给忙碌青少年讲天体物理

有史以来*伟大的故事——宇宙大爆炸之初 起初，近140亿年前，整个宇宙比这个句子末尾的句号还小。 到底有多小呢？不妨把这个句号想象成一张比萨饼，然后再把这张比萨饼切成一万亿片。万事万物——包括组成你的身体、你窗外的树木或建筑、你朋友的袜子、矮牵牛花、你的学校、我们这颗星球上*高的山脉和*深的海洋、太阳系乃至其他遥远星系的粒子，宇宙中所有的空间、能量和物质都挤在这个点里。 而且它很烫。 环境如此酷热，又有这么多东西挤在这么小的空间里，宇宙能做的事只剩下一件。 那就是膨胀。 飞快地膨胀。 今天，我们将这个事件称为“大爆炸”，在亿万分之一秒（确切地说，是一千亿亿亿亿亿分之一秒）的时间内，宇宙急速膨胀。 对于宇宙生命在*初这个瞬间的事情，我们到底了解多少？不幸的是，非常少。今天我们知道，四种基本力控制着世间的一切，从行星的运行轨道，到组成我们身体的粒子。但在大爆炸之后的那个瞬间，这四种力仍纠缠在一起。 宇宙在膨胀中冷却。 这个瞬间被科学家称为“普朗克时期”，因德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）而得名。在这个瞬间快要结束的时候，有一种力从混沌中挣脱出来。这种力将组成星系的恒星和行星聚集在一起，让地球围绕太阳旋转，也让10岁的小朋友没法灌篮——它便是引力。引力无处不在，我们可以通过一个简单的实验体验它：请合上这本书，把它举到离你*近的桌面上方几厘米的位置，然后放手。接下来，你看到的便是引力造成的结果。（要是你的书没往下掉，请立即联系离你*近的物理学家，告诉他宇宙出了大麻烦） 不过，在早期宇宙*初的短暂瞬间，行星、书本和10岁的篮球运动员都不存在，所以引力也没处施展身手。引力*擅长操控庞大的物体，然而早期宇宙里的一切都小得超乎想象。 但这只是开始。 宇宙继续膨胀。 接下来，自然界中另外三种主要的力彼此分开。这些力的主要任务是控制充斥宇宙的粒子，或者说小块物质。 一旦这四种力完全分开，我们就拥有了搭建宇宙所需的工具。 大爆炸万亿分之一秒后 宇宙依然难以想象地小而热，但里面开始挤满粒子。这时候的粒子有两种，它们分别叫作夸克——听起来和“马克”押韵——和轻子。夸克的性质十分古怪。你永远不可能抓到落单的夸克，它总是和附近的伙伴“勾肩搭背”。我敢打赌，你至少认识一位这样的朋友或者同学。夸克就像那些不愿落单的孩子，哪怕上厕所都得搭伴。 两个或两个以上的夸克被分开得越远，将它们束缚在一起的力就会变得越强——它们就像被某种看不见的微型橡皮筋绑在一起。但要是夸克被分开得足够远，橡皮筋就会绷断，储存的能量就会在断裂的两头分别创造出一个新的夸克，于是被分开的伙伴各自获得了一位新朋友。假如同样的事情发生在你们学校里那些“连体婴”身上，他们每个人都会一分为二。当然，对你们的老师来说，这将是个大麻烦。 而另一方面，轻子却是“独行侠”。将夸克束缚在一起的力对轻子不起作用，所以它们不会聚集成群。*有名的轻子是电子。 除了这些粒子以外，宇宙中还充斥着沸腾的能量，能量被裹在波状的小包裹里，这些光能量团叫光子。 事情从这里开始变得奇怪起来。 宇宙如此炽热，所以光子会不断转化成物质-反物质粒子对，这些粒子对又会相互碰撞，再次转化为光子。但出于某些神秘的原因，这种转化有十亿分之一的概率产生一个落单的物质粒子，没有反物质粒子与它配对。要是没有这些孤单的幸存者，宇宙中就不会有物质存在。这是件好事，因为我们都是由物质组成的。 我们的确存在，而且我们知道，随着时间的流逝，宇宙不断膨胀、冷却。在它膨胀得比我们的太阳系还大的过程中，它的温度也在迅速下降。虽然这时的宇宙还很热，但它已经降到了1万亿开氏度以下。 大爆炸百万分之一秒后 宇宙已经从句号的亿万分之一膨胀到了和我们的太阳系差不多大，也就是说，直径近3 000亿千米。 1万亿开氏度，这个温度比太阳表面热得多，但比大爆炸之后的那个瞬间已经冷却了不少。这个温吞吞的宇宙温度和密度都不足以继续“烹制”夸克，所以夸克纷纷抓紧“舞伴”，创造出更重的粒子。它们的组合很快带来了我们更熟悉的物质形态，譬如质子和中子。 截至现在，大爆炸刚刚过去了1秒 宇宙的直径已经膨胀到了几光年，大约相当于太阳和离它*近的恒星之间的距离。温度降到了10亿开氏度。这还是很热，足以“烹制”小小的电子和它们的搭档——正电子。这两种粒子不断诞生，彼此湮灭，然后消失。但电子和其他粒子都遵循同一条法则：它们有十亿分之一的概率幸存下来。 其余的则相互摧毁。 宇宙的温度降到了1亿开氏度以下，还是比太阳表面热。 更大的粒子开始彼此聚合。组成我们今天能看见的宇宙——包括恒星和行星、你窗外的树木或建筑、你朋友的袜子、我的胡须——的原子所需的基本元素终于走到了一起。质子与中子、其他质子共同组成原子的核心，我们称之为“原子核”。 大爆炸已经过去了2分钟 正常情况下，宇宙中呼啸而过的电子会被质子和原子核吸引。电子带有一个负电荷，质子和原子核则携带正电荷，异性相吸。可这些粒子为什么会携带正电荷和负电荷呢？或者你还会问，异性为什么相吸呢？ 它们就是这样。 我真想告诉你一个更好的答案，但宇宙没有义务为我们提供合理的解释。我只能说，这两个概念背后都有很多很多年的科学研究支持。 既然异性相吸，那么接下来你肯定觉得质子和电子会紧紧黏在一起。不过在接下来的几千年里，宇宙的温度还是太高，这些粒子根本无法安定下来。电子自由游荡，撞得质子东倒西歪，自由电子就爱干这事儿。 宇宙温度降到3 000开氏度（大约相当于太阳表面温度的一半）时，这样的局面就结束了，所有自由电子都和带正电的质子结合在了一起，它们结合产生的所有光子至今仍原封不动地在宇宙中穿行——直到今天，科学家仍能探测到这些光。我们将在第三章中进一步讨论这部分内容。 大爆炸之后38万年 宇宙继续膨胀，像一只不会爆炸的气球。膨胀过程中，宇宙逐渐冷却，引力开始起效。*开始的几十万年里，粒子到处乱跑，就像幼儿园操场上的小朋友。然后引力将这些碎片凝聚起来，形成宇宙中的城市，我们称之为星系。 近一千亿个星系成形了。 每个星系拥有几千亿颗恒星。