形式上的抽象的东西，这样去说明绝对没有错。关于时间的这个断头，霍金不是把它作为一个断点，而是把它圆满地衔接了起来。正因为如此，他的理论才在今天引起了人们的广泛关注。 　　但是，霍金在他的理论中引入了诸如虚数、路径积分等复杂的数学概念，说实在的，普通读者很难弄明白，就连专家们也多半只能做到‘在数学上’的理解。因此，我们把复杂的内容放到稍后的章节中去，先沿着大爆炸学说在60年代、70年代、80年代的发展来一步步地介绍。 　 宇宙中最短的时间？ 　 　　大约150亿年前，宇宙突然发生了大爆炸。大爆炸的起因是什么？如此巨大的能量来自何处？关于大爆炸，明摆着存在这些问题。而且这些问题在很长的时期里并没有被弄清楚（更确切地说，是没有被追究）。目前的理论认为：大爆炸发生于一无所有的（严格说来是观测不到任何东西的）空间——真空之中。那么，大家又会问“这里所说的真空又是什么呢？”让我们还是沿着大爆炸学说的历史发展过程作一番追溯吧，就当最初发生了大爆炸，从此开始我们的话题。大爆炸的令人惊异之处在于：在极短极短的时间内，宇宙创生了，几乎与此同时，宇宙从掌中玩物般大小极不寻常地急速膨胀了起来。 　　第一步，我们先来适应各种数量的表现方法。1太记为1012，1皮记为10-12，10的肩头所标的数字（称为指数）如果是负数的话，其绝对值越大，数的整体值就越小。数学中的数字都是单纯的数字（无量纲数），在以‘客观存在’为研究对象的物理学等其他学科中，我们总是先将某种含义（单位）赋于数字1，然后针对研究对象的大小用不同的数值来表述。常用的有1米（长度）、1千克（质量）、1秒（时间），我们把这套规定方法叫做国际单位制，并且规定（至少在科学研究中）不使用因国而异的诸如英尺、磅等单位。　 　　采用国际单位制，我们说宇宙的大小约为100亿光年（1026米），宇宙迄今为止的寿命约为100亿年（3×1017秒）。再举个微观量的例子，20世纪初科学家们对原子进行研究时特别定义了一个叫做‘埃’的单位，折合成国际单位制的话，1埃相当于10-10米，按照国际度量衡委员会的正式命名，它是1纳米的十分之一。下面列出的是正式使用的词头： 　　　　　　 　　20世纪30年代以来，随着基本粒子理论发展的需要，为了表示原子核以及更加微小的质子、中子的大小，人们提出了10-15米的微小尺度并称之为1费米（飞米），以纪念著名的原子核物理学家恩里科·费米（1901-1954）。 　　在测量基本粒子的平均寿命时，我们需要使用时间的微小单位。例如汤川秀树博士提出的π介子，带正或负电荷的π介子的平均寿命约为10-8秒（1亿分之1秒），不带电荷的中性π介子的平均寿命更短，只有10-16秒（带电π介子寿命的1亿分之1）。科学家们测量了许多不稳定的基本粒子的平均寿命，发现这些数据几乎都分布在10-8至10-20秒之间的范围内。 　　长度以及时间是否存在最小单位？用当今的名词来说就是：这两种量究竟是数字式的，还是模拟式的呢？随着从50年代到70年代基本粒子理论特别是‘场论’的迅速发展，最小单位问题渐渐地被提上议事日程，成为重要的研究课题。一些科学家认为；长度的最小单位应该是基本粒子的大小（10-15米左右），时间的最小单位应该是基本粒子的寿命（10-8至10-20秒左右）。 　　如果把物质不断地进行分解的话，我们最终将得到分子、原子乃至基本粒子，它们是构成质量和电荷的最终要素。同样地，关于长度和时间是否也同样存在不可再分的最小量呢？许多人联想到了这个问题。 　　最小要素是否存在？