包邮宇宙是怎样炼成的?——大爆炸的故事

第 1 节 *初的 5 分钟—氦是怎样炼成的？ 天文学家利用多年来观察宇宙恒星和星系的分布数据，可以估计整个宇 宙物质的平均密度，大概是每千个地球体积中有一克物质。接下来，加莫用 哈勃测量的宇宙膨胀速度，设想时光倒流，宇宙收缩。越接近大爆炸的创造 时刻，宇宙密度变得越高，他可以使用简单的数学计算出在过去任何时刻的 平均密度。物质被压缩后会产生热量，这是中学生都懂的物理学定律。因 此，早期压缩的宇宙会比今天的宇宙热得多。总之，加莫发现，他可以很 容易地解决宇宙在任何时间点的温度和密度，从大爆炸开始的一刻，一直到 今天。 确定早期宇宙的温度和密度是关键的一步，因为任何核反应的速率和结 果几乎完全取决于它们。密度越高，两个原子核碰撞和引起聚变的可能性越 高。随着温度上升，原子运动速度更快，这也意味着原子核更容易克服它们 间的静电排斥力，更可能融合。天体物理学家知道太阳内部的温度和密度， 所以他们可以找出哪些核反应能在恒星内部发生。现在加莫希望，利用早期 宇宙的类似信息，他也可以找出哪些核反应能在大爆炸后不久发生。 早期宇宙的极端温度会把所有物质分解到*基本的形式。单独的质子就 是一个氢核，假如它能捕获一个电子，就成为一个完整的氢原子。然而，早 期的宇宙是如此热，如此充满能量，以致高速运动的电子，难以被任何质子 的吸引力绑定成一个稳定的氢原子。不光是分子、原子不能存在，连氢以外 的其他原子核，如氦，也不能单独存在，因为在高温高速的碰撞中，氦核也 会被分解。因此，加莫为研究大爆炸建模的**步是假设：宇宙的初始成分 是单独的质子、中子和电子等*基本的粒子。除了物质的粒子外，早期的宇宙还有大量的光子，因为高速带电粒子间的碰撞不可避免会产生电磁辐射。 高能量的质子、中子、电子和光子，组合成早期的宇宙，成为一团高温高压 的高能粒子“液浆”体，犹如一锅热腾腾的浓粥。 从这个“混沌初开”的宇宙开始，随着时光如流水般的向前走，加莫希 望能了解这些基本粒子如何开始聚合在一起，形成目前我们熟悉的原子核。 *终，他的野心是展示这些原子如何会形成恒星和星系，进化成我们晚上看 到星光灿烂的宇宙。简言之，加莫想证明大爆炸模型可以解释我们的宇宙是 如何从混沌初开演变到达今天。 不过，当他开始计算可能发生的核反应时，加莫被摆在他面前的艰巨 任务难倒了。他本来可以应付在一组特定条件下的静态计算，但大爆炸模型 的困难是，它是动态的，不断变化发展的。在某一时刻，宇宙有一个特定温 度，密度和粒子的组合，但 1 秒后，宇宙会膨涨扩大，导致一个较低的温 度、密度和略有不同的粒子组成混合物，一切取决于已经发生的核反应。加 莫挣扎着，举步维艰。他是一流的物理学家，但计算是他的短板。这是一个 计算机还不存在的时代，所以他的进展很慢。 *终，在 1945 年，正当加莫一筹莫展的时候，他遇到一个年轻有为的学 生，拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher，1921—2007），正在为建立自己的学术 前途而努力苦干。 1937 年，16 岁神童阿尔弗获得麻省理工学院奖学金。不幸的是，在与 麻省理工学院校友访问的聊天中，他无意中泄露了他的犹太血统。当时美国 社会对犹太人是充满歧视的，于是奖学金被迅速撤回。对于一个有抱负的少 年来说，这是一个可怕的打击。 阿尔弗继续学业的唯一办法是白天工作，下班后他在乔治华盛顿大学上 夜校，*终完成了他的学士学位。在此期间，阿尔弗得到加莫的青睐，一方 面是因为阿尔弗的父亲也来自乌克兰的奥德萨，加莫的老乡，另一方面是加 莫慧眼识珠，看出阿尔弗是一个思想绵密又能兼顾细节的数学天才，这正好与他的数学缺陷互补。