大爆炸-宇宙通史-第4章

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减缓膨胀的速度。我们可以尝试从现在反推出宇宙的大小随时间是如何变化的，而我们发现宇宙同谋的问题一直到早期宇宙都存在。换句话说，宇宙从来没有小到过能够让光从一侧运动到另一侧的程度。所以从来没有小到能够使得温度差被平坦掉的程度。这个推论是建立在引力是唯一影响膨胀速度的力的基础上的，所以如果我们要解决同谋问题，就必须放弃这个观点。

疯狂的暴胀

　　　　现在流行的解决方案在一定程度上增加了大爆炸理论的复杂度。大多数宇宙学家们现在相信曾有一个异常短暂的快速膨胀期，称为暴胀。在大爆炸后10…35秒到10…32秒之间，宇宙扩展了几十亿倍。在暴胀阶段的最后，膨胀回到了一个比较稳定的速度，和今天观测到的一致。
　　　　如果没有暴胀时期，我们所看到的宇宙中相对侧的区域就既没有时间来交换热量，也没有可能达到充分的平衡。假设的这种快速膨胀使我们能够认为宇宙开始时要小得多，从而可以在加速膨胀开始之前达到温度均衡。剩余的少量不均匀性被尺度上的巨大增加所消除。这个迷人的快速暴胀带来的一个结果就是我们所观测到的区域只是整个宇宙的极小的一部分。即，我们只能观察到实际上是我们周围局部的一点变化，而这注定是非常有限的。用一个日常的比喻，我们知道地球从珠穆朗玛峰峰顶到最深的海沟的底部有很大的高度变化。暴胀的等价效果就是把你脚尖下的一小块地方扩展到整个地球这么大，或者等效地把我们缩小到比最小的病毒还小很多的地步，那么在我们能够到达和探索的范围里，高度的变化将是微乎其微的。对于宇宙中的温度起伏，暴胀也带来了同样的效果。
　　　　但是为什么在婴儿期宇宙膨胀速度会如此突然地急剧增加？看起来需要引入一种新型的力，它和引力起的作用相反，来对这种巨大的加速负责。科学家已经开始研究这种力应该具备什么样的属性，但还没有得出明确的结论。就我们所知，暴胀发生前的宇宙环境并没有任何特别之处，故而这种加速力的突然出现和消失显得多少有些随意。但是它的存在确实使我们能够处理宇宙同谋的问题。
　　　　引入暴胀之后还能为我们解决哪些问题呢？暴胀还能解释我们今天观察到的宇宙中的另两种现象。没有暴胀，那么这两种现象根本无从解释。首先，根据粒子物理的标准理论，一种被称作“磁单极子”的粒子应该能够偶尔被探测到。但实际上，我们从未探测到磁单极子。这无疑需要某种解释。暴胀理论使我们能够争辩，因为这种粒子分布得太稀疏了，所以探测不到并不令人惊讶。比如，为了辩论我们假设在大爆炸中产生了100万亿个这种粒子，那么我们会感到奇怪为什么一个都没有发现。但是如果同样数目的粒子被散布在比暴胀之前大几十亿倍的宇宙中，那么在我们可观测的宇宙范围内找不到这种粒子就很有可能了。暴胀的力度是如此之大，就在它起作用的短暂时间里，它所产生的宇宙也比传统大爆炸理论所预计的大了不知道多少倍。暴胀为这些失踪的粒子提供了一个解释：它们被过度稀释了。

