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宇宙传记 第四章 早期宇宙是如何演进的？
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推动暴涨发生的过程或许正是致使今天宇宙中的恒星、行星和人类自身诞生的原因。大部分普通物质是以质子和中子（统称为重子）的形式存在的，而它们自身也是由夸克构成的。如今，其他普通物质的重要组成部分是由电子和中微子占主导的轻子家族。然而，由于重子占我们今天可见宇宙中物质的绝大部分，因此普通的物质都被称为重（子）物质。我们的宇宙萌发自一个极端灼热、极端质密，纯粹由能量构成的火球。如今的问题是，当宇宙膨胀或收缩时，这个火球是如何产生了我们周围随处可见的重物质的？或者，我们也可以这么问：夸克和轻子从何而来？我们以为自己知道答案，但是正如历史上的无数事例一样，我们回溯的时间越久远对其阐释便越费思量。就宇宙而言，需要更多考虑能量的作用。
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与此有关的不同程度的推测都可用早期宇宙不同时期的能量密度来衡量，根据广义相对论方程，将宇宙的膨胀回溯到过去的每个阶段进行计算，辅以多年来在粒子加速器中所获得的不同代的能量密度（或每个粒子的平均能量）。通常，这些能量是可以用电子伏（eV）来度量的，我们更要牢记一个质子的质量只有不到1吉电子伏（10亿电子伏），相当于1.7×10-27千克。我们还可以将宇宙不同时期的密度与水的密度（即每立方厘米1克）进行比较。
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本章的末尾，大约可以选择大爆炸之后数十万年的时间点，那时宇宙已冷却到现在太阳的表面温度以下（大约6000K，或者仅仅半个电子伏），而且如今探测到的宇宙微波背景辐射也刚开始散布到宇宙。23那时，宇宙的密度仅为水的10-19（一千亿亿分之一），我们对这种情况下物质的状态也有确切的理解。自然，那时地球或者其他行星还远未存在，也没有“日”、“周”或者“年”，但如果仅仅将这些时间单位的概念当作时间的量度，每一单位都代表特定的秒数，我们可以肯定地说，大爆炸后一年，宇宙的温度是200万K，尽管其密度尚不足水的十亿分之一。大爆炸后一星期，整个宇宙的温度为1700万K，比今天太阳核心的温度大约高1/10。尽管其密度仅为水的一百万分之一，但火球中的压强是今天地球表面气压的十亿倍有余。
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下一个里程碑的状况与我们在20世纪30年代初建立的第一个回旋加速器中探测到的情况类似。大爆炸后200秒（大约3分钟多一点），宇宙中每个粒子的平均能量是80000电子伏，温度大约相当于不到10亿K。我们已就处于此种能量状态下的粒子至少进行了70多年的实验，确信自己充分了解了那时粒子间的相互作用——而且，对更早时期的情况也有所了解。大爆炸后1秒，宇宙的温度约为100亿K（差不多100万电子伏），其整个状态正如今天超新星的中心。物质密度是水密度的50万倍，压强是今天地球大气压的1021倍。我们能够了解的宇宙初始的最后一个能与如今的物质相联系的里程碑是在大爆炸（时间零点）10-4秒（一万分之一秒）后，当时宇宙的密度大体相当于现在原子核的密度，温度大约是1万亿K（1012K，或大约90兆电子伏）。这种状况早已为人们所熟知，并已持续很长时间，宇宙的历程便是自此而始，标准大爆炸模型于20世纪60年代末也得以充分确立。
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即便在此之前，20世纪50年代和60年代运行的粒子加速器能量已达到几个吉电子伏，对应的温度（如果在如此高能量下，温度这一概念还有此意义的话）超过30×1012K24。宇宙中此种状态在时间零点之后存在了大约3×10-8秒（300亿分之1秒）。20世纪80年代，费米实验室的核电子伏加速器达到了一万亿电子伏，制造出了宇宙年龄只有2×10-13秒的那一刻的状态。这样的加速器为第一章所述粒子物理理论的发展提供了实验支持。理论学家甚至可以利用大统一理论、超对称理论和膜理论对宇宙起源问题做出进一步推测，这些理论使他们能够猜测宇宙中10秒之前发生了什么。紧接着的下一步工作，是目前在靠近日内瓦的欧洲原子核研究委员会的大型强子对撞机（LHC）上正在进行的对地球上那些理论的检验。如果一切顺利，它将达到超过7万亿电子伏的能量，探索时间零点后10-13-15秒的宇宙状况。但是，从那时起前溯至大爆炸后10-39秒，仍有一段巨大而难测的空缺。但是，我们以为我们至少是大致了解当时的状况。而且，如果我们意欲知晓重物质从何而来，那便是我们必须着手并且继续研究的时间点。
