我们都听过这样一个故事:138亿年前,宇宙诞生于一场大爆炸。这很容易使我们联想到这样一幅简单的画面:在空间中的某一点,发生了一场剧烈的爆炸。但事实是?这里并没有发生任何传统意义上的爆炸,而是指空间的膨胀。此外,宇宙也并非是从一个点开始的,而是在各处同时发生的!第一个用科学解释宇宙起源的科学家之一是一位天主教神父——乔治·勒梅特。
在1933年时,勒梅特在一次题为“起源的假设”的演讲中,提出了宇宙有一个开始,他个人更喜欢用“宇宙蛋”和“太古原子”来比喻宇宙的起源,但从没有流传开来。1949年,大爆炸理论的最大竞争理论——恒稳态宇宙模型的创始人弗雷德·霍伊尔在做客BBC时提出了“大爆炸”这个词,从此便流传开来。物理学家并不知道大爆炸后的第一瞬间发生了什么,那段极短的时期被称为普朗克时期。
所有已知的物理理论在那段期间都失效了,我们需要一个量子引力理论。在普朗克时期,宇宙只有一种基本力——超级力。但当该时期结束时,超级力分裂成了引力和大统一力。紧接着大统一力进一步分裂成强核力和电弱力。物理学家认为或许是这个事件引发了所谓的“暴胀”——一段极短但以指数式膨胀的时期。如果暴胀的确发生了,那么它就可以解释为什么宇宙看起来为何如此的光滑和平坦。当暴胀结束时,宇宙开始变得丰富起来了。
如果把此时的宇宙比喻成一口锅,那么在锅里的就是热腾腾的“粒子”和“反粒子”汤。在这些粒子中,有一些是我们今天依然可以看到的、构成物质的基本粒子,一些载力粒子,以及希格斯玻色子。还有一些则是已经不存在,或者是极难被探测到的粒子,比如引力子。这段时期被称为夸克时期。当夸克时期接近结束时,电弱力分裂成了弱核力和电磁力。自那之后,自然界中的四种基本力正是我们现在所体验到的。什么是“载力粒子”?
试想一下这样两个问题:两块磁铁是如何“感觉”到对方的存在而适时的产生吸引或排斥?太阳又是如何吸引着地球?显然,是“磁力”和“引力”在发生作用。但是,让我们多思考一下,它们为何在没有任何接触的情况下,也能够相互“交流”告诉对方该如何运动?这些力究竟是什么?事实上,所谓的力是通过载力粒子的交换而产生的,这已经得到了实验数据的支持。
电磁力是通过光子传递的,强核力是通过胶子传递的,弱核力的载力粒子是W和Z玻色子,那么引力是由“引力子”传递的吗?随着宇宙的不断膨胀和冷却,宇宙在夸克时期结束时进入了强子时期。强子是指由两个或两个以上的夸克组成的复合粒子。“上”夸克和“下”夸克会结合胶子形成质子和中子,将它们束缚在一起的力便是强核力。
起初,我们一直认为质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的,但随着我们逐渐深入的了解,发现质子的内部比我们想象的要复杂的多。质子依旧充满了谜题,比如它的半径、质量和衰变问题都是许多物理学家所希望解开的。此外,强子还包含了介子,它们是由一个夸克和一个反夸克组成的,但它们很快就会衰变或湮灭。接下来,宇宙中发生了一件关乎我们存亡的事件。
在那场宇宙级的“湮灭大战”中,构成我们今天看到所有东西的物质战胜了反物质。这很令人困惑,因为根据当今最成功的理论的预测,在宇宙大爆炸之后,应该有等量的物质和反物质被创造出来,这就意味着正反物质的相遇会导致湮灭的发生,从而毁灭了今天我们看到的宇宙的形成。为什么物质会多过于反物质?这是当今物理学的一大谜团。到这里,或许你会认为宇宙诞生已经了许久,但记住刚才提到的所有都仅仅只发生在宇宙诞生后的1秒内!
在这一秒内,还有许多的细节等待着我们进一步去探索。现在,让我们继续我们的故事,直到宇宙变得透明的那一刻。在宇宙诞生大约100秒后,质子和中子之间的碰撞开始形成氦-4原子核,以及少量的其他原子核,比如氦-3、锂、氘。这段时期被称为太初核合成。在接下来几十万年里,宇宙持续膨胀和冷却,但还无法产生原子。如果电子短暂地接触到质子或氦原子核,它们很快就会被光子无情地拆散。
光子和电子之间的不断散射意味着光子几乎无法沿着直线传播。如果我们能够看到当时的宇宙,那么它看起来就像是被一团厚重的雾所笼罩。直到宇宙的温度降低到了约2700摄氏度,这时质子和原子核开始捕捉电子,形成第一批的原子。电子与原子结合,意味着它们不再散射光子。光子终于自由了,它们开始遨游在宇宙之中,一切都开始变得透明。
在宇宙诞生后的大约38万年,宇宙中充满了光子辐射,这些辐射至今仍可以被探测到,那就是所谓的微波背景辐射。宇宙微波背景辐射是我们可以探测到的最古老的光,它看起来只是一幅充满了不同颜色(温度)的点,但事实上这幅图蕴含着许多关于宇宙的信息:宇宙的年龄、宇宙的成分、弯曲的空间、宇宙的膨胀速度.....自上个世纪六十年代宇宙微波背景辐射被发现以来,它就不断地给我们带来惊喜。
我们希望在不远的将来,能够在宇宙微波背景中看到所谓的B模偏振,这对宇宙暴胀理论非常重要。