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宇宙传记 第三章 宇宙从何而来？
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我们所依存的宇宙形成于一个称作大爆炸的炽热而密致的火球，这一观点已被广为接受。20世纪20年代和20世纪30年代，天文学家开始发现，我们的银河系仅仅是散布在众多相似星系中一个由群星构成的岛屿，而且这些成群的星系随着宇宙的扩张正彼此渐行渐远。其实，爱因斯坦1916年完成的广义相对论就已预言了这一膨胀宇宙的思想，但是这一观点一直不为人所重视，直到观测发现证明宇宙的确在膨胀，才受到重视。人们甫一开始认真考虑这一想法，数学家们发现，爱因斯坦的方程式精确描述了我们所观测到的膨胀，暗示出如果那些星系随时间的推移逐渐远离，那么它们过去必然更为接近，而且很久以前宇宙中所有物质必然堆集于一个致密的火球中。理论与观测结果相结合使得大爆炸思想变得确凿无疑。20世纪60年代，科学家发现有一种微弱的嘶嘶作响的放射噪声来自空间各个方向，它是宇宙背景辐射，人们认为这是大爆炸本身辐射的残余。这是支持大爆炸理论的最有力证据。正如宇宙的膨胀，背景辐射的存在先于实验观测而被理论预测到了。20世纪末期，理论与观测结果已经确定，从大爆炸至今已历经大约140亿年，而且这个膨胀的宇宙中散布着数以亿计像我们的银河系一样的星系。宇宙学家如今面对的问题是，大爆炸本身是如何发生的——或者，我们也可以这样问：宇宙从何而来？
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宇宙学家们面对这一问题的起点是他们自己的标准模型，它综合了他们从观测中得知的关于膨胀宇宙的一切情况，以及爱因斯坦广义相对论对空间与时间的理论理解。这一模型的建立来自多方的帮助。首先是因为我们对宇宙深处看得越远，就等于看到了越久远的过去。因为光以恒定的速度传播，因此可以推算出，当我们观测距离数百万光年的星系时，就等于是在看它们几百万前的情景，因为它们的光是在穿越了几百万年的时空之后才到达我们的望远镜。天文学家们用强大的望远镜能够看到宇宙早年的样子——并且宇宙背景辐射使我们得以窥探（使用射电望远镜）大爆炸火球的最后阶段。
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假如，我们设想将宇宙膨胀过程倒转回去，那么似乎便存在某个时间点，那时宇宙万物都堆积在一个密度无穷大的称为“奇点”（singularity）的点上。这一宇宙诞生的初步想法是建立在广义相对论之上的，后者认为宇宙确实是“诞生”于一个奇点。然而，正如我们所说，物理学家们对奇点和无穷大的想法并不满意，而且认为任何预测奇点存在于物质宇宙的理论都存在缺陷。广义相对论亦是如此。该理论能够告诉我们，宇宙是怎样像我们知道的那样，从一种接近无穷大的密度状态产生出来的。但是它无法告诉我们宇宙创立之初，即大爆炸之时究竟发生了什么。17宇宙标准模型能够告诉我们，这一刻发生于大约140亿年前，并且该模型描述的是大爆炸那一刻之后的所有情况。我们可将这一刻看做广义相对论划分的时间零点，并从该点向后推进，描述宇宙的演进。
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我们所观测到的宇宙辐射起源，最远可回溯至相当于大爆炸发生后十数万年的时间，那时整个宇宙充满炽热气体（学术上称为等离子体），其温度大约与今天太阳表面相当，有几千摄氏度。那时，整个宇宙只有今天所观测到的宇宙规模的千分之一大小，而且在这炽热物质大漩涡中并不存在像恒星或者星系如此规模的个体。但是，今天在天空不同位置观测到的宇宙背景辐射温度也存在细微差异，并且这些不规则性告诉我们，数量与种类的不规则性也确实存在于火球末期阶段的宇宙中。随着时间推移，背景辐射中观测到不规则性的数量与形式恰恰能说明原始星系与星系团是我们今天所见宇宙结构成长的萌芽。有关这方面的更多内容将在后面的章节里再叙。将时间向前推移，直至广义相对论不再适用那一刻，背景辐射中观测到的不规则形式告知我们宇宙的更早期形式也存在有相对应的不规则性。
