程鹗
宇宙膨胀背后的故事(十六):于最细微处见浩瀚宇宙 精选
2019-8-21 07:52
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1977年,温伯格在美国出版了一本面向大众的科普书《最初三分钟》(The First Three Minutes),主要介绍宇宙在大爆炸后随即发生的一系列场景。这个引人入胜的标题——书中内容其实并不仅限于那“三分钟”——和新奇、详实的科学内涵吸引了大量读者,成为影响广泛的畅销书。

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温伯格所著《最初三分钟》封面设计。

宇宙微波背景的发现又过去了12年,大爆炸这个奇葩的想法不仅在科学界得到广泛认可,成为作为该书副标题的“宇宙起源的现代观点”(A Modern View of the Origin of the Universe),而且也不再是一个简单抽象的猜想,已经发展为有坚实的物理理论,并能够在现实世界中得到验证。

作为“外行”的彭齐亚斯和威尔逊发表他们的微波测量结果时,还曾小心翼翼地避免解释他们数据的含义,把这个不讨好的任务交给同时发表诠释性论文的狄克小组。狄克他们也没有提“大爆炸”,而是采用了普林斯顿同事惠勒(John Wheeler)提议的“原始火球”(primordial fireball)的说法。还是《纽约时报》报道时直截了当,大标题为:“信号暗示一个‘大爆炸’宇宙”。(“Signals Imply a ‘Big Bang’ Universe”)。一年后,皮布尔斯开始采用“大爆炸”这个字眼,意味着他们也终于“归顺”了伽莫夫、阿尔弗的宇宙起源理论。

在类星体上遭受重创的稳定态模型本已在苟延残喘,霍伊尔还是竭尽全力负隅顽抗。直到2000年,他(去世前一年)还出版了一本专著维护稳定态宇宙,批驳天文学界随大流接受大爆炸理论的行径。但他已经沦为孤独的绝响:即使是他的老朋友古尔德、邦德都已经接受了大爆炸学说。(1983年,霍伊尔的合作者、美国天文学家福勒(William Fowler)因发现恒星内部产生重元素的过程获得诺贝尔奖。包括福勒自己在内的很多人认为霍伊尔更应该得这个奖,因为该项工作实属霍伊尔首创。对霍伊尔未能获奖的原因有诸多猜测,是诺贝尔奖争议案例之一。)

微波背景辐射的发现是稳定态模型破产、大爆炸理论胜出的决定性事件。数学家埃尔德什(Paul Erdos)曾感叹:上帝犯了两个错误:一是他用大爆炸的方式创造了宇宙;二是他还留下了微波辐射的证据。

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温伯格既不是天文学家也不是宇宙学家,而是一个研究基本粒子的理论物理学家。他探索的对象因此是物理学中最微观的世界。由他来描述、解释最宏观的宇宙似乎有点风马牛不相及。然而,这也正是1970年代物理学所特有的一道亮丽风景。

因为,在那最初的“三分钟”里,宇宙其实就是一个基本粒子实验室,高能物理学家的乐园。

伽莫夫年仅24岁时用量子力学的隧道效应解释原子核衰变,随后又推算把粒子加速到一定的动能,就可以突破原子核的壁垒。为此,他协助考克饶夫和沃尔顿发明了第一个粒子加速器。从那个加速器犹如健身房器械的管子里出来的质子成功地打开了锂、铍等原子核。

在我们这个适合人类生存的世界里,实验室里产生的粒子不具备太高的速度,因此需要加速才能击碎原子核。如果换一个环境,比如太阳等恒星的内部,因为温度、压力非常高,那里的粒子本身便带有非常大的动能,不需要人为加速就可以持续核反应。加速器便可以在人类世界中模拟恒星内部的环境。

如果把膨胀、冷却的宇宙回溯到最初,那会是一个即使太阳中心也相形见绌的最极端世界,其中的粒子会具备极高的能量。原子核——或任何有内部结构的粒子——都会在不断的碰撞中解体,回归为最原始的“基本粒子”。于是,伽莫夫按照他当时的认识设想最初的“伊伦”只能由中子组成。

