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辽了

  是现代宇宙学中最有影响的一种学说。这种学说认为,宇宙是由一个致密炽热的奇点于138亿年前的一次大爆炸后膨胀形成的。1927年,比利时天文学家和宇宙学家勒梅特

  (Georges Lema tre)

  最早提出了宇宙大爆炸假说。这之后,1929年,美国天文学家哈勃,根据这一假说提出,星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。

  研究者通过现在星系间的距离及其移动速度倒推计算,得出“大约在138亿年前所有星系都集中在一点

  (即奇点)

  ”的结论。“大爆炸”理论的拥趸坚信,宇宙曾有一段从热到冷的演化史,在这个时期里,宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化,如同一次规模巨大的爆炸。爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们如今所看到的宇宙。

  宇宙真的形成于“大爆炸”吗?显然,这一观点让人们分成了两派。一派坚持大爆炸理论,一派则抱以反对观点,并坚持恒稳态理论。主张大爆炸理论正确性的核心人物是美国物理学家伽莫夫,他为此提出了更加具体的宇宙诞生模型。根据他的理论,宇宙最初为密度极高的中子群,它是在某一瞬间开始膨胀的。而非常权威的天文学家霍伊尔则认为这一理论并不正确,他认为,“我们的宇宙从无限的过去到无限的未来都会保持同一种状态。虽然星系的相互远离导致了宇宙空间的密度逐渐变小,但在密度减小的空间中会产生出新物质,它们能弥补密度的缺失,使宇宙保持均衡和稳定。宇宙就是以这种方式保持恒稳态的。”

  作为基础科学的一个研究领域,中微子天体物理学创立于日本。在《幽灵粒子》一书中,诺贝尔物理学奖得主小柴昌俊以连接极小粒子世界与极大宇宙的“幽灵粒子”——中微子为线索,通俗讲解了基本粒子的发现、恒星的结构与演化等内容,并从实验角度展现了当前物理学对深层自然之谜的追求与探索。小柴昌俊指出,在“二战”中,雷达技术得到了突飞猛进的发展,研究者利用雷达技术获得了若干重大发现,特别是对“微波”的发现对“大爆炸”理论提供了非常有力的实验支撑,从而使得这一理论逐渐为人们所接受。
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  小柴昌俊(Koshiba Masatoshi),1926年生于日本爱知县,毕业于日本东京大学理学院物理系,之后就读于美国罗切斯特大学研究生院,并获得哲学博士和理学博士学位。历任东京大学、东海大学理学院教授,其间还曾兼任德国电子同步加速器研究所(DESY)及欧洲核子研究中心(CERN)客座教授等要职。东京大学名誉教授。1987年,小柴昌俊领导的实验团队利用神冈探测器观测到了世界首例来自超新星的中微子。2002年,因他在“中微子天文学”领域做出的先驱性贡献而获得诺贝尔物理学奖。

  如何用中微子探索未知宇宙?回顾过去的宇宙观测成果,小柴昌俊指出,研究基本粒子的理论物理学家将基本粒子与宇宙极其紧密地联系在一起,但宇宙中仍然存在着各种各样的未解之谜。小柴昌俊说,“虽然我们目前并不清楚宇宙在最初是如何诞生的,但坚信在宇宙形成初期肯定存在一种能统一各种力的理论,而且当时的对称性维持得非常好。”

  小柴昌俊进一步指出,“如果宇宙在演化过程中确实经历过暴胀阶段,那么除了我们身处的宇宙之外,还应该存在很多由其他颗粒膨胀形成的宇宙。”而这意味着,我们耳闻目睹的“宇宙”,也许和无数个我们无法观测到的宇宙一样,只是宇宙的其中之一。

  《幽灵粒子:透视未知的宇宙》,[日]小柴昌俊著,逸宁译,人民邮电出版社2020年4月版。
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  大约138亿年前

  宇宙发生过“大爆炸”吗?