应该怎样去理解它？这个问题是过去40年来的重要课题，至今仍有人在从事这方面的研究。随着理论研究的发展，许多新观点（例如：比基本粒子更小的夸克、存在于宇宙创生时的大爆炸后10-30～10-40秒的瞬间）的问世，科学家们越来越迫切地感到重新认识时间和空间的最小要素（包括这样的最小要素是否存在）的重要性。 　 从不可思议的高温开始 　 　　据说爆炸般的膨胀开始于宇宙诞生后10-44秒。这次剧烈的爆发就是所谓的‘大爆炸’，10-44秒究竟有哪些含义呢？ 　　人类能够通过自己身体的新陈代谢感知时间的经过。视觉上，人能感知的最小时间间隔约为0.1秒，如果画面的变化速度快于0.1秒，人眼将把它当作是连续的，电影和电视都利用了这个原理。 　　虽然生理感官不能直接感觉到，我们应当承认存在更短的时间。但是10-44秒，用语言描述的话就是1秒的1亿分之1的1亿分之1、再1亿分之1的1亿分之1、再1亿分之1的1万分之1，如此短暂的时间的确超出了一般人的想象，然而却绝对不容忽略。霍金指出：正是因为时间是如此的短暂，根据量子力学原理才能爆发出巨大的能量。 　　从宇宙诞生至大爆炸开始的10-44秒称为普朗克时间，我们也可以把它理解为光通过宇宙的最小长度10-35米所需要的时间（在这里不必计较多少存在的一些误差）。 　　物理学研究从早期的宇宙论发展到当今的大爆炸理论，有理论根据的最小长度与最短时间就是上述两个数值。 　　大约30年前，基本粒子理论曾经一度走进了死胡同。按照当时的理论，电子与电子或电子与光子的相互作用应该发生在时空中的一个点上，那么在该点上就不可避免地出现了无限大……特别是能量无限大的问题。 　　朝永振一郎博士等人利用重整化理论克服了这个困难，但是并没有彻底解决问题，原因在于，只要仍把空间与时间看作是连续的量就总会与无限大的困难纠缠在一块。根据量子理论，能量、电荷以及角动量都是量子化的量，同样地，用量子观点看待时间与空间的话，又该怎样修正物理理论呢？科学家们在这方面做了大量的工作。 　　世界上的物理现象（比如粒子之间的相互作用）不是发生在一个点上，而是发生在一定的区域内（尽管该区域很狭小），以汤川秀树为代表的京都学派从上述观点出发，提出并发展了非局限场理论。不过在当时还没有夸克的概念，因此，最小长度只能是基本粒子的大小——10-15米（1飞米），相应地最短时间则是光通过该长度的时间——10-24秒。 　　后来，人们出于利用统一场理论解决不可思议的巨大能量的来源问题的需要，提出了比非局限场理论中的最小单位更小得多的普朗克尺度。粒子生成时的能量越大，所要求的时间就越短，由于普朗克常数与这类微小的量（正确地说是两个量的乘积——详见本书第四章）相当，最近十几年来，科学家们对普朗克尺度进行了研究。 　　此外，我们还必须研究宇宙诞生时的温度。摄氏零度相当于绝对温度273度（记为273K），不过对于一万度、十万度的高温来说，使用摄氏温度也罢，绝对温度也罢，几乎没有差别。所以从现在开始，我们只使用绝对温度。 　　诞生时的宇宙是个无比炽热的火球，温度高达1032K（1亿度的1亿倍的1亿倍的1亿倍），它是有史以来所有物理学领域中存在过的最高温度，与它相比，核聚变或氢弹爆炸所产生的高温显得根本不值一提。 　　由伽莫夫创立的大爆炸理论指出：宇宙从如此不可思议的高温开始，发生了大膨胀。过去相当长的时期里，人们采用的宇宙模型是：象爆炸一样，‘普通地’越变越大。 　 超光速的急剧成长！ 　 　　前面说过，宇宙最初时只有巴掌般大小。