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如果模型是正确的，那么根据大统一及其有关的X玻色子理论，宇宙历程起于质子衰变之时：时间零点后10-39秒，每个粒子的平均能量大约1016吉电子伏，并且其温度是1029K。其密度为水的1084倍，相当于将1012（一万亿）个像太阳那样的恒星塞进一个质子大小的体积中。正是在那种条件下产生出X玻色子。
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我们先前曾言及从能量可以产生出虚拟粒子，我们当时略过了这一过程的一个重要特征。粒子的一些重要属性，如电荷，在宇宙中似乎能够保持守恒。总体而言，电荷不可能在任何试验中产生或者消除，因此，据我们所知，宇宙中的电荷数量总数正好相等（碰巧是零）。因而，如果想通过能量产生一个负电荷粒子，如电子，你必须也造出一个正电荷粒子，以保持均衡。在此，电子所对应的正电荷粒子称为正电子，而且它与电子质量相等，只不过带一个单位的正电荷。所以，假如我们谈到环绕某个电荷的虚拟粒子云，正确的理解是正负电子对偶子环绕着电荷而非电子。
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当然，也不仅仅是电荷有此与众不同的特性。正如我们在第一章提到过的那样，量子还具有类似的其他属性，宇宙中每个变化的粒子都被认为具有一个含相反属性的“反粒子”对应体。这并不意味着每个粒子都有一个反粒子对偶子，而是原则上可能有一个此类反粒子存在，如果拥有能产生此种必需的粒子反粒子能量的话。一个能量充足的光子（带有超过两个电子的剩余能量）能够将其自身转变为对偶粒子，一个电子或者一个正电子。但是，如果一个正电子遇到一个电子，两个粒子便瞬间消失于一个高能光量子中——伽玛射线——它们相反的量子属性相互抵消了。
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相同的过程影响所有粒子。纯能量能产生出这些物质——反物质对偶子，但是当粒子和反粒子对偶子相遇时，它们相互融合并再次释放出能量。粒子甚至不必携带电荷——例如，中子也有反物质对应体。25不过，物质与反物质实体如果携带电荷的话，那么电荷便是区分它们最明显和最方便的标志。
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宇宙是以纯能量的形式诞生的。但是，那一能量立即便开始产生粒子反粒子对偶子，而且粒子反粒子对偶子开始相互融合，再次产生能量。随着宇宙膨胀与冷却，宇宙中每个微小体积中含有的能量减少了，当能量密度下降后便不可能再产生大质量粒子。最终，能量密度（相当于温度）将降到甚至无法产生电子。假如上述过程完全是可逆的，正如地球上所有实验显示的那样，当足够致密宇宙中的粒子经常发生碰撞时，其结果便是会产生出一个含有相同数量物质与反物质粒子全新的宇宙。每个电子将有一个正电子，每个夸克亦然。每个粒子将遇到一个反粒子对偶子并与其融合。至宇宙诞生十几万年之时，所有物质都可以将其自身转变回辐射，但此时其温度已太低，产生不出更多的任何粒子对偶子了。宇宙中便不存在物质了。那么，构成我们的物质来自何处？所有构成可见宇宙中恒星和星系的物质又来自何处？
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惟一可能的答案是，在宇宙历程早期条件下，上述过程并非是完全对称的。第一个完全赞赏此种理论并将其蕴含的深刻意义简单阐述出来的人是苏联物理学家安德烈·萨哈洛夫（Andrei Sakharov），他在20世纪60年代发表了这种观点。
