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宇宙大爆炸后第一秒发生了什么?

2019-11-0708:53:49来源:北京青年报

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书名:《起源:万物大历史》 作者:(美)大卫·克里斯蒂安 孙岳(译) 出版社:中信出版集团·见识城邦 出版时间:2019年4月

内容简介

人类的终极追问中,起源总是一个避不开的问题,几乎所有的人类文化和宗教传统都有自己的起源故事。大历史学派开创者大卫·克里斯蒂安的新作《起源:万物大历史》在人类积累的物理学、天文学、生物学、历史学等等的集体知识的基础上,为全球70亿人重新编织一个基于现代科学的完整的现代版起源故事。这本书抛弃人类中心主义,回归哲学-科学的传统,融通各个学科的新知识,讲述从宇宙大爆炸到地球形成、从生命起源到人类未来的138亿年的万物历史,刷新我们的世界观。

当今最广为人所接受的有关宇宙终极起源的故事是大爆炸学说。大爆炸是现代科学认知的一个基本范式,就像生物学中的自然选择或地质学中的板块构造一样。

有关大爆炸起源说的关键证据直到20世纪60年代方才到位。那时,天文学家首次探测到宇宙微波背景辐射,即大爆炸过后残留的能量,且至今仍散落在宇宙中。宇宙学家们非常努力地试图弄清宇宙最初乍现的那一刻,但他们所能讲述的故事却只能从宇宙开启后的10-43秒左右开始。

故事大概是这样的:宇宙最初就是一个点,体积比原子还要小。那是多小呢?我们人类的心智经进化已经习惯了人类尺度的事物,所以对特别微小的东西理解起来颇有困难,但可以想象一下:仅在这句话后面的句号里就可以容下100个原子。而在大爆炸之时,整个宇宙真的就比原子还要小很多,而其中却蕴含着当今整个宇宙的能量和物质。这一点颇难以想象,所以最初提出时,有人直接说这简直是疯了。但我们目前所掌握的证据都说明,这一奇妙、微小、炽热的奇点在大约138.2亿年前真的存在。

我们还不清楚宇宙大爆炸究竟是如何发生的,而且为何会是这样。但量子物理学及粒子加速器——后者能通过电场或电磁场把亚原子粒子旋转提升到极高的速度——向我们展示了:真实的物质确实能够在真空条件下从虚无中诞生,虽然要领悟这一点需要对虚无有更深刻的把握。根据现代量子物理学,我们根本不可能准确定位亚原子粒子的位置和运动。也就是说,我们根本无法确定某一特定空间处于虚无状态,或者说虚无中有某种张力,充满了无中生有的可能性。如同古印度《吠陀经》颂歌中“无既非有,有亦非有”的断言,这种有无之间的张力似乎确实开启了我们的宇宙。

如今,我们把宇宙最初诞生的时刻称作大爆炸,就像新生儿来到这个世上总要伴随一声啼哭一样。大爆炸一词是英国天文学家弗雷德·霍伊尔1949年杜撰出来的,他之所以这样说也是因为觉得这一观念实在太可笑了。早在20世纪30年代,大爆炸之说尚处于最初酝酿阶段之时,比利时天文学家乔治·勒梅特已将新生的宇宙称作“宇宙蛋”或“原始原子”。显然,当时深谙此道的少数科学家也相信,若是巨大的能量蓄积在原始原子之内,那么这一微小的粒子肯定温度极高,且其膨胀释放压力的速度也必然极快。宇宙膨胀一直持续至今,就好像一根巨大的弹簧持续延展了130多亿年。

宇宙大爆炸后最初的几秒几分钟之内发生了许多事,其中最重要的,是最初结构和格局的成型,以及最初的实体或能量形式和特征,而所有这些都是非随机的。生成具有新特质的存在过程总会显得异常神奇。而在现代起源故事中,这种神奇的过程还会不断呈现。当然了,最初看似神奇的过程慢慢地会变得不那么神奇,因为我们懂得了:凡物都不会是无中生有的。具有新特质的存在不过是既有物质和力量的新颖组合,是新的组合赋予了新的存在以崭新的特性,正如摆放的方式不同会造成新颖的马赛克图案一样。下面举一个化学方面的例证加以说明。我们通常认为氢和氧是无色的气体,但把两个氢原子和一个氧原子以特定的方式组合,就会生成一个水分子。把众多水分子聚拢到一起,就会出现崭新的特性,我们称之为“水”。我们得见一种新形式或新结构且具新特性的存在,事实上只是已有存在物的新颖组合。创新实在是一种涌现的过程。假如我们把涌现当作起源故事中的一个角色,那么这一角色可能会显得鬼鬼祟祟、神秘莫测,说不准某个时候就从黑暗中迸发出来,而整个故事的情节也会因此而变得曲折新颖、扑朔迷离。

