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那时,我们现在所能看到的一切都比太阳的内核还热,它们膨胀得相当迅速,一秒钟内就能膨胀到两倍那么大。
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这个爆炸真的很大,所以我们管它叫“大爆炸”。然而,你也许已经注意到,我给它下的定义十分保守,并没有提到它之前发生的任何事。比如,我并没有暗示宇宙当时的年龄为1秒钟,也没有暗示它的密度曾经无限大或者源自某种令数学规律崩溃掉的奇点。对第1章开头的问题10“大爆炸奇点的存在有证据吗”,答案很简单:“没有!”当然,如果我们把弗里德曼方程向时间的源头一步步推演,它们会在太初核合成1秒钟前一个无限致密的奇点崩溃,但在第6章中我们将会看到,量子力学会让这些方程在还没到达奇点时就失效。我认为,区分一件事是“有确凿证据”还是“高度推测”,是非常重要的。在这件事上,对大爆炸之前的事,尽管我们有许多令人兴奋的理论和暗示(我们将在第4章继续讨论),但坦白讲,我们其实什么都不知道。目前,这就是我们知识的边界。实际上,我们甚至不能肯定宇宙是否真有一个开端,还是在太初核合成之前就已经经历了超出人类理解范围的永恒时间。
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总的来说,人类对时间的认知已被推进到相当久远的过去,揭示出一条宇宙的故事线(我画在了图2-7中)。大爆炸后100万年,空间中充满了相当均匀的透明气体。如果把宇宙这幕戏剧倒着播放,我们会看到这些气体变得越来越炙热,因为其中的原子互相撞击的强度越来越大,直到碎裂成原子核和自由电子——等离子体。接下来,我们会看到氦原子被撞碎,分裂成质子和中子。然后,它们也被撞碎,变成更基本的粒子——夸克。再往后,我们会跨越人类知识的边界,进入一个全凭推测的疆域——在第4章,我们将探讨图2-7中标着“暴胀”和“量子谜题”的两个阶段。现在,让我们再跳到大爆炸后100万年,让时间往后流逝,我们会看到万有引力放大气体间轻微的不均匀,最终形成了我们今天所看到的星系、恒星和丰富多彩的宇宙结构。
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图2-7 尽管我们对宇宙的终极起源知之甚少,但我们对其后140亿年中发生的事却已经了解了很多。随着宇宙的膨胀和冷却,夸克组成了质子(也就是氢核)和中子,接着又聚变成氦核。然后,这些原子核捕获电子,形成原子。在万有引力的作用下,这些原子坍缩成我们今天所观测到的星系、恒星和行星。
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不过,万有引力只能将宇宙间轻微的起伏放大,却无法从虚无中创造出起伏。如果宇宙过去是绝对均匀和统一的,万有引力也无计可施,它会永远保持均匀的状态,不可能创造出任何稠密的块簇,更别说星系了。这意味着,在很早的时候,宇宙中一定撒下了这些起伏的种子,得以让引力来放大,这就像一张宇宙的蓝图,决定了哪些地方会生成星系。那这些起伏的种子从何而来呢?换句话说,我们已经看到了宇宙中原子的起源,但是这些原子何以会排列成庞大的星际结构呢?宇宙大尺度结构从何而来呢?在我们所问的所有宇宙学问题中,我认为这是最硕果累累的。为什么?我们将在接下来的两章探索这个问题。
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穿越平行宇宙
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◆由于遥远的光线到达我们需要很长的时间,所以望远镜向我们展开了宇宙的历史画卷。
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◆大约140亿年前,我们今天所能看到的一切都比太阳核心还炙热,膨胀得相当快,一秒钟内就能膨胀到两倍大。这就是我所说的“大爆炸”。虽然我们对那之前发生了什么不甚明了,但我们知道许多那之后发生的事——膨胀和聚集。
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◆宇宙在核聚变反应堆的状态下仅保持了几分钟,那时就像太阳的内核一样,将氢转变成氦和其他较轻的元素,直到剧烈的膨胀稀释和冷却了宇宙,核聚变才停止了。根据计算,我们预测25%的氢元素变成了氦;观测结果不仅与这个预测完美吻合,还符合对其他轻元素的预测。
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◆经历了40万年的膨胀和稀释,氢-氦等离子体冷却成了透明的气体。我们能看到这个转变,在遥远的宇宙深处,有一堵等离子体组成的墙,发出暗淡的光芒,这就是宇宙微波背景,此项研究获得了两枚诺贝尔奖章。
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◆在接下来的几十年中,万有引力改变了宇宙的图景,从无聊的均匀一致到有趣的成块成簇,放大了我们在宇宙微波背景上所看到的细微密度差别,最终形成了我们今天看见的行星、恒星、星系和宇宙大尺度结构。
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◆宇宙暴胀理论预测,遥远的星系会遵循一个简单的方程,离我们远去,这和我们的观测十分相符。
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◆简单的物理定律就能准确地描述宇宙的整个历史,也让我们能从过去预测未来,并从未来推断过去。这些支配着宇宙历史的物理定律,都是以数学公式的形式呈现,所以,我们对宇宙历史最精确的描述,都是数学描述。
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穿越平行宇宙
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穿越平行宇宙 宇宙学家经常会犯错,但他们从不优柔寡断。
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列夫·朗道(Lev Landau)
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从理论上说,理论和实践是一样的,但从实践的角度来说,它们却截然不同。
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