  如果我们将观察世界的视野放大,那么首先能观察到的是地球所属的太阳系,而太阳系又位于名为“银河系”的星系边缘。

  银河系只是众多星系中的一个,除此之外还存在很多星系。在此,我们姑且把可以囊括我们能观测到的一切东西的集合视为宇宙。研究者在观测星系的过程中发现了某种法则。在元素释放出的光中,包含具有某种特定波长的光。来自遥远星系的光看上去光谱线向红端偏离

  ,即其波长变长了。我们把这种现象叫作“多普勒效应”,该现象表明,发出这束光的星系正以接近光速的速度远离我们。

  研究者通过分析和整理大量星系的数据后发现,星系远去的速度与我们和星系之间的距离成正比。我们称之为“哈勃定律”,这是观测宇宙的重要事实之一。

  其实,测量我们与遥远天体之间的距离本身就是一件非常困难的工作,仅仅介绍这个知识点就大约需要一本书的篇幅,所以我在此就不展开说明了。这么说来,如果时间能倒流到过去,那么所有星系应该都曾经集中在同一个地方吧?研究者通过现在星系间的距离及其移动速度倒推计算,得出“大约在138亿年前所有星系都集中在一点

  ”的结论。

  于是,基于此结论自然地涌现出了一种观点,这种观点认为,宇宙大约在138亿年前于一点发生了大爆炸,此后持续膨胀,直至演变成现在的形态。我们将这场在宇宙中发生的大爆炸叫作“Big Bang”。

  最初,很多人都无法接受这个理论,他们无法认同“宇宙在某一时间点发生了大爆炸,随后开始膨胀直至变成现在的样子”的观点。我想人们不接受该理论的原因是多种多样的。当时既有来自哲学界的反对,也有来自天文学领域的质疑,就连非常权威的天文学家霍伊尔都曾对该理论发表过如下评论:“这种理论是不正确的。我们的宇宙从无限的过去到无限的未来都会保持同一种状态。虽然星系的相互远离导致了宇宙空间的密度逐渐变小,但在密度减小的空间中会产生出新物质,它们能弥补密度的缺失,使宇宙保持均衡和稳定。宇宙就是以这种方式保持恒稳态的。”这种观点一经提出,研究者们就围绕这两种宇宙理论展开了异常激烈的讨论。一方认为大爆炸理论才是正确的理论,而另外一方则坚信恒稳态理论的正确性。

  研究者利用雷达技术

  为大爆炸理论找到有力支撑

  主张大爆炸理论正确性的核心人物是美国物理学家伽莫夫,他为此提出了更加具体的宇宙诞生模型。根据他的理论,宇宙最初为密度极高的中子群,它是在某一瞬间开始膨胀的。中子在高密度的原子核内状态非常稳定,然而一旦置身于原子核之外,中子就会自然地衰变为质子、电子和反电子中微子。中子衰变的平均寿命约为1000秒。
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  美国物理学家伽莫夫。

  伽莫夫将这一具有高温和高密度的中子群命名为“伊伦”。一旦“伊伦”开始膨胀,那么随着密度的降低,一部分中子就会衰变成质子和电子,而同时产生的反电子中微子则可能会直接“远走高飞”。这种情况下,质子的正电荷会捕获电子并将其安放在质子周围,由此就形成了氢原子。同时,质子会进一步与中子发生碰撞、黏结,形成一种名为“氘核”的粒子,如果该粒子再与一个中子结合就会形成“氚核”。另外,氘核与质子经过碰撞、黏结可以形成氦-3的原子核,而该粒子吸收中子就会变成普通的氦核——氦-4。

  如上所述,由最初的中子群产生质子和氦核是极其自然和简单的。伽莫夫认为,通过结合大量的中子可以产生质量更大的原子核,并为此进行了相关的模型计算。然而计算过程障碍重重、举步维艰,最终伽莫夫未能得到固定的模型。

