《平行宇宙》[美]加来道雄-2

然而，伽莫夫通过计算也发现了问题。他的理论对非常轻的元素工作很好。但是，有5个和8个核子与中子的元素极不稳定，因此不能作为“桥梁”产生有更多中子和核子的元素。因为我们的宇宙是由重元素构成的，它们的中子和核子数比5和8要多得多，这就成了一个宇宙之谜。伽莫夫不能将他的理论扩大到超出5个粒子和8个粒子的范围成了一个多年来的棘手的问题，这就注定了他的宇宙中的所有元素都是在大爆炸时产生的说法不能成立。　　微波背景辐射　　在同一时间，另外一个想法吸引了他。如果大爆炸的温度是难以置信的高，也许今天它辐射的热仍在宇宙中回旋。如果是这样，它就给出大爆炸本身的“化石记录”。也许大爆炸是如此之巨大，以至它的余震仍然以均匀的放射性烟雾充满宇宙。　　伽莫夫在1946年提出一个假定：大爆炸有一个超热的中子核。这是一个合理的假定，因为除了电子、质子和中子以外，关于亚原子粒子我们知道的很少。如果他能估计这个中子球的温度，他就能计算它发出的辐射的量和性质。两年后，伽莫夫指出这个超热核心发出的辐射的作用好像“黑体辐射（black body radiation）”。这是由高温物体发出的非常特殊类型的辐射。它吸收所有碰到它的光，以特有的方式发出辐射。例如，太阳、熔岩、火中的热煤、烤炉中的热陶瓷，都发出黄红的光和发射黑体辐射。（黑体辐射是1792年由著名的陶瓷制造家托马斯?韦奇伍德〔Thomas Wedgwood〕首先发现的。他注意到炉中烘焙的原材料，当温度升高时颜色从红变成黄，再变成白。）第九节　　这是非常重要的，因为一旦知道了热体的颜色，就可以大约知道它的温度，反过来也一样。马克斯?奥兰克（Max Olanck）在1900年首次得出联系热体温度和它发出的辐射之间的精确公式，这导致了量子理论的诞生。（事实上，这是科学家确定太阳温度的方法。太阳主要辐射黄色光，相应于大约6 000 K的黑体温度。这样我们就知道了太阳外层大气的温度。类似地，猎户星座中的一等星红巨星参宿四〔Betelgeuse〕表面温度为3 000 K，此黑体温度相当于红色，一块烧红的煤也发出这种颜色的光。）　　伽莫夫在1948年发表的文章首次提出大爆炸的辐射也许有特殊的特性，即黑体辐射。黑体辐射最重要的特点是它的温度。下一步，伽莫夫必须计算此黑体辐射的当前温度。　　伽莫夫的博士生拉尔夫?阿尔法（Ralph Alpher）和另一名学生罗伯特?赫尔曼（Robert Herman）试图完成伽莫夫的温度计算工作。伽莫夫写道：“从宇宙早期外推到现在，我们发现在过去的无数年代中，宇宙已经冷到了大约绝对零度以上5度。”　　1948年，阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）发表了一篇文章，给出大爆炸余晖今天的温度在绝对零度以上5度的详细讨论（他们的估计显著地接近现在所知道的正确温度，绝对零度以上27度）。他们确定这种辐射在微波范围内，它今天应当仍然在环绕宇宙回旋，以均匀的余晖充满宇宙。　　（分析如下：在大爆炸以后的年代里，宇宙的温度是如此之高，每当一个原子形成时，它就会被强大的、随机的与其他亚原子的碰撞撕开。这样，宇宙是不透明的。在这个超热宇宙中传播的光线在跑过一段短距离后就被吸收。因此宇宙看上去是一片云雾。然而，在380 000年之后，温度降到3 000度〔K〕。低于这个温度，原子不再被碰撞撕开。结果稳定的原子可以形成，光线可以传播若干光年而不被吸收。这样，空间开始变得透明了。这个辐射不再在它产生以后就被吸收，而是今天仍在环绕宇宙回旋。）　　当阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）向伽莫夫说明他们最终计算出的宇宙的温度时，伽莫夫失望了。这个温度太低了，测量这个温度将会极其困难。经过一年的时间，伽莫夫才最终同意他们计算的细节是正确的。但是他对能够测量这样微弱的辐射场感到绝望。回到20世纪40年代，没有可用的仪器测量这样微弱的回响。（在后来的计算中，伽莫夫利用不正确的假定将辐射的温度提高到50度〔K〕。）　　他们举办一系列讲座发表他们的工作。但不幸的是，他们的预言结果被忽略了。阿尔法（Alpher）说：“我们花费了许多精力讲解我们的工作。没有人在意，没有人说它可能测量，从1948年到1955年一直这样，我们最后放弃了。”　　伽莫夫大无畏地出版书、发表演讲，成为第一位推出大爆炸理论的人。但是他也碰到了他的对手的激烈反对。当伽莫夫用他顽皮的笑话和妙语迷住他的听众时，他的对手则用他的智慧和敢做敢为的勇气吸引听众。　　弗雷德?霍伊尔，反对者　　微波背景辐射给了我们大爆炸的“第二个证据”。但是弗雷德?霍伊尔（Fred Hoyle）坚决反对通过核合成提供的大爆炸的第三个重要证据。他几乎用了他毕生的精力试图驳斥大爆炸理论。　　霍伊尔（Hoyle）是一位学术怪人的化身，一位有才气的反对派，好斗，敢于挑战常规的至理名言。哈勃喜欢效仿牛津先生的怪癖，显得雍容华贵；伽莫夫则喜欢讲笑话、博学，能够用他的妙语、五行打油诗和恶作剧让他的听众眼花缭乱；而霍伊尔则看上去很奇怪，在剑桥大学古老的大厅里显得不合时宜，纯粹是一个艾萨克?牛顿的鬼魂。　　霍伊尔（Hoyle）1915年生于英国北部一个以羊毛工业为主的地区，是一个小纺织商的儿子。霍伊尔小时候喜欢科学，那时候收音机刚刚进村。他回忆到：20到30个人急切地在他们的房间里装上无线电接收机。后来，他的父母作为礼物给了他一架望远镜，这成了他生活的转折点。　　霍伊尔的好斗性格从童年就开始了。在3岁时他就掌握了乘法表，然后他的老师要他学罗马数字。他轻蔑地回忆道：“有哪个孩子会这么愚蠢不写8，而写 Ⅷ 呢？”当有人告诉他法律要求他进学校时，他写道：“我很不愉快地得出结论，我生来就要进入一个叫做‘法律’的怪物主宰的世界，它既强大又愚蠢。”　　有一次，他和另一位教师发生争吵就更加强了他对权威的蔑视。一位女教师在班上对学生说：一种特别的花有5个花瓣。为了证明教师错了，他将有6个花瓣的花搬进教室。对这种放肆无礼的反抗行为，这位女老师狠狠地在他的左耳处打了一个耳光。（霍伊尔的左耳后来变聋了。）　　稳恒态理论　　在20世纪40年代，霍伊尔不迷恋大爆炸理论。这个理论的一个过失是哈勃没有考虑星光被尘云遮盖降低了亮度，因此错误计算宇宙的年龄为18亿年。地质学者声称地球和太阳系的年龄大约为几十亿年。宇宙的年龄怎么能比它的行星年轻呢？　　霍伊尔和他的同事托马斯?戈尔德（Thomas Gold）和赫尔曼?邦迪（Hermann Bondi）一起开始建立与此相反的理论。据说他们的稳恒态理论（steady state theory）是受到1945年由迈克尔?雷德格雷夫（Michael Redgrave）主演的叫做《夜晚的死者》（Dead of Night）这部鬼片所启发的。这部影片由一系列鬼的故事组成，但是在影片的结尾有一个难忘的转折：影片的结尾就像开始一样。因此这部影片是循环的，无止无尽。这部影片启发他们三人提出一个宇宙也是无始无终的理论。（戈尔德〔Gold〕后来澄清了这个传说。他回忆道：“我想我们几个月前看了那部影片，后来我提出稳恒态理论，我对他们说：‘是不是有点像夜晚的死者呀？’”）　　在这个模型中，宇宙的各个部分事实上在膨胀，但是新的物质不断地从无产生，因此宇宙的密度保持不变。尽管这个模型不能给出物质怎样神秘地从无到有的详细描述，然而，这个理论立刻吸引了一群反对大爆炸理论的忠实支持者。对霍伊尔来说，在某个地方发生火灾，从而将星系以飞快的速度送往各个方向的说法是不合逻辑的。他倾向于物质是从无中慢慢地创造出来的。换句话说，宇宙是永恒的，是无始无终的。　　（稳恒态理论和大爆炸理论之争，就像地质学和其他科学之争一样。在地质学中，有持久的均变论和灾变论之争。〔均变论认为地球是在过去逐渐变化中形成的，灾变论认为变化是通过剧烈的事件发生的。〕尽管均变论解释了很多地球地质的和生态的特点，但没有人否定彗星和流星曾经对生物的大量灭绝产生过影响，以及由于构造漂移所产生的大陆破碎和移动的影响。）　　BBC讲演　　霍伊尔绝不回避论战。1949年，BBC广播公司邀请霍伊尔和伽莫夫就宇宙起源问题进行辩论。在BBC广播期间他猛烈攻击对方的理论，做了影响历史进程的大事。他击中要害地说：“这些理论（指伽莫夫的理论）是根据宇宙的所有物质都是在遥远过去一个特定的时间在一次大爆炸中产生出来的。”这个理论现在被它的最大的反对者正式命名为“大爆炸”。（霍伊尔后来声称，他不打算贬低它。他承认说：“我找不到办法创造一个短语来贬低它，我创造这个短语是为了吸引人。”）　　（多年以来，大爆炸的支持者极力想改变这个名字。他们不满意这个名字，嫌这个名字太普通，含义粗俗，而且是由它的最大的反对者杜撰的。纯化论者尤其不满意，因为事实上它是不正确的。第一，大爆炸不大，它是从比原子小得多的某种类型的微小奇异性中产生的。第二，没有爆炸声，因为在外层空间没有空气。1993年8月，《天空和望远镜》杂志发起一次重新命名大爆炸理论的竞赛。此竞赛得到13 000个题目，但是裁判找不到比原来更好的叫法。）　　确定霍伊尔在整整一代人中的名望的，是他的著名的有关科学的BBC系列讲座。20世纪50年代，BBC计划在每星期六晚举办科学讲座。原来邀请的客人取消了，BBC制作人被迫找人代替。他们与霍伊尔联系，他同意上场。然后，他们校核他的文件，看到一个便条上说：“不要用这个人。”　　幸亏他们没有理睬前一制作人的可怕的警告，他向世界作了5次迷人的讲座。这些经典的BBC广播令国人着迷，特别启发了下一代天文学家。天文学家华莱士?萨金特（Wallace Sargent）回忆这些广播对他产生的影响：“当我15岁的时候，我听了弗雷德?霍伊尔在BBC举办的题目为‘宇宙的本性’的讲座［3］。我们能知道太阳中心的温度和密度这个想法着实让我吃惊。在15岁的年纪，这些事情似乎是超出了知识的范围。不只是数字惊人，我们能知道它也让人不可思议。”　　星星中的核合成　　霍伊尔不愿意坐在扶手椅上空想，开始行动测试他的稳恒定状态理论。