宇宙中最初的结构和格局就是这样涌现的,从大爆炸中迸发出的物质和力量以新颖的方式组合到一起。

有证据表明,宇宙大爆炸后最初的一刹那,充盈宇宙的是纯粹、随机、未分化且无形的能量。在此,我们可以把能量视作能够造成事物生发的潜势、用功做事或改变事物的能力。原始原子中的能量大得惊人,温度超过绝对零度数万亿度。此后有一个阶段,宇宙膨胀的速度极快,被称作“暴胀期”。此时宇宙膨胀的速度总体上都是特别快,以至于人类根本无缘得见宇宙中绝大部分的物质和存在。也就是说,我们今日得见的万物可能只是宇宙间全部存在的一个极微小部分。

霎时之后,宇宙膨胀的速度降了下来。一方面,大爆炸引发的能量流趋于稳定;另一方面,宇宙又持续膨胀,结果是能量因分散而变得稀薄。此时的平均温度也开始下降且保持降势,所以我们今日宇宙的大部区域温度只有绝对零度以上的2.76℃。我们人类以及地球上的其他生物没有感觉到严寒难耐,是因为邻近的太阳给我们送来了温暖。

在大爆炸引发的极端温度条件下,几乎存在各种可能性。但伴随温度下降,可能性的幅度变窄。各具特色的实体在宇宙温度趋降的过程中形同鬼魅般凸现,而所有这些在此前大爆炸的熔炉中是不可能出现的。科学家们把这种事物形式和结构的改变称作相变。我们在日常生活中常见这种相变,比如水蒸气失去能量后会变成水,而水还会结成冰。水和冰只能在温度较低的条件下存在。

在宇宙大爆炸10-36秒后的刹那间,能量本身经历了一次相变,并由此一分为四种彼此不同的位态,即我们今日称作引力、电磁力、强核力和弱核力的四种力。我们有必要熟悉这四个不同的角色,因为它们塑造了我们的宇宙。引力相对较弱,但其作用的力臂很长,而且总是把万物向一起拉,所以引力有积聚性。引力作用的结果是宇宙分成了好多块状物。电磁能呈正负两种形态,所以常自相抵消。引力虽弱,但却在大尺度上塑造宇宙;相比之下,电磁力只在化学和生物的层面成为主导,所以是电磁力才让我们有了浑然一体的身体。第三、四种基本力的名字——强核力和弱核力——貌似不大起眼,而且作用力的力臂很短,只在亚原子尺度发生作用。人类不能直接感受到这后两种力,但它们却对世界的方方面面发生作用,因为它们决定原子内部发生的一切。

能量可能还有其他位态。20世纪90年代,科学家在测定宇宙膨胀的速度时发现,宇宙实际上是在加速膨胀。于是,物理学家和天文学家借用了爱因斯坦最初提出的一个想法,主张还存在一种反引力,正是反引力造成了宇宙膨胀的不断加速。而且据说,当今反引力的质量占到了整个宇宙质量的70%。尽管反引力已开始主导整个宇宙,但我们人类对其性质和原理都还一无所知,所以物理学家们称之为暗能量。其实,这个名称只不过是个占位符,因为暂时还找不到更合适的称谓。要留心这一空当,因为弄清暗能量是当代科学界所面临的重大挑战之一。

物质是在宇宙大爆炸后的第一秒内形成的。所谓物质也就是能量推来推去的那种东西。直到一个多世纪以前,科学家和哲学家还认定物质和能量是截然不同的存在呢!现在我们弄清了:其实物质不过是高度压缩的能量的一种存在形式。早在1905年的时候,年轻的阿尔伯特·爱因斯坦就在一篇颇为有名的论文中证明了这一点。这就是著名的质能转换公式,即能量(E)等于质量(m)乘以光速(c)的平方,用符号表示就是E=mc2,我们由此可知单位质量的物质中蕴藏着多么巨大的能量。现在,我们合计一下:一丁点儿的物质究竟蕴藏多少能量。可不是要用物质的质量乘以光速,而是光速的平方啊!这数字可大得不得了,所以哪怕只是给一丁点儿的物质解压缩,就足以获得巨大的能量。氢弹爆炸就是这种为物质解压缩的过程,而早期宇宙大爆炸的过程与此正好相反。大量的能量被压缩成很小的物质,就像海量能量中的点点微尘。我们人类的高超之处,就在于我们学会了在瞬时内重新制造出巨大的能量,地点是日内瓦的大型强子对撞机。那时,无数粒子从能量的海洋中喷薄而出。

而这只是宇宙大爆炸后第一秒发生的事情……

(节选自《起源:万物大历史》,中信出版集团·见识城邦,2019年4月出版)

责任编辑:刘琰(EN004)

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