加莫立即把阿尔弗收为他的博士生，指导阿尔弗以早 期宇宙核合成的问题作为博士论文的题材。 加莫指出，大爆炸核合成（nucleosynthesis）只能局限在一个相对较短的 时间和温度窗口。早期宇宙是如此的热和高能，质子和中子运动太快，以致 彼此擦肩而过，没有反应的机会。然而，时间太久后，宇宙冷却，温度下降 到质子和中子不再有足够的能量达到核聚变反应条件，两者反应便停止。简 言之，核合成只能在宇宙温度在万亿度至百万度之间的时候，才能发生。 核合成窗口的另一个限制是：“自由”中子是不稳定的，除非它被约束在 氦原子核内，否则中子会衰变成质子。因此，在早期宇宙中的自由中子在没 有形成原子核之前，有一部分会消失。自由中子有一个所谓的“半衰期”，大 约是 10 分钟，意思是一半的自由中子会在 10 分钟后因为衰变而消失，剩下 一半的一半在另外 10 分钟后消失，如此类推。因此，除非中子已经与质子聚 合反应形成稳定的核，否则不到 2% 的原始中子在一个小时后还会留下来。 另一方面，有些核反应也可以产生中子，使情况进一步复杂化。因为中子是 核合成中的重要成分，中子半衰期和中子的产生速率是确定大爆炸后核合成 所需时间的关键因素。 加莫和阿尔弗花了三年时间完成计算工作。在这期间他们不断完善他们 的假设，更新他们的核反应速率。这是一项前无古人的努力。他们将已知的 物理学原理应用于一直是概念模糊的大爆炸理论，尝试对早期宇宙的条件和 状况进行数学建模。他们估计初始条件，应用核物理定律，来推算核合成过 程如何进展，宇宙如何一步步地随着时间演化。 艰苦过后，阿尔弗越来越有信心，他可以为大爆炸发生后数分钟的氦原 子形成过程准确地建模。 阿尔弗估计在大爆炸核合成阶段结束时的氢与氦核比例大概是十比一。 这比例与现代天文学家观察宇宙的结论一致。换句话说，大爆炸可以解释我 们今天看到宇宙中的氢和氦。阿尔弗还没有认真尝试模拟其他元素的形成，但预测氢和氦在宇宙观察到的比例本身就是一项重大成就。毕竟，这两个元 素占宇宙中所有原子的 99.99%。 在此前数年，通过天体物理学家汉斯·贝瑟等人的努力，已经能够证 明，恒星内部能把氢燃料变成氦，但恒星的核反应速度过于缓慢，所以恒星 核合成只可以解释宇宙中已知存在的氦的一小部分。现在，阿尔弗可以用大 爆炸来解释氦的丰度。 这是哈勃发现星系红移以来，大爆炸模型的**个重大胜利。 在提交给《物理评论》（Physical Review）杂志于 1948 年 4 月 1 日出版， 题为“化学元素的起源”的论文中，加莫和阿尔弗宣布他们的突破。也许是 一时心血来潮，或是出于玩世不恭，加莫一直在秘密地考虑，把贝瑟的名字 添加到作者名单上。添加额外作者的动机纯粹是开玩笑性质：贝瑟是加莫的 好友，又是著名的恒星核反应物理学家，即使贝瑟没有对这篇研究论文作任 何特殊贡献，把阿尔弗、贝瑟和加莫的名字放在一起，成为一个与首三个希 腊字母 α、β 和 γ 的双关语，加莫开的玩笑使这篇论文日后更容易被物理界 回忆。 作为一个还没有成名的博士生，阿尔弗担心增加贝瑟的名字会掩盖过他 自己的贡献，减少他应该获得的认可。但尽管阿尔弗反对，加莫还是坚持他 的意见。 论文发表后，阿尔弗仍然不得不面对获取博士学位过程中的*后一重障 碍，捍卫毕业论文的口试。由于科学界和新闻界早就听到阿尔弗 - 贝瑟 - 加 莫的成果，1948 年春末，300 多人挤进乔治华盛顿大学，来听阿尔弗的博士 论文答辩。《华盛顿邮报》记者听到阿尔弗关于在宇宙大爆炸中完成从氢制造 氦的结论，大胆地以头条新闻报道了“世界在五分钟内创造完成”。 阿尔弗被授予博士学位，但他 15 分钟的名声很快就结束了。正如阿尔弗 所预料的，在杰出合著者（加莫和贝瑟）的阴影下，他失去了在大爆炸模型 发展中起着关键作用应得的光荣。