他认为宇宙元素不是像伽莫夫所相信的那样是在大爆炸中烹调出来的，而是在星星的中心产生的。如果100多种化学元素是由星星的高温产生的，那么就根本没有大爆炸的必要。　　霍伊尔和他的同事在20世纪40年代和50年代发表了一系列的文章，详细地展示了在星星核心内部的核反应，而不是大爆炸，能够将更多更多的质子和中子加入到氢和氦的核子中，直至产生所有的重元素，至少到铁为止。（霍伊尔和他的同事解决了难住伽莫夫的怎样产生超过原子质量数为5的元素的秘密。在天才的一闪念之间，霍伊尔认识到如果有一个原来没有注意的从3个氦核子产生的不稳定形式的碳，它持续的时间刚好够长，就可以成为产生较重元素的“桥梁”。在星星的核心，这个新的不稳定形式的碳持续的时间也许刚好够长，通过不断增加更多的中子和质子，就可以产生出超过原子质量数5和8的元素。当这个不稳定形式的碳被实际发现时，就会辉煌地证明核合成可以在星星内部发生，而不是通过大爆炸发生。霍伊尔甚至编制了大型计算程序，从这些原理出发确定我们在自然界看到的元素的相对富有程度。）　　但是，即便是星星的高温也不足以“烹调”超出铁的元素，如铜、镍、锌、铀等。（由于各种原因，通过熔化超出铁的元素来吸取能量是极其困难的，包括核子中质子相互排斥和缺乏结合能。）对于这些重元素，需要一个更大的熔炉，即大质量星星或超新星的爆炸。当巨星剧烈地崩溃时，在它最终死亡的剧痛中可以得到几亿度的高温，就有足够的能量“烹饪”超出铁的元素。这意味着超出铁的元素只能从爆炸星星或超新星的大气中抛出来。　　1957年，霍伊尔、玛格丽特（Margaret）、杰费里?伯比奇（Geoffrey Burbidge）和威廉?福勒（William Fowler）发表了仿照伽莫夫一贯有之的典型的方式，甚至杜撰出下面一段用圣经风格写出的话。一篇大概是最有权威性的著作，详细描述了建造宇宙元素和预计它们的已知富有程度所需要的精确步骤。他们论据的精确性是如此之强大和令人信服，甚至伽莫夫也不得不承认霍伊尔给出了核合成的最引人注目的描述。　　“当上帝创造元素的时候，在计算的激动中他忘了需要质量数为5的元素，因此重元素不能形成。第十节　　上帝非常失望，想先与宇宙联系，全都重新开始。　　但这样做就太简单了。　　于是，全能的上帝决定以最不可能的方式纠正他的错误。　　上帝说：‘让霍伊尔出来吧。’霍伊尔就出来了。　　上帝看着霍伊尔……让他用他喜欢的方式制造重元素。　　霍伊尔决定在星星中制造重元素，并通过新星爆炸把它们散布到四周。”　　反对稳恒态理论的证据　　然而，在过去十年间，不利于稳恒态宇宙的证据越来越多。霍伊尔发现在辩论中不能取胜。在他的理论中，因为宇宙不演变，只是不断创造新的物质，所以早期的宇宙看上去应很像今天的宇宙。今天看到的星系应当很像几十亿年前的星系。如果有迹象表明在几十亿年的进程中有巨大的演变性变化，稳恒态理论就会遭到驳斥。　　20世纪60年代，在外层空间发现一个叫做“类星体”的极其强大的神秘的源，或叫做准恒星体。（这个名字是这样容易让人记住，因此一种电视机以它命名。）类星体产生巨大的能量，有着显著的红色偏移，这意味着它们在可见宇宙的边缘，在宇宙很年轻时它照亮天空。（今天，天文学家相信这些是靠巨大黑洞能量驱动的巨大的年轻星系。）然而，我们今天看不到任何类星体的迹象。但是根据稳恒态理论今天也应该有类星体存在。但是经过几十亿年它们消失了。　　霍伊尔理论还有另一个问题。科学家认识到，宇宙中有太多的氦与霍伊尔的稳恒态宇宙预计的不符。氦是一种熟悉的、在小孩子的气球和小型飞船中可以发现的气体，实际上它在地球上是很稀少的，而在宇宙中它是仅次于氢的第二个最丰富的元素。事实上，因为它在地球上是如此之少，所以它是首先在太阳上发现的，而不是在地球上发现的。（1868年，科学家分析了从太阳发出的透过棱镜的光线。被检测的太阳光分解成通常的彩虹和谱线，但是科学家也检测到由以前不知道的神秘元素引起的微弱的谱线。科学家错误地认为它是金属，他们将这个神秘的金属命名为“氦”，希腊单词的意思是“太阳”。最后于1895年在地球的铀矿中发现了氦，科学家尴尬地发现它是气体，不是金属。因此，首次在太阳上发现的氦在取名时用词不当。）　　如果原始的氦是像霍伊尔相信的那样主要在星星中产生的，那么它应该很少，并且应该在星星的内核附近发现它。但是所有天文学数据说明，实际上氦是很丰富的，构成宇宙原子质量的25%。而且发现，它在宇宙间是均匀分布的，如伽莫夫相信的那样。　　今天，我们知道有关核合成，伽莫夫和霍伊尔都有对的地方。伽莫夫原来想所有元素是大爆炸的原子尘埃或灰烬。但是这个理论在处理5个粒子和8个粒子时失败了。霍伊尔想抛开大爆炸理论，证明是星星制造了所有的元素，根本不需要乞求大爆炸。但是这个理论不能解释我们现在知道的在宇宙中存在大量的氦。　　伽莫夫和霍伊尔从本质上给了我们值得称赞的核合成的描述。5个粒子和8个粒子以前的非常轻的元素的确是大爆炸产生的，像伽莫夫相信的那样。今天，作为物理学的发现结果，我们知道大爆炸确实产生了大多数的我们在自然界看到的氦，氦3、氦4和氦7。但是铁以前的重元素是在星星的核心产生的，像霍伊尔想象的那样。如果我们再加上由超新星高温抛出的铁以外的元素（如铜、锌和金），我们就有了解释宇宙中所有元素相对含量的完整的描述。（任何现代宇宙学的各种理论都有一个艰难的任务：解释宇宙中100多种元素和它们的种种同位素的相对含量。）　　星星的诞生　　这个关于核合成的激烈争论带来一个副产品，它给了我们星星生命循环的相当完整的描述。一个典型的星星，如我们的太阳的生命是从一个叫做“原恒星”的大的弥散氢气球开始的，在重力的作用下逐渐收缩。当它开始收缩时，它开始迅速旋转（通常导致双星系统的形成，两颗星在圆形的轨道上互相追赶，或在星星的旋转平面形成行星）。星星核心的温度急剧上升，达到将近1 000万度（K）或以上，这时氢熔合成氦。　　在星星点燃之后，它被叫做“主序列星”，可以燃烧大约100亿年，它的内核缓慢地从氢变成氦。我们的太阳当前处在这个过程的中途。在氢燃烧完后，星星开始燃烧氦，并且它的尺寸膨胀得很大达到火星的轨道，变成“红巨星”。在内核中的氦燃料耗尽之后，星星的外层消散，留下内核本身，成为地球大小的“白矮星”。在白矮星中，可以产生元素周期表上铁以前的较轻元素。像我们太阳这样较小的星将在空间中死亡，成为矮星中的熄灭了的核材料。　　但是，如果巨星的质量比我们的太阳大10倍到40倍，熔合过程将进行得更加迅速。当巨星变成红巨星时，它的内核迅速熔合较轻的元素，成为一颗混合的星，在红巨星的内部是一颗白矮星。当熔合进程达到产生铁元素的阶段，从熔合过程中再也提取不出能量。结果经过几十亿年后核炉将最终关闭。在这时，星星将突然收缩，产生巨大的压力将电子压向原子核。（密度可以超过水的密度的4 000亿倍。）使温度上升到万亿度。将它压缩成这样小的物体的重力能向外爆炸形成新星。这个过程所产生的巨大热量再一次引起熔合，合成在元素周期表上超出铁的元素。　　例如，可以很容易在猎户星座看到的红巨星是不稳定的，随时可能爆炸成为超新星，放出大量的伽马射线和X射线到周围的空间。当这种情况发生时，就可以在白天看到这颗超新星，在夜晚它的亮度将超过月亮。（曾经有人设想，超新星释放的巨大能量毁灭了6 500万年前的恐龙。事实上，如果一颗超新星离开我们的距离为50光年，它一旦爆炸将结束地球上的所有生命。幸运的是，角宿星座的一颗巨星角宿〔Spica〕和猎户星座的一颗巨星参宿四〔Betelgeuse〕分别离开我们260光年和430光年。因为离得太远，当它们爆炸时不会对地球引起严重的损伤。但有些科学家相信：200万年前一小部分海洋生物的灭绝，是由离开我们120光年的一颗超新星的爆炸引起的。）　　这也意味着我们的太阳不是地球真正的“母亲”。尽管地球上很多人把太阳崇拜为神，说它诞生了地球，这只是部分正确的。尽管地球原来是从太阳产生的（作为45亿年前在黄道平面上围绕太阳的旋转的碎片和尘埃的一部分），但我们的太阳的热量不够大，只够将氢熔合成氦。这意味着我们真正的太阳“母亲”实际上是一颗不知名的星或星集，它是一颗在几十亿年前就死亡了的超新星，在它的周围播下了有着构成地球的超出铁的重元素的星系。精确地讲，我们的地球是几十亿年前消亡的星星的星尘构成的。　　超新星爆炸的结果形成一个小的叫做中子星的残骸，由压缩成曼哈顿岛那样大小，尺寸只有20英里（3219千米）的固体核物质组成。（中子星是瑞士天文学家费里茨?兹维基〔Fritz Zwicky〕于1933年首先预测到的，因为看起来太神奇了，被科学家忽略了几十年。）因为中子星不规则地放出射线，并且快速地旋转。从地球上看去，中子星在脉动，因此叫做脉冲星。　　大约比40个太阳质量还大的极大的星，最终经历超新星爆炸后可能留下一个比太阳质量大3倍的中子星。这颗中子星的重力是如此之大，以至能够抵消中子之间的排斥力，这颗星将最终收缩形成大概是宇宙中最奇怪的物体，即黑洞，我们在第5章将讨论它。　　鸟屎和大爆炸　　阿尔诺?彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特?威尔逊（Robert Wilson）在1965年发现了稳恒态理论最关键的问题。他们在新泽西州装备有霍尔姆德尔?霍恩（Holmdell Horn）射电望远镜的20英尺（61米）高的贝尔实验室工作，在他们从天空寻找无线电信号时，他们检测到不想要的静电噪音。他们想这可能是一个异常，因为这些噪音均匀地来自各个方向，而不是来自一颗星或一个星系。他们想这些静电噪音可能是尘土和碎片造成的，于是他们仔细清除罩在射电望远镜开口处的一层白色涂层，彭齐亚斯（Penzias）把它称做“一层介质材料的白色涂层”（通常叫做鸟屎），结果静电噪音似乎更强了。尽管他们还没有认识到，他们偶然发现了1948年伽莫夫小组预计的微波背景辐射。　　现在宇宙学的历史读起来有点像吉斯通的无声喜剧片，有三个小组在探索答案，而彼此不知道别人在做什么。一方面，伽莫夫、阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）于1948年奠定了理论，预计了微波背景辐射的存在，他们预计微波背景辐射的温度在绝对零度以上5度，因为那时的仪器的灵敏度不能检测到它，他们放弃了测量空间微波辐射的希望。