随着宇宙论的发展，最新研究结果表明宇宙在刚诞生时应该更小，说出来会吓你一跳，只有10-35米！或10-33厘米——1厘米的1亿分之1的1亿分之1的1亿分之1的10亿分之1，我们称之为普朗克长度，因为它与量子力学理论的核心普朗克常数h的数量级相同。 　　让我们遵照关于宇宙爆炸的最新理论再描述一遍当时的情形吧！宇宙诞生后10-44秒，真空的相变——突如其来的空间秩序的重新排列——引发了大爆炸，此时的温度为1032度。稍后在10-36秒时（无论10-44秒还是10-36秒都是极其短暂的一瞬，用‘稍后’一词并不准确，但是我们实在找不到贴切的词汇，只好不得已而用之了），温度为1028度，宇宙的膨胀速度急剧地加快、远远超过了光速。相对论告诉我们光速是客观世界里最快的速度，但是在宇宙开天辟地时，这个结论并不适用。 　　此时——后来的研究表明——出现了各式各样的宇宙。异常的急剧膨胀也许有些像在爆发了严重通货膨胀的国家里，印钞机日夜不停地猛印钞票的情景，我们把它叫做‘暴胀’。暴胀从10-36秒持续到10-34秒，它起因于真空性质的变化。暴胀也叫第二次相变。随着体积的急剧膨胀，温度由1028度迅速下降，暴涨结束时，宇宙温度为1027度。 　　暴涨使宇宙增大了1029～1030倍（1亿倍的1亿倍的1亿倍的1百万倍），在暴涨过程中出现了黑洞宇宙和白洞宇宙。 　 　 　　关于宇宙的暴涨模型，我们做了一番仿佛亲眼所见般的描述。当初真的发生过那样的事情吗？或者干脆问：为什么必须持那样的看法呢？伽莫夫的大爆炸学说已经足以令我们吃惊了，难道还觉得不够，我们还必须接受在宇宙创生的瞬间发生过急剧膨胀的假定？ 　　在伽莫夫提出大爆炸论之后，科学家们从各个角度进行了研究，在详细的计算过程中发现：用伽莫夫模型（开始发生了大爆炸然后就那么膨胀下去）解释不了的事情越来越多，层出不穷。 　 为什么暴胀？ 　 　　让我们抛开繁杂的数值，用弗里德曼模型设想一下宇宙的初始状态。弗里德曼在相对论问世后不久求出了引力场方程的解，结果表明：如果宇宙空间的密度（一定体积内的质量）较大的话，宇宙将收缩；反之，宇宙将膨胀。 　　对于现在所看到的宇宙，我们有理由认为在目前的低密度下它将单纯地膨胀下去（虽然数百亿年后宇宙很有可能转入收缩状态），可以说：宇宙现在处于非常稳定的状态。但是，对于诞生后10-43秒的宇宙来说，如果它的密度大于某个值（哪怕仅仅大一点），今天它应该收缩得更小；如果它的密度小的话（哪怕仅仅小一点），宇宙的膨胀速度就将过快，使得星云以及银河等统统烟消雾散，到今天什么也剩不下。所以，如果用正统的大爆炸（不含暴胀）观点去分析的话，出现今天这样安定的宇宙的概率微乎其微。期待几乎为零的小概率事件的发生，就如同把获得彩票的头等大奖列入家庭的经常收入一样地不切实际。 　　但是，引入暴胀概念后，原先如同老人的皱纹一样分布不均匀的物质密度就会在一瞬间被扯平，结果，物质在所有的方向上全都均匀地扩展开来。科学家们称之为宇宙初期的平坦性，计算表明，它的结果将形成今天这样的宇宙。日本的佐藤文彦和美国的阿兰·古斯等人指出：为解决宇宙初期的平坦性问题，有必要使用暴胀概念。 　　暴胀学说还有许多存在的理由。例如，从四面八方传到地球的宇宙背景辐射等信息为什么都相同呢？从任一方向以及其相对方向上传来的信号都好象‘事先商量好了似的’，强度完全相同。假定一方是50亿光年远处的A点、另一方是相对方向上50亿光年远处的B点，两点进行联系要发出同样的信号，联络本身就得用掉100亿年，因此，我们只能认为这些辐射源是宇宙开天辟地时的产物。