大爆炸-宇宙通史-第2部分
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这种时间旅行对于我们了解宇宙是十分有用的。因为我们所希望了解的整个故事的大部分，都可以实实在在地看到。例如，要是怀疑星系在过去可能要小得多，就可以通过实际的观测来确认。观察60亿光年处的星系，我们相信这就是自己的星系所在的宇宙60亿年前的样子。
如果说距离的扩大伸展了我们的想象，那么时间的巨大跨度也同样令人惊愕。不同的研究都告诉我们地球的年龄约有46亿年，产生于环绕年轻太阳的气体尘埃云中。但我们人类只是地球家园中的一位新住户。为了便于理解，让我们把地球的年龄当作1年，它在新年的子夜形成。那么原始生命出现在5月初，然后直到11月中旬才开始有鱼类，而到了11月份马上结束时出现了第一批登陆者。爬行动物们在12月的第一个星期里统治着世界。随着恐龙在12月15日前后灭绝，哺乳动物悄悄地出现在画面中。但直到12月31日的早晨，猿人才来到这里。整个人类的故事都被压缩到一年中最后一天的最后一个小时里，而耶稣基督出现在地球上还不到1分钟的时间。
我们有理由相信自己对于距离和地球年龄的判断，同时也在估计宇宙年龄方面取得了巨大的进展。最新的137亿年的数值可以准确到几个百分点内。然而这就带来了一个真正重大的问题。
我们存在，而且由原子和分子构成，这是无可置疑的事实。这些物质必须以某种方式产生：要么它们一直都存在，要么在某个时间被创造出来。两种情形都不容易被接受。如果构成我们的物质一直存在，那就必须设想时间是没有开始的；如果它在137亿年前突然出现，那么在此之前发生了什么？或者，还有“之前”吗？
数学上的结论是时间和宇宙一同开始，所以在这点之前不存在“以前”。从理论上说这可能是很准确的，但显然不能令人满意。在研究宇宙时我们把时间看成第四个维度。我们这些作者正在北纬50度，西经0。41度，海拔几米的地方写作。但要想找到我们还需要知道时间：我们只是2006年底在那里。
然而在天文学的尺度上，这个简单的图景不再成立。比如说在遥远的未来，天文学家希望在地球和4光年远的最近的恒星比邻星上同时开展一项实验。因为任何信息都不可能快于光速传播，两个系统之间发送的光信号不足以同步这项实验。时间不再是两边的实验者都能遵守的一个绝对标志。
面对这些不确定性，我们只能做出一些巧妙的猜想。虽然听上去不免有些随意，但这实质上正是科学的方法。为了解释一个观测事实，就需要提出某种理论，通常会用这个理论做出预测。这个预测可以通过新的观测进行检验。如果预测被证实，那么我们得到了一个“好”的理论，反之，我们必须重新予以考虑。在接下来的章节中，我们将使用最经得起当前实验天文学检验的理论来构建宇宙历史的模型。
让我们开始吧！
第一章 万物肇始 大爆炸后10…43～10…32 秒
章序
世间万物空间、时间、物质都是在137亿年前的一个“大爆炸”中诞生的。那时的宇宙是一个无比奇异的地方。那里还没有行星、恒星或星系，有的只是一团基本粒子，充斥其中。此外，整个宇宙还没有一个针孔大，而且难以置信地热。这个宇宙立刻开始膨胀，从这个出人意料的怪异起点，逐渐扩展，直到演化成我们现在看到的样子。
现代科学还不能描述或解释大爆炸之后10…43秒内发生了什么事情。这个时间间隔：10…43秒，被称为普朗克时间，是以德国科学家麦克斯·卡尔·恩斯特·普朗克的名字命名的。普朗克首先引入了这样一个概念：能量不是连续可变的，而是由具有特定能量的“单元”或者“量子”构成。量子理论是现代大部分物理学的基石，它从最小的尺度上处理宇宙问题，而且被列为20世纪理论科学的两个伟大成就之一。另一个是爱因斯坦的广义相对论，处理极大尺度天文尺度上的物理学。
尽管在它们各自的领域里这些理论都被实验和观测完美地验证了，但是调和这两个理论的努力却遇到了很大的困难。特别是，它们对时间的处理方法根本不同。在爱因斯坦的理论中，时间是一个维度，是连续的，所以我们从一个时刻平滑地过渡到下一个时刻，而在量子理论中，普朗克时间就代表着一个基本的极限：时间具有一定意义的最小单元，同时这也是在理论上能够测量出的最小时间单元。如果我们制造出最为精确的钟表，会发现它会不规律地从一个普朗克时间跳到下一个普朗克时间。
试图调和这两种截然对立的时间观念是21世纪物理学面临的主要挑战。近年来在“弦理论”和“膜理论”方面进行了这种尝试。就现在来说，量子物理主宰着紧邻大爆炸之后的灼热致密的微小宇宙阶段。我们对宇宙的科学研究就从大爆炸之后10…43秒开始。
大爆炸的概念与直觉相反，我们的常识似乎更易接受一个静态无穷的宇宙观念。但是确有科学理由让人相信大爆炸这个奇异的事件。如果我们接受大爆炸，就有可能看清整个事件的进展过程，从第一个普朗克时间开始，直到我们生活在地球上的现在。
时间的开始