在1965年，彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）发现了这个黑体辐射，但却不知道它是黑体辐射。同时，由普林斯顿大学罗伯特?迪克（Robert Dicke）领导的第三组独立地重新发现了伽莫夫的理论并积极寻找背景辐射，但是他们的仪器太原始了，所以没有找到。　　天文学家伯纳德?伯克（Bernard Burke）是他们的共同朋友，当他告诉彭齐亚斯（Penzias）有关罗伯特?迪克（Robert Dicke）的工作时，这个可笑的情形结束了。两个小组后来互相联系，显然彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）已检测到大爆炸本身发出的信号。由于这一重大的发现，彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）1978年得了诺贝尔奖。　　事后才知道，霍伊尔和伽莫夫这两位持相反观点的最著名的对手，曾于1956年在一辆凯迪拉克轿车中，有过一次也许能改变宇宙学命运的至关重要的会见。霍伊尔回忆道：“我记得乔治（George）开一辆白色凯迪拉克带我在四周转。”伽莫夫向霍伊尔重复他的信念，大爆炸留下的余晖甚至到今天还能看到。然而，伽莫夫的最新数字将余晖的温度确定为绝对温度50度。然后，霍伊尔令人吃惊地向伽莫夫指出，他知道安德鲁?麦凯勒（Andrew McKeller）在1941年写的一篇晦涩的文章，该文指出外层空间的温度不可能超过绝对温度3度。超过这个温度就会发生新的化学反应，在外层空间就会产生更多的碳氢（CH）和碳氮（CN）基。通过测量这些化合物的存在，就可以确定外层空间的温度。事实上，他发现他检测到的空间CN分子的密度，说明外层空间温度大约为绝对温度23度。换句话说，伽莫夫不知道绝对温度为27度的背景辐射在1941年已经间接地测量到了。　　霍伊尔回忆说：“不管是因为凯迪拉克轿车太舒适了，还是因为乔治（George）想要绝对温度高于3 度（K），而我想要温度为绝对零度，我们错过了9年之后由阿尔诺?彭齐亚斯（Arno Penzias）和鲍勃?威尔逊（Bob Wilson）所做出的发现的机会。”如果伽莫夫小组的数值没有计算错而得出的是较低的温度，或如果霍伊尔对大爆炸理论不是这么敌对，也许历史就要改写了。第十一节　　大爆炸的余震　　彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）检测到微波背景辐射的这一发现，对伽莫夫和霍伊尔的生涯产生了决定性的影响。对霍伊尔来说，彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）的工作是一个至关重要的实验。最后，霍伊尔在1965年的《自然》杂志上正式承认失败，引用微波背景辐射和在太空中富有氦作为放弃他的稳恒态理论的理由。但是真正扰乱他的是稳恒态理论失去了它的预测能力，他说：“人们广泛相信微波背景辐射扼杀了‘稳恒态’宇宙学，但是真正扼杀稳恒态理论的是心理状态……在微波背景辐射中有一个重要的现象没有预计到……很多年来，它使我感到无能为力。”（霍伊尔后来试图修改他的理论，但每次修改后的理论变得越来越似是而非。）　　不幸的是，有关优先权的问题（是谁首先发现微波背景辐射？）使伽莫夫尝到苦果。从字里行间我们可以看到伽莫夫一点也不高兴他的工作和阿尔法（Alpher）及赫尔曼（Herman）的工作很少被人提起。他一直对人很有礼貌，他把这些不快深深埋藏在心里，但是在他写给别人的私人信件中，他说物理学家和历史学家完全忽略了他们的工作是不公正的。　　尽管彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）的工作对稳恒态理论是一个巨大的冲击，并帮助将大爆炸理论放在了坚实的实验基础上，但是在我们理解膨胀宇宙的结构问题上仍有巨大的缺口。例如，在弗里德曼（Friedmann）的宇宙中，要理解宇宙的演变，我们必须知道宇宙物质平均分布的奥米伽值。然而，当我们认识到宇宙的大部分不是由熟悉的原子和分子，而是由重量比普通物质大10倍的叫做“暗物质”的奇怪的新物质组成时，奥米伽值的确定就成了一个大问题。在这个领域的领袖人物也没有被天文学界的其他人认真对待。　　奥米伽和暗物质　　暗物质的故事大概是宇宙学中最奇怪的一章。回到20世纪30年代，加利福尼亚工学院的瑞士天文学家费里茨?兹维基（Fritz Zwicky）注意到，后发座星系团的星系运动不遵照牛顿重力定律。他发现，这些星系运动得太快，根据牛顿运动定律它们应当飞离开来，星群应当解散。他想，能让后发星座星系群聚在一起而不是飞离的唯一办法，是星群的质量要比望远镜看到的大几百倍。要么是牛顿定律在极大的距离时多少有些不正确，要么是在后发星座星系群中有巨大的看不见的物质将它们聚集在一起。　　这是在历史上第一次指出，关于宇宙中物质的分布的有些事情是完全错了。不幸的是，由于以下几个理由，天文学家一致拒绝或忽略了兹维基（Zwicky）的先驱工作。　　第一，天文学家不愿意相信几个世纪以来占统治地位的牛顿重力理论会可能出错。在天文学中有过这样的处理危机的先例。19世纪，在分析天王星的轨道时发现它有些摆动，即它少许偏离了牛顿方程的预计。这样要么是牛顿错了，要么有一颗新的行星的重力在吸引天王星。后者的说明是正确的，1846年按照牛顿定律预计的位置在几个小时之内发现了海王星。　　第二，有一个兹维基（Zwicky）的个性和一个天文学家如何对待“外人”的问题。兹维基（Zwicky）是一位空想家，在他的一生中常常被嘲笑或忽视。1933年，他和沃尔特?巴德（Walter Baade）一起杜撰了“超新星”这个词，并正确地预计到直径大约14英里（2253千米）的小中子星将是一颗爆炸星星的最终的残迹。这个想法太怪了，以至在1934年1月19日《洛杉矶时报》的漫画中受到嘲笑。有一小组顽固的天文学家使他非常愤怒，他认为他们排斥他、不承认他、偷窃他的思想，用直径100到200英寸的望远镜来放大诋毁他。（在他1974年死前不久，他自己出版了一个星系的目录。目录开头的标题是：“提醒美国天文学的主教和献媚者。”这篇论文尖锐地批评那些所谓的天文学精英的排外做法，将像他这样的持不同意见者排斥在外。他写道：“今天的献媚者和彻头彻尾的小偷，特别是在美国的天文学界，似乎是肆无忌惮地盗窃持不同意见者和非遵逢者的发现和发明。”他把这些人叫做“天体私生子”，因为“无论你怎么看，他们都是私生子”。当为中子星的发现而颁发的诺贝尔奖忽略了他而授予别人时，他感到非常愤怒。）［4］　　1962年，天文学家维拉?鲁宾（Vera Rubin）再次发现这个奇怪的银河运动的问题。她研究了银河系的旋转，发现了同样的问题。她也受到类似的天文学界的轻视。通常，行星离太阳越远它跑得越慢，离得越近它跑得越快。这就是为什么水星以速度之神命名的原因，它离开太阳最近跑得最快。为什么冥王星的速度比水星慢10倍呢？因为它离开太阳最远。然而，当维拉?鲁宾（Vera Rubin）分析我们星系中的蓝星时，她发现这些星星以同样的速率绕星系旋转，不管它们离开星系中心有多远（叫做平直的旋转曲线），因此违背了牛顿力学的概念。事实上，她发现银河系旋转得如此之快，按理应该飞出去。但是大约100亿年来，这个星系十分稳定。为什么旋转曲线是平的成了一个秘密。为保持这个星系不分解，它必须比当前科学家想象的重10倍。显然，银河系90%的质量丢失了！　　维拉?鲁宾（Vera Rubin）被忽视了，部分原因是她是一位妇女。她有些痛苦地回忆到，当她申请去斯沃斯莫尔（Swarthmore）学院读科学专业，并礼貌地告诉招生负责人说她喜欢绘画时，会见者说：“你有没有考虑过绘制天体美景这个职业呢？”她回忆说：“这句话成了我们家的一句时髦用语，不管什么事情、什么人错了，我们都会说你有没有考虑过绘制天体美景这个职业呢？”　　当她告诉她的高中物理老师她被接受去瓦瑟（Vassar）读书时，他回答：“只要你不沾科学的边，就不会有什么问题。”（她后来回忆道：“对待这样的事情，需要自尊才不至于被压垮。”）　　毕业后，她申请并被接受去哈佛大学，但她没有去，因为她和一位化学家结婚了，跟她丈夫去了科内尔（Cornell）。（她得到哈佛大学的一封回信，信底有一行手写的话：“该死的妇女！每当我得到一位好的学生，一切都准备好后，她又跑了、结婚了。”）近来，她参加了在日本召开的一次天文学会议，她是与会的唯一妇女。她承认：“很长一段时间以来，我一讲这些故事就不得不哭，因为在一整代人中，可怕的命运没有改变。”　　然而，在她的仔细工作和其他人的工作的影响下，天文学界开始相信丢失质量问题。到1978年为止，鲁宾（Rubin）和她的同事考察了11个螺旋星系。这些星系都旋转得太快，根据牛顿定律不能聚在一起。同一年，荷兰射电天文学家艾伯特?博斯马（Albert Bosma）发表了迄今为止最完整的几十个螺旋星系的分析。几乎所有这些星系呈现同样的反常行为。这似乎最终使天文学界信服暗物质的确存在。　　对这个令人烦恼的问题的最简单的解释方法，是假定这些星系被不可见的光环包围，光环所包含的物质比星星本身大10倍。自那时以来，已开发出更完善的测量这些不可见物质存在的手段。给人印象最深的办法是测量光线通过这些不可见物质发生的扭曲。像你的眼睛的镜片一样，暗物质也能使光线弯曲。（因为它的巨大质量和由此产生的巨大重力。）近来，通过用计算机仔细分析哈勃空间望远镜的照片，科学家能够构造整个宇宙暗物质分布图。　　科学家一直在热烈地探讨暗物质是由什么构成的。有些科学家认为暗物质也许是由普通物质构成的，不同的是它非常暗淡（即由几乎不可见的褐色矮星、中子星、黑洞组成）。这样的物体由“重物质”集合在一起，即由熟悉的重子（如中子和质子）构成。这些物体全都叫做MACHOs（重的紧凑的光环物体的缩写，Massive Compact Halo Objects）。　　