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这些背景辐射中的不规则性的最突出特点，是它们之间的差异微乎其微。它们小到无法度量，而且辐射似乎完全是均匀地来自于空间各个方向。如果辐射是完全均匀的，那么整个标准模型将会土崩瓦解，因为既然大爆炸火球不存在不规则性，那么便不会有星系成长的萌芽，从而我们也不会存在于此。这一令人困惑不已的事实使天文学家们意识到，如果他们能开发出足够灵敏的仪器，必然能测量出背景辐射中存在的不规则性。但是，直到发现背景辐射差不多30年之后的20世纪90年代早期，美国国家航空航天局（NASA，即NationalAeronauticsand SPaceAdministration的缩写）的宇宙背景探测器（CosmicBackground ExPlorer，缩写为COBE）卫星才拥有了足够灵敏的测量手段，观测证实背景辐射中的确存在波动。这一发现所引出的两个重要问题是：为何背景辐射会如此极端地接近均匀状态？以及，是什么造成了这些波动？
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第一个问题比大家可能意识到的含义还要深刻得多，因为，即便大爆炸后140亿年的今天，宇宙仍是极其接近均匀的。如果你拿像银河系一样的明亮星系与星系间的黑暗空间相对照，这一点或许不太明显，但是放到更大的范围里，这一点便立即显而易见了。宇宙并非百分之百均匀的，但是从星系的分布来看，宇宙也如完美烤制的葡萄干面包条般均匀——没有两片面包上的葡萄干的分布是完全相同的，但是每片面包看上去却跟其他面包片一模一样。同样，假如你拿出一张小块天空的星系照片，它看上去很像另一张同等大小但位于天空不同部分的星系照片。宇宙背景辐射甚至更为均匀，从天空各个部分看上去都完全相同，差异不足百分之一。这一观测结果的深刻寓意缘于这一事实，即大爆炸之后没有足够时间使宇宙不同部分彼此作用而趋于均匀。
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举个极端的例子，天空中某个方向的宇宙背景辐射是经过了140亿年才到达我们的，并且天空中另一方向的背景辐射也经过了140亿年才到达我们，但是两种辐射均具有相同的温度。由于此种辐射（电磁能）仅能以光速运动，而没有什么能比光运动得更快，因而天空的另一面是无法“知道”自己应当处于什么温度才能保证（整体）温度一致的。（宇宙间）似乎存在某种伟大的协同，从而使宇宙火球各处（温度）都很均匀，即便火球不同部分之间无法彼此相互作用。
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这种同质性与宇宙的另外一个令人困惑的特性有关，我们称之为“扁平性”。广义相对论告诉我们，空间（严格地说是时空）可以因临近物质的存在而被弯曲和扭曲。从局部来说，这种因临近如太阳或者地球等天体而使时空产生的扭曲，造成了我们称之为引力的效应。从整个宇宙来说，恒星与星系之间宇宙空间所有物质的综合影响能够在空间中产生出两种渐进的弯曲。
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如果宇宙密度大于一定数值（称为临界密度），那么三维空间会发生向内弯曲，像二维球面那样，从而产生一个闭合的表面。其密度超过临界密度多少无关紧要，只要超过即可。这一空间有限但没有边界，正如地球表面。地球表面具有有限的面积，但你可以沿着其任意方向行进而不会达到其边界——你只是围绕着地球表面行进而已。如果宇宙也是如此，那其必然具有有限的体积，然而如果你沿任何方向运动，虽然终将会回到起点，但是你永远不会到达其边界。