  不过当时已经有相关学说指出,如果宇宙在形成之初处于极度高温和高密度的状态,那么就必然存在与其温度相当的高能电磁波穿梭其间。随着宇宙的膨胀,物质的密度逐渐降低,电磁波的能量也随之衰减。电子被原子核捕获转变为呈电中性的原子,那么光就应该能不与物质粒子发生任何相互作用,进而可以自由地传播了。

  当时的研究者根据初期的大爆炸理论模型,提出了“在当前的宇宙空间中仍应充满自由扩散的电磁波”的假说,但由于当时能达到的计算精度有限,所以未能进行准确的推算。在第二次世界大战中,雷达技术取得了突飞猛进的发展。

  在战争结束后,研究者利用雷达技术获得了若干重大发现。首先,彭齐亚斯和威尔逊发现了充满宇宙空间的电磁波。在电磁波家族中有一种叫作“微波”的电磁波,彭齐亚斯和威尔逊通过进行精准的测定后发现,它是一种绝对温度为2.7开尔文的电磁波。另外,他们还发现微波的强度与方向无关,具有精度极高的一致性

  。对于大爆炸理论而言,这是非常有力的实验支撑。
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  COBE卫星绘制的宇宙微波背景图。

  自此以后,很多人逐渐开始接受了大爆炸理论。虽然我刚才提到微波的强度具有各向同性,但其实存在一个例外,即微波强度在某一方向上稍强而在其反方向上略弱。不过,由于我们的观测器正以某一速度向宇宙空间中的某一特定方向运动,这样一来正好可以巧妙地抵消掉绝大部分各向异性,剩余的各向异性无论怎么看也仅有万分之一以下的偏差。其实,这样高精度的各向同性为“宇宙最初发生爆炸时究竟发生了什么”的问题提出了极其重要的限制条件,关于这一点我们暂且不谈。

  把想象的脚步迈近“大爆炸”零点

  根据大爆炸理论,宇宙形成初期处于密度和温度都非常高的状态。那么我们不难想到,随着时光倒流,宇宙的温度应该会越来越高,密度也应该会越来越大。

  如此一来,处于各个时间点的粒子

  (当时的粒子是什么东西,这也是个难题)

  撞击时产生的能量会相当大,该能量绝对是我们利用在地上可建的任何加速器都无法达到的。我在为大家介绍基本粒子的时候提到过,中子和质子其实并不属于能真正构成物质的基本粒子,我们需要考虑到更为基础和微小的夸克。夸克间的作用力通过胶子的交换来传递,因此在宇宙形成的初期阶段,极有可能出现过夸克、反夸克与胶子一同穿梭飞舞、宛如一锅热汤的时期。至于宇宙再往前的发展阶段到底如何,就得充分发挥我们的想象力了。
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  《宇宙畅行》(丹麦)剧照。

  当温度和密度都更高时,宇宙很有可能被某种形式的大统一理论所支配,该理论能统一弱力、强力和电磁力。接下来,让我们试着把想象的脚步迈近大爆炸零点,假设靠近大爆炸零点的时间比10-40秒还短。这时候,在紧随大爆炸零点之后的时间点上,基于对当时密度和温度的考虑,此时引力极有可能与其他三种力相同,都能写入同一个基本方程式之中。在此,我们不得不考虑到当今的技术发展水平以及地球的规模等限制因素。以最新的技术——超导磁铁为例,如今我们已经能够制造出磁力高达10万高斯的强力磁铁。地球上半径最大的圆为赤道,我们假设要在赤道上密密麻麻地布满10万高斯的超导磁铁,并让携带正电荷的粒子与携带负电荷的粒子从相反方向各自加速后互相撞击。

  此时,由撞击产生的能量要远远高于目前任何一个计划实施的加速器实验所能提供的最大能量。然而即便如此,与宇宙发生大爆炸初期时产生的撞击能量相比,这也只能算是冰山一角,仅为当时总能量的千亿分之一,我们必须明白在这二者间存在着巨大的差距。为此,当前我们正在开展相关实验,试图探寻那些形成于宇宙诞生初期且至今依然残存在宇宙之中的粒子。

  为什么无法观测到反物质?