另一些人认为，可能暗物质是由非常热的非重子物质，如中微子（叫做热的暗物质）构成。然而，中微子运动太快，不能解释在自然界看见的大量暗物质和星系。还有一些人认为，暗物质是由完全新型的叫做“冷暗物质”，或弱相互作用重粒子（WIMPS，weakly interacting massive particles）构成的，它们是解释大多数暗物质的主要候选人。　　COBE卫星　　利用自伽利略以来天文学广泛应用的普通望远镜，我们不可能解决暗物质的秘密。天文学已经进展到可以利用标准的固定在地面上的光学仪器。然而，在20世纪90年代，出现了新一代利用卫星技术、激光和计算机的天文仪器，完全改变了宇宙学的面貌。　　这些收获的第一批成果之一是1989年11月发射的COBE（宇宙背景探测者，Cosmic Background Explorer）卫星。彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）的原始工作证实了有不少数据与大爆炸理论一致，而COBE卫星则能够测量大量的数据，它们精确地符合伽莫夫和他的同事在1948年所做的黑体辐射的预测。　　1990年，在美国天文学会的一次会议上，当代表们看到视图上显示的COBE结果时，在场的1 500名科学家突然爆发出雷鸣般的经久不息的掌声，几乎是全体一致地同意温度为2728度（K）的微波背景辐射确实存在。　　普林斯顿大学的天文学家耶利米?P奥斯特里克（Jeremiah POstriker）评论说：“当在岩石中发现化石时，它使生物种类的起源一目了然。很好，COBE发现了（宇宙的）化石。”　　然而，从COBE得出的视图十分模糊。例如，科学家想要分析“热点”，或宇宙背景辐射的波动，此波动在整个天空中应该大约为1度（K）。但是COBE的仪器检测的波动为7度或比7度还多，因此其灵敏度不能检测这些小的波动。科学家被迫等待预计将于世纪之交过后发射的WMAP卫星的结果，他们希望这颗卫星能够解决诸多这样的问题和秘密。　　第4章膨胀和平行宇宙　　从无不能生无。　　——卢克莱修（Lucretius）　　我假定我们的宇宙是在大约1010 年前从无产生的……我提出一个谨慎的建议，我们的宇宙只是有时发生的那些事件之一。　　——爱德华?特赖恩（Edward Tryon）　　宇宙是一顿最终的免费午餐。　　——艾伦?古思（Alan Guth）　　在玻尔?安德森（Poul Anderson）写的一部经典科幻小说《τ零度》（Tau Zero）中，一艘叫做利奥诺拉?克里斯廷（Leonora Christine）的星际飞船升空，使命是飞往附近的星星。它乘载有50人，当它驶往一个新的星系时，它达到的速度接近光速。更重要的是，这艘飞船用了狭义相对论原理，当它飞得更快时飞船里面的时间减慢。因此，从地球上看上去，飞往附近的星需要几十年，但是对宇航员来说仅需飞行几年。对一位在地球上用望远镜瞭望宇航员的观察者看来，似乎飞船里宇航员的时间冻结了，因此他们好像处在一幅暂停的动画中。但是对飞船里的宇航员来说，时间的进程照常。当这艘飞船减速登上一个新的世界时，他们发现他们仅在几年中就驶过了30光年。第十二节　　这艘飞船的发动机是一个奇迹，它是一台冲压式喷气核聚变发动机，从深层空间提取氢，然后在这台发动机中燃烧产生无限的能量。它飞行得如此之快，以至宇航员甚至可以看到光线的多普勒偏移，在飞船前面星星看上去是蓝色的，而飞船后面的星星看上去是红色的。　　然后灾难发生了。离开地球大约10光年后，当它穿过一片星际尘云时，飞船经受了动荡，它的减速机构永久地失灵了。惊恐的宇航员发现他们被困在飞跑的星船上，速度越来越快，接近了光速。他们绝望地看到失去控制的飞船在大约几分钟的时间内飞过了整个星系。在一年之内，这艘飞船穿过半个银河系。当它加速失去控制时，它在大约几个月的时间飞速通过星系，这时地球已过了几百万年。很快，飞行的速度接近光速，τ零度显现，他们看到了戏剧性的场面，宇宙在他们的面前开始变老。　　最后，他们看到了宇宙的原始膨胀在逆转，宇宙开始收缩，温度开始急剧升高，他们认识到他们正走向大火海。宇航员们默默地祈祷，这时温度像火箭一样上升，星系开始熔合，在他们面前形成一个宇宙的原始的原子。看上去被火葬已不可避免。　　他们唯一的希望是宇宙物质将收缩到一个有限密度的有限区域，以巨大速度飞行的飞船也许能迅速地滑过这片区域。奇迹发生了，当他们飞过原始原子的时候，他们的屏蔽系统保护了他们。他们看到了一个新宇宙的诞生。当宇宙重新膨胀时，他们敬畏地看到新的星和星系在他们的眼前产生。他们修好了飞船，仔细地绘制航线，飞往一个足够老的、由较重元素构成的、使生命有可能存在的星系。最终，他们在一颗能够孕育生命的行星上着陆，在这个行星上开辟一块殖民地，重新开始人类的生活。　　这个故事写在1967年，这时天文学家就宇宙的最终命运正展开激烈的争论：宇宙死于大火海、大冻结、无限地振荡、或永远生活在稳定状态。自那以后，争论似乎解决了，出现了叫做膨胀的新理论。　　膨胀的诞生　　1979年，艾伦?古思（Alan Guth）在他日记里写道：“壮观的实现。”他认识到他可能偶然发现了宇宙学最伟大的思想之一，因此感到很高兴。古思通过基本的观察，对50年来的大爆炸理论做了首次重大的修改。他想：如果他假定在宇宙诞生的时候经历了涡轮增压式的比大多数物理学家所相信的要快得多的超级膨胀，他就能解决宇宙学的一些深奥的谜。他发现用这个超级膨胀就能够毫不费力地解决许多深层的宇宙学问题。这是一个能够变革宇宙学的思想。（最近的宇宙学数据，包括WMAP卫星的探测结果和他的预计是一致的。）它不仅是宇宙学理论，也是迄今为止最简单和最可靠的理论。　　这个理论的显著特点是，如此简单的思想能够解决很多棘手的宇宙学问题。膨胀理论所巧妙地解决了的几个问题之一是“平面问题”。天文学数据已表明宇宙的曲率十分接近于零，事实上比标准大爆炸理论预计的要更接近于零。如果宇宙像一个迅速膨胀的气球，在膨胀过程中变平，这样问题就可以得到解释。我们像一个蚂蚁在气球表面行走，因为我们太小了看不到气球的微小弯曲。膨胀使空间时间极大地伸展，使它看上去是平的。　　古思的发现具有的历史意义还在于，它将分析自然界发现的微小粒子的基本粒子物理学应用到天文学，应用到宇宙的整体研究，包括它的起源中。我们现在认识到没有极小粒子的物理学，没有量子理论和基本粒子物理学，宇宙的最深奥的秘密就不能揭示。　　寻找统一　　古思1947年生于新泽西州的新不伦瑞克（New Brunswick）。与爱因斯坦、伽莫夫或霍伊尔不同，没有仪器也没有契机推动他进入物理学世界。他的父母都不是从大学毕业的，对科学的兴趣也不大。但是他自己总是着迷于数学和自然规律之间的关系。　　20世纪60年代他在麻省理工学院学习，他认真地考虑选择基本粒子物理作为他的专业。他特别着迷于物理学的新革命所产生的激动，想寻找所有基本力的统一。多年来，物理学的泰斗一直在寻找统一的理论，能够以最简单的、最一致的方式解释宇宙的复杂性。自古希腊以来，科学家在想我们今天看到的宇宙代表一个更大的、更简单物体的碎片残骸，我们的目标是揭示这个统一性。　　经过2 000年对物质性质和能量的研究，物理学家确定了四种驱动宇宙的力。（科学家在试图寻找是否有第五种力，到目前为止结果是否定的，或没有结论。）　　第一种力是重力，它将太阳聚拢在一起，并引导行星在太阳系的天体轨道上运动。如果重力突然关闭，天空的星星将爆炸，地球将解体，我们都会以每小时1 000英里（1 609千米）的速度被抛到外层空间。　　第二种力是电磁力，这个力点亮我们的城市，使我们的世界充满电视机、电话、收音机、激光束和因特网。如果电磁力突然关闭，文明将立刻倒退一两个世纪，回到过去的黑暗和寂寞之中。2003年的灯火管制使美国整个东北部瘫痪，就形象地说明了这一点。如果我们从微观考察电磁力，我们将看到它实际上是由小粒子，或叫做“光子”的量子造成的。　　第三种力是弱核力，它是形成放射性衰变的原因。因为这个弱的力不足以将原子核聚在一起而引起核子破裂或衰变。医院的核医学主要依靠核力，给我们身体内部和大脑的清晰图像。弱力也使地球中心通过放射性材料加热，产生巨大的火山喷发能。弱力的产生是由于电子和“中微子”的相互作用。（中微子是像鬼一样的粒子，几乎没有质量，能通过万亿英里的固体导线而不和任何物质发生相互作用。）这些电子和中微子通过交换，与其他叫做W玻色子和Z玻色子的粒子发生相互作用。　　第四种力是强核力，它将原子核聚在一起。没有核力，原子核将全部破裂，原子将崩溃。强核力是我们看到的充满宇宙的100多种元素能够存在的原因。由于有弱核力和强核力，星星才能按照爱因斯坦方程E＝mc2发出光。没有核力，整个宇宙将变得黑暗，地球的温度将降低，海洋将冻结成冰。　　这四种力的令人吃惊的特点是它们彼此全不相同，具有不同的强度和性质。例如，到目前为止，重力是四种力中最弱的力，比电磁力小1036倍。地球的重量为60万亿亿吨，然而它的强大的重量和重力可以轻而易举地被电磁力抵消。例如，你的梳子可以通过静电将小纸片吸起，从而抵消整个地球的重力。此外，重力完全是吸引的。而电磁力可以是吸引的，也可以是排斥的，由粒子的电荷决定。　　大爆炸理论的统一　　物理学家面临的基本问题之一是为什么宇宙是由四种截然不同的力支配的？为什么这四种力看上去差这么多，强度、相互作用和物理行为都不同？　　爱因斯坦是第一位着手将这些力统一成单一的、综合的理论的人，他从统一重力和电磁力开始。他没有成功，因为他走在他那个时代太前面了，有关强力知道得太少了，无法建立一个真正的统一的场论。但是爱因斯坦的前驱工作打开了物理学世界的视野，有可能建立一个“包容一切的理论”。　　在20世纪50年代，统一场论的目标似乎完全没有希望达到，特别是那时基本粒子物理处在一片混乱之中，想用原子对撞机破碎原子核找到物质的基本成分，结果从实验中发现几百个更多的粒子流。“基本粒子物理”从术语上就是矛盾的，成了一个宇宙的笑话。古希腊人想，只要我们将物质破碎到它的基本的建筑砖块，事情就变得简单了。相反的事情发生了：物理学家不得不尽力从希腊字母表中找出更多的字母来标志这些粒子。