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宇宙开始于一个点:你可以把一百万个原子塞进这句话最后的句点里

时间:2023-11-18 04:53:01

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宇宙开始于一个点:你可以把一百万个原子塞进这句话最后的句点里

今日最被广泛接受的最初起源说法,是大霹雳概念。这是现代科学的首要典范之一,如同生物学的天择说,或地质学的板块构造论。直到一九六○年代初期,大霹雳理论的关键内容才出现。那时天文学家首次侦测到宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background radiation)──这是大霹雳的残留能量,遍布于今天的宇宙中。尽管宇宙学家至今仍极力想要理解宇宙生成的那一刻,他们仍能从宇宙生成后(深呼吸,我希望我算得够精准)十亿乘十亿乘十亿乘十亿乘十亿分之一秒(大约零时之后十的四十三次方分之一秒)开始,说出一个生动活泼的故事。

以下是故事的概要:我们的宇宙始于一个比原子更小的点。有多小?我们这个物种的心智能力进化到了应对人类大小的事物,从而难以理解如此渺小的事物,但知道以下这点或许有用:你可以把一百万个原子塞进这句话最后的句点里。注22在大霹雳发生的那一刻,整个宇宙比一个原子更小,其中充塞着存在于今日宇宙的一切能量与物质。全部。这个想法令人惊骇,乍听之下似乎纯属疯狂。但我们现有的一切证据都向我们诉说,这个奇异、微小,而且热极了的物体,在大约一百三十八亿两千万年前确实存在。

我们至今还不理解这件事如何、又为何发生。但量子物理学告诉我们,运用电场或电磁场高速推动次原子粒子,以产生能量的粒子加速器则向我们展现,事物真能在真空中从无到有产生,即使要了解这个过程的意义,就需要更复杂地理解空无一物。在现代量子物理学中,精准确认次原子粒子的位置与运动是办不到的。这意味着你不可能确切地说某个特定的空间区块是空的,也意味着空虚其实是紧绷的,随时有可能出现事物来。正如印度《吠陀》说的「无既非有,有亦非有」,这样的张力似乎生成了我们的宇宙。

今天,我们把宇宙的初始称作「大霹雳」,而不是像新生儿那样呱呱坠地。这个巧妙的词汇是在一九四九年由英国天文学家弗雷德.霍伊尔(Fred Hoyle)创造的,他认为这个想法荒诞不经。宇宙大爆炸的概念在一九三○年代初期首度浮现时,比利时天文学家(也是天主教司铎)乔治.勒梅特(George Lematre)将这个新生的宇宙称作「宇宙蛋」(cosmic egg)或「太初原子」(primordial atom)。事情在极少数认真看待这个想法的科学家看来很明确,既然有这么多能量充塞其间,这个太初原子必定热得超乎想象,而且必定疯狂扩张以释放压力。扩张直到今天仍在持续;彷彿一座巨大涌泉汩汩奔流了超过一百三十亿年。

大霹雳后最初的分分秒秒间发生了很多事。最重要的是,最初的有趣结构和模型出现了,这是第一批具有独特非随机形体及属性的实体或能量。独具新特性的事物出现,总是令人不可思议。我们在现代起源故事中会看到这件事反覆发生,即使乍看之下不可思议的事物,在我们理解新事物及其新特性并非一蹴可几或凭空产生之后,或许就不再那么神奇了。具有新特性的新事物,是由既有事物及力量重新排列组合而来。正是新的排列组合得出了新特性,就像以不同方式排列磁砖即可产生出新的镶嵌图案。举一个化学的例子。我们通常认为氢和氧是无色气体,但把两个氢原子和一个氧原子以特定组态结合起来,就会得到一个水分子。再把这些水分子聚集起来,你就会得到我们视之为「潮湿」(wateriness)的全新特性。当我们见到具有新特性的新形体或新结构,我们所见的其实是既有事物的重新排列组合。创新就是发生。倘若我们认为「发生」是我们故事中的角色之一,它大概会是窈窕、谜样且不可预期的,有可能出人意料从黑暗中现身,引领情节走上令人惊奇的新方向。