考克饶夫和沃尔顿的在剑桥修建的加速器把质子加速到了具备几万“电子伏”的动能(电子伏是一个高能物理常用的能量单位,是一个电子在一个伏特的电压中加速所获得的动能。)。从动能来看,这些质子相当于来自一个温度高达10亿度的世界,远高于太阳的中心,大体相当于大爆炸之后200秒时的宇宙。

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1930年代考克饶夫和沃尔顿设计的粒子加速器。

当爱丁顿绘声绘色地描述他如何在想象中将宇宙的演化“倒带”回放到时间的起点时,他没有想到就在他眼皮底下的几个年轻人所鼓捣着的简陋家伙便在实现这个操作,并且已经接近了宇宙爆炸后的“最初三分钟”。

考克饶夫和沃尔顿的设计很快被美国的劳伦斯(Ernest Lawrence)发明的“回旋加速器”(cyclotron)超越。劳伦斯因此在1939年——比考克饶夫和沃尔顿还早12年——获得诺贝尔奖。回旋加速器具备不需要太大的场地、能源便能够持续加速粒子的优势,在其后几十年中有了飞速的发展。美国布鲁克海文国家实验室在1950年代的回旋加速器就已经可以把粒子加速到30亿电子伏的高能。那相当于是大爆炸之后0.000000003秒、温度为35万亿度的宇宙。

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1950年代美国布鲁克海文国家实验室的回旋加速器(Cosmotron)。

越来越大、能量越来越高的加速器揭示出一个崭新、神秘而丰富多彩的微观世界。五花八门的粒子在不同的能量档次上出现、分解,表现出不同的碰撞、反应机理。这些在最小尺度上的知识、数据的积累正好为大尺度的早期宇宙提供了实在的线索:在某个时期的宇宙中翻天覆地的就应该是某个相应能量的加速器中所看到的粒子和它们的反应过程。

1968年,也就是伽莫夫逝世的那一年,斯坦福大学的直线加速器用高能的电子轰击氢原子核,证实质子并不是原来想象的基本粒子,而是由更基本的“夸克”(quark)组成。中子亦然,因此不可能是能存在于“伊伦”中的原始粒子。

1970年代,包括华裔物理学家丁肇中(Samuel Ting)在内的众多高能物理学家利用大型加速器一层层地揭开了微观世界的奥秘,逐渐形成基本粒子的“标准模型”(Standard Model)。正是在这个模型的基础上,温伯格得以“越界”总结、描述宇宙的早期膨胀、演化过程。

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勒梅特曾经把他的宇宙蛋所在的时间叫做“没有昨天的那一天”(The Day without Yesterday)。在那一刻,爱丁顿的录像带已经倒到了头,不再有更早的过去。我们不知道——也不可能知道——那时的宇宙确切会是什么样子。因为广义相对论在那一刻出现了数学上的“奇点”(singularity),不再具有物理意义。最多,我们只能泛泛地描述宇宙那时没有空间尺寸,处于时间的零点,而温度、压力、密度都是无穷大。

“原始火球”爆炸后,一个有真实物理意义的世界才开始展开。温伯格在他的书中将爱丁顿倒好的录像带一幕一幕地重放:

大爆炸发生0.01秒后,宇宙的温度高达一千亿度。在那样的“炼狱”中,基本上只存在没有或几乎没有质量的光子、中微子、电子以及它们相应的“反粒子”:反中微子和正电子。这时候的宇宙是一个和睦相处的大家庭,所有粒子胶合成一团,不分彼此,处于完全的热平衡状态。也有极少量(十亿分之一)的质子和中子混在其中,它们不停地被众多的轻子轰击而来回互变,中子甚至没机会自己衰变成质子。

0.12秒时,宇宙的温度随着膨胀冷却到约三百亿度。那些可怜的极少数质子、中子被轰击的程度稍微缓和,部分中子得以衰变成质子。原来数目相同的质子、中子数开始出现差异。质子占62%而中子只有38%。

1.1秒时,温度冷却到一百亿度。和睦的大家庭第一次出现分裂:不爱与他人掺和的中微子退了群(decouple)。这些中微子自顾自地弥漫于宇宙空间,不再与其它粒子交往,形成所谓的“宇宙中微子背景”(cosmic neutrino background),延续至今。(遗憾的是,这一背景的存在还只是理论预测。因为中微子几乎完全不与其它物质发生反应,异乎寻常地难以探测。宇宙中微子背景的能量非常低,更是难上加难,至今依然无法找到这个可以验证大爆炸理论的证据。)