美国原子物理学家J罗伯特?奥本海默（JRobert Oppenheimer）开玩笑说，诺贝尔物理学奖应当授予在那一年没有发现新粒子的物理学家。诺贝尔奖获得者史蒂文?温伯格（Steven Weinberg）开始怀疑人类的智慧是不是能够解开核力的秘密。　　然而，在20世纪60年代早期，这个混乱的情景多少有了一些条理，那时加利福尼亚工学院的墨里?盖尔曼（Murray Gellmann）和伽莫夫?茨威格（George Zweig）提出“夸克”的想法，夸克是构成质子和中子的成分。根据夸克理论，3个夸克构成1个质子或1个中子，1个夸克和反夸克构成1个介子（一个将核子聚拢在一起的粒子）。这仅仅解决了一部分问题（因为今天各种类型的夸克比比皆是），但是它确实将新的能量注入到曾经是隐匿的领域中。　　1967年，物理学家史蒂文?温伯格（Steven Weinberg）和阿卜杜什?萨拉姆（Abdus Salam）做出了惊人的突破，他们指出有可能将重力和电磁力统一。他们创造了一个新的理论，电子和中微子（叫做“轻子”）通过交换形成叫做W玻色子和Z玻色子的新粒子并和光子彼此发生相互作用。通过在完全相同的立足点上处理W玻色子和Z玻色子，他们创造了统一两种力的理论。1979年，史蒂文?温伯格（Steven Weinberg）、谢尔登?格拉索（Sheldon Glashow）和阿卜杜什?萨拉姆（Abdus Salam），因为他们的共同努力统一了四种力中的两种，即电磁力和弱力，并洞察到强核力的存在，所以被授予诺贝尔奖。　　在20世纪70年代，物理学家分析了从斯坦福线性加速中心（SLAC）的粒子加速器得出的数据。为了深入地探测质子的内部，物理学家用加速器将强大的电子束打到靶上。他们发现可以引进叫做“胶子”的新粒子来解释将质子内部的夸克聚在一起的强大的核力。胶子是强核力的量子。将质子聚合在一起的约束力可以由在组成它的夸克之间交换胶子来解释。于是得出一个叫做量子色动力学的强核力的新理论。　　这样，到了20世纪70年代中期，有可能将四种力中的三种力结合在一起（除去重力），得到一个“标准模式”：一个夸克、电子和中微子的理论，它们通过交换胶子、W玻色子和Z玻色子与光子彼此相互作用。这个理论是粒子物理几十年艰苦的、漫长的研究所达到的顶峰。到目前，标准模式满足所有的有关粒子物理的实验数据，无一例外。　　尽管标准模式是所有时代最成功的物理理论，但它看上去十分别扭。很难相信自然界在基础的水平上是根据这个东拼西凑、修修补补的理论进行运作的。例如，理论中有19个任意的参数是人为放进去的，没有任何意义和原因（即各种质量和相互作用强度不是理论确定的，而是不得不由实验确定。理想地，一个真正统一的理论的这些常数应由理论本身确定，而不依赖于外部实验）。　　此外，基本粒子有3个精确的副本，叫做“代”。很难相信自然界在它最基本的水平上会包括亚原子粒子的3个精确副本。除这些粒子的质量外，这些“代”彼此互相复制。（例如，电子的副本包括μ介子，它的重量比电子重200倍，还有τ粒子，它比电子重3 500多倍。）最后，标准模式没有提到重力，尽管重力是宇宙中最广为人知的一种力。第十三节　　图7这些是标准模式中包含的亚原子粒子，它是最成功的基本粒子理论。基本粒子是由构成质子、中子的“夸克”以及电子和中微子这些“轻子”和很多其他粒子组成的。注意该模型导致3个相同的亚原子粒子副本。因为标准模式不能说明重力（并且看上去太笨拙），理论物理学家认为它不是最终的理论。　　因为标准模式虽然实验很成功，但看上去人为因素太多了，因此物理学家试图建立另一个理论，或叫做大统一理论（GUT），将夸克和轻子放在同一立足点上。它也把胶子、W玻色子和Z玻色子和光子放在同一级别上。（然而，因为重力仍然明显地遗留在外，这可能不是“最后的理论”。我们将看到，融合其他的力被认为是非常困难的工作。）　　统一化的程序又将一个新的设想引进宇宙学。这个思想简单又优雅：在大爆炸时，所有四种基本力统一成单一的、一致的和神秘的“超力”。所有四种力有同样的强度，是一个较大的、一致的、总体力的一部分。宇宙开始时处于尽善尽美的状态。然而，当宇宙开始膨胀和迅速冷却时，原始的超力开始“破裂”，不同的力一个一个地分解出去。　　根据这个理论，宇宙在大爆炸后的冷却与水的冻结相似。当水是液体形态时，它是十分均匀的和光滑的。然而，当它冻结时，在它的内部形成几百万个小冰晶。当液体完全冻结后，它原来的均匀性彻底消失了，成为含有裂纹、气泡和结晶的冰。　　换句话说，今天我们看到的宇宙是可怕地破裂了。它根本不是均匀的和对称的，而是由犬牙交错的山脉、火山、飓风、小行星和爆炸的星组成，没有任何一致性，此外，四种基本力互相也没有任何关系。但是，宇宙如此破裂的原因是因为它太老了、太冷了。　　尽管宇宙是从完美统一的状态开始的，今天它已经过了很多“相变”或状态的变化，当它冷却时，宇宙力一个一个地分裂出去。物理家的工作是向回寻找，重新构建宇宙原来开始的步骤，研究它是怎样从完美的状态变成我们今天看到的破碎的宇宙。　　因此，关键是要恰当地理解宇宙开始时这些相变是怎样发生的。物理学家将这些转变叫做“自发的破坏”。不管是冰的融解、水的沸腾、雨云的产生或大爆炸的冷却，相变可以将完全不同相的物质联系起来。（为了说明这些相变有多么强大，艺术家出了一个谜：“你怎样将500 000磅〔226 800千克〕的水悬在空中，且没有可见的支撑？答案是：造一片云。”）　　虚假真空　　一个力从其他的力中破裂开来的过程，可以与一个大坝的破裂相比。河水从山上流下来，因为水往能量低的方向，即海平面的方向流动。最低的能量状态叫做“真空”。然而，有一个不寻常的状态叫做“虚假真空”。例如，一个大坝挡住河水，这个大坝看上去是稳定的，但它实际上承受着巨大的压力。如果大坝出现一个小裂口，这个压力可能突然使大坝崩溃，从虚假的真空（被大坝挡住的洪水）释放出大量的能量，引起特大洪水流向真正的真空（海平面）。如果听任让大坝自发地破坏，并突然转变成真正的真空，整个村庄会被淹没。　　类似地，在大统一（GUT）理论中，宇宙原来是从虚假真空开始的，三种力统一成一种单一的力。然而，这个状态是不稳定的，宇宙自发地破裂，从虚假真空向真正的真空转变，从虚假真空统一的力向真正真空分裂的力转变。　　在古思开始分析GUT理论之前，这些情况已经知道了。但古思注意到某些其他人忽略的地方。在虚假真空状态，宇宙按照德?西特尔（de Sitter）在1917年预计的以指数方式膨胀。虚假真空的能量是一个宇宙常数，它驱动宇宙以如此巨大的速率膨胀。古思问他自己一个非常重要的问题：这个指数方式的德?西特尔（de Sitter）膨胀能解决宇宙学的一些问题吗？　　单磁极子问题　　很多GUT理论的一个预计是在创世之初有大量的“单磁极子”产生。一个单磁极子是一个单个的北极或南极。在自然界，这些磁极总是成对发现的。例如一块磁铁，你看到它的北极和南极总是绑在一起的。如果你用一个榔头把这块磁铁敲成两半，你发现的不是两个单磁极子，而是两块较小的磁铁，每一块有它们自己的北极和南极。　　然而问题是，经过几个世纪的实验，科学家没有发现单磁极子的确实证据。因为以前没有人看到过单磁极子，古思感到困惑，为什么GUT理论会预计有这么多的单磁极子存在呢。古思评论说：“单磁极子像独角兽一样一直使我们着迷，尽管还没有确实看到它。”　　然后，忽然灵机一动，所有零零碎碎的想法在一闪念间拼在了一起。古思认识到，如果宇宙开始时是处在虚假真空状态，它可能以几十年前德?西特尔（de Sitter）提出的指数方式膨胀。在这个虚假的真空状态，宇宙突然膨胀的量可以是难以想象的大，因此稀释了单磁极子的密度。如果科学家以前从未见过一个单磁极子，仅仅是因为单磁极子散布到了比以前所想象的要大得多的宇宙中。　　对古思来说，这个发现是惊愕和快乐之源。这样一个简单的想法能够在一瞬间解释单磁极子问题。但古思认识到，这个预计有着超出他原来想象的宇宙意义。　　平面问题　　古思认识到他的理论解决了另一个问题，即早些时候讨论的“平面问题”。标准的大爆炸描述不能解释为什么宇宙是非常平的问题。在20世纪70年代，人们相信描述宇宙物质密度的奥米伽值大约为01。而事实是，在大爆炸几十亿年后，这个数值仍然相当接近临界密度10。这个问题令人困惑。随着宇宙膨胀，奥米伽值（Omega）应当随着时间改变。这个数值接近10，让人感到不自在，因为它描述的是一个完全平面的空间。　　不管创世时奥米伽值是怎样一个适当的值，爱因斯坦方程显示它今天应当几乎为零。在大爆炸几十亿年后奥米伽值是如此接近于1，除非有奇迹才行。在宇宙学中这个问题叫做“细调问题”。上帝或某个造物主必须极其精确地“选择”奥米伽值，才能使它今天大约为01。为了使奥米伽值今天在01和10之间，在大爆炸后1秒钟时，奥米伽值必须为1000 000 000 000 00。换句话说，在创世开始时，奥米伽值必须选择等于1，精度范围要在几百万亿分之一，这是很难理解的。　　想象试图将一支铅笔竖直地立在它的笔尖上。无论你怎样平衡这支铅笔，它都会倒下来。要想让它平衡1秒钟都十分困难，更不要说几年。为了使奥米伽值今天等于01，必须进行大量的微调。在微调奥米伽值时一丁点儿错误都会使奥米伽值极大地偏离1。因此，为什么今天奥米伽值是如此接近于1呢？按理它应该极大地偏离于1才对。　　对古思来说回答是明显的。宇宙膨胀的程度是如此巨大，因而使宇宙变平了。好比一个人，他看不到地平线的尽头，因此说地球是平的。天文学家得出结论说奥米伽值大约等于1，因为膨胀使宇宙变平。　　地平线问题　　膨胀不仅解释了支持平面宇宙的数据，也解决了“地平线问题”。这是根据这样一个事实：夜晚的天空无论你向哪儿看都似乎是相当均匀的。如果你转180度，你看到宇宙是均匀的，即便你看到的是相距几百亿光年的宇宙的不同部分。强大的望远镜扫描天空也发现宇宙是均匀的，偏离很小。我们的空间卫星也显示宇宙微波辐射是极其均匀的。无论你看空间的何处，背景辐射的温度的偏离不超过千分之一度。　　但是这是一个问题，因为光速是宇宙中的速度极限。在宇宙的一生中，光线或信息没有办法从夜晚天空的一侧跑到另一侧。