神秘的宇宙

宇宙的形式 拉丁语中的universum一词*早是由罗马政治家西塞罗（Cicero）在公元前1世纪创造的。如今，我们知道我们的宇宙包括地球上的所有事物、太阳系以及太阳系之外遥远的恒星和星系。它还包含一个广阔的，并可能无限的空间，这一空间已经存在了近140亿年。在人类历史的大部分时间里，宇宙形成的方式是宗教问题。所有的创世故事都有一个共同点：它们必须解释某事物（宇宙）是如何被创造或从无到有的。如今，天体物理学家仍在努力揭开这一令人费解的谜团，他们用现代语言来描述这个谜团：“为什么是有什么而不是什么也没有？”言语中带一丝顽皮和幽默。 宇宙一小部分的哈勃极深场，图像显示了数千个星系，其中*遥远的星系距离地球约130亿光年。在哈勃空间望远镜的*远极限，它只能探测到宇宙大爆炸（后文简称“大爆炸”）后5亿年形成的那些婴儿星系。 创世故事 在古代，宇宙中物质的构成是基于亚里士多德（Aristotle）提出的一组基本要素，即土、气、火、水和以太。前4种要素存在于地球上，天空中的行星、恒星和其他“居民”则由一种被称为以太[aether（αιθερ）]的纯净发光物质构成。虽然亚里士多德考虑了5种要素，但在印度的吠陀哲学中，又补充了时间、空间、思想和灵魂等要素。世界上所有的物质都是由这些要素的混合物构成的。探索宇宙的古代哲学家总是发现自己在探索构成万物的基本要素，这些要素在公元前5世纪被希腊人[如德谟克利特（Democritus）]称为atomos（原子），在公元前6世纪被吠陀圣人羯那陀(Kanada)称为parmanu（原子）。 除了了解构成世界的要素外，人们还必须创作故事来解释世界上的特定事物是如何由这些基本要素构成的。在古埃及，阿图姆-拉（Atum-Ra）首先通过说出自己的名字从努恩（Nun）的黑暗水域中创造了自己。他通过这种行为，随着时间的推移将所有其他神灵和地方都创造了出来。随后古巴比伦人也在宇宙水域中创造了他们自己的神：阿卜苏（Apsu）代表淡水，提亚玛特（Tiamat）代表苦涩的咸水。这对神灵随后创造了其他所有神灵，包括*终杀死提亚玛特的马尔杜克（Marduk），他又从提亚玛特的尸体中创造了天与地。同样在中东，犹太教《*》中的《创世记》认为宇宙始于混沌中无形的水，上帝利用它创造了天、地和所有生命。 古人们在创作这些故事时面临的*大挑战可能是来自《梨俱吠陀》中首次提出的：“谁知道这一伟大的创造从何而来？”答案是，即使是“至高天上的至高先见”也可能不知道！然而，千百年来，人们发现此类故事完全可被利用于满足他们自己的需求。只是在过去的100年里，新的认识才使我们能够为我们现在所说的宇宙起源创作一个更好的“故事”。当代人类面临的*大挑战是将我们发现的所有新的基本要素纳入现代的创世“故事”中，并展示它们是如何以合乎逻辑的方式相互关联的。这些要素代表了我们物理世界的7种特定的现象和属性。下面就让我们逐一来看一看吧。 要素一：物质 直到15世纪，炼金术士也只成功地识别了亚里士多德提出的5种要素之外的几十种化合物。如今，对自然界基本元素的探索已经不可阻挡地引领人们认识了地球上94种天然元素，还有另外24种是用先进的技术人工合成的元素。几个世纪的科学研究和技术进步也使人们对物质的本质有了深刻的理解，这些物质是由一小部分基本元素组成的，其复杂程度令人眼花缭乱。但是，将物质还原为其*基本成分的过程并没有就此结束。从20世纪初开始，人们还发现原子是由电子、质子和中子组成的。已知相对原子质量*大的元素 （Og）于2006年被发现，它包含118个质子、118个电子和176个中子。到20世纪中叶，对质子的研究实验发现，质子本身由更基本的物质组成，称为夸克。