当物理学家阅读这篇阿尔弗 - 贝瑟 - 加莫（α β γ）论文时，他们往往被误导，以为突破是由加莫和贝瑟主导的，阿尔弗 的名字被忽视了。 在完成博士学位后，阿尔弗和罗伯特·赫尔曼继续研究早期宇宙的工 作。这项研究导致他们预测宇宙微波背景，但他们的预测被忽视，他们的成 就没有得到适当的认可，宇宙微波背景在 1964 年被发现。阿尔弗后来成为通 用电气公司的研究员。加莫继续研究其他主题，涉足 DNA 的化学。阿尔弗 在 2007 年获得国家科学奖章后不久去世。 今天，现代计算机可以更准确地重复进行阿尔弗的计算，并发现氦并 不是唯一被大爆炸创造的元素。加莫 - 阿尔弗的大爆炸核合成理论也预测大 约每 30 万个原子中就有 1 个应该是重氢，大约每 50 亿个原子中就有 1 个是 锂—两者现在都已经被观察证实。这些*轻元素的相对丰度，有力地支持 宇宙曾经比现在热得多、密度更大的假设和大爆炸核合成理论。第 1 节 没有大爆炸的《创世记》，可能吗？ 从一开始，所谓的“大爆炸理论”其实并不是一个真正的爆炸理论。 作为一个理论，它只是描述爆炸的后果。理论本身应用了相对论方程、热力 学和核物理学等，描述一个原始火球如何膨胀、冷却，然后化学元素如何形 成，火球的光芒如何保留到今天，以及宇宙物质怎样凝聚，形成星系、恒星 及行星。这些成果都是巨大的成就。但标准的“大爆炸理论”没有说什么东 西在爆炸、爆炸的东西从何而来、为什么爆炸会发生，或者在爆炸之前发生 了什么。研究的方法是从现在观察到的宇宙现象，推论原始宇宙曾经历过的 状态。 换句话说，“大爆炸理论”作为一门科学、物理学的一个分支，描述除了 在宇宙被创造的一刻（宇宙时空的起点）以外的物理现象。在宇宙被创造的 一刻，已知的物理定律能否应用？这是一个还没有答案的问题。从数学上来 说，这是一个奇异的点。越接近创造的一刻，宇宙的物质和能量密度、温度 都越来越高，我们现在了解的物理定律很可能完全不再适用。情况类似于相 对论被发现前，人们对光速的不了解，不知道物质的运动速度接近光速时， 可以产生各种奇怪的现象。 更吊诡的是，“大爆炸”这名字的起源来自“大爆炸理论”的反对派。 弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle，1915—2001）的简历显示他是典型的英 国科学精英人士。霍伊尔出生于 1915 年，在物理学家、诺贝尔奖获得者保 罗·狄拉克（Paul Dirac，1902—1984，1933 年获诺贝尔物理学奖）的指导 下，毕业于剑桥大学的博士。霍伊尔曾经这样形容他们师徒如鱼得水的合作 关系：因为他不想要导师，而狄拉克也不想成为导师。1945 年，霍伊尔被任命为剑桥大学的讲师，并迅速成为天文学前沿的领 军人物，开拓了把核物理学应用在白矮星、红巨星、超新星和被称为类星体 （quasars）的强力无线电波源等天体现象。 1953 年，霍伊尔研究恒星如何产生重元素的过程，他预测同位素碳 12a （构成生命的*重要元素之一）共振态的存在，因为如果没有这种状态，在 恒星中碳 12 便不太可能形成，解释不了宇宙中为什么有这样多的碳 12。不 久之后，他说服了抱着相当怀疑态度的加州理工学院物理学家威廉·福勒 （William Fowler，1911—1995，1983 年获诺贝尔物理学奖）进行了实验，证 实了霍伊尔的预测。这个碳 12 的共振态，现在被称为霍伊尔状态，它的发现 被传为核物理史上的佳话。 霍伊尔在恒星核合成方面的工作*终在 1957 年由福勒、杰弗里和玛格丽 特·伯比奇（Geoffrey，1925—2010，Margaret Burbidge，1919—2020）等“四 人帮”合撰的一篇论文中发表，该论文仍然是现代天体物理学的经典之作。 