例如，我们在一个方向看微波辐射，自大爆炸后它已行进了130亿年。如果我们转过来看相反方向，我们看到微波辐射是相同的，它也行进了130亿年。因为它们的温度都相同，在创世之初它们一定是融合在一起的。但是，自大爆炸后这些辐射没有办法从夜晚天空一侧跑到另一侧（相距超过260亿光年）。　　如果我们观察大爆炸后380 000年后的天空情况就更糟了，这时背景辐射刚刚形成。如果我们看天空相反方向的两点，我们看到背景辐射几乎是均匀的。但是根据大爆炸理论计算，这相反的两点相距9 000万光年（因为爆炸后空间的膨胀）。但是光不可能在380 000年中行进9 000万光年。辐射比光线跑得还要快，这是不可能的。　　按理，宇宙应看上去是多块状的，宇宙的一部分离开另一个遥远的部分的距离太远，难以接触。光线没有足够的时间混合，没有时间将辐射从遥远的一侧传播到遥远的另一侧，那么为什么宇宙看上去这样均匀呢？（普林斯顿的物理学家罗伯特?迪克〔Robert Dicke〕将这个问题叫做水平线问题，因为水平线是你能看到的最远的点，光线能够传播的最远的点。）　　但古思认识到膨胀也是解释这个问题的关键。他分析到，我们可见的宇宙大概是原始火球的一小片。这一小片本身的密度和温度是均匀的。但是膨胀突然将这一小片均匀物质扩大了1050倍，比光速还要快，所以今天的可见宇宙相当地均匀。结果，夜晚天空和微波辐射是如此均匀的原因是：可见宇宙曾经是原始火球的均匀的一小片，突然膨胀变成了宇宙。　　对膨胀的反作用　　尽管古思确信膨胀的想法是正确的，他第一次登台演讲时还是有些紧张。当古思1980年提出他的理论时，他承认：“我仍然担心理论的某些结果会有错误。也害怕我会暴露我是一位缺乏经验的宇宙学家。”但是他的理论是这样地优雅和强大，以至全世界的物理学家都立刻看到它的重要性。诺贝尔奖获得者墨里?盖尔曼（Murray Gellmann）惊呼：“你解决了宇宙学最重要的问题！”诺贝尔奖获得者谢尔登?格拉索（Sheldon Glashow）向古思透露说，史蒂文?温伯格（Steven Weinberg）听到有关膨胀理论时十分激动。古思焦急地问：“史蒂文（Steven）有什么反对意见吗？”格拉索（Glashow）回答：“没有，他只是遗憾怎么自己没有想到。”科学家们问自己，他们怎么没有想到这个简单的解决方案呢？古思的理论得到理论物理学家的热烈欢迎，他们惊叹它的见识。　　这对古思工作的前景也产生了影响。一天，因为工作市场的职位紧缺，他眼看就要失业了，他承认：“我处在失业的边缘。”忽然，工作的机会从天而降，许多顶尖大学都向他提供职位。（但是，不是来自他的第一选择——麻省理工学院。但这时他读到一段有关人生的格言：“如果你不胆怯，机会就在你的面前。”这给了他勇气打电话给麻省理工学院，要求一份工作。当几天后麻省理工学院打电话给他，答应给他一个教授的职位时，他惊呆了。他读到另一段格言：“不要在冲动时采取行动。”他没有理睬这个劝告，决定接受麻省理工学院的职位。）“无论如何，一句中国格言也不能说明一切”，他对自己说。第十四节　　然而，在古思的理论中仍然存在严重的问题。天文学家对古思的理论的兴趣不是很大，因为它在一个方面存在很大的缺陷：它给出错误的奥米伽值估计。奥米伽值大约接近于1可以由膨胀来解释。然而，膨胀比预计更大，并预计奥米伽值（或奥米伽值〔Omega〕加上拉姆达〔Lambda〕）应精确等于1，才能与平面宇宙相符。在随后的年代里，收集到的实验数据越来越多，在宇宙中找到大量暗物质。奥米伽值轻微移动，上升到03。但这对膨胀理论来说仍可能是致命的。尽管在下一个十年物理学家会写出3 000多篇论文，但对天文学家来说膨胀将仍是一个新鲜的事物。对他们来说，这些数据似乎是排除膨胀理论的。　　有些天文学家私下里抱怨，说粒子物理学家被膨胀的美丽外衣所迷惑，甚至可以不管实验数据。（哈佛大学的天文学家罗伯特?P基尔希纳〔Robert PKirshner〕写道：“膨胀理论被学院里牢固占据教授职位的人所称赞，但这个事实并不自然而然地说明它是对的。”牛津大学的罗杰?彭罗斯〔Roger Penrose〕将膨胀理论叫做：“高能物理学家了解宇宙的一种时髦方式……甚至土豚也认为它的后代是美丽的。”）　　古思相信：迟早有数据会说明宇宙是平的。但是使他烦恼的是他的原始的描述有一个小的，但至关重要的缺陷，直到今天还不能完全理解。膨胀在理论上可以用来解释一系列深层的宇宙问题。但问题是他不知道怎样关闭膨胀。　　想象一壶水加热到它的沸点。就在水开之前，它是瞬时处在高能状态。它要沸腾，但它还不能沸腾，因为需要一些杂质产生气泡。但是一旦气泡产生了，它很快进入真正真空的低能状态，这壶水变得充满了气泡。最终，气泡变得很大，开始结合，直到壶里均匀地充满蒸汽。当所有的气泡合并，从水到蒸汽的相变就完成了。　　在古思的原始描述中，每一个气泡代表一片从真空中膨胀出来的我们的宇宙。但是当古思进行计算时，他发现气泡不能适当地结合，使宇宙成为难以相信的多块状的。换句话说，他的理论让壶里充满了蒸汽气泡，却不能完全合并成为一壶均匀的蒸汽。古思的一大桶开水似乎永远不能安定下来，变成今天的宇宙。　　1981年，俄罗斯PN列别杰夫（PNLebedev）研究所的安德烈?林德（Andre Linde）和宾夕法尼亚大学的保罗?J斯坦哈特（Paul JSteinhardt）、安德里亚?阿尔布雷克特（Andreas Albrecht）发现一个解决这个难题的方法。他们认识到，如果虚假真空的一个气泡膨胀的时间足够长，它就会最终充满整个壶，并产生一个均匀的宇宙。换句话说，我们的整个世界可以是单个气泡的副产品，它膨胀充满宇宙。为了产生均匀的一壶蒸汽不需要大量气泡结合，只要一个气泡就行了，只要它膨胀的时间足够长的话。　　再回想一下大坝和虚假真空的类比。大坝越厚，水就需要越长的时间穿过大坝。如果大坝的墙非常厚，那么穿过的时间就会任意地延长。如果宇宙可以膨胀1050倍，那么一个单个的气泡就有足够的时间解决水平线、平面宇宙和单磁极子的问题。换句话说，如果穿过大坝的时间延长得足够长，宇宙膨胀的时间足够长，就能使宇宙变平和稀释单磁极子。但是仍然留有问题：是什么机制能够延长如此巨大的膨胀呢？　　最终，这个棘手的问题成为已知的“见好就收的问题”，即怎样让宇宙膨胀得足够长，使得一个单一的气泡能够创造整个宇宙。到目前至少提出了50个不同的机制来解决这个适当的退出问题。（这是一个令人迷惑的、困难的问题。我自己也试了几个解决方案来解决这个问题。要想在早期的宇宙中产生适度的膨胀是相当容易的。但是要让宇宙膨胀的倍数大到1050是极其困难的。当然，我们也许能够简单地放上一个1050系数，但这是人造的和人为的。）换句话说，人们广泛地相信膨胀过程解决了单磁极子、地平线和平面问题，但是不能精确知道是什么驱动膨胀和怎样将它关闭。　　混乱的膨胀理论和平行宇宙　　物理学家安德烈?林德（Andre Linde）对无人同意有关见好就收的解决方案并不感到忧虑。林德（Linde）承认：“我只是有这样的感觉，对上帝来说这是一个简化他的工作的绝好机会。”　　最后，林德（Linde）提出一个新版的膨胀理论，它似乎消除了老版本的一些缺陷。他想象一个宇宙，在随机的空间和时间点上自发地发生破裂，一个短暂膨胀的宇宙产生了。大多数膨胀的时间很短。但是因为这个过程是随机的，最终将有一个气泡膨胀的时间持续得很长，创造了我们的宇宙。它的逻辑结论是：膨胀是持续的和永恒的，大爆炸始终在发生，一些宇宙从其他宇宙萌生出来。在这个图景中，宇宙可以萌芽产生其他宇宙，创建“多元宇宙”。　　在这个理论中，自发破裂可以在我们的宇宙内任何地方发生，从我们的宇宙萌发一个完整的宇宙。它也意味着我们的宇宙也许是从早先的宇宙萌发的。在混乱的膨胀模式中，多元宇宙是永恒的，即使单个的宇宙不是这样。有些宇宙可能有非常大的奥米伽值，大爆炸后就立即挤压破碎。有些宇宙的奥米伽值可能很小，将永远膨胀。最终，多元宇宙被那些巨量膨胀的宇宙所支配。　　回顾宇宙学的历程，我们不得不接受平行宇宙的想法。膨胀理论代表传统宇宙学与粒子物理学进展的汇合。粒子物理遵循量子理论，它规定有一个有限的可能性使不太可能的事件发生。因此，只要我们承认有可能创造一个宇宙，我们就打开了有可能创造无限多个平行宇宙的大门。例如，想一想在量子理论中是怎样描述电子的。因为不确定性，电子不是存在于任何单一的地点，而是存在于围绕原子核的所有可能的地点。围绕原子核的电子云代表电子可以同时位于很多地方。这是所有化学的基础的基础，它允许电子将分子捆绑在一起。分子为什么不散开的原因是：平行的电子围绕它们跳动并将它们捆绑在一起。同样，宇宙曾经比一个电子还小。当我们将量子理论应用于宇宙时，我们被迫承认宇宙有同时存在于很多状态的可能性。换句话说，一旦我们打开了将量子波动应用到宇宙的大门，我们就几乎被迫地承认平行宇宙。我们没有更多的选择。　　宇宙从无到有　　起初，人们也许会反对多元宇宙的观念，因为它似乎违背了已知的定律，如物质和能量守恒定律。然而，一个宇宙的物质和能量的含量实际上可以是很小的。宇宙的物质含量，包括所有星星、行星和星系，是巨大的和正的。然而，重力储藏的能量可以是负的。如果将由于物质产生的正能量和由于重力产生的负能量加在一起，总和可能接近于零！在某种意义上，这样的宇宙是自由的。它们可以毫不费力地从真空中突然冒出来。（如果宇宙是封闭的，宇宙的总能量含量必须精确地等于零。）　　（要领会这一点，想象一头驴掉进地面的一个大坑里。为了把驴从坑中拉出来必须增加能量。一旦驴被拉出来又站在地面上后，驴的能量被认为是零。因为需要增加驴的能量使它回到能量为零的状态，所以驴在坑中时能量为负。类似地，需要增加能量使一颗行星脱离太阳系。一旦它到了自由空间，行星的能量为零。因为需要增加能量将行星拽出太阳系使它进入能量为零的状态，当行星在太阳系范围内时，它的重力能为负。）　　事实上，要创造像我们这样的一个宇宙，也许只需要非常小的净物质量，也许小到1盎司（28.349 5克）。正如古思喜欢说的：“宇宙可以是一顿免费的午餐。”纽约城市大学亨特学院的物理学家爱德华?