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宇宙的故事来源: 戴亮的日志几千年来, 人类一直相信宇宙是永恒的。回溯到亘古, 夜空中的群星或许早已存在了无限久, 而它们也应该会像今夜那样一直闪耀下去, 年复一年, 直至永远。后来, 人们又意识到了我们的地球,太阳,甚至太阳系所在的整个星系,都只是浩瀚星海中的一个普通岛屿而已。整个宇宙从最大的视角上看应该是非常均匀的——我们所处的角落, 应该和宇宙中每一个遥远的角落异常地相似,这就是所谓的哥白尼原理( Copernican Principle )。这样,环绕我们的宇宙不仅在时间上无限,在空间上也是无垠的。然而到了 20 世纪初,当 Einstein 试图运用他的广义相对论方程来描述这样一个静态的宇宙时, 却碰到了一个问题。当时, Einstein 已经理解了物体之间的万有引力其实是物体的质量弯曲周围时空的几何体现。如果向一个静态的均匀宇宙加入星系, 恒星, 星际气体等等之类的物质, 它们就会相互吸引, 导致空间必需收缩。这样一来, 宇宙无法在时间上永恒地存在下去。于是,无奈的他在方程里添加了人为的一项——一个“宇宙学常数”( the cosmologic al constant )。这一项引入了充满空间的奇怪的“负压强”,平衡了物质之间的吸引。可是没过了多久, 天文学家 Hubble 在他的望远镜里惊讶地发现宇宙并不是静态的。通过测量来自遥远星系星光的向红端移动的红移( redshift )效应,他发现所有的星系仿佛都在离我们远去。更奇怪的是, 距离我们越远的星系, 它们的退行速度就成比例地越大。一个很自然的解释就是, 整个宇宙的空间在不断地膨胀, 正如被吹大的气球膜上的任何两点, 它们间的距离不停地在变大。至于物质之间的吸引, 则暂时只能减缓这样的膨胀, 因为这种趋势具有巨大的惯性。一个动态的宇宙是革命性的观念, 以至于 Einstein 后悔他引入宇宙学常数是他“一生最大的错误”。膨胀的宇宙带给人们两个启示。首先, 如果回溯过去, 宇宙会比今天要小得多, 星系之间曾经彼此靠得很近。宇宙在过去物质分布的密度也会比今天要大,相应地也要比今天热得多。以远小于光速运动的重的物质, 简称为物质( matter ), 它们的能量密度会随时间按照空间体积的反比被稀释。而另一类以光为代表的物质, 统称为辐射( radiation ), 则以光速运动, 它们的数量不仅会随着空间膨胀被稀释, 它们的波长还相应地被拉长, 从而能量变得越来越小。最终, 它们的能量密度随时间按照体积 4/3 次方的反比减小。这样, 即使今天宇宙中辐射的量相比于物质来说微不足道,在足够早的过去它却会占主导地位。另一个启示甚至更加重要——宇宙的年龄是有限的。回溯过去足够久之后, 空间变成了无限小, 密度无限大, 而温度则会无限高。在这样一个极端的“开端”, 已知的物理定律似乎都崩溃了。而另一方面, 星系、恒星、行星, 直至今天宇宙中一切的复杂结构, 都要在自开端以来这一百多亿年中形成, 不能慢也不能快。此外, 任何一个粒子, 哪怕它以光速运动, 在这有限的时间内也只能在这个膨胀的“气球”宇宙中移动有限的距离。于是, 膨胀的宇宙中存在着视界( horizon ), 事物之间可能发生因果联系的空间界限——我们看不到离我们足够远地方的景象,同时足够远地方发生的物理过程也从来不能影响我们所在附近的事物。这样的膨胀宇宙模型被称为大爆炸模型( the Big Bang theory ), 但是这里“大爆炸”并不是重点, 因为已知的物理规律并不能帮助人们理解那个奇性的“开端”, 重要的则是这个模型系统地预言了随后膨胀并冷却的过程中发生的重要物理过程。除了遥远天体系统性地退行之外,有两个被观测所证实的重要预言让人们大体上接受了膨胀宇宙的图景。一个叫做大爆炸核合成( Big Bang nucleosynthesis )。在“开端”之后仅三分钟的时候, 宇宙中充满了炽热的辐射, 以至于组成各种原子核的基本要素, 质子( 氢核) 和中子( 统称核子), 都还在自由地运动于这锅“热汤”之中。当温度降低到一个临界点时,无序的热运动不再能抗拒核子之间强大的吸引,它们开始束缚到一起。于是,随着一系列链式反应的启动,质子和中子合并形成最轻的一些原子核——氘,氦,锂, 氚,铍... ... 一个接着一个。自由的中子只有平均 15 分钟的寿命就会衰变, 因此这最初的三分钟时间是如此地重要, 因为中子必须要及时结合到原子核中才能幸免下来。如果自由中子的寿命再短一些,我们就只能得到一个全部是氢元素的单调的宇宙,恒星无法被点燃,生命也无从形成。大爆炸核合成精确地预言了宇宙中 3/4 的元素是氢, 剩下几乎 1/4 的元素是氦, 而所有其他的元素含量甚微。少量的轻元素在大爆炸核合成时期形成, 到铁为止的元素则