它们向外界‘播放完全相同的消息’，而且在各个方向上完全对称的观测结果只能解释为‘所有的消息均出自一处’。最初只有一个处于中心信息源的小宇宙，它以远远超过光速的速度扩散向四方，从遥远的天际向地球发来了相同的信息，我们只能这样解释。基于这些理由，我们才不得不做出了‘宇宙中发生过暴胀’的结论。 　　暴胀之后 　　暴胀结束后，宇宙开始了通常的大爆炸膨胀。从宇宙诞生起（其实根本来不及测量）10-11秒后，第三次相变发生了。这时的温度为1015度（1拍度），宇宙的大小为1千万公里——大约30光秒，该尺度比现在的月地距离（1.3光秒）稍大，但比日地距离（8光分）小得多。第三次相变对于解释自然界中存在的‘力’的分离过程至关重要。 　　终于（？）到了诞生后10-4秒（1万分之1秒），此时宇宙开始了第四次相变，温度为1012度（1太度），与最初时相比，冷却了许多。第四次相变也是最后的相变，它又被称为夸克·强子相变。 　　说到夸克，现代物理学认为6种夸克与6种轻子是构成物质的最小单位。两个夸克可以结合成一个介子，三个夸克可以结合成质子、中子等重子，介子与重子统称为强子（它们都是由很强的力结合而成的粒子）。 　　在第四次相变发生前，夸克赤条条地（单独地）四处飞来飞去。以目前的条件，即使用最大的粒子加速器也不能从中子或质子里分离出单独的夸克，根据理论计算，把强子分解成自由夸克至少要1太度以上的高温。所以随着宇宙的演化，在第四次相变中当温度降到了1太度以下时，夸克失去了自由，组成了强子。也就是说，在宇宙诞生后大约经过1千分之1秒的时候，裸夸克的身影消失了，宇宙成为只有基本粒子的世界。 　　一旦出现了质子、中子或介子，其后便尽是我们所熟悉的物理学知识了。宇宙诞生3分钟后，温度降到1吉度左右，质子与中子开始结合成原子核。 　　此后大约10万年左右的这一段时间里——尽管从人类的感官来看，‘这一段时间’相当漫长——宇宙的温度从3亿度降低到3千度左右。大家都知道，原子在1万度以上的高温中将无法维持其原有形态，虽然原子核仍然相当稳固，但是已经维持不住核外电子了。原子核将与电子分离开来形成所谓的等离子态。 　 　　当温度继续下降到大约3千度时，核周围聚集上电子形成了原子。在此以前的高温时期，电子在空间中四处飞舞，光与之发生碰撞被散射，因此谁（当然是谁也没有了）也无法用光来推测宇宙的样子。但是在宇宙诞生10万年以后，电子被吸附在原子核周围，在空间里横冲直撞的电子数锐减，光终于能够不受干扰地沿直线行进了。电子‘垃圾’的消失使宇宙得以澄清，我们称之为宇宙的‘放晴’。从垃圾的缝隙里泄漏出来的光则构成了彭齐亚斯和威尔逊所发现的宇宙背景辐射。 　　在10万年时的放晴是宇宙演化的最新段落，从那以后它就一直以大爆炸后的余势膨胀至今。于是，宇宙的膨胀终于在150亿年之后被地球上的哈勃所确认。 　　诞生10万年之后，宇宙中物质分布的涨落（在空间上分布的不均匀性）很大，在密度高的地方氢原子开始汇聚成群，渐渐演化成星系、星团。在广阔的宇宙中，最早是氢、氦等分子的形成，物质在万有引力作用下一部分一部分地聚集起来，从宇宙开天辟地后10万年到150亿年后的现在，经过漫长的演化形成了我们所见的满天繁星，这样的想像大概不难被大家接受。 　　如果说银河起源于宇宙空间各处物质分布的涨落的话，那么在遥远的往昔（开天辟地之际），不是说曾经出现过许多宇宙吗？……这类疑问，不禁涌上我们的心头。