13.83秒时,温度冷却到三十亿度。宇宙中的电子和正电子开始大规模互相碰撞而湮灭,转化为光子。也是在这个时候,伽莫夫描述的“中子俘获”的元素制造过程才得以开始,宇宙中第一次出现氢、氦原子核以及它们的几种同位素。

3分零2秒后,温度冷却到十亿度。电子和正电子湮灭后基本消失,宇宙这时充满了光子和中微子,以及越来越多的氢、氦同位素。因为不再有电子、正电子的持续轰击,还未被“俘获”的自由中子也得以大规模衰变成质子。宇宙中质子、中子的比例出现显著差异:86%的质子对14%的中子。在那之后,所有的中子都被俘获、“封闭”在氢、氦原子核中(原子核内的中子寿命非常长,基本上不会自己衰变)。

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温伯格的书名叫做《最初三分钟》。这除了吸引读者眼球外,也因为他觉得宇宙的最初三分钟是最精彩的。那之后宇宙只是惯性地膨胀、冷却,“再没什么有意思的事情发生了”。这个说法也许是出于他对基本粒子物理的情有独钟,但未免夸张。

在最初的狂热过去后,宇宙依然持续地膨胀、冷却着。大爆炸之后五万年左右,宇宙中有质量的粒子开始超越光子、中微子等成为主体力量,引力也开始发挥作用。几十万年之后,宇宙终于冷却到“只有”几千度的“低温”。这时带正电的氢、氦等原子核才能够与带负电的电子持久性的结合,形成稳定、中性的原子。一直与这些带电粒子纠缠不清的光子终于也得以脱身,与那些远古的中微子一样退了群,成为另一道与世无争的宇宙背景。随着宇宙持续的膨胀,这些光子的频率不断地红移,最终会在微波频段被彭齐亚斯和威尔逊意外地发现。

但在地球和地球上的贝尔实验室出现之前,这些光子的频率会先红移到红外线波段。那时整个宇宙不再有可见光,进入所谓“黑暗时代”(Cosmic Dark Age)。(当然,可见光、黑暗这些概念都是以地球人类为主体的描述,而那时候还远远没有人类。)

黑暗时代一直持续到大爆炸二亿年后。这时氢原子在引力作用下形成第一代恒星,内部因压力点燃核聚变而发光、发热。宇宙才再度出现光明。在那之后的几亿年里,宇宙继续膨胀、冷却,恒星聚集成为类星体、星系、超星系等等。恒星内部的核聚变逐级发生后制造出碳、氧、硅、铁等较重的元素,然后在恒星“死亡”之前的超新星爆发中将这些元素抛洒出来。某些恒星坍缩成密度巨大的中子星。它们的碰撞、合并又能制造出铅、金、铂等重金属。

在大爆炸之后大约92亿年,宇宙的某个角落中出现了太阳系。最先出现的是作为恒星的太阳,随后是木星、土星、天王星和海王星,然后才有水星、金星、地球和火星。又过去40多亿年后,地球上出现了人类。他们抬头仰望、低头沉思,从浪漫的想象和原始的敬畏到智慧的认识和逻辑的推理,经过几百年的努力,逐渐发现了宇宙的膨胀、理清了宇宙的来源和头绪。

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温伯格等物理学家所描述的这个图景是一个精确、定量的物理过程。它不仅能预测微波背景辐射,而且还能非常准确地解释今天宇宙中各种元素的由来和比例。另一位也以热心科普著名的物理学家克劳斯(Lawrence Krauss)的裤兜里永远地放着这么一张数据卡片。当他遇到对宇宙来源于大爆炸表示怀疑的人时,便会骄傲地拿出卡片引证,说明大爆炸不是空想臆测,而是一个已经被证实的理论。

然而,也正是在1970年代末,当基本粒子和宇宙起源在物理学中趋近辉煌的顶峰时,一丝不苟的物理学家发现他们的大爆炸理论依然有着显著的缺陷,无法解释宇宙膨胀过程中的几个奇诡、顽固的谜点。


(待续)


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