随着时间的推移，物理学家发现了6种不同的夸克，它们被赋予了幽默的名字：u夸克（Up）、d夸克（Down）、s夸克（Strange）、c夸克（Charm）、b夸克（Bottom）和t夸克(Top)。人们熟悉的质子和中子只需要6种夸克中的2种，即u和d夸克，每3个为一组，例如，1个质子由3个夸克组合uud构成，而中子则由夸克组合ddu构成。数以百计的其他质量更大的粒子则需要6种夸克组合构成。 在6种夸克之外，排在第二位并且质量小得多的基本粒子家族被称为轻子。电子是我们现代文明的主力，是轻子中*为人所熟悉的，但它要与另一种称为中微子的粒子配对。在放射性衰变过程中，例如当一个中子在大约10分钟后衰变时，中子变成质子并同时释放出一个电子和一个中微子。其他粒子也可以经过衰变释放出额外的、质量更大的轻子，如μ子和τ子，各自被它们自己的伙伴中微子跟随。 反物质是在20世纪30年代发现的，是一种物质形式，它们所带的电荷与夸克和轻子物质相反。例如，带负电荷的电子有一个反物质版本，称为正电子。正电子的质量与电子相同，但带正电荷。电荷为-1/3的d夸克有带+1/3电荷的反物质d夸克。类似地，带+2/3电荷的u夸克有带-2/3电荷的反物质u夸克。这就是为什么没有净电荷的中子也有反粒子，即反中子。中子包含夸克组合ddu，反中子由3个反夸克ddu组成。 粒子及其反粒子的另一个重要特征是当它们聚集在一起时，它们会在能量爆发中消失。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的狭义相对论指出，物质和能量是等价的物理属性，由他的标志性公式E=mc2关联在一起。电子和正电子的结合正好产生两条伽马射线，每条射线携带的能量E=mc2，其中m是电子的质量，c是光速。正负电子对也可以通过使用“粒子加速器”来创造，其中粒子之间的碰撞能量几乎可以“无中生有”地创造正负电子。我们宇宙的基本构成可以简洁地概括为6种夸克、6种轻子和它们的反物质双生粒子。这些发现已经被编入了物理学家的标准模型中，但标准模型还有美中不足之处。 自20世纪90年代以来，天文学家一直在研究星系的运动和我们银河系的自转，发现了大量看不见的暗物质。暗物质与标准模型中出现的物质不同。暗物质似乎是不可见的，不发光，也不会吸收或反射来自恒星的光。想检测到暗物质只能通过它对我们可以看到的事物的引力影响来推断。银河系附近星系的运动，以及银河系内恒星和气体云的运动，向我们揭示了星系周围巨大的暗物质晕的范围。现代研究推测，我们银河系中存在的暗物质的质量大约占银河系质量的93%。在银河系附近的许多星系中也可以探测到暗物质的这种优势。如果没有大量的暗物质，许多星系只会自旋分裂，而不是像今天我们所看到的那样持续存在了数十亿年。 尽管人们经过50多年的努力仍未发现新的夸克或轻子，但对暗物质的探索仍然是当代天体物理学中*激动人心的活动之一。天体物理学家试图利用标准模型中中微子的存在来寻找暗物质。如果一个中微子的质量是一个电子的十万分之一，那么它们的质量和引力就足以用于模拟暗物质。在20世纪80年代和90年代，这是一个令人兴奋的前景，但直到对3种已知类型中微子质量的精确测量才表明它们不足以提供足够的引力。从纯粹的理论角度出发，物理学家采用超对称性这一新原理将标准模型扩展到更高能量，从而找到了暗物质的候选粒子。*有希望的粒子被称为中性微子。在瑞士日内瓦的大型强子对撞机上，尽管进行了长达10年的探索，但仍未发现超对称性或这种新粒子存在的证据。从质量*大的t夸克的质量（约单个质子质量的180倍）到大型强子对撞机探测的极限（单个质子质量的1万倍），在此之间没有检测到新粒子。对于物理学家来说，这片粒子沙漠是令人震惊且前所未见的。