宇宙膨脹背後的故事:於最細微處見浩瀚宇宙

|程 鶚

1977年，溫伯格在美國出版了一本面向大眾的科普書《最初三分鐘》（The First Three Minutes），主要介紹宇宙在大爆炸後隨即發生的一系列場景。這個引人入勝的標題——書中內容其實並不僅限於那「三分鐘」——和新奇、詳實的科學內涵吸引了大量讀者，成為影響廣泛的暢銷書。

溫伯格所著《最初三分鐘》封面設計。

宇宙微波背景的發現又過去了12年，大爆炸這個奇葩的想法不僅在科學界得到廣泛認可，成為作為該書副標題的「宇宙起源的現代觀點」（A Modern View of the Origin of the Universe），而且也不再是一個簡單抽象的猜想，已經發展為有堅實的物理理論，並能夠在現實世界中得到驗證。

作為「外行」的彭齊亞斯和威爾遜發表他們的微波測量結果時，還曾小心翼翼地避免解釋他們數據的含義，把這個不討好的任務交給同時發表詮釋性論文的狄克小組。狄克他們也沒有提「大爆炸」，而是採用了普林斯頓同事惠勒（John Wheeler）提議的「原始火球」（primordial fireball）的說法。還是《紐約時報》報導時直截了當，大標題為：「信號暗示一個『大爆炸』宇宙」。（「Signals Imply a 『Big Bang』 Universe」）。一年後，皮布爾斯開始採用「大爆炸」這個字眼，意味著他們也終於「歸順」了伽莫夫、阿爾弗的宇宙起源理論。

在類星體上遭受重創的穩定態模型本已在苟延殘喘，霍伊爾還是竭盡全力負隅頑抗。直到2000年，他（去世前一年）還出版了一本專著維護穩定態宇宙，批駁天文學界隨大流接受大爆炸理論的行徑。但他已經淪為孤獨的絕響：即使是他的老朋友古爾德、邦德都已經接受了大爆炸學說。（1983年，霍伊爾的合作者、美國天文學家福勒（William Fowler）因發現恆星內部產生重元素的過程獲得諾貝爾獎。包括福勒自己在內的很多人認為霍伊爾更應該得這個獎，因為該項工作實屬霍伊爾首創。對霍伊爾未能獲獎的原因有諸多猜測，是諾貝爾獎爭議案例之一。）

微波背景輻射的發現是穩定態模型破產、大爆炸理論勝出的決定性事件。數學家埃爾德什（Paul Erdos）曾感嘆：上帝犯了兩個錯誤：一是他用大爆炸的方式創造了宇宙；二是他還留下了微波輻射的證據。

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溫伯格既不是天文學家也不是宇宙學家，而是一個研究基本粒子的理論物理學家。他探索的對象因此是物理學中最微觀的世界。由他來描述、解釋最宏觀的宇宙似乎有點風馬牛不相及。然而，這也正是1970年代物理學所特有的一道亮麗風景。

因為，在那最初的「三分鐘」裡，宇宙其實就是一個基本粒子實驗室，高能物理學家的樂園。

伽莫夫年僅24歲時用量子力學的隧道效應解釋原子核衰變，隨後又推算把粒子加速到一定的動能，就可以突破原子核的壁壘。為此，他協助考克饒夫和沃爾頓發明了第一個粒子加速器。從那個加速器猶如健身房器械的管子裡出來的質子成功地打開了鋰、鈹等原子核。

在我們這個適合人類生存的世界裡，實驗室裡產生的粒子不具備太高的速度，因此需要加速才能擊碎原子核。如果換一個環境，比如太陽等恆星的內部，因為溫度、壓力非常高，那裡的粒子本身便帶有非常大的動能，不需要人為加速就可以持續核反應。加速器便可以在人類世界中模擬恆星內部的環境。

如果把膨脹、冷卻的宇宙回溯到最初，那會是一個即使太陽中心也相形見絀的最極端世界，其中的粒子會具備極高的能量。原子核——或任何有內部結構的粒子——都會在不斷的碰撞中解體，回歸為最原始的「基本粒子」。於是，伽莫夫按照他當時的認識設想最初的「伊倫」只能由中子組成。

