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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970788]
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1．观察时间的起点
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从远古时代起，人类就开始了对天体运行及宇宙起源的探索和思考。无论是西方《旧约》中的上帝创世纪，还是中国神话中的盘古开天地，都将天地宇宙描述成是处于永恒的运动和变化之中。既然宇宙并非静止不变，那么它是否有一个起点和终点？它是如何演化成我们现在所观察到的这种形态的？
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一百多年前，大多数宇宙学家们认为宇宙空间上是均匀而各向同性的，时间上没有开始也没有结束。但是，1929年，天文学家哈勃的观测事实改变了人们的观点，证明我们的宇宙正在膨胀。所有的星系都在远离我们而去，星系和星团间的距离在不断增大。
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科学家们根据所观测到的宇宙膨胀数据，认为宇宙起源于大约138亿年之前的一次大爆炸（图6-1-1），那时候，宇宙中的所有质量都集中在一个几何尺寸很小的“原生原子”上，我们现在所感受到的时间和空间结构，就是从这个“奇点”爆炸而产生的。大爆炸理论并不完善。但它是迄今为止能够解释更多的天文现象而被物理学家天文学家普遍接受的宇宙演化理论。
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图6-1-1 大爆炸宇宙模型
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本书介绍的物理学统一理论，与宇宙学中的“大爆炸”理论又有什么关系呢？两者看起来好像迥然不同，研究对象的尺度更是天壤之别。统一理论研究的大多数是微观世界的规律：量子力学、量子场论和基本粒子、相互作用，是往微观方向深入发展下去。而宇宙学研究的是天文数字级别的星球、星系、宇宙演化等宇观尺度的事物。大爆炸理论，也只是一个假说，即使是真实的，也是发生在138亿年之前的事情，和我们现在进行的物理统一理论怎么能联系到一块儿呢？
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但出乎人们意料之外，这两件事情的确是紧密相连的。
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首先回顾一下我们在介绍弱电统一理论时的图5-5-2。当能量增加到1012GeV之后，即粒子之间的距离小于10-17m时，电磁作用和弱相互作用表现为同一种力。从图5-5-2上进一步可知，如果能量再增加到1018GeV时，强相互作用也和弱电一致了，三种力实现大统一。如果距离再继续减小，能量继续增加到1021GeV之后，到达量子引力阶段，引力也只好屈服了，四种相互作用成为统一的一种。
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可以将我们的“统一之路”用能量级别画出来，如图6-1-2所示。看看统一之路通向何方？我们当前已经走到了什么地方？如图所见，能量越高越走向统一，这也就是人类为什么要花费非常昂贵的经费来建造速度越来越高的加速器的原因，因为那是一条能够带领我们探索自然走向统一的“高能”公路。
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图6-1-2 物理理论统一的“高能”公路及大爆炸宇宙模型
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大自然是如此奇妙，巨大浩渺的宇宙居然是起源于一个小得不能再小的奇点！而现在，理论物理学家们奔向统一的孜孜以求的目标正是指向那个奇点，指向万物之本源——时间的奇点。
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从图6-1-2中也可以看出，我们的现代加速器技术所具有的能量级别还很低，大约是104GeV，比发现希格斯粒子的位置稍高一点。图中右下角罗列了一部分目前为止发现的粒子。人类也许自以为发现了很多大自然的奥秘，现代科技如此发达，统一理论应该指日可待了。但看了这张图之后，你可能才恍然大悟，原来我们还差得很远啊！
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我们距离大统一理论及量子引力时代，的确还差得很远。并且中间还隔着一段漫长的未知“沙漠”。那沙漠中会有些什么呢？不探索是不知道的，即使有人弄出一个理论，预言了沙漠中的秘密，也仍然需要实验的验证。因此，人类仍然孜孜不倦地思考、工作，提高加速器的能量，发现更多的粒子，探索那一大片新沙漠。
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不过，话说回来，没有任何人造的粒子加速器能比得过大自然的力量。我们所追求的目标——能量极大的统一高能公路的终点，实际上就是宇宙之初，时间的起点。根据宇宙学的大爆炸理论，宇宙是由一个密度极大、温度极高的太初状态演变而来的。在大爆炸开始的最初几分钟内，已经生成质子、中子、中微子等，还合成了某些原子核。差不多走到了我们现在高能技术的水平。那么，多研究一些宇宙爆炸早期发生的事情，统一理论将会受益匪浅。因此，有时也将大爆炸理论称为宇宙学中的“标准模型”。
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读者可能会想，大爆炸已经发生了138亿年之久，我们又如何抓住那遥远过去的大爆炸短短一瞬间呢？我们现在所看到的，是爆炸发生了138亿年之后的宇宙啊！
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上面的说法不全对，我们现在看到的，只是爆炸发生了138亿年之后的宇宙吗？不仅仅是这样。要知道，光线传到我们地球上，是需要时间的。地球距离太阳是8min的光程，即光线从太阳传到地球需要8min的时间。也就是说，我们看到的太阳是它8min之前的样子。8min很短，太阳的变化可能不大，但是如果考虑一个距离我们很远的星系，那就不能小看这个差别了。
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我们太阳系所在的银河系，有一个比它大好几倍的邻居，叫作“仙女星系”。2005年，天文学家测定它到地球的距离大约为250万光年。那就是说，我们观察到这个星系的形态已经是它250万年之前的样子了。换个角度来说，如果在这个星系中有某一个高等生物观察我们地球的话，他绝对看不见我们地球上如此发达的文明社会，他观察到的应该是250万年之前的地球。因此，我们观测到的天体越遥远，便越可能窥探到古老的过去。通过观察遥远的星系，我们有可能研究星系，乃至宇宙最早期的形成过程。
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此外，大爆炸之后发生的许多现象，也在现在的宇宙中留下一些蛛丝马迹。微波背景辐射就是最典型的例子。物理学家认为，微波背景辐射是大爆炸后38万年左右那段时间遗留下来的辐射热，是来自宇宙初期的“最古老的光”。对这种“背景光”的研究和测量，给予我们很多关于早期宇宙的信息。
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近些年被天文学家们观测到并确认存在的暗物质和暗能量使人们困惑，但也是大自然提供给我们的重要信息。对这两类未知事物的探索、研究，直到最后破解，必将使我们在统一的大道上迈进一大步。
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 2．世界为什么是这个样子