大自然似乎已经用尽了物质的形式，所有的物质形式已被我们编入标准模型中了。 要素二：自然的基本力 我们宇宙的第二个要素是使物质“做”一些有趣事情的力。如果没有力，宇宙将是太空中由夸克和轻子组成的静态气体。自古以来，人类就知道这些基本力中的**种，称为电磁力。这是使中国古代水手的磁罗盘工作的力，或是如古希腊人发现的那样，琥珀与皮毛摩擦时会产生使人感到触电的力。 带电粒子拥有从粒子向外辐射的电场，就像车轮中的辐条一样。这一电场将对它遇到的另一个带电粒子产生一个力，如果两个粒子所带的电荷相反，则会产生我们熟悉的吸引力，而电荷相同则产生排斥力。力场也是赋予岩石、山脉、行星甚至人体硬度的因素。当带电粒子运动时，它们也会产生磁场，我们在磁铁之类的东西中经常“看到”这种磁场。在我们的太阳表面，由称为等离子体的带电气体运动引起的磁场会变得非常强大，它们会穿过太阳表面形成太阳黑子。太阳黑子是成对产生的，一个的磁极性为北极，另一个的磁极性为南极，就像玩具磁铁一样。等离子体的运动可以拖动这些磁场，放大它们并使得它们得以影响离太阳更远的区域。 原子中的电子通过长程电磁力维系在一起，但由于原子核中所有质子都带正电荷，它们之间的强烈电磁排斥会导致原子核飞散。为了使夸克结合形成质子和中子，并将这些粒子限制在原子核中，需要非常强的短程力，即强核力。强核力由胶子传递。胶子类似于光子，因为它们都没有质量，但与所有由夸克组成的粒子相互作用。与只有1种类型的光子不同，胶子有8种不同类型。更有趣的是，光子不会相互作用，但胶子会相互作用。这样产生的结果是，光子可以在太空中传播超远距离以产生电磁力，而胶子产生的力会随着一对夸克之间距离的增加而增强。正是胶子的这一特征将夸克限制在质子内，并且将质子和中子共同限制在原子核内。 某些粒子可以衰变成更简单的粒子，这也需要核力。中子在衰变成1个质子、1个电子和1个中微子之前，平均可以存在10分钟。粒子衰变是自然界中被称为弱核力的第三种力的标志。正如电磁力由光子交换携带而强核力由胶子交换携带一样，弱核力由3种称为中间矢量玻色子的粒子携带。如果没有弱核力，恒星将永远无法使氢聚变成氦来支撑自己。此外，超新星将永远无法引爆，无法用碳、氧和铁等新元素来丰富太空。 引力是自然界的第四种基本力，人类在数百万年前就已经知道了这种力，但在400年前才开始详细研究这种力。一个悖论是，引力是自然界中*弱的力，但同时也是*普遍的力。宇宙中从夸克和电子到恒星和星系，无论多小的物质都会产生这种力，而这种力只会造成吸引。引力的本质是由牛顿在1666年提出的，他以数学的精确展示了引力的作用。就像电磁力一样，引力是一种遵循平方反比定律的力，随着物质之间距离变大而减小。这也解释了太阳系中行星之间的规律性，包括它们以椭圆路径绕太阳公转的原因。爱因斯坦在研究相对论时彻底推翻了引力只是另一种力的观念。他于1916年发表的广义相对论为引力的存在提供了一种完全不同以往的解释，其中还包括一种对空间和时间的新思考方式。 爱因斯坦的相对论指出，描述物体如何运动的相关领域称为时空。这是一个四维空间，包括普通空间的三个维度和时间的一个维度。只有将一个物体的演化视为一条穿越时空的路径，也就是世界线，而不仅仅是空间本身，你才能准确地解释它的运动和行为。世界线代表粒子在空间中移动时的历史。爱因斯坦的广义相对论也以数学方式表明时空是可以弯曲的，这种弯曲以我们所说的引力这种形式被感知。行星穿过由更大质量的恒星产生的弯曲时空的*短路径，即它的世界线，看起来像一个三维空间中的椭圆，在四维空间中如同开瓶器的螺旋，螺旋轴是沿着时间轴延伸的。在尝试沿着*直的螺旋状世界线运行时，这颗行星对这一弯曲时空的感知是牛顿所界定的普通引力。