很多专家对此提出了各自的见解，霍金就是其中的一位，笔者将在稍后的章节里详细地介绍他的理论。 　 最初存在过相互作用？ 　 　　宇宙的诞生以及演化的过程决不只是宇宙物理学的研究课题，在物理学的另一个重要领域——基本粒子物理学中，随着研究的深入，也不可避免地追溯到了宇宙创生的时候，微小的基本粒子研究竟然牵涉到了广大的（虽说诞生时也很微小）宇宙。今天，基本粒子物理学和宇宙物理学如同小车的两轮一样构成了人类对自然界最终奥秘的探索，它们的意义十分深远。 　　所谓基本粒子理论，顾名思义就是研究把物质不断分割下去最终将得到什么的学问。现在的观点认为，6种轻子及6种夸克是构成世间万物的最小物质单位。让我们在这里更进一步深入地（也许应该说是更唯心地）做一番思考。我们必须首先见到某种粒子然后才能够承认它的存在；用肉眼难以辨认的，使用显微镜去观察；用显微镜也观察不到的，则用云室或气泡室通过飞行的径迹来确认，就像飞机在高空飞过后留下的白烟一样，粒子与过饱和水蒸汽相碰撞（相互作用）会产生小水滴，光被这些小水滴散射到眼里与视神经发生相互作用，就可以被我们感知。如果没有相互作用，我们就不可能认识任何对象。避开哲学的、转弯抹角的说法，干脆痛快地说来就是：没有相互作用与不存在世间万物两种说法完全等同，所以，‘自然界最初存在过基本粒子’也就等同于‘最初存在过相互作用’。大家也许会觉得‘因为存在着粒子，所以才有粒子间的相互作用’这样理解似乎更自然些，但是，反过来去考虑‘正因为有了相互作用，才使粒子的存在得以承认’才是正确的思路。 　　关于相互作用，笔者在这里不打算讲述基本粒子论，只把结果告诉大家。按由强到弱的顺序写出来就是 　　①强相互作用 　　②电磁相互作用（中间力） 　　③弱相互作用 　　④引力 　　一共4种。虽然最近出现了还有第五种力的说法，但是有关第五种力还没有得到证实，充满疑团。在本书中，我们遵循主流的观点，只考虑四种力。 　　强相互作用把质子与中子紧密地结合成原子核，熟悉核力的朋友还知道：在π介子的媒介下，质子与中子结合在一起，所以可以把强相互作用看作π介子与质子等的结合……。不过这种说法已经过时，今天，我们已经弄清了夸克的行为，在π介子与质子或中子之间发生着夸克的交换。乍一看好象是介子在作媒介，然而真正移动于粒子之间的是夸克。 　　所以，我们把①项的强相互作用理解为发生在夸克之间的作用力。 　　电磁相互作用是我们身边最常见的、发生在带电粒子之间的作用力，它的媒介是光子——构成电波、热辐射、可见光、X射线、γ射线的粒子。说到身边，也许有人要问：我的身边确实有很多电器，但是也有很多其它东西，能说全部都是电磁相互作用吗？答案是：是的，可以说全部都是。 　　固体是大量原子或分子组成的具有一定形状的存在形态。固体之所以能够存在是由于相邻原子之间的电子以各种形式（共价键、金属键、离子键、范德瓦尔斯键等等）结合在一起的缘故。即使是似乎与电毫不相关的物质也是由于构成它的原子中电子的结合而形成的，人的身体之所以能长成这个样子，也是因为原子在电子的结合力作用下组成了大的有机分子，有机分子又在电子的作用力下组合成手、足和躯干。总之，生物之所以能保持生物的形态并具有生物的机能，全得归功于原子核周围的电子。电磁相互作用（当然其它相互作用也不可或缺）使人类得以在这个世界上生存，这么说并不过分。 　　我们比较一下①与②的强度。在化学反应中，平均到每个原子或分子上的能量大约为1电子伏特（1.6×10-19焦耳）；而原子核的破碎或聚合的能量需要用百万电子伏特来表示，可见强相互作用与电磁相互作用在强度上相差十分悬殊。