让我们回到紧邻大爆炸之后宇宙的那个起始点。通常我们脑海中会闪现出这样一幅场景：在一个广阔的空间里宇宙突然地爆发了，但这是完全错误的。大爆炸的真实情景是：空间、物质以及更为关键的时间，都是在这里同时产生的。空间不是从虚无中产生的，在创世之前并没有虚无。在大爆炸之前时间也还没有开始，甚至谈论大爆炸前的某个时刻也是没有意义的。即使莎士比亚或者爱因斯坦也无法用通常的语言来描绘这一情景，虽然他们拥有非凡的智慧。
这也意味着当我们今天考察宇宙时，询问“大爆炸”是在哪里发生的这个问题是没有意义的。空间自身也是随着大爆炸产生的。因此，在大爆炸刚发生后的时刻，我们现在所见的整个宇宙蜷缩在一个极小的区域，比一个原子核还要小。大爆炸发生在每一个地方，这里没有“爆心”。
对这点的一个很好的直观描述是埃舍尔的一幅着名画作，虽然它的名称比较乏味：三维空间的分割。想象你站在任何一个位于网格交叉点的立方体上，每一个接到立方体上的直杆都延伸出去。在你的视野中所有的东西都从你这里延展出去，所以很自然地会首先感觉到自己正是位于一个特殊的地点：扩展的中心，但随后你就能意识到无论你位于网格的哪一点，看到的直杆向外扩展的景象都是一样的，事实上并没有一个中心。宇宙的情况与此非常类似：每一个星系群看起来都在远离我们而去。如果有一个观测者在这些遥远的星星上回望我们，他也会看到同样的景象，也可能同样地以为自己位于扩张的中心。
另一个经常被提到，而且乍看起来很有道理的问题是“宇宙有多大”。这里我们又遇到了一个大问题，就是有两类可能的答案：宇宙是有限的，还是无限的？如果是有限的，那么它的外面是什么？实际上这个问题是没有意义的。因为空间自身仅存在于宇宙之中，所以从字面上来说根本就没有“宇宙的外面”。另一方面，当我们提到宇宙是无限的时候，实际指的是它的大小是无法限定的。我们无法用日常的语言来解释“无限”，而且我们知道爱因斯坦也做不到因为帕特里克曾经问过他！
还需要记住，我们要把时间看作是坐标中的一维。也就是说，不能简单地问“宇宙有多大”，因为答案会随时间变化。我们可以问“宇宙现在有多大”，但随后我们会看到，相对论的一个结果就是不可能定义一个普遍适用于整个宇宙的叫做“现在”的时刻。
谈论具有有限大小的宇宙立即会使人联想到边界。如果我们走得足够远，会撞到一堵砖墙吗？答案是否定的。宇宙具有数学家们所说的“有限而无界”的性质。一个有用的类比是一只在圆球上漫步的蚂蚁。要是它在这个弯曲的表面上一直朝着一个方向前行，就永远也不会遇到障碍，能够游荡无穷的距离。所以虽然球的尺寸是有限的，但蚂蚁觉察不出来。类似地，如果我们登上一艘无比先进的飞船沿着直线航行，我们也永远不可能到达宇宙的边界，但这并不意味着宇宙是无限的。随后我们还会看到空间也可以被看作是弯曲的。
让我们把自己限定在能够做出科学回答的问题上，即能够通过和观测结果对比来回答的问题。我们可以确定地说可观测的宇宙（顾名思义，即发出的光线有可能到达我们的那部分宇宙）在尺寸上是有限的。因为我们目前最好的估计是宇宙的年龄为137亿年，这样可观测宇宙的边缘（从那里发出的光刚刚到达我们）离我们有137亿光年远，而且还在以每年1光年的速度扩展。实际上后面还要谈到为什么我们永远不可能看到这么远。宇宙一定比我们能看到的要大，这是我们能够确定回答的全部。
宇宙的尺度
说一个目标在离我们137亿光年之外当然很准确，但我们能真正地去理解宇宙的这种尺度吗？我们很容易感受例如从伦敦到纽约的距离，甚至从地球到月球的距离（约38万千米），这几乎是10倍于地球上的环境。有很多人在他们的一生中曾经乘飞机飞行过比这还长的距离，事实上有些航空公司会给予那些乘坐航班累计超过160万千米的乘客以某种特权。但你如何去想象1。5亿千米从地球到太阳的距离？当我们考虑最近的恒星，离我们4。2光年（约40万亿千米）时，这个距离是很难想象的。而星系更遥远得多。银河系最近的邻居仙女座星系距离我们有200万光年之远。
在尺度的另一个极端，想象一个原子的大小同样地困难，任何普通的显微镜都无法看到单独的原子。有这样一种说法：从量级上看，人正处于从原子到恒星的尺度范围的中间。有趣的是，这也正是物理规律最为复杂的地方。在原子世界，我们应用量子物理学；在宇宙尺度，应用相对论。在这两个极端之间，我们对如何调和这些理论的困惑暴露无遗。牛津科学家罗杰·彭罗斯坚定地写下了他的信念：我们对基本物理原理所缺失的理解力，也是我们对人类意识所缺失的理解力。当我们思考所谓的人择原理归纳起来就是宇宙的演化必然保证我们能够存在并认识它时，这个观点尤为重要。
另一个有用的问题是，宇宙中有多少原子？一种估计给出的总数高达1079 个原子，即1后面跟着79个0。
传统上我们把原子看成由三类比较基本的粒子组成：质子（带单位正电荷），中子（不带电）和质量小得多的电子（带单位负电荷）。顺带说一下，在原子层次精确定义什么是电荷远非那么简单。可以把电荷看作是粒子的属性之一，就像大小和质量一样。电荷总是以固定的粒度出现，我们称之为单位电荷。
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