生活在一个平坦的宇宙中

　　　　看似荒唐的暴胀观点的第三根支柱，可能也是最有说服力的一个，涉及宇宙的几何学。大多数人都很熟悉我们在学校可能还有点不情愿学习的欧几里得几何学，我们被告知三角形内角和等于180度。但事情并不总是这样。比如想象画一条线，从北极出发沿格林尼治子午线到赤道，再沿赤道向东转过90度，最后沿子午线穿过俄罗斯回到北极完成一个三角形。那么我们就经过了2个90度的转角，90＋90=180度。而我们还需要加上两条子午线之间的那个顶角。欧几里得几何学仅适用于平面。
　　　　而宇宙中的几何学又会是一种什么样的形式呢？事情要复杂得多，因为我们面对的是一个四维空间（三个熟知的空间坐标，加上时间），而非一个二维的表面。让我们考虑最大的尺度，而忽略物质造成的局部畸变。宇宙有无数种可能的几何学，而我们的宇宙似乎精心地选择了一个特殊的类型。观测表明（见第三章中宇宙微波背景辐射），我们生活在一个平坦的宇宙中，在这里，欧几里得几何学即使在最大的尺度上也成立。为什么事情会这样？要达到一个平坦的宇宙，宇宙中必须具有确切数量的物质，差异仅在几个原子之间。换句话说，要是我们的宇宙中少了或多了几个原子，那么它的几何特性就会变得远非平坦。
　　　　重申一下，我们所掌握的观测事实，固然可以归因于支配大爆炸自身的早期物理学的某些特殊性质，而暴胀理论指出了另一条途径，并获得了更加令人满意的解释。它们之间的分歧在于暴胀可以得出一个比简单大爆炸大得多的宇宙。
　　　　下面通过一个三维情形的类比来帮助我们理解四维空间。任何一个站在保龄球上的人，当他掉下来时马上就会意识到这是一个球面。那么对于一个很大的球，比如我们幸福地生活其上的地球，又会如何呢。即便不是一目了然，我们也很容易发现自己是站在一个曲面上。超出我们印象的是，远在古希腊时期人们就已经知道地球是个球体，他们甚至还成功地测量出了它的直径。而看到一艘船消失在地平线下提醒人们地球表面是弯曲的。现在想象我们正在一个比地球大上万亿倍的球面上，那么所有的实验都会显示这是一个真正的平面。球面的曲率是如此之小，根本测量不出来。出行的船只似乎永远也走不到地平线下。

暴胀之后

　　　　经过暴胀之后的宇宙就像上面最后的球面一样，因为它膨胀到了如此巨大的地步，我们所能观察到的宇宙仅仅是整体的极其微小的一部分，所以只能够测量出它的局部性质。因此可以得出这样的结论，即我们看到的宇宙是平坦的。在这个巨大的宇宙中我们无法获知自己观测范围之外的几何学是什么样子的。不管在宇宙中可能存在多少种几何学，暴胀说明了为什么我们看到的宇宙是平坦的。
　　　　上面的三个问题被暴胀设想利落地解决了，其代价是引入了一个我们知之甚少的、神秘的、暂时的加速，也许当我们对大爆炸本身有了更为深入的了解之后会有其他的答案，但在目前阶段暴胀不失为一个很好的解释。
　　　　在暴胀之后，宇宙以一个较低的速度继续膨胀和冷却。大爆炸后3秒，温度降低到约10亿开。宇宙中3/4的物质是氢，其余几乎都是氦。氦原子有2个电子，环绕着由2个质子和2个中子组成的原子核。
　　　　大爆炸理论预言每有10个质子，即10个氢原子核，就会相应地产生1个氦原子核。现在氢和氦的比例依然是10比1。这可能是对大爆炸理论最为简明有力的验证。恒星将氢转化为氦，所以我们可以预料氦的比例会有所提高。如果我们在宇宙某处发现了一个孤立的物体，其中氦的含量比预计的低，那就必须开始彻底地重新考虑我们的理论。到目前为止还没有发现这种情形。
　　　　所以我们是否相信大爆炸？它的主要竞争对手稳恒态理论看上去已经寿终正寝了。现在，大爆炸占据了舞台。必须记住，理论是无法证明的。我们只能够尽力使其与所有的已知事实相符。带有暴胀的大爆炸理论看起来满足这个要求。但是，任何时候都有可能冒出新的发现，使我们看到原有理论的致命裂痕。不过在一个新的牛顿或者另一个爱因斯坦变出另一套更好的理论之前，我们还要和大爆炸待在一起。