宇宙中最早的结构和模型正是这样产生的,从大霹雳迸出的事物和力量以全新组态排列组合。

我们对于这个过程的最早阶段有些证据,大霹雳之后的一瞬间,宇宙是由纯粹、随机、未分化且不成形状的能量构成。我们可以把能量看作事物产生的潜力,造成事物或改变事物的能力。太初原子里的能量十分惊人,高达绝对零度以上千百兆度。这时有一段短暂的超高速扩张时期,称为暴胀(inflation)。扩张的速度快到大半个宇宙投射到了远远超出我们所能想见的范围。这意味着我们今日所见到的,或许只是全宇宙的一小块。

又过了一瞬,扩张的速率减缓了。大霹雳的动荡能量逐渐安定下来,随着宇宙持续扩张,能量也发散、变得稀薄。平均温度下降了,并且持续下降,因此今天大半个宇宙的温度只有绝对零度以上摄氏二点七六度。(绝对零度是万物不再活动的温度。)但我们感觉不到寒冷,地球上的任何其他有机体也感受不到,因为太阳的篝火温暖了我们。

在大霹雳的极端温度中,几乎任何事都有可能发生。但随着温度下降,可能性也减少了。独特的实体开始如鬼魅一般,从冷却宇宙的混沌之雾中产生,这些实体在大霹雳的暴烈大锅中不可能存在。科学家称这些形体与结构的转变为相变(phase changes)。我们在日常生活中也能看到相变,象是蒸气失去能量而成为水(水分子的运动弱于蒸气分子),以及水结成冰(它的能量如此微弱,只会在原地晃动)。水和冰只会存在于小范围极低温度之内。

大霹雳过后十亿乘以十亿乘以十亿乘以十亿分之一秒内,能量本身就经历了相变。它分裂成四个非常不同的种类。今天,我们知道它们是重力、电磁力、强作用力和弱作用力。我们需要熟悉它们的不同性格,因为它们形塑了我们的宇宙。重力是弱的,但它跨越遥远的距离,始终将事物联结起来,它的力量因此而累积。它会让宇宙更紧密聚合。电磁力以正电荷和负电荷形态出现,因此通常相互抵消。重力尽管微弱,却在大范围内形塑了宇宙。但电磁力则支配了化学和生物学层面,它是维系我们的身体所必需的。第三种和第四种基本力被单调地称作强作用力和弱作用力。它们的作用距离短,影响范围在于次原子。我们人类并不直接体验它们,但它们形塑了我们的世界每一方面,因为它们决定了原子内部深处的变化。

可能还有其他种类的能量。一九九○年代,测量宇宙扩张速率的新数据,显示出速率正在增加。许多物理学家和天文学家如今借用爱因斯坦首先提出的一个想法,主张整个太空中可能都存在一种反重力,其力量随着宇宙扩张而增强。今天,这种能量的质量或许已经占了宇宙总质量的七成。但即使它已经开始支配我们的宇宙,我们仍不了解这种能量究竟是什么、又如何运作,因此物理学家称之为暗能量(dark energy)。这个词是一个占位符(placeholder)。仔细看,因为理解暗能量是当代科学的最大挑战之一。

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网友评论
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显示评论内容(3)
  1. 无月‖﹏无边2024-02-09 21:23无月‖﹏无边[江西省网友]203.24.199.182
    这种描写方式简洁有力,令人印象深刻
    顶10踩0
  2. 蜡烬之后2024-01-12 23:53蜡烬之后[甘肃省网友]203.12.66.140
    让人不禁感叹宇宙的绝妙之处,思考人类微小的存在
    顶0踩0
  3. 九天2023-12-16 02:23九天[内蒙古网友]103.44.90.15
    这个想法太过震撼了,展现了宇宙浩瀚的奥秘
    顶0踩0
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