因此，引力与强核力、弱核力和电磁力不同，它是粒子在弯曲或扭曲的时空运动的结果。目前还没有实验证据表明引力是由粒子（比如引力子）交换携带的，尽管有很多理论证据表明事实可能如此。 要素三：隐藏的场和力 前文关于各种力和物质的讨论中未提及的是极为关键的第二十五种粒子，称为希格斯玻色子。与产生强核力、弱核力和电磁力的12种载力粒子不同，希格斯玻色子是真正隐藏在“真空”中的。它与空间中其他物质和载力粒子的相互作用，将使标准模型中的所有粒子具有我们所测量的质量属性。光子和胶子根本不与希格斯场相互作用，因此静止质量为零。电子和中微子会与希格斯场发生微弱的相互作用并获得少量质量。夸克、μ子和τ子与希格斯场的相互作用更强，而中间矢量玻色子在所有粒子中与希格斯场的相互作用*强。当一个载力粒子获得质量时，它产生的力会使其在越来越小的范围内获得这一质量，直到*后，如对于巨大的中间矢量玻色子来说，它们获得质量的范围会缩小至比原子核还小的尺寸。2012年，使用大型强子对撞机的物理学家宣布检测到了与希格斯场相关的粒子，命名为希格斯玻色子，其惊人的质量刚好超过130个质子质量之和，但单独由一个基本粒子承载。 物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒特（Fran.ois Englert）在1964年就预言了希格斯玻色子的存在，他们也因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。但早在大型强子对撞机探测到希格斯玻色子之前，这种粒子及与之相关的场就已经成为许多关于统一自然界各种力的先进理论的主要内容了。 尽管与嵌在真空中不可见的希格斯场相关的粒子已经被发现，但对于更神秘的第二个自然场——“暗能量”而言，情况却并非如此。对遥远距离外的超新星爆发的探测表明，如果宇宙膨胀的速度是恒定的，那么暗能量实际上比估计的更加微弱。在我们看来，暗能量似乎离我们更远，但这种情况只有当近期的宇宙膨胀加速时才能发生。另一种探测暗能量效应的方法是仔细研究我们的宇宙在大爆炸中诞生时遗留的火球发出的光。美国国家航空航天局的宇宙背景探测器和威尔金森微波各向异性探测器等航天器，以及欧洲太空总署的普朗克卫星，都使用非常灵敏的无线电接收器来测量宇宙微波背景辐射的亮度。科学家发现，正如大爆炸宇宙学所预测的那样，宇宙微波背景辐射在整个天空中都非常均匀，但也有非常细微的不规则性。与这些星团演化的详细数学模型做比较，就可以推导出暗能量、暗物质和普通标准模型物质的数量。威尔金森微波各向异性探测器和普朗克卫星测量宇宙微波背景辐射的结果是，宇宙由4.6%的普通物质、24%的暗物质和71.4%的暗能量组成。看不见的暗能量场弥漫在太空中，随着宇宙体积的变大而变强，从而导致宇宙加速膨胀。在遥远得难以想象的1000亿年后的未来，看不见的暗能量场实际上将会导致星系消解、行星破碎，甚至原子本身在宇宙学家所说的大撕裂中飞散。 要素四：空间 要构建一个宇宙，我们需要前三个要素，也需要一个放置它们的场所。那个场所通常称为空间，而在我们的宇宙中，它恰好具有三个维度，并且其范围之大难以想象。数千年来，空间被认为是一个被动的容器，其中盛放着世界的组成成分。甚至直到18世纪，牛顿仍将空间视为宇宙中所有事物的固定的、被动的、绝对的参照系，它们的位置和运动可以通过数学来理性并一致地描述。但是到了20世纪初，爱因斯坦狭义和广义相对论的成功建立消除了对这样一个预先存在且永恒的牛顿空间的需求。爱因斯坦提出空间实际上是人类虚构的。它是一个更复杂的物理对象的一部分，该对象还包括作为第四维度的时间，从而创造出所谓的“时空”。