  反宇宙又在何处?

  能否仅用一个理论来统括夸克、胶子、弱力、电磁力以及引力呢?研究者们正在热火朝天地向该项研究发起挑战。换言之,这项工作能描述出宇宙大爆炸初期的情况,并形成统一的理论。

  近几十年间,研究基本粒子的理论物理学家们专心研究宇宙相关问题的机会大大增加,他们把基本粒子与宇宙极其紧密地联系了起来。这是一种非常好的趋势,我们对二者的认识和理解也因此取得了十足的进步。然而,如果我们回顾过去的宇宙观测成果就会发现,宇宙中仍然存在着各种各样的未解之谜。

  例如,我们所说的“物质”只要能被观测到就是可见的,而“反物质”因为无法被观测到,所以就是不可见的,因此我们的宇宙看起来就像是一个只有物质而没有反物质的世界。但是宇宙形成初期处于极度高温的状态,当时的夸克与反夸克必然重复着成对产生和成对湮灭的轮回。

  虽然我们目前并不清楚宇宙在最初是如何诞生的,但坚信在宇宙形成初期肯定存在一种能统一各种力的理论,而且当时的对称性维持得非常好。我们以铁片为例。在大多数情况下,铁被磁化后会变成磁体,所以此时铁片会具有磁体的磁场方向。

  这代表什么意思呢?其实是铁片中的所有方向原本并非完全相同,而在铁片被磁化的过程中,磁场磁极的方向则变成了可以受到“特殊优待”的方向。也就是说,对于铁片而言,空间上的各向同性是不成立的。不过,如果将磁化的铁片加热至某一温度

  (我们将该温度称为“居里温度”)

  以上,那么构成铁的磁场的各个磁极就会分别朝向任意方向,整体则进入一种不指向任意方向的、没有磁场的状态。也就是说,铁片在高温状态下开始具有各向同性,从而具备了良好的对称性。
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  电影《星际迷航3:超越星辰》剧照。

  宇宙在形成初期温度极高,该温度甚至超出了我们在加速器实验中所能到达的最高温度的1012倍以上,因此我认为当时的宇宙应该维持着所有我们可以想到的对称性。如果事实果真如此,那么当时在宇宙中反夸克的数量应该与夸克的数量相同,加之各种物质如果的确是由3个夸克组合而成,那么在宇宙中就应该形成了数量相同的物质与反物质。

  但是,这些我们看不见的反物质到底跑到哪里去了呢?另外,那个尚未被人类发现的反宇宙又在何处呢?这些问题至今仍是未解之谜。

  然而,无论提出怎样的理论都无法解释宇宙是如何从混杂于一处的正反物质中仅把物质和电子转移到某处、把反物质和正电子转移到其他地方的。如果正反物质彼此相邻,那么二者应该会在分界线处发生湮灭并释放出γ射线。研究者们正在进行各种实验以探寻这种γ射线,但是目前依然没有取得任何进展。

  虽然真相仍未水落石出,但我们可以肯定的是,从夸克与反夸克对称的宇宙形成初期,到如今这个物质与反物质不对称的时代,其间一定发生了某些事件才导致了这样的变化。如今,美日两国在致力于探明这一问题的加速器实验中展开了激烈的竞争,不过双方都尚未得到最终的结论。

  暗物质究竟是什么?

  通过观测宇宙,我们还了解到了一件奇怪的事情。在宇宙中,除了我们可以用光观测到的物质以外,似乎还存在完全不发光的物质,而且它们甚至在宇宙整体中占据了相当大的比例。我们将这些物质称为“暗物质”。通过观测某个星系,我们能根据来自该星系的光的量估算出该星系拥有的恒星数量以及各个恒星的质量,把所有恒星的质量汇集到一起便能得到整个星系的质量。

  接下来,我们尝试对围绕恒星团外侧旋转的恒星进行观测,可以根据光谱的谱线移动观测到恒星的速度,也能判断出它在靠近还是在远离恒星团。于是,我们至少能获知该恒星的运动速度,也可以在与恒星团中心相距任何距离的位置进行这种测定。