利用石油、煤炭发电依靠的是电磁相互作用，而利用原子能发电依靠的则是强相互作用。 　 还剩两种力 　 　　关于弱相互作用，可以举出中子衰变成质子的反应，虽然在我们的日常生活中不容易找到它的例子，但是在物理教科书里它还是经常出现的。 　　弱相互作用广泛存在于基本粒子的变化过程中，它的强度是电磁相互作用的10万分之1、强相互作用的1千万分之1。 　　温伯格和萨拉姆提出中间玻色子是弱相互作用的媒介子。1983年，意大利实验物理学家卢比亚率领他的研究小组，利用欧洲核子研究中心（CERN）的位于法国与瑞士国境上的大型加速器，成功地找到了中间玻色子。 　　与前三者相比，④的引力要弱得多得多。当我们用力扔出一块小石子时，与此行为有关的是质量以及重力（引力）。我们平时所说的‘力’几乎都是四种相互作用中的第④种——引力。这种我们最熟悉的力与其他三种力相比，难道真的那么不一样吗？ 　　确实……真的那么不一样。 　　当两个质子接近时，将出现电荷的斥力，这是第②种的电磁相互作用；同时在两个质子之间还存在万有引力，即第④种的引力。万有引力只有在一方为地球那样的大质量物体时，另一方的我们才有轻重之感。所以，基本粒子之间的万有引力（起因于质量的力）实在小得可怜。来源于质量的力与来源于电磁的力相比，小得令我们无法想像。 　　通常力学上所说的‘重量’其实指的都是质量。质量互相吸引。从人类的日常生活到天体之间都离不开由于质量的集中而产生的引力。另一方面，大家都知道电荷有正负两种。由于内部的正负电荷互相抵消，物体表现出中性。所以在日常生活中——电器制品除外——电磁力很难表现出来。为什么电荷有两种，而质量却只有一种呢？这又是物理学家们必须解开的一个谜。 　 爱因斯坦的宿愿 　 　　我们在进行有关宇宙诞生的说明时，途中插进了基本粒子理论所研究的四种相互作用的介绍。从某种意义上说，介绍四种相互作用这件事本身就表明了宇宙学的发展。 　　也许有夸大话题之嫌，请大家思考一下如下的问题：自然科学是什么？物理学又是一门什么样的科学？应该怎样去看待它呢？ 　　下面这个例子或许应该归入化学的范畴：氢、碳、金，它们的不同之处是什么？它们最重要的区别是什么？……有人也许会说：这三种东西的存在形态不同、软硬不同、导电性不同、价格不同……这样的回答没有什么意思，因为类似的不同点太多了。三者都是由原子组成的，氢原子核中有1个质子、普通的碳原子核包含6个质子和6个中子、在金原子核中有79个质子和118个中子，在它们的原子核外都有与质子个数相同的电子……。这样去回答才最科学、最严谨。金原子中的质子与氢原子中的质子是同一种东西，这三种看上去性质完全不同的元素不过是质子与中子的个数不同罢了……。透过现象看到本质，才是成功的研究。所谓科学就是要用这样的方法去分析事物解决问题。 　　物理学所追求的是，最基本的粒子到底有几种？答案是：6种夸克和6种轻子。不过，如同前文所介绍的，与粒子本身相比，它们之间的相互作用更能反映本质。所以，当今物理学的最基本的课题是，能不能把看上去有四种的相互作用统一到同一种起源上去呢？按照这一思路，许多理论物理学家们正在从各个角度研究这四种力，寻找它们的相似或相同之处，试图最终把它们归结为同一种力在不同情况下的表现。 　　历史上第一位考虑到上述问题的人是爱因斯坦。在完成广义相对论之后，他开始了将电磁力与引力统一为一种概念的尝试，这项工作一直持续到他逝世。 　　