考克饒夫和沃爾頓的在劍橋修建的加速器把質子加速到了具備幾萬「電子伏」的動能（電子伏是一個高能物理常用的能量單位，是一個電子在一個伏特的電壓中加速所獲得的動能。）。從動能來看，這些質子相當於來自一個溫度高達10億度的世界，遠高於太陽的中心，大體相當於大爆炸之後200秒時的宇宙。

1930年代考克饒夫和沃爾頓設計的粒子加速器。

當愛丁頓繪聲繪色地描述他如何在想像中將宇宙的演化「倒帶」回放到時間的起點時，他沒有想到就在他眼皮底下的幾個年輕人所鼓搗著的簡陋傢伙便在實現這個操作，並且已經接近了宇宙爆炸後的「最初三分鐘」。

1950年代美國布魯克海文國家實驗室的回旋加速器（Cosmotron）。

越來越大、能量越來越高的加速器揭示出一個嶄新、神秘而豐富多彩的微觀世界。五花八門的粒子在不同的能量檔次上出現、分解，表現出不同的碰撞、反應機理。這些在最小尺度上的知識、數據的積累正好為大尺度的早期宇宙提供了實在的線索：在某個時期的宇宙中翻天覆地的就應該是某個相應能量的加速器中所看到的粒子和它們的反應過程。

1968年，也就是伽莫夫逝世的那一年，史丹福大學的直線加速器用高能的電子轟擊氫原子核，證實質子並不是原來想像的基本粒子，而是由更基本的「夸克」（quark）組成。中子亦然，因此不可能是能存在於「伊倫」中的原始粒子。

1970年代，包括華裔物理學家丁肇中（Samuel Ting）在內的眾多高能物理學家利用大型加速器一層層地揭開了微觀世界的奧秘，逐漸形成基本粒子的「標準模型」（Standard Model）。正是在這個模型的基礎上，溫伯格得以「越界」總結、描述宇宙的早期膨脹、演化過程。

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勒梅特曾經把他的宇宙蛋所在的時間叫做「沒有昨天的那一天」（The Day without Yesterday）。在那一刻，愛丁頓的錄像帶已經倒到了頭，不再有更早的過去。我們不知道——也不可能知道——那時的宇宙確切會是什麼樣子。因為廣義相對論在那一刻出現了數學上的「奇點」（singularity），不再具有物理意義。最多，我們只能泛泛地描述宇宙那時沒有空間尺寸，處於時間的零點，而溫度、壓力、密度都是無窮大。

「原始火球」爆炸後，一個有真實物理意義的世界才開始展開。溫伯格在他的書中將愛丁頓倒好的錄像帶一幕一幕地重放：

大爆炸發生0.01秒後，宇宙的溫度高達一千億度。在那樣的「煉獄」中，基本上只存在沒有或幾乎沒有質量的光子、中微子、電子以及它們相應的「反粒子」：反中微子和正電子。這時候的宇宙是一個和睦相處的大家庭，所有粒子膠合成一團，不分彼此，處於完全的熱平衡狀態。也有極少量（十億分之一）的質子和中子混在其中，它們不停地被眾多的輕子轟擊而來回互變，中子甚至沒機會自己衰變成質子。

0.12秒時，宇宙的溫度隨著膨脹冷卻到約三百億度。那些可憐的極少數質子、中子被轟擊的程度稍微緩和，部分中子得以衰變成質子。原來數目相同的質子、中子數開始出現差異。質子佔62%而中子只有38%。

1.1秒時，溫度冷卻到一百億度。和睦的大家庭第一次出現分裂：不愛與他人摻和的中微子退了群（decouple）。這些中微子自顧自地瀰漫於宇宙空間，不再與其它粒子交往，形成所謂的「宇宙中微子背景」（cosmic neutrino background），延續至今。（遺憾的是，這一背景的存在還只是理論預測。因為中微子幾乎完全不與其它物質發生反應，異乎尋常地難以探測。宇宙中微子背景的能量非常低，更是難上加難，至今依然無法找到這個可以驗證大爆炸理論的證據。）