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萨哈洛夫理论的立足点是20世纪60年代初期震惊粒子物理学界的实验发现。它与称为“CP对称性”的量子粒子属性有关，其到底为何如此得名，我们在此就不再赘述其历史原委了。描述CP对称性最简单的方法是想象一种量子粒子的相互作用，然后想象将每个粒子都换成其对偶子，并将整个作用过程都放映在镜像中。根据CP对称性理论，其镜像将与显示世界中的作用完全一致。然而，在一系列开始于1963年对称为K介子的衰变粒子的长期实验中，普林斯顿大学的詹姆斯·克罗宁（JamesCronin）和瓦尔·费奇（ValFitch）发现大约有千分之二的衰变不遵循CP对称性。这些衰变仅与弱相互作用有关，但它们也表明被奉为圭臬的粒子反粒子相互作用中的对称性原则也并非宇宙的铁律。受到这一发现鼓舞的萨哈洛夫在1967年提出，必然存在涉及强相互作用和重子有关的过程，这一过程也违背粒子反粒子相互作用。如果是这样，他便能勾勒出早期宇宙中重子物质产生的方式。在2004年，所有这些观念都得到确凿佐证，当时美国斯坦福线性加速器中心进行的BABAR实验测量出成为B介子的粒子衰减过程及其反粒子对应体。从统计学角度来说，如果影响物质与反物质的基本作用的方式没有什么不同，那么两种粒子将会以同样的方式衰变。但是，通过筛选2亿对B和反B介子的衰变记录，研究人员发现，有910多次的B介子衰变为K介子和π介子，但只有696次反B衰变是以同样的方式进行的。在本来的K介子的实验，在1000份中仅有2例，百分之零点二的时间里，显示出了CP破缺；新的实验表明这种概率是百分之十三（因为总共有1606次衰变，两种衰减模式之间的差异是214；214除以606，得出的比例是13.3%）。26这是迄今最强大的证据说明萨哈罗夫关于大爆炸是如何产生的想法是正确的。
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事后看来，他的观点看起来竟然这么简单，几乎是一个同义反复。但是，要想想到这一点，需要一种完全不同的思维方式，这在20世纪60年代末没有任何其他人对宇宙有这样的想象力。萨哈罗夫说，首先，必须有某种过程能在远远大于地球上的加速器实验所取得的能量的状态下运行（这就是为什么我们从来没有见过它们），由能量产生出重子（而不是反重子）。第二，这些程序中至少有一些必须违反CP对称性。如若不然，将会有反过程产生同样数量的反重子，以抵消第一个进程所产生的重子。第三，宇宙不会处于一个平衡状态（这样所有时间都会处在相同温度下），不然的话，反向进程将会把物质变回到辐射，与辐射变成物质的速度一样快；这意味着，宇宙必须冷却，而这又意味着它必须是膨胀的。正是宇宙的膨胀使物质能够从能量“冻结”产生，前提是要存在某种不平衡，产生的重子比反重子更多。
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当时没有多少人留意萨哈罗夫的观念，因为那时还没有详细的理论框架和实验支持它。但是随着我们在第一和第二章描述的模型在20世纪70年代被提出，这一观点再次在大统一理论的背景下浮现出来，特别是涉及X玻色子的过程，因为它暗示了质子衰变的可能性。质子衰变涉及宇宙中重子的消失，将物质粒子转换成能量。将这一情况倒推回去，大家会看到宇宙中重子从能量中产生出来。
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从两个证据中，我们能够知道宇宙中有多少原始能量变成重子。第一个证据是简单比较一下我们可以看到的恒星及星系所包含的物质的量与背景辐射的强度。背景辐射均匀地布满空间，这可以表示为辐射密度，可以用每立方厘米的光子的数量来描述，当然也可以用您所选择的任何其他量化方式来描述。宇宙中的重子物质的分布并不一致，但是仍可以采取在空间选取一个区域，观测其中星系的数量，将典型恒星的质量，乘以典型星系中的恒星数目，这样来转换成在均匀分布的情况下宇宙的重子密度。我们将在下一章看到，实际情况比这要复杂一点，因为星系中还有一个可衡量的暗重子的量，但无论如何基本原则是直截了当的。另一种方法，取决于我们对大爆炸后期质子和中子被“烹饪”出来的方式的了解，我们将在本章对此进行进一步的探讨。令人高兴的是，这两种办法给我们的答案是同样的，这一答案有时被称为“重子对光子的比例”——目前的宇宙中，每一个重子对应十亿（109）个光子。27这一数值衡量了涉及X玻色子衰变过程的偏差，其比例为1：10亿。所有的大统一理论都预测会存在这种对称偏离（即“对称性破缺”），但一些的预测值较大，一些的预测值较小。宇宙学和粒子物理学联姻后第一个成功的案例，是消除了所有对重子对光子的比例预测不够准确的大统一理论；具体说来，这个数目确切的大小特别青睐包含超对称性的模型。