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另一种可能性是，其密度小于临界密度。同样，宇宙的密度比临界密度小多少无关紧要，只要低于临界值即可。这样，宇宙便是“开放的”，其空间向外弯曲，像马鞍或者是山口的形状，并且保持不变。这样一个宇宙将是无穷大的，你可以沿着一条直线一直行进而不会两次经过相同地点。
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恰恰在这两种可能性之间存在一个惟一的特例，即所谓扁平宇宙。这发生于刚好达到临界密度之时，三维空间相当于一张（无限薄的）平坦的纸。
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这三种可能性对应着宇宙的三种不同的命运。在闭合宇宙中，宇宙一切物质的引力影响将使其逐渐停止膨胀，并使其塌陷而回复到大爆炸火球状态[有时称为“大收缩”（theBigCrunch）]。如果宇宙是开放的，便会永远膨胀下去，永无止息。但如果宇宙恰好处在临界密度，它的膨胀速度会越来越慢，18直至遥远未来，宇宙徘徊于一种停止状态，既不膨胀也不塌陷，处于微妙的引力平衡。
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到了20世纪最后的25年，我们从观测膨胀宇宙可以清楚地得知，如果设定临界密度为1，那么现实宇宙的密度处于0.1至1.5之间，与广义相对论推算的惟一特定的密度非常接近。这已经够让人困惑的了，因为那时尚没有理由认为宇宙必须以某种密度从大爆炸中产生。但是，宇宙学家们意识到，随着时间推移，宇宙膨胀总是促使宇宙偏离临界密度。闭合宇宙在膨胀中变得“更加闭合”，而开放宇宙在膨胀中变得“更加开放”。今天观测到的密度非常接近1这一事实意味着，大爆炸后仅仅1秒钟，其密度变化一定在1015（一千万亿分之一）以内。即0.99999999999999和1.00000000000001之间。对此惟一的解释是，似乎有某种东西决定了宇宙恰好产生于临界密度，而且在今天的这些单元中密度又恰好是1。然而，是什么在宇宙诞生之时促使其趋于如此的均匀与扁平？
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我们运用广义相对论方程式可以回溯到宇宙火球阶段，以计算宇宙早期温度与密度。由此我们可以得出，大爆炸后一万分之一（10-4）秒，整个宇宙的密度相当于现在原子核的密度（每立方分米1014克），其温度是1012K（1万亿度）。正如我们在第二章所看到的，原子核已经被研究了近百年了，上述的状态也在粒子加速器中被研究了几十年了。物理学家们完全相信，他们了解当宇宙膨胀与冷却时，这种情况下以及所有不太极端情况下通常物质的状况。因此，我们完全相信，我们了解从大爆炸后10-4秒开始的通常物质的演化。某些细节俟后讨论。重要的是，宇宙极端均匀与扁平以及产生今天星系团的细微不规则性，或许在那时已经留下了印记，因为这些不规则性没有办法事后再加上去。我们对其尚不如对原子理解得透彻，这意味着我们必须深入到某些加速器实验所探明的温度（能量）与密度情况下，进一步考虑更为久远的过去。我们认为自己已知晓更早时间发生之事，但是这还有待进一步研究。我们的思索越接近大爆炸那一刻，我们越感到疑惑。
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最终，广义相对论分崩离析，不再适用。这发生于量子物理统治的领域，进而广义相对论的核心——均匀而连续时空（被比喻为“拉伸的橡胶片”）的理论也崩溃了。根据量子理论，时间与空间本身都量子化了，而且谈论任何小于10-35米（“普朗克长度”）的距离或者短于10-43秒（“普朗克时间”）的时间，都毫无意义。因此，不应存在奇点（零长度，零时间），我们应当这样来描述整个看得见的宇宙：“诞生”时直径10-35米，密度每立方分米1094克，“年龄”10-43秒。在这种环境下谈论更早时间、更短长度或者更大密度毫无意义。