13.83秒時，溫度冷卻到三十億度。宇宙中的電子和正電子開始大規模互相碰撞而湮滅，轉化為光子。也是在這個時候，伽莫夫描述的「中子俘獲」的元素製造過程才得以開始，宇宙中第一次出現氫、氦原子核以及它們的幾種同位素。

3分零2秒後，溫度冷卻到十億度。電子和正電子湮滅後基本消失，宇宙這時充滿了光子和中微子，以及越來越多的氫、氦同位素。因為不再有電子、正電子的持續轟擊，還未被「俘獲」的自由中子也得以大規模衰變成質子。宇宙中質子、中子的比例出現顯著差異：86%的質子對14%的中子。在那之後，所有的中子都被俘獲、「封閉」在氫、氦原子核中（原子核內的中子壽命非常長，基本上不會自己衰變）。

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溫伯格的書名叫做《最初三分鐘》。這除了吸引讀者眼球外，也因為他覺得宇宙的最初三分鐘是最精彩的。那之後宇宙只是慣性地膨脹、冷卻，「再沒什麼有意思的事情發生了」。這個說法也許是出於他對基本粒子物理的情有獨鍾，但未免誇張。

在最初的狂熱過去後，宇宙依然持續地膨脹、冷卻著。大爆炸之後五萬年左右，宇宙中有質量的粒子開始超越光子、中微子等成為主體力量，引力也開始發揮作用。幾十萬年之後，宇宙終於冷卻到「只有」幾千度的「低溫」。這時帶正電的氫、氦等原子核才能夠與帶負電的電子持久性的結合，形成穩定、中性的原子。一直與這些帶電粒子糾纏不清的光子終於也得以脫身，與那些遠古的中微子一樣退了群，成為另一道與世無爭的宇宙背景。隨著宇宙持續的膨脹，這些光子的頻率不斷地紅移，最終會在微波頻段被彭齊亞斯和威爾遜意外地發現。

但在地球和地球上的貝爾實驗室出現之前，這些光子的頻率會先紅移到紅外線波段。那時整個宇宙不再有可見光，進入所謂「黑暗時代」（Cosmic Dark Age）。（當然，可見光、黑暗這些概念都是以地球人類為主體的描述，而那時候還遠遠沒有人類。）

黑暗時代一直持續到大爆炸二億年後。這時氫原子在引力作用下形成第一代恆星，內部因壓力點燃核聚變而發光、發熱。宇宙才再度出現光明。在那之後的幾億年裡，宇宙繼續膨脹、冷卻，恆星聚集成為類星體、星系、超星系等等。恆星內部的核聚變逐級發生後製造出碳、氧、矽、鐵等較重的元素，然後在恆星「死亡」之前的超新星爆發中將這些元素拋灑出來。某些恆星坍縮成密度巨大的中子星。它們的碰撞、合併又能製造出鉛、金、鉑等重金屬。

在大爆炸之後大約92億年，宇宙的某個角落中出現了太陽系。最先出現的是作為恆星的太陽，隨後是木星、土星、天王星和海王星，然後才有水星、金星、地球和火星。又過去40多億年後，地球上出現了人類。他們抬頭仰望、低頭沉思，從浪漫的想像和原始的敬畏到智慧的認識和邏輯的推理，經過幾百年的努力，逐漸發現了宇宙的膨脹、理清了宇宙的來源和頭緒。

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溫伯格等物理學家所描述的這個圖景是一個精確、定量的物理過程。它不僅能預測微波背景輻射，而且還能非常準確地解釋今天宇宙中各種元素的由來和比例。另一位也以熱心科普著名的物理學家克勞斯（Lawrence Krauss）的褲兜裡永遠地放著這麼一張數據卡片。當他遇到對宇宙來源於大爆炸表示懷疑的人時，便會驕傲地拿出卡片引證，說明大爆炸不是空想臆測，而是一個已經被證實的理論。

然而，也正是在1970年代末，當基本粒子和宇宙起源在物理學中趨近輝煌的頂峰時，一絲不苟的物理學家發現他們的大爆炸理論依然有著顯著的缺陷，無法解釋宇宙膨脹過程中的幾個奇詭、頑固的謎點。

（待續）