  不过,与恒星团中心相距一定距离的恒星的运动速度取决于吸引该恒星的引力的大小。大量观测事实表明,星系的整体引力,即星系的整体质量要远远大于根据发光恒星计算出的质量。
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  电影《星际迷航3:超越星辰》剧照。

  那么,“暗物质”究竟是什么呢?这在宇宙学和基本粒子学领域都是一个重大的难题。有人认为,暗物质很有可能就是那些形成于宇宙大爆炸初期的、迄今为止我们从未见过的粒子。此外也有人认为,暗物质其实有别于“超弦理论”预言的那些能构成物质的粒子群,它属于只与引力发生相互作用的另一个物质群。

  这里的“超弦理论”其实是根据芝加哥大学南部阳一郎先生的研究工作发展而来的。该理论认为,基本粒子不是点状粒子,它们是由一维的线状弦构成的。这一理论为构建引力的量子理论提供了可能性。

  暗物质究竟是什么呢?我认为今后的研究将会给出答案。

  宇宙形成初期

  一定以某种形式发生过暴胀现象

  此外我还想提及一点,那就是几乎所有的恒星都具有磁场。太阳也具有磁场,有时其内部的强磁场会浮现到太阳表面形成太阳黑子。当然,地球也有磁场。研究者通过观测发现,在恒星间的空间内也存在强度较弱的磁场。那么,星系与星系之间也存在磁场吗?通过观测后我们了解到,星系间的确存在磁场,只是磁场的强度更加微弱罢了。据研究者推测,超新星爆发后形成的中子星很有可能具有极强的磁场,它宛如一块超强磁铁。这是因为当物质处于极其高温的状态下时,电子会脱离原子核,转变为所谓的“等离子态”。等离子态下电子可以自由活动,所以等离子体是一种优良的导电体。从理论上可以明确的是,如果磁感线从等离子体中穿过,而等离子体又正好出于某种原因处于运动状态,那么磁感线就具有了跟随等离子体运动的性质。

  一般而言,恒星都在自转,与地球相同,其自转轴不一定与磁场方向位于同一条直线上。根据麦克斯韦的电磁学原理,错位的磁极经过旋转,会随着磁场的时间变化产生电场,粒子会在这个由强磁场形成的强电场的影响下加速,并飞速疾驰。因此,我们在地球上观测到的宇宙线也许就是强电场加速后的产物。这种可能性逐渐浮出了水面。

  1987年,大麦哲伦云内曾发生过一场超新星爆发,当时形成的中子星应该具有很强的磁场。最近,有研究者公布了相关数据,数据显示该中子星似乎正在高速旋转。如果事实果真如此,那么中子星的旋转速度越来越快也就不是什么不可思议的事了。
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  电影《星际穿越》剧照。

  理论物理学家们提出了“暴胀”的观点。这种观点认为,宇宙在极其“年幼”的阶段生了相变。“相变”是一个不太常听的词语。其实,水逐渐降温直至结冰的过程就是一种相变。虽然“水”这种物质在成分上没有发生任何变化,但液态的水和固态的冰在性质上却有很大的差别。暴胀宇宙指的就是在宇宙形成初期发生了类似的变化。

  那么,宇宙发生相变的方式是什么呢?在宇宙各个地方形成了新状态的颗粒,随着这些颗粒不断增大,具有新状态的区域也会逐渐扩大。由于对此的具体解释目前尚无定论,所以在这里我就不展开叙述了。总之,这种新状态的“小气泡”会急速膨胀起来。因此,研究者将该理论命名为“暴胀”。

  宇宙会在某一阶段终止暴胀,之后便进入一般意义上的宇宙膨胀阶段。另外,当宇宙停止暴胀时,相变的潜热A还会继续对宇宙进行加热。如果这种理论准确无误,那么就证明宇宙是从一个极其微小的部分急剧扩大而来的,在此之前产生的大量磁单极子在这一微小部分内的含量微乎其微。