特赖恩（Edward Tryon）在1973年的《自然》杂志上发表了一篇文章，首先提出了宇宙从无创造的思想。他推测宇宙是由于真空中的量子波动偶尔产生的。（尽管创造宇宙所需要的净物质量可以接近零，这个物质必须压缩到难以想象的密度，正如在第12章将看到的。）　　像盘古开天的神话一样，这是宇宙从无到有的一个例子。尽管宇宙从无到有的理论无法用常规的方法证明，它确实能帮助我们回答有关宇宙的很多实际问题。例如，为什么宇宙不旋转？我们周围的一切都在旋转，从陀螺、飓风、行星、星系到类星体。它看上去是宇宙中物质的普遍特性。但是宇宙本身不旋转。当我们观察天空的星系时，它们的旋转相互抵消，总体为零。（这是非常幸运的，在第5章将会看到，如果宇宙的确旋转的话，时间旅行就会成为一个共同的问题，历史就不可能书写。）为什么宇宙不旋转的原因也许是因为我们的宇宙是从无到有产生的。因为真空不旋转，所以在我们的宇宙中就看不到任何净旋转。事实上，多元宇宙内的所有气泡宇宙可能净旋转都为零。　　为什么正电荷和负电荷精确地相互抵消呢？通常。当我们思考支配宇宙万物的宇宙力时，我们想得更多的是重力而不是电磁力，尽管与电磁力相比重力是一个无限小的量。原因是正电荷和负电荷完全平衡了。结果宇宙的电荷看上去为零，是重力而不是电磁力支配宇宙。　　尽管我们认为这是理所当然的，但是正电荷和负电荷的抵消是十分不寻常的，并且已经得到实验检验，精确到1021分之一。（当然，电荷之间的局部不平衡是存在的，这就是为什么我们总会看到闪电。但是即便是雷电，电荷的总数加起来也为零。）如果你身体内净正电荷和负电荷的差别仅为0000 01%，你就会立刻被撕成碎片，你身体的碎片就会被电力作用抛到外层空间。　　对这个持久的谜的回答也许是因为宇宙是从无到有产生的。因为真空没有净旋转和净电荷，从无到有产生的子宇宙也没有净旋转和净电荷。　　物质和反物质是这个规则的一个明显的例外［5］。这个例外是为什么宇宙是由物质组成的，而不是由反物质组成的？因为物质和反物质是相反的（反物质与物质的负荷正好相反），我们可以假定：大爆炸一定产生了同样数量的物质和反物质。然而问题是，物质和反物质在接触时彼此抵消产生伽马射线爆发。这样我们就不可能存在了。宇宙就会是伽马射线的随机集合，而不是充满普通的物质了。如果大爆炸是完全对称的（或如果它能从无产生），那么就会形成同样数量的物质和反物质。这样为什么我们能存在呢？俄罗斯物理学家安德烈?萨哈罗夫（Andrei Sakharov）提出的解答是：大爆炸根本不是完全对称的，在创世之初在物质和反物质之间有小量的对称被破坏了，物质相对反物质占优势，才使得我们今天所看到的宇宙成为可能。（在大爆炸时被破坏的对称性叫做CP〔电荷宇称〕对称性，此对称性逆转了物质和反物质粒子的负荷和奇偶性。）如果宇宙是从“无”中产生的，大概“无”不是完全空的，而是有少量对称性的破坏，使得今天物质比反物质占有一些优势。这个对称性破坏的起源还没有找到。第十五节　　其他宇宙会是什么样子　　多元宇宙的想法很有吸引力，因为所有要做的假定是自发破裂随机发生。不需要再做其他的假设。每当一个宇宙萌发出另一个宇宙时，物理常数与原来的不同，创造出新的物理定律。如果这是真的，在每个宇宙之内可以出现完全新的现实。于是出现了一个诱人的问题：这些其他的宇宙是什么样子呢？理解平行宇宙物理的关键是要理解宇宙是怎样产生的，即精确地理解自发破裂是怎样发生的。　　当宇宙诞生并且自发破裂发生时，它也破坏了原始理论的“对称性”。对一位物理学家来说，“完美”意味着对称和简单。如果一个理论是完美的，这意味着它有强大的对称性，能够以最紧凑和经济的方式解释大量的数据。更精确地说，当我们在一个方程中交换它的成分时，如果该方程保持相同，这个方程就被认为是完美的。找出自然界隐藏的对称性的一个最大益处是：我们可以指出表面上看上去完全不同的现象实际上是同一件事物的不同表现，它们通过对称性连接在一起。例如，电和磁实际上是同一物体的两个方面，因为有对称性，所以它们可以在麦克斯韦方程中相互交换。同样地，爱因斯坦指出相对论可以将空间变成时间和将时间变成空间，说明它们是空间时间结构这同一事物的两个部分。　　想象一片有着无穷魅力的六重对称性的雪花。它的美丽来源于将它旋转60度它仍然保持相同。这也意味着，我们描述雪花的任何方程也应当反映这个事实，在旋转多个60度时它保持不变。在数学上，我们说雪花有C6对称性。　　对称性将自然界隐藏的美丽编成密码。但是在现实中，今天这些对称性被可怕地破坏了。宇宙中四种主要的力彼此根本互不相像。宇宙充满了不规则和缺陷，包围我们的是原始宇宙的片段和碎片，原始对称性被大爆炸破坏了。因此，理解可能的平行宇宙的关键是理解“对称性破坏”，即在大爆炸后对称性是怎样破坏的。正如物理学家大卫?格罗斯（David Gross）说的：“自然界的秘密是对称，但是世界结构的很多方面是由于对称性破坏机制决定的。”　　想象一个美丽的镜子破碎成几千片碎片。原来的镜子具有很好的对称性，无论镜子转任何角度它都以同样方式反射光；但它破碎后，原始的对称性破坏了。精确地确定对称性是怎样破坏的，决定了镜子是怎样粉碎的。　　对称性破坏　　为了了解对称性破坏，想象一个胚胎的成长。在早期阶段，在怀孕后几天，胚胎由完整的细胞球构成。每个细胞与别的细胞没有什么不同。无论怎么转，看起来都是一样的。物理学家说，这一阶段的胚胎有O（3）对称性，即无论沿什么轴旋转都是相同的。　　尽管胚胎是美丽的和优雅的，但它没有什么用处。一个完善的胚胎球不能执行任何功能或与环境相互感应。然而，过了一段时间胚胎的对称性破坏了，长出一个小头和一个像保龄球腿的螺旋形柱。尽管原来的球形对称现在破坏了，胚胎仍然有残余的对称性，如果沿着它的轴转动它，它仍然是相同的。这样，它就具有了圆柱对称性。数学上，我们说原来的球形O（3）对称性变为圆柱体的O（2）对称性。　　然而，O（3）对称性的破坏可以以不同的方式进行。例如五星鱼没有圆柱对称性或双侧对称性，当球形对称破坏时，它有C5对称性（即旋转72度保持相同），使它具有五角星的形状。因此，O（3）对称性破坏的方式决定了生物体诞生的形状。　　类似地，科学家相信宇宙开始时是处于完全对称的状态，所有的力统一成单一的力。宇宙是完美的、对称的，但也是没有用的。我们所知的生命不可能生存在这种完美的状态下。为了使生命有可能存在，宇宙在冷却时它的对称性不得不破坏。　　对称性和标准模式　　同样，要想理解平行宇宙会是什么样子，我们必须首先了解强、弱、和电磁相互作用的对称性。例如强力依赖于3个夸克，科学家将它们标上假想的“颜色”（例如，红、白、蓝）。交换这3种颜色的夸克，如果方程保持不变，我们说这个方程有SU（3）对称性，即重新组合这3个夸克，方程保持相同。科学家相信，有SU（3）对称性的方程能最精确描述强相互作用（叫做量子色动力学）。如果我们有巨大的超级计算机，仅仅从夸克的质量和它们相互作用的强度出发，就能在理论上计算质子和中子的所有性质，以及核物理的所有特性。　　类似地，我们看电子和中微子这两个轻子的情况。如果在方程中交换它们，方程保持不变，我们说该方程有SU（2）对称性。　　再看光的情况，它有U（1）对称性。（这个对称组合将光的各个分量或极性重新编组。）因此，弱力和电磁力相互作用的对称组合为SU（2）×U（1）。　　如果将这三个理论简单地黏合在一起，就会毫不奇怪地有SU（3）×SU（2）×U（1）对称性。换句话说，即它是分别混合3个夸克和混合2个轻子，但夸克和轻子不相互混合的对称性。得出的理论是标准模式理论，正如前面我们看到的，它大概是所有年代中最成功的理论。正如密歇根大学的戈登?凯恩（Gordon Kane）所说：“我们世界发生的一切（除去重力的影响）都是从标准模式粒子相互作用产生的……”标准模式理论的某些预计已在实验室进行了测试，证明是成立的，精度在一亿分之一。（事实上，总共20个诺贝尔奖授予了研究标准模式各个部分的物理学家。）　　最后，人们也许能够构造一个将强力、弱力和电磁力相互作用联合在一起的单一的对称性理论。最简单的GUT理论能够做到这一点，它能同时彼此交换所有5个粒子（3个夸克和2个轻子）。与标准模式的对称性不同，GUT对称性能将夸克和轻子混合在一起（这意味着质子可以退化成电子）。换句话说，GUT理论包含SU（5）对称性（组合所有5个粒子，即3个夸克和2个轻子）。很多年来，人们也分析了很多其他的对称组合，但是SU（5）大概是能够拟合数据的最小组合。　　当自发破裂发生时，原来的GUT对称性可以以各种方式破坏。一种方式是，GUT对称性破坏成SU（3）×SU（2）×U（1），正好需要19个自由参数描述我们的世界，产生我们已知的世界。然而，GUT对称性的破坏可以有很多方式。其他的宇宙很可能有完全不同的残余对称性。最低限度，这些平行宇宙可能会有不同数值的这19个参数。换句话说，在不同的宇宙中各种力的强度可能是不同的，使宇宙的结构产生巨大的变化。例如，核力强度减弱将阻止星星的形成，使宇宙留在永久的黑暗中，让生命不可能存在。如果核力太强，星星燃烧它的核燃料就会太快，没有足够的时间形成生命。　　对称组合也可能改变，产生完全不同的宇宙粒子。在这些宇宙中质子可能是不稳定的，并会迅速衰变成反电子。这样的宇宙不可能有我们所知道的生命，但会迅速地分解成没有生命的电子和中微子的雾。其他的宇宙还可以以另外的方式破坏GUT的对称性，产生更稳定的粒子，如质子。在这样的宇宙中，可能存在大量奇怪的新的化学元素。在这些宇宙中的生命比我们要更复杂，因为有更多的化学元素可能创造类似DNA的化学物质。　　原始的GUT对称性也可以以另一种方式破坏，产生多于一个的U（1）对称性，即多于一种形式的光线。这的确将是一个奇怪的宇宙，在这个宇宙中，生物不只是用一种类型的力，而是用几种类型的力来观察。在这样的宇宙中，生物可能有各种接收器检测各种形式的类似于光的辐射。　　毫不奇怪，可能有几百种，甚至无限多种方式破坏这些对称性。每一种可能的解决方案会产生相应的完全不同的宇宙。　　可检测的对称性　　不幸的是，在目前多元宇宙理论中，有着不同物理定律的多个宇宙存在的可能性无法检测。人们不得不跑得比光还要快才能到达其他的宇宙。