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我们设想下一步发生了什么事情时，主要依据的是对大一统理论的探讨。此种理论第二章提到过，它预言：宇宙诞生之时，所有自然力都处于相同水平之上，但是它们迅速分崩离析，赋予宇宙一个剧烈的外向推力，从而使宇宙均匀而扁平，此过程称为暴涨。正是暴涨存留下了可以解释背景辐射不规则性和如今星系群的余波。
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自然力彼此分离的过程类似于水结成冰的相变。在相变中，发生变化的系统与整个世界之间发生了能量交换。例如，冰在零度时开始融化，但即便是它被温暖物体包围并且吸收热量，它都始终保持零度。冰吸收的全部能量都用作其融化，而非将其加热。当水凝集成冰时，这一过程正相反。即便周围环境的温度更低，水凝结时仍然保持零度。冰凝结时释放出称为潜热的热量，同样，欲使之融化亦须代之以同样的潜热19。水蒸气浓缩成液态水须释放出更多潜热，而且当雨滴形成雷雨云时也通过这一过程释放热量。宇宙极其早期，出现过一种超对流。引力在普朗克时间即10-43秒时，而强核力则在10-35秒时从其他自然力中分离出来。总体而言，这些形态转换释放出大量能量，从而使宇宙在瞬间呈指数膨胀。完成这一过程只要一瞬间。
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我们来打个巧妙的比方。想象一个高悬于冰川山区的湖，四周冰坝壁立。湖中充满深静湖水，不流不溢。用科学术语来说，湖水处于地球引力场局部能量极小状态。然而，这一平静的稳定掩盖了一个事实，即湖水蕴藏着大量引力势能，因而从此种意义来说，这是一个不真实的局部能量最低态。如果湖水可以溢出湖外，便会迅速冲下高山，奔流入海，而海平面才是真正的能量最低态（至少，就地球表面来说如此）。现在，想象气候发生了变化，或者仅仅是由冬至夏的季节性变化。冰坝融化，湖水呈洪流倾泻而下，最终入海，平静如初，但其能量级却更低。物理学家们将宇宙膨胀之前的状态描述为一种真空能量（也可以说是空间能量或时空能量，大家各取所好吧）虚假平衡。这一转换过程释放的“真空能量”促成了宇宙暴涨，宇宙也定格于真正的真空能量最低态。暴涨本身像是湖中洪水从一个能量级冲向另一个能量级，那是两种不同平衡状态之间的一个短暂插曲。
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就宇宙暴涨来说，这一插曲极其短暂。暴涨仅仅持续10-32秒，但是在此期间可见宇宙的大小每10-34秒成倍膨胀（有的理论提出，其膨胀速度更快，但对于我们的需求这已经足够了）。换言之，在那10-32秒钟已经膨胀了至少100倍（102，因为34-32等于2）。这对于将一个体积相当于质子的10-20倍大小的物体的体积膨胀到直径10厘米，亦即差不多有柚子那么大。换言之，这等于将一个网球大小的物体在10-32秒内膨胀到今天可见宇宙的大小。通过这个比方我们清楚地看到，暴涨的特征之一便是，从某种意义上说，暴涨进行的速度超过了光速。要想通过1厘米的空间，甚至光也需3×10-10秒的时间，但是暴涨却使宇宙在10-32秒内从比原子还小的体积扩张到10厘米的球体。这是可能的，因为暴涨时，膨胀的是空间自身——并没有什么东西是以这种速度“穿过”空间。同时这也是宇宙如此均匀的原因。游弋于宇宙暴涨之余威，拜转换过程中耗散能量所赐，我们所见一切均来自于一颗小到无法容纳任何不规则性的能量种子，而全凭宇宙膨胀将这一最初均匀性凝固于愈发稳定膨胀的“宇宙柚子体”中。