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这是所需要的最后一条证据，以解释我们今天看到的物质如何能在宇宙大爆炸的能量中产生出来。它始于我们以为我们知道的东西——X玻色子的衰变——终结于我们确信我们知道的东西——在宇宙大爆炸的最后阶段，即大爆炸发生后几分钟，氢原子核的聚变产生氦核。
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在大爆炸的第一瞬间，X和反X粒子不断以通常的方式自纯能量产生，然后几乎立即开始相互作用，彼此湮灭变回能量。但是，X粒子的质量是1015吉电子伏，宇宙诞生后10-35秒后，宇宙的温度已经低于X和反X粒子可以产生的阈值。在那个时候，仍然有许多这样的粒子对，但是对于每个X粒子，附近都有一个反X粒子。如果所有幸存的X和反X粒子都碰到了对偶子，就会相互湮灭，那样大爆炸就不会留下任何的重子，也就无法形成恒星、行星和人类。但是，大统一理论告诉我们，拜CP破缺和宇宙膨胀所赐，X玻色子确实能以正确的方式衰变，留下一些夸克和轻子。实际上，因为X玻色子的质量很大，即使只有一个单一的X粒子，也会衰变为一大堆夸克和轻子。但为了把事情说得简单明白，我们这里只是来描述一下基本进程。
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一个X粒子可以遵循两种衰变路径。沿着其中一条路径，产生夸克和反夸克对，它们彼此湮灭，并没有什么有趣的事情发生。沿着另外一条路径，产生的这对粒子包括一个反夸克和一个轻子，两者会分道扬镳。但这不是故事的结局。反X粒子也会衰变，同样是沿着相应的两个路径中的一个。它们可能产生夸克和反夸克对，这已无需多说；或是产生由一个夸克和一个反轻子组成的对——这时与X衰变的产物相反。再次拜宇宙膨胀和冷却所赐，所有这些衰变的最终产品到了宇宙变得过冷无法产生新的X粒子时，都会保留下来。此时，萨哈罗夫认为宇宙处于非平衡状态的关键洞见就具有了特别的意义。
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因为如果这一切都是如上所述发生的，当所有X粒子都已经用完了，X衰变产生的粒子将会与反X衰减产生的反粒子相遇，反之亦然，所以所有的物质会再次转换成能量。但是，CP破缺告诉我们，物质和反物质的行为并不总是相同的。特别是，根据观测CP破缺建立的模型告诉我们，当所有的X和反X粒子衰变后，剩下的物质比反物质多一点（十亿分之一）。所以，当所有的物质和反物质对已全部湮灭，充满了辐射的宇宙中仍然会有微量的物质留下来——如果我们选择的模型恰当，刚刚够用来解释观察到的重子和光子的比例。粒子物理学将一个重大的希望放在了大型强子对撞机及其相关的实验上，其中包括反物质实验，它们也许可以进一步检验这些想法。但是，我们已经有了足够的信息来讲述下一阶段宇宙故事的发展，即将夸克变成氢和氦。
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到X粒子已经衰变后，大约是宇宙诞生后10-35秒后，一些强力，如引力，已成为一个独立的实体。但是在宇宙仍然存在的高能量中，电磁和弱相互作用还没有任何区别。粒子的行为是由三个相互作用（强力、电弱力和引力）控制的，而且我们知道的作为弱相互作用载体的粒子，即W和z粒子，可以自由地漫游宇宙。夸克（事实上是轻子）仍然可以从由能量产生的粒子和反粒子对中产生，但是从现在开始，X衰变留下的粒子中，物质总会稍稍超过反物质。单个的夸克无法从那时保存到今天，但是如果这些“原始”夸克碰巧遇到了一个“新”的反夸克并湮灭，这就会使它原有的反夸克配偶子获得自由，这一过程会随着宇宙的膨胀而代代发生。
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夸克是在宇宙产生10-10秒后产生的，那时宇宙的温度下降到低于100吉电子伏，这是产生成对的W和z粒子的门槛。从那个时候起，W和z粒子接过了进行粒子间弱相互作用的任务，而且也不会独立存在，除非是指它们产生的地方（短暂的），即在高能量状态下粒子间相互碰撞时，无论是自然的状态还是在粒子加速器中。到现在，自然的力量已经具有了我们所熟悉的四种角色，即四个不同的力，电磁从弱相互作用中分离了出来。宇宙下一阶段的发展是大量炽热的夸克相互作用，这一状态被称为夸克等离子体。