  除此之外,在这个微小的部分发生急剧膨胀后,其中的各个部位的状态很有可能保持高度一致。如果能巧妙地研究暴胀结束时的潜热加热现象,将有助于解释物质与反物质的非对称性。虽然现阶段围绕宇宙暴胀理论还存在着诸多争议,但在宇宙形成的初期,它一定以某种形式发生过暴胀现象,这一点是可以确定的。

  回溯宇宙大爆炸:

  “开放宇宙”与“封闭宇宙”

  面对发生在久远的、大约138亿年前的宇宙大爆炸,我们不能只停留在理论分析的层面上。下面就让我们试着一起思考,从实验的角度到底可以回溯倒推出多久以前的宇宙形态。研究者普遍认为,大概在大爆炸的30万年后,温度为2.7开尔文的微波开始在宇宙空间中自由穿梭。此时宇宙的温度约为4000开尔文,此前产生的离子,即H+、D+、3He++和4He++等与电子结合后形成中性原子,所以它们会停止吸收由宇宙高温产生的辐射。因此,通过实验深入研究这种微波就可以推导出宇宙当时的形态。

  研究者据此进行了研究后发现,星系大约是在大爆炸发生的1万年之后开始形成的。由于中微子与光一样,都不与物质粒子发生相互作用,所以它应该可以在宇宙之中自由运动。据推测,中微子现在的温度只有1.9开尔文,这是因为中微子仅与弱力发生作用,因此它与物质的分离速度要比光快得多。观测这种能量极低的宇宙中微子非常困难,如果我们能成功捕获这种中微子,就很有可能迫近大爆炸发生后的第1秒。

  另外,研究者普遍认为,宇宙正是在这一时期发生了某种形式的暴胀。继续向前回溯,当我们来到大爆炸发生后“万亿分之一的万亿分之一的万亿分之一的十亿分之一”

  秒内时,包括引力在内的所有力都由一个统一的理论支配,此时整个宇宙的直径可能在1毫米以下。现阶段的超弦理论能在何种程度上反映这一终极的统一理论,我们又该如何从实验层面验证超弦理论,这是当前物理学界的一大课题。
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  电影《星际穿越》剧照。

  如果宇宙在演化过程中确实经历过暴胀阶段,那么除了我们身处的宇宙之外,还应该存在很多由其他颗粒膨胀形成的宇宙。

  我们耳闻目睹的“宇宙”,也许和无数个我们无法观测到的宇宙一样,只是宇宙的其中之一。

  另外,虽然我们现在正在讨论有关宇宙开端(即离大爆炸较近的时期)的话题,但也不得不思考宇宙的未来。既然物理学的目标是追求对自然现象的终极理解,那么宇宙的未来也是物理学家想要掌握的内容。如果宇宙的整体质量并不是特别大,那么在发生大爆炸后逐渐开始膨胀的宇宙,其膨胀速度很有可能会随着时间的流逝而逐渐降低。由于物质的量不是很大,其产生的引力也不足,所以一旦“远走高飞”的星系在某一时刻停止了远离宇宙中心的运动,引力就无法将其拉回原处。我们将这样的宇宙称为“开放宇宙”。

  与此相反,如果宇宙的整体质量十分巨大,那么这些逐渐离宇宙中心远去的星系,最终很有可能会在强大的引力作用下渐渐降低远离的速度,而且迟早会停下来,之后会再次返回原来的位置,于是宇宙从某一时刻起将从膨胀转向收缩。我们将这种宇宙称为“封闭宇宙”。

  区分以上两种情况的分水岭是具有特殊意义的宇宙质量。其实,要想对宇宙暴胀进行预测,宇宙就必须具有这一特殊的质量。如果宇宙从膨胀状态转为收缩状态时人类还在生存繁衍,那时我们的子孙后代会构建怎样的物理学体系呢?我只是这样想想就觉得非常有趣。