事实上，爱因斯坦的关于引力的相对论中的时空只是引力场本身的另一个名称，这是因为用于描述时空几何结构的数学符号也用于描述引力场的强度。由于物质和能量可以产生引力场，空间也是由物质和能量产生的，因此空间并不是作为宇宙中物质和能量的被动容器而预先存在的。事实上，我们宇宙的诞生也带来了空间的诞生。宇宙学背景下的空间只不过是物体之间的距离间隔。根据广义相对论，空间不是一种增长速度受光速限制的物理“事物”。星系等客体嵌在太空中，但它们的运动速度低于光速，而它们之间的空间可以比光速膨胀得更快。 一旦你有了前三个要素，即嵌在真空中的物质、作用力和隐藏的场，你就可以无偿获得空间本身！令人惊奇的是，我们称之为“时间”的神秘事物可能也是如此。 要素五：时间 关于我们的存在，*难以理解的奥秘是时间的本质。几千年来，哲学家都在试图解释这个似乎势不可挡地从过去流向未来，并建构着我们的生活以及整个物理宇宙中的事件的“东西”究竟是什么。这些思考产生了一些并不多见的但看起来非常直观的关键性见解。其中*广为人知的是牛顿设想的一个可以主控时间瞬间的宇宙“主时钟”，时间从过去流向未来，与物质的行为无关。爱因斯坦的相对论，连同无数的实验结果，却证明不存在这样同步的宇宙时间。运动中的物质都有自己的主时钟，称为固有时，并且固有时不能在整个宇宙中被同步来创建一个宇宙时间。时间和空间一样，仅由物质集合（时钟的集合以及其他物体的集合，甚至包括各种场本身）之间的关系来定义。这迫使我们更仔细地研究时空本身的性质。 时空是我们整个宇宙的基石，它是由无数的世界线定义的，这些世界线在其四维空间内开始和结束，就像漏勺底部的意大利面一样。每条世界线都是一个事件的集合，这些事件通过某种因果关系关联起来，形成一个粒子的历史。事件是当一个粒子与另一个粒子相互作用时时间上的特定时刻和空间上的具体位置，例如当一个光子被一个原子发射出去或吸收进来时，或者当你在某个特定日子和时刻在法国巴黎的埃菲尔铁塔下遇到某人时。每条世界线上的事件都是与该世界线相关联的时钟所传递的特定时间上的瞬间，就像你使用随身佩戴的腕表度量你当前的时间一样。根据相对论，地方时被称为固有时。根据爱因斯坦的广义相对论，世界线的形状共同定义了时空的几何形状，而不是反过来的。把时间和空间合在一起视为一个时空是个理解问题的便利视角，由此看来，世界线上的无数事件所表现的粒子的整个历史都可以一览无余。时空不会随时间演化，它只是作为整体存在。相对论的这种含义被称为爱因斯坦的块宇宙，并给物理学家提出了一个重大问题：如果观察者的历史以他们的世界线表现为从出生的那一刻到死去的那一刻，那么，你正在经历的被称为现在的当前时刻，是如何被单独挑出来的？这也反映了一个事实，即物理学中所有对一个物体或系统的运动和演化进行建模的方程都是通过调用代表时间的变量t来实现的。但在这些数学模型中，没有任何地方将“t = 现在”单独列为一个特殊时刻。 更令人困惑的是，我们并不能像感知空间的三维那样感知时间。事实上，我们感知时间和追踪我们的每个现在的唯一方法是参照附近称为“时钟”的其他世界线的集合，它们遵守固有时，并帮助我们跟踪我们所处环境中的变化。如果我们的环境中没有任何变化，那么时间就根本不以一种有意义的方式存在。时空观的一个显著特征是，时间不是构成我们宇宙内容的世界线整体之外的特征。时间只在我们宇宙的时空中出现和存在。 尽管我们在理解时间和空间如何交织方面已经远远超越了古代哲学家，但我们还没能够设法解决物理学家所说的现在问题，或者时间究竟为什么存在这个问题。我们所确切知道的是，就像空间一样，时间是在大爆炸中产生的，并且根据爱因斯坦的相对论，时间是物质和能量的一个特征。因此，时间（和空间）不需要在物质出现之前作为一个独立的要素被创造出来，而是与空间和物质一起诞生的。