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膨胀也解释了宇宙为何如此扁平。拉伸的物体（甚至时空）趋向于拉平任何褶皱与曲线。想象一下一颗褶皱的李子干，当它浸入水中后，就膨胀成一个光滑球体。或者，想象一下地球如果膨胀到太阳系大小，对于那时候生活其上的任何人来说地球表面似乎就显得够平坦的了。如果地球真有这么大的话，你就极难分辨出自己是生活在一个球体上。无论宇宙初萌时是闭合的抑或开放的，成百倍以上的暴涨也将驱使其趋于扁平，而我们今天所使用的仪器是不可能测量出其与扁平的偏离值的。
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当20世纪80年代早期暴涨理论初次提出之时，这既是其成功之处，也是其尴尬之处。它看上去太完美了。那时，出于我们后面还要提到的原因，天文学家们认为宇宙密度是临界密度的十分之一。但是，暴涨预测出宇宙密度应当是无差别地接近扁平状态所必需的临界密度。要么是暴涨理论存在谬误，要么宇宙中还存在更多20世纪80年代天文学家们所不曾考虑到的东西。当时自然而然的第一反应是，暴涨这一新生理论是错误的。然而，21世纪早期，对背景辐射愈发细致的研究显示，宇宙真是无差别地接近扁平，因而其密度肯定是无差别地接近临界密度。这一阶段的成果中，以NASA的WMAP卫星和其后不久欧洲航天局（ESA）的普朗克探测器（Planck ExPlorer）的观测为顶峰。这留下一个谜题，“缺失”物质（有时称为“暗物质”，因其从未被看到过）到哪儿去了？对谜题的解析形成了本书第六章的主题。
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暴涨理论仍处于不断完善过程中，正如GUTs那样，关于这一主题也有不同的差别变化。但是，暴涨理论总体上是成功的，尤其是它成功地预言：如果能够开发出足够精确之仪器，便能发现宇宙恰恰是扁平的。这告诉我们暴涨理论从根本上具有某些合理性，尽管我们不知道哪个版本的理论（如果目前理论中存在任何这样的候选者的话）最终会成功。这一理论还有其他的成功之处，它告诉我们那些导致星云形成的星系团中的细微不规则性是如何产生的，而且它还暗示了宇宙本身起源的可能方式。这与我们先前碰到的真空量子涨落有关。
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量子不确定性意味着，从最小的尺度上讲，宇宙不可能是完全均匀与规则的。大约以普朗克长度的规模论，其必然总是存在细微不规则性，它们会忽而出现，而后又消失无踪。这种量子涨落对我们今天日常生活几乎没什么影响，至少在人类身高的尺度上而论如此（尽管它们或许对于理解作用于电子和质子等带电粒子的作用力性质具有重要意义，因而，从这个意义上说，量子涨落与我们的日常生活息息相关）。然而，宇宙学家们认识到，这些涨落肯定在膨胀时便已存在。涨落微萌之时，起自目前整个可见宇宙被暴涨拉伸到大约普朗克长度的1亿倍大小之时，涨落倏忽消失之前，已经形成了遍布宇宙的不规则性网络。那时是在暴涨末期，宇宙规模有柚子大小。这些不规则性将在宇宙中留下印记，并将于火球阶段持续存在，随宇宙膨胀而扩张，直至大爆炸数十万年之后，其时宇宙温度已经冷却至如今太阳表面温度，而且宇宙背景辐射也已遍布宇宙。量子理论精确预言了这一过程产生的不规则的模式，而且，就统计上而言，这种不规则形式恰好既存在于背景辐射中，又存在于最大尺度的星系范围内。这是暴涨理论另一个显著成功之处，它预言了宇宙是极其接近完全均匀的，但也应含有宇宙膨胀时星系赖以成长的那种不规则性。这意味着宇宙最大不规则性（超星系团）源自可能存在的最小不规则性，即真空量子涨落。
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的确，整个宇宙或许成长自与暴涨和引力的奇特属性有关的真空量子涨落。
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