第二章　于是有了光　　大爆炸后30万～7亿年

章序

　　　　在暴胀这一灾变时期后的30万年里没有什么大的变化发生。支配宇宙演化的物理环境几乎保持不变。宇宙成为一个变动不那么剧烈的地方。随着温度的降低，质子和中子的速度也减慢了。但就像我们将要看到的那样，物质和辐射依然混合在一起。从我们的观点看，这一时期的宇宙和今天看到的最初的恒星宇宙间的最大差异是，在这极早期阶段，宇宙是完全不透明的。
　　　　包括可见光在内的电磁波也可以看成是光子流。光子是一种没有质量的粒子，以每秒30万千米的速度运动。在量子力学（可能是现代科学中经过最好验证的理论）的奇妙世界中，我们不再能够明确地区分“波”和“粒子”，而要接受任何物质都会表现出介于两者之间的“波粒二象性”。就像我们传统上认为是粒子的那些实体例如电子和质子一样，光在某些时刻也表现得像一个粒子，叫做“光子”，而在其他时候像一个波。
　　　　每个光子都携带一份确定的能量，能量大小由光的颜色决定，所以确实可以说电磁波是一个光子流。现在让我们追踪其中一个光子的轨迹。它可能产生于极早期宇宙中的一次质子和反质子的碰撞。在这种非常密集的环境中，这个光子走不了多远就会碰上一个电子并被吸收掉，而电子则获得了能量。其后，光子可能又被发射出去，但这时和它原来的方向已是毫无关系了。这个过程在不断地重复，其结果是光子在任何方向上都走得很慢。
　　　　但是当宇宙在大爆炸后30万年，恰好冷却到3000度时，一个突然的变化发生了。在这个临界时刻之前，电子这种组成普通原子物质的最轻，因而也是运动最快的粒子，运动得太快，以至于较重的原子核无法将其捕获。但到了3000度的温度时，它们就再也无法逃脱原子核的捕捉了，最初的中性原子产生了。从原子的尺度上看，被捕获的电子在一个很远的距离上环绕原子核，但如果与原子间的距离相比，电子离原子核是极近的。这样，新形成的原子之间的空间变得空旷了，光子突然能够不受阻碍地运动很长的距离。换句话说，物质和辐射分离开来，在大爆炸后30万年，宇宙变得透明了。

大爆炸的回声

　　　　电子捕获进程对于宇宙的温度相当敏感，一旦温度降低到上述临界值之下，捕获过程就以惊人的速度发生。由于暴胀的原因，宇宙温度在整个空间范围内几乎完全一样，这意味着这一过程几乎在整个宇宙内同时发生，其结果是光线可以不受阻碍地穿越宇宙，使我们在134亿年后仍然能够看到这幅我们宇宙演化的特殊时刻的快照。这种观察过去某个特定时刻的景象的能力是天文学所独有的。通常当我们试图观察比较遥远的宇宙区域时，视线会被邻近的星系所遮挡，它们发出的光线还是比较近期的。宇宙变得透明这个不可思议的事件现在可以不受遮挡地观测到，我们称之为宇宙微波背景，或CMB。
　　　　无论有意无意，我们的很多读者都曾亲身感受过这种伴随大爆炸的“大火球”熄灭时的微弱回声。把电视天线拔掉或者调谐到没有频道的地方，你会看到黑白的天电干扰。这种干扰中的1％来自宇宙微波背景。在它最初发出134亿年后，仍能干扰你的电视图像。
　　　　现在，这种微波辐射的频率等效为一个平均温度仅比绝对零度高2。7K的发射机。如果这个辐射真是大爆炸自己的回声，那为什么会如此之冷？其原因是很直接的。这些辐射在发出时，宇宙的温度是3000度，在它传向我们的过程中，它所穿过的空间一直在膨胀，使得光的波长越来越长，于是表观温度越来越低。这