一些最新的加速器实验刚刚开始探索宇宙在诞生10-10秒到10-4秒之间后的状态，该实验不只是粉碎个别粒子，而是通过使用含有像金、铅等重元素的原子核束进行对撞。不过到目前为止，关于夸克等离子体的行为我们仍所知甚少；但是很显然，宇宙诞生后约10-6和10-3秒之间（也就是说，当宇宙还只有1微秒到1毫秒之间），其温度降到了夸克不再有足够的能量自由漫游的程度，而且是成对或三个约束在一起，就像它们现在这样。宇宙诞生大约1微秒后，可用能量低于几百兆电子伏，夸克和反夸克凝聚成为重子和反重子。总体上我们可以说，夸克等离子体阶段在宇宙起源10-4秒后就结束了，毫无疑问，当宇宙年龄在一毫秒的时候，所有的自由夸克已经消失。物质仍然稍微超过反物质，这是X粒子衰变的遗产，但现在则表现为质子超过反质子，中子超过反中子，这一现象一直延续到宇宙进入到新的时代，重子成了物质重要的构成粒子。大多数的重子都和它们的反物质相遇而湮灭了，产生了大量的光子，至今仍然充满了整个宇宙；其余的重子则开始了最终导致我们存在的进程，我们可以称之为宇宙存在的重子阶段。
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此刻值得暂停在这里，思考一下所涉及的时间尺度。当我们随随便便地谈及10-10和10-35等数字，自然的反应就是把它们看作极其微小的数字。但是10-10比10-35要大1025（即十亿亿亿）倍。在这个意义上，暴涨时期距离夸克等离子体时期，就像我们距离夸克等离子体时期一样遥远，只不过在时间的两个方向上。这就是为什么我们只是以为自己知道那时发生了什么。但是我们终于准备好重新拾起开头的故事，讲一讲从宇宙密度下降到了现如今原子的密度这一刻的故事，我们对这一阶段发生了什么事情了解得很确切。
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在此之前，直到宇宙诞生约万分之一秒后，质子和中子并不是宇宙火球中惟一的重子。较重的、不稳定的重子仍然可以在相互湮灭之前由能量制造出来（以粒子和反粒子对的形式）。但是，随着温度下降，就无法再制造出更多的这些较重的重子，剩下的则或是相互湮灭，或是衰变，最终变成质子和中子。质子和中子对产生的阈值温度约为1013K，宇宙密度达到原子密度的时候，宇宙温度已下降到约1012K，距宇宙诞生已经有了10-4秒。但是，当时仍有大量的能量，可以产生轻得多的电子和正电子，所以大家应该想象有一个火球，具有核密度，但主要由光子和电子正电子对组成，每十亿个光子对应有大约1个质子或中子（电子与正电子之比与此类似）。在这个阶段，中子数与质子数大致相同，这主要是由于涉及中微子的反应造成的。在温度高于1010K（100亿度），一个中微子撞击中子可以将其转换成一个质子加一个电子，而电子撞击质子会将其转换成一个中子和一个中微子，而且这两个反应进行得都很平滑。但是，随着温度降到100亿度以下，这发生在宇宙刚刚开始1秒钟的时候，中子比质子略重（千分之一）这一事实开始变得很重要。随着能量越来越少，当电子撞击质子后，越来越难以弥补质量差异，所以从质子产生中子的反应变得不那么有效了，比不上中子产生质子的过程，因为后一种反应无需加入额外的能量。宇宙开始后十分之一秒，中子和质子的比例下降到了2：3；宇宙开始后1秒钟，中子的数目进一步降低，因此，重子只有四分之一的质量是以中子的形式存在的——换句话说，每一个中子对应三个质子。中子本来可能会完全消失，但当温度在1兆电子伏时，只能通过弱相互作用起效的中微子的影响变得不那么有效了。
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不要忘了，宇宙诞生后1秒钟，当温度大约是10亿度时，整个宇宙中的状况类似于现在爆炸的超新星核心。在超新星内部极大的压力、密度和温度的条件下，中微子仍然与重子产生强烈的相互作用。但是，像太阳这样的普通恒星核心的粒子相互作用产生的中微子，却能比光线穿越明亮的窗玻璃更容易地穿越恒星。从宇宙开始后大约1秒钟时，中微子基本上停止了与质子和中子相互作用，除了发生偶尔、罕见的碰撞。当宇宙的密度低于水的密度约40万倍时，对于中微子就成了透明的，可以随意穿越的空间，而中微子则和普通物质“脱钩”（decouPled）了。但中微子仍存在——每立方米的空间中估计有10亿个左右，或每立方厘米中有数百个——而且我们将看到，它们可能仍然以其他的方式显示出重要性。
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