宇宙奥秘:走进神秘的宇宙世界

宇宙是怎样形成的空间、时间、物质——这一切都源于137亿年前的一个“大爆炸”。那时的宇宙是一个无比奇异的地方。那里还没有行星、恒星或星系这些东西，有的只是一团基本粒子充斥其中。此外，整个宇宙还没有一个针孔大，而且难以置信地热。这个宇宙立刻开始膨胀，从这个出人意料的怪异起点，逐渐扩展，直到演化成目前这个样子。　　现代科学还无法描述或解释大爆炸之后10-43秒内发生了什么事情。这个时间间隔：10-43秒，被称为普朗克时间，是以德国科学家麦克斯-卡尔·恩斯特·普朗克的名字命名的。普朗克首先引入了这样一个概念：能量不能连续可变，而是由具有特定能量的“单元”或者“量子”构成。量子理论是现代大部分物理学的基石，它从*小的尺度上处理宇宙问题，而且被列为20世纪理论科学的两个伟大成就之一。另一个是爱因斯坦的广义相对论，处理极大尺度——天文尺度上的物理学。　　这些理论尽管在它们各自的领域里都被实验和观测完美地验证了，然而调和这两个理论的努力却遇到了很大的困难。特别是，它们对时间的处理方法根本不同。在爱因斯坦的理论中，时间是一个维度，是连续的，所以我们从一个时刻平滑地过渡到下一个时刻；而在量子理论中，普朗克时间就代表着一个基本的极限：时间具有一定意义的*小单元，同时这也是在理论上能够测量出的*小时间单元。如果我们制造出*为精确的钟表，会发现它会不规律地从一个普朗克时间跳到下一个普朗克时间。　　试图调和这两种截然对立的时间观念是2l世纪物理学面临的主要挑战。　　近年来在“弦理论”和“膜理论”方面进行了一些尝试。就目前来说，量子物理主宰着紧邻大爆炸之后的灼热致密的微小宇宙阶段。我们对宇宙的科学研究就从大爆炸之后10-43秒开始。　　大爆炸的概念与直觉相反，我们的常识似乎更易接受一个静态无穷的宇宙观念，但是让人相信大爆炸这个奇异的事件确有科学依据。如果我们接受大爆炸的理论，就有可能看清整个事件的进展过程，从**个普朗克时间开始，直到我们生活在地球上的现在。　　引力——宇宙的力通常认为，在天文距离上唯一起作用的力是万有引力。无论是恒星、行星、一个人还是一片云，引力的强度取决于它里面包含多少物质。注意质量和重量是不同的。质量表示存在多少物质，而重量表示由于重力产生的力的大小。所以一个在地球轨道上的宇航员虽然处于失重状态，但并没有失去质量。可以把引力定义为：使质量产生重量的力。例如，月亮是太阳系大家庭中较小的一个成员，其引力小到无法保持住大气。地球质量比月球大得多，把物体吸引住的能力也强得多，所以幸运的是它保持了我们呼吸所需的大气层。与此类似，早期宇宙中物质密集的区域比稀疏的区域有更大的引力，可以把周围的物质吸引过来，而这又使它的引力进一步增强了。所以这一过程一直在加速，就像常说的那样：富者愈富，贫者愈贫。　　在这些比较致密的区域中也存在局部的密度差异，所以有同类的过程发生。质量越大，引力越强，从周围吸引的物质聚集得越多。使用计算机能够重构当时的情景，从而建立一个比较好的模型来反映早期宇宙是如何演化成现在宇宙的大尺度结构的。　　不论这种结构在哪里形成，都要考虑两种对立的因素：从大爆炸开始的空间的膨胀和引力作用下的局部物质的收缩。天体在形成过程中一旦积累了足够的质量，它就能抵御总体的膨胀而收缩到一起。　　一个星系团的始祖*开始时是很小的，随着宇宙的膨胀，其体积也不断地增加，并持续地从周围把物质吸纳过来。随着可以积累的物质的耗尽，它增长得越来越慢，直至停止扩张，这个原始的星系群达到了它*大的范围，并有能力凝聚到它*终的大小。引力随距离的增大而变弱，所以在宇宙演化的这个过程中，收缩仅可能发生在很小的尺度上。这样，还仅仅是气体团的原始星系开始形成。　　自然界中的力在刚刚大爆炸后极端高温的宇宙中，夸克具备足够的能量自由地运动。　　因此，通过理解*大尺度上的宇宙过程，可以增加我们对*小尺度上的粒子的了解。每个粒子在宇宙初期获得的能量比我们在粒子加速器中所能制造的高得多。即使我们建造一个和太阳系一样尺寸的加速器也不可能产生如此巨大的能量。　　夸克的这种性质的起因与把夸克约束在一起的力的不同寻常的性质有关。　　这种力被称为强核力不是没有缘由的，它只在极小的尺度内才占主导地位，所以我们需要使用非常强大的粒子加速器才能使质子分裂。不同于我们在大尺度环境中所熟悉的力，例如引力或异性电荷之间的吸引力那样，强力随距离的增加而增加。换言之，如果我们能够分开两个夸克，会发现分离的距离越大，两者之间拉回的力就越大。*终，当夸克分开到一定程度，造成这种形变所注入的能量是如此之大，以至于能量转化为质量，产生两个新的夸克。　　这样猛然间我们获得了2对夸克，而不是事先希望的把夸克单独隔离开。这个过程意味着我们在实验中从未产生过独立的夸克。　　夸克只作为其他粒子的组分而存在于日常世界，例如质子和中子中各含有3个夸克。　　值得注意的是，当前我们通过粒子物理对微观世界的研究，和通过宇宙学对极大尺度的宏观世界的认识是紧密交织在一起的。为了认识整个宇宙，我们有限于对于基本粒子的认识，而处于萌芽期的宇宙是我们进行此项研究的*好的实验室。一个充满了高能基本粒子的炙热空间，是我们想象到的新生宇宙的*早景象。　　……