但是膨胀理论的一个优势是，它预计了我们宇宙的性质，这个宇宙是可以检测的。　　膨胀理论是一个量子理论，它基于量子理论的基石海森堡测不准原理。（测不准原理说，不可能无限精确地测量电子的速度和位置。不管仪器多么灵敏，测量中总有不确定性。如果知道电子的速度，就不能知道它的精确位置;如果知道它的位置，就不能知道它的精确速度。）　　将测不准原理应用到开始大爆炸的火球，这意味着原始的宇宙爆炸不可能是无限“光滑的”。（如果它是完全均匀的，那么我们就能精确知道从大爆炸发出的亚原子的轨迹，这就违背了测不准原理。）量子理论让我们能够计算在原始火球中这些波纹或波动的大小。然后膨胀这些小量的量子波动，就可以计算我们看到的大爆炸后380 000年的微波背景辐射。（如果我们将这些波动膨胀到今天，就应该发现星系群的当前分布。我们的星系应该包含在这些小的波动的一个波动中。）　　开始时，科学家从表面上查看从COBE卫星得到的数据，没有发现微波背景辐射的偏离或波动。这在物理学家中间引起一些忧虑，因为完全光滑的微波背景辐射不仅背离膨胀理论，也背离整个量子理论，背离测不准原理。它将动摇物理学最核心的内容。20世纪量子理论的整个基础也许不得不抛弃。　　经过艰苦细致的分析科学家才松了一口气，从计算机增强的COBE卫星数据中找到了模糊的波动，温度的变化为十万分之一，这是量子理论能容忍的最小的偏离量。这些无穷小的波动是与膨胀理论一致的。古思承认：“我完全被宇宙背景辐射迷住了。信号是如此之弱，在1965年以前一直没有检测到，现在背景辐射波动的测量精度竟达到十万分之一。”　　尽管收集到的实验证据慢慢地支持膨胀理论，但科学家仍然不得不解决恼人的奥米伽值问题，即事实上奥米伽值为03而不是10。　　超新星——回到拉姆达　　最后得出膨胀理论与科学家搜集的COBE数据是一致的，但是在20世纪90年代，天文学家仍在抱怨膨胀理论得出的奥米伽值明显背离实验数据。第一次高潮是在1998年，它是从完全意外的方向得到的数据引起的。天文学家试图重新计算在遥远的过去宇宙的膨胀速率。他们不是分析哈勃在20世纪20年代分析的造父变星，而是考察过去的几十亿光年的遥远星系中的超新星。他们特别考察了Ⅰa型超新星，它理想地适合用做标准烛光。　　天文学家知道这种类型的超新星几乎有同样的亮度。（Ⅰa型超新星的亮度被知道得非常清楚，甚至它们的亮度的微小偏离也能标定：超新星越亮，亮度的衰退越慢。）这样的超新星是在双星系统中的白矮星慢慢吸收它的伴星的质量中产生的。这颗白矮星吸收它的伴星的质量，逐渐达到太阳质量的14倍，这是白矮星能够达到的最大质量。当它们超过这个极限时就会收缩和爆炸形成Ⅰa型超新星。这个触发点就是Ⅰa型超新星的亮度为什么非常均匀的原因，它是白矮星达到精确质量然后在重力作用下收缩的自然结果。（正如苏布拉马尼扬?钱德拉塞卡尔〔Subrahmanyan Chandrasekhar〕在1935年指出的，在白矮星中使这颗星星收缩的重力和电子之间的叫做“费米尔”的排斥力相平衡。如果白矮星的重量超过太阳的14倍［6］，那么重力超过费米尔力，星星收缩形成超新星。）因为遥远的超新星是在早期宇宙发生的，分析它们就能计算几十亿年前宇宙的膨胀速率。第十六节　　两个独立的天文学家小组（以超新星宇宙项目的索尔?佩尔穆特〔Saul Perlmutter〕和高Z超新星搜索小组的布赖恩?P施密特〔Brian PSchmidt〕为首）希望发现：宇宙尽管仍在膨胀，但是在逐渐减慢。对于几代天文学家，这是一种信念，每天在天文学的课堂上都是这样教的，即原始的膨胀在逐渐减慢。　　在分析了十几个超新星之后，他们发现早期宇宙的膨胀不是像原来想象的那么快（即超新星的红色偏移和它们的速度比原来想象的小）。比较早期宇宙与现在宇宙的膨胀率，他们得出结论：今天的膨胀率比较大。使他们吃惊的是，这两组得出同样令人惊骇的结论，即宇宙膨胀在加速，以指数形式在加速膨胀。　　使他们灰心的是，他们发现无论用任何奥米伽值（Omega）都不能拟合数据。拟合数据的唯一办法是在理论中重新引入拉姆达值（Lambda），即爱因斯坦首先引入的真空能。此外，他们发现在宇宙以西特尔（Sitter）类型的指数方式加速膨胀中，拉姆达（Lambda）的数值要大大超过奥米伽值。两组独立地得出这个令人吃惊的事实，但是犹豫不决地没有立刻发表他们的发现，因为强烈的历史偏见认为拉姆达值为零。正如基特山（Kitt’s Peak）天文台的乔治?雅格布（George Jacoby）所说：“拉姆达值始终是一个公认的概念，谁要说它不等于零，就会被认为是疯了，是胡言乱语。”　　施密特（Schmidt）回忆道：“我仍然在摇头，但是我们校核了一切……我是非常勉强地告诉人们这个结果，因为我相信我们将会遭到谴责。”然而，当两个小组在1998年同时公布他们的结果时，他们收集到的堆积如山的数据难以被驳倒。拉姆达值，在现代天文学中几乎被完全遗忘的爱因斯坦的这个“大错误”，在藏匿了90年后现在又令人注目地再度走红。　　物理学家哑口无言。普林斯顿高级学术研究所的爱德华?威腾（Edward Witten）说：“它是自我从事物理学研究以来最奇怪的实验发现。”当奥米伽值03加上拉姆达值07时，总和等于膨胀理论预计值10（在实验误差范围内）。像一块七巧板在我们的眼前拼凑在一起，宇宙学家看到了丢失的膨胀部分，它来自真空本身。　　WMAP卫星惊人地重新证实了这个结果，它证明和拉姆达值有关的能量，或暗能量，占宇宙所有物质和能量的73%，成为七巧板主要的一块。　　宇宙的相　　WMAP卫星的最重要贡献，大概是它使科学家相信他们正朝着宇宙的“标准模式”前进。尽管还存在巨大的差距，天体物理学家开始看到从这些数据得出的标准模式的轮廓。根据现在拼凑在一起的图片，当宇宙冷却时宇宙的演变经过了截然不同的相变。从一个相过渡到另一个相代表系统的破裂和自然力的分解。今天我们知道宇宙演变经过以下阶段和里程碑：　　1． 10－43秒前——普朗克时期　　在这个时期几乎什么都没有，它叫做“普朗克时期”。在这个时期，能量达1020亿电子伏特，重力和其他量子力一样强。结果，宇宙的四种力或许统一成一个单一的“超力”。宇宙大概存在于一个“虚无”的完美的状态，或真空的高维空间中。神秘的对称性将所有四种力混合，使方程保持相同，此对称性为“超对称性”（关于超对称性的讨论见第7章）。由于不知道什么原因，这个统一所有四种力的神秘的对称性破裂了，形成了一个小气泡，即我们的胚胎宇宙。这也许是随机的量子波动的结果。这个气泡的尺寸为“普朗克长度”，10－33厘米。　　2． 10－43秒——GUT时期　　对称性破裂发生，使气泡快速膨胀。当气泡膨胀时，四种基本力彼此迅速分开。重力是第一个从其他三种力中分出去的，在整个宇宙中释放出冲击波。超力的原始对称性破裂为较小的对称性，也许包含GUT对称性SU（5）。剩余的强力、弱力和电磁相互作用仍然被这个GUT对称性统一在一起。在这个阶段宇宙以1050的巨大系数迅速膨胀，由于不能理解的原因，空间的膨胀速度比光速还要快。温度为1032度（K）。　　3． 10－34秒——膨胀结束　　温度降到1027度（K），这时强力与其他两种力分离。（GUT对称性降到SU（3）×SU（2）×U（1）。）膨胀期结束，宇宙进入滑行式的标准弗里德曼扩充期。宇宙由夸克、胶子和轻子热乳浆液组成。自由的夸克浓缩成今天的质子和中子。我们的宇宙仍然很小，只有目前太阳系的大小。物质和反物质互相抵消，物质微微超过反物质（十亿分之一），超过的量形成我们今天看到的周围物质。（这个能量范围是我们希望在今后几年粒子加速器，大型强子对撞机能够复制出的能量范围。）　　4． 3分钟——核子形成　　温度降到足够低，核子形成而不会由于强烈的高温而撕开。氢熔合成氦（产生今天我们看到的75%的氢和25%的氦的比例）。微量元素锂形成，但是更高元素的熔合停止，因为有5个粒子的核子太不稳定。宇宙是模糊一片，光线一产生就被吸收。这标志着原始火球结束。　　5． 380 000年——原子诞生　　温度降到3 000度（K）。电子固定在核的周围，不被高温撕开，原子形成。这时光子可以自由传播而不被吸收。这就是COBE和WMAP测量到的辐射。曾经是模糊一片充满等离子体的宇宙现在变得透明。天空不再是白的，变成黑的。　　6． 10亿年——星星浓缩　　温度降到18度（K）。类星体、星系和银河星团开始浓缩，大部分是原始火球微小量子波动的副产品。矮星开始“烹调”轻元素，如碳、氧和氮。爆炸的星将铁以后的重元素喷向天空。这是哈勃空间望远镜能够探测到的最远的时期。　　7． 65亿年——德?西特尔膨胀　　弗里德曼扩张逐渐结束，宇宙开始加速膨胀，进入叫做西特尔（Sitter）扩张的加速阶段，它是被神秘的还不能理解的反重力驱动的。　　8． 137亿年——今天　　现在。温度降到27度（K）。我们看到当前的由星系、星星和行星构成的宇宙。宇宙在继续以一种散开的模式加速扩张。　　将来　　尽管膨胀理论今天有能力解释许多有关宇宙的秘密，但是还不能证明它是正确的。（此外，在第7章我们将看到，近来也提出了相反的理论。）超新星的结果要检查再检查，要考虑在超新星产生时的灰尘和异常物等因素。大爆炸瞬间产生的“重力波”是“重要证据”，它将最终证实或驳斥膨胀理论。这些重力波像微波背景辐射一样仍然在宇宙中回荡，也许会被重力波探测器实际探测到，正如我们将在第9章看到的。膨胀理论做出了有关这些重力波性质的预计，这些重力波探测器应该能够发现它们。但是我们不能直接检验膨胀理论最引人入胜的预计之一。这就是在多元宇宙中存在“子宇宙”，每个子宇宙的物理定律多少有些不同。要理解多元宇宙的意义，重要的是要首先理解膨胀理论充分利用了爱因斯坦方程和量子理论的奇异的结果。在爱因斯坦理论中，有多元宇宙存在的可能性，在量子理论中，有贯通多元宇宙的可能方法。在一个新的叫做“M理论”的框架内，我们可能找到最终能解决所有这些有关平行宇宙和时间旅行的问题。第二部分 多元宇宙以下内容缺本人下载的网址是：m/read/Spx?cls=17哪位大大有书或者有钱可以把它补全天天读书网（www.book.d78i.com）整理