万有引力的公式与电磁力的公式非常相似，都是平方反比律，只是力的来源不同，一方是质量，另一方是电荷。既然它们的公式如此地相似，那么力的起源也不应该不同，无论是引力还是电磁力，似乎当然能用同一个公式来表达。 　　爱因斯坦，这位建立起超越一般人的想像的相对论的巨匠，从1933年来到美国的普林斯顿开始，直到1955年76岁时逝世，始终致力于将电磁力与引力统一描述的研究。为了消除这两种力的差别，爱因斯坦费尽了心力。 　　虽然爱因斯坦进行了许多的类比研究（比如类比电磁波预言了引力波），但是遗憾的是，他的研究没有获得成功。爱因斯坦执着地试图统一的是前文介绍过的②与④两种力，后来人们批评说应该首先调查②与③甚至与①的关系。爱因斯坦常常挂在嘴边的‘统一场理论’一词至今仍在使用，不过含义已经发生了变化，指的是将②电磁相互作用与③弱相互作用相统一的理论。 　　如今，统一场理论已经由温伯格和萨拉姆完成，把夸克的相互作用也统一进来的理论被称为大统一理论。以大统一场理论为基础，再把引力也包括进来的尝试被称为超引力理论。从基本粒子理论出发去逼近超引力理论，似乎是绝望的（据说需要一台宇宙大小的环状带电粒子加速器！）。关于大统一理论的研究，正在热火朝天地进行。 　 　 匆匆忙忙的描述 　 　　本章回顾了宇宙诞生时的情景，并且从此引出了有关基本粒子理论核心问题的各种相互作用的介绍。那么，对于各种相互作用，大统一理论以及超引力理论真的存在吗？理论上的东西……实际上曾经发生过那样的现象——我们的愿望如此。但是，那些现象在现在的宇宙空间里是不可能发生的。要想把相互作用看成是来自于同一起源的话，就必须假定存在能量非常非常高的粒子，在这个假定下，我们只能想到宇宙刚刚创生时的原始火球。 　　为了介绍基本粒子理论，我们追溯到宇宙的初创期。10-44秒以及1032度等极端的数字，从某种意义上来说，是从统一原理出发倒着推算出来的。 　　让我们以力的分离为主要目标再来分析一遍宇宙的创生。本应该从现在出发倒退回过去——宇宙的温度越来越高、四种力依次统一……。为了避免出现混乱，我们仍按以前的方式从诞生开始按时间顺序来进行。 　　第一次相变 10-44秒后 1032度 　　从宇宙诞生到此前，力没有任何区别，只有一种原始力。这时，引力首先分离了出来，因为引力分离得非常早，所以它与其他力相比，才显得很不一样，特别是在强度上相差甚多。 　　第二次相变 10-36秒后 1028度 　　这时，强相互作用分离了出来。以前夸克与轻子都在散乱地自由飞舞，现在两者出现了区别。暴胀发生了，粒子与反粒子相碰撞、湮没为光子。此时正粒子的数目略多于反粒子，因此后来剩余的正粒子才组成了世间万物。 　　第三次相变 10-1秒后 10-15 　　这时，弱相互作用分离了出来。在第三次相变后，四种力都已经形成。 　　第四次相变 10-4秒后 101度 　　这时已经没有力的分离，在这次相变中，自由飞舞的裸夸克们被禁闭了起来，从此在宇宙物质中只能找到现在的基本粒子了。 　　上述的一切均发生在极其短暂的一瞬间，初次听到这番介绍的人大概会在惊异之余流露出怀疑的目光。但是，如果不这样想像，我们就无法解释今天所面对的自然界中的‘力’。 在人们经常用悠久之类的词汇所形容的宇宙中，力竟然形成于说时迟那时快的短短一瞬间。 　　开天辟地时，只有10-33厘米的小宇宙，只有10-44秒的时间。时间在我们的主观印象中似乎是无限可分的，但是物理学的研究告诉我们：不存在比10-44秒更短的时间（的现象）。 　　与其说不存在，不如说这是人类智慧的极限。