加莫和阿尔弗绕不过的氦以后重元素恒星核合成问题，被霍伊尔轻易地解 决了。 1983 年，福勒因他在恒星核合成方面的工作而获得诺贝尔物理学奖。霍 伊尔被排除在奖项外，尽管他是这一领域的重要先驱。有很多人猜测说，因 为霍伊尔在广泛的科学问题上持有争议的立场，经常直接反对科学界的主流 意见，这可能给了诺贝尔委员会一个借口，在得奖者中略去他的名字。《自 然》杂志编辑约翰·马多克斯（John Maddox）称霍伊尔没有与福勒同时获奖 是诺贝尔奖委员会可耻的决定。 作为一位富有创造性、喜欢智力挑战的叛逆者，霍伊尔虽然承认宇宙正 在膨胀的事实，对此没有异议，但他不同意莱梅特的解释，即宇宙在某一时 刻空间点上有一个明确的开端。他认为这是伪科学的想法，类似于宗教上的创造论。在一次记者采访中，他明白地说：“科学家之所以喜欢‘宇宙大爆 炸 ’ 理论，是因为他们被圣经《创世记》洗脑。大多数科学家的内心深处是 相信《创世记》的。”。 1948 年，霍伊尔和另外两位剑桥好朋友邦迪（Hermann Bondi，1919— 2005）和戈尔德（Thomas Gold，1920—2004），突然脑洞大开，提出了一个 全新而诡异的宇宙模型：宇宙是在一个永恒的、基本上不变的准稳恒状态， 而我们仍然可以观察到彼此远离的星系、哈勃观测到的红移等现象。这一理 论的关键在于他们假设星系之间不断有新的物质被创造出来，因此，即使星 系间相距越来越远，新形成的星系会填补它们留下的空间。这样的宇宙会处 于一种“准稳恒状态”。它在形式上与流动的河水相同：虽然个别水分子在 移动，但整条河流保持不变。尽管这假设与传统物理学相悖，但是他们有信 心，在目前，没有任何可行的实验（或观察）可以排除这种诡异事件发生的 可能性。因为通过计算，他们证明所需的物质创造率只是：在每 10 亿年内每 立方米空间大约有两个新的氢原子出现。 在此之前，宇宙膨胀一直是隐隐地暗示着一个创造宇宙的开端，但霍伊 尔、邦迪和戈尔德的“准稳恒状态”模型指出：哈勃的红移和退却的星系等 宇宙膨胀现象，也可以与传统的静态宇宙观点共存，两者没有矛盾。宇宙是 无限的，它的存在是稳定的，没有随时间而变化，没有开始或终束。 唯一的问题是：这样的理论显然与物理学的质能守恒定律相悖，霍伊尔 等人的“准稳恒状态”模型不过是把宇宙创造时刻（物质从无到有的创造）， 从一点碾开分布到整个时空。与此相比，在宇宙“大爆炸理论”中，只有在 宇宙的开始一刻（时空的起点），与质能守恒定律相悖外，整个宇宙时空一切 现象的描述都遵守已知的物理学定律。 霍伊尔是多才多艺、善于辞令的科学家，能通过浅白通俗的语言，使外 行人理解复杂的概念。他曾在 20 世纪 40 年代末的英国，主持一个流行的天 文学科普广播讲座系列。在这系列中，霍伊尔在解释大爆炸的“爆炸”性质，和他主张的“准稳恒状态”理论之间的区别，创造了“大爆炸”一词，并用 来嘲讽宇宙起源于一个爆炸的荒谬。 1949 年 4 月初，英国广播公司的《听众》杂志上刊登了霍伊尔的演讲 稿，“大爆炸”一词首次在文献中出现。随后 1951 年，他出版科普《宇宙的 本质》（《The Nature of the Universe》）一书中，这个名词出现多次，引起了 大众的遐想，于是这个名词被广泛流传使用，一直沿用至今。在霍伊尔的努 力推广下，20 世纪 50～60 年代，他的“准稳恒状态”宇宙学非常流行，可 以与“大爆炸理论”分庭抗礼。 讽刺的是，CMB 辐射发现者之一的威尔逊，在加州理工学院时曾是霍伊 尔的学生，深受霍伊尔的影响，成为“准稳恒状态”理论的支持者。在 CMB 辐射被他和彭齐亚斯发现后，他对以“大爆炸”宇宙学理论解释他们的数据 感到不安，坚持发表的论文应该只作“事实”报告，叙述和公开他们的观察 结果，不做任何理论解释。 “大爆炸理论”后来被普遍接受，固然是它的理论本身通过很多观察实验 验证，但与“大爆炸”这名称易于记忆，使人朗朗上口，得以深入人心，不 无关系。可以说，霍伊尔科普功不可没，也是他所始料不及。 *后，当 CMB 辐射的存在成为科学界的主流共识时，“准稳恒状态”模 型只好悄然退出历史舞台，销声匿迹。到了 20 世纪末，“大爆炸理论”成为 唯一可供选择的宇宙模型。 不过一般人，甚至一些科学家对“大爆炸”模型还是充满了误解和疑问， 其中一个共同的疑问是：宇宙向哪里膨胀？ “大爆炸”一词是从英语“Big Bang”翻译过来。它的英语原意是“隆隆 的巨响”，所以不管是中文还是英语，模型的名称都或明或暗地隐含有爆炸的 意思。许多通俗的“大爆炸”描述强烈地暗示了*初的瞬间这样的画面：“宇 宙中的所有物质都聚集在一个点上……”这句话可能可以追溯到莱梅特的不 幸术语“原始原子”。无论如何，将宇宙膨胀的起源描述为“爆炸”可能不是个好主意：它暗示了宇宙物质从*初的休息状态开始，由于能量的输入而 膨胀，从一个很小的体积变成很大的体积。这样的描述蕴含着宇宙以外还存 在着一个更大的空间，以供宇宙发展成长。事实上，宇宙膨胀只能作为一个 初始条件出现。宇宙膨胀是整个空间的膨胀，因为没有什么东西（包括空间） 是在宇宙之外的。第 2 节 暗物质—理论家的垃圾？还是上帝粒子？ 正如我们在上一节中看到的，人类至今仍然不太了解宇宙的*初起源， 特别是宇宙成为一个巨大的核聚变反应堆的时代之前发生了什么。 然而，我们现在对自核聚变反应以来约 140 亿年间发生的事情：膨胀和 凝聚，有相当的了解。这两个基本过程，都由重力控制，它们把高温、光滑 均匀、浆糊一般的原始物质（电子、中子和质子等高能粒子），变成今天星光 璀璨的宇宙。 在上一章的宇宙简史讨论中，我们谈到宇宙的膨胀，如何逐渐稀释和 冷却物质的基本粒子，使它们能够凝聚成为越来越大的结构：从原子核、原 子、分子，以至恒星和星系。在已知自然界的 4 种基本力量中，其中的 3 种 轮流驱动这个类聚过程：首先强核力把核粒子（中子和质子）熔聚在一起（核 聚变），然后电磁力导致原子和分子的出现，*后重力建立了我们夜空中的宏 伟结构：恒星和星系。 4 种基本力量中的*后一种是弱核力，它比重力强，但只有在很短的距 离内才能有效。它在原子核内发挥作用，在为恒星内的核聚变提供动力和制 造元素发挥着关键作用。其他力量把物质凝聚在一起，但弱核力在粒子衰变 中起着很大的作用。 重力到底是怎么起到作用的？如果你的自行车在红灯前减速停下来，你 很快就会意识到你的体重会破坏稳定：你不可避免地会开始侧身倾斜，需要 把脚放在地上以避免摔跤坠落。不稳定的本质是把小波动放大。在停止自行 车的例子中，你离平衡越远，更强的重力会把你推向错误的方向。 在宇宙演化的例子中，宇宙离完美的均匀性越远，重力就越能放大它的不均匀性。如果某一个空间区域比它的周围环境稍为密度高一点，那么它的 引力将会吸引邻近的物质，使它更加密集。这样它会产生更加强烈的引力， 使得它更快地增加更多的质量。正如当你有很多钱的时候更容易赚钱一样， 当你有很多物质的时候，它会更容易增加质量。正是这种引力的不稳定性， 将原始宇宙中微小的密度波动放大成巨大的、密集的、如星系的团块。理论 上，数百亿年的历史为宇宙从均匀的黑暗变成星光灿烂提供了充分的时间。 20 世纪末，科学界仍在争论宇宙的年龄是 100 亿年还是 200 亿年，这反 映了关于宇宙目前扩张速度（即所谓的哈勃常数的值），以及它过去扩张的速 度有多快（一个更棘手的问题）的长期争论。 COBE 卫星测量数据证实了大爆炸后 38 万年的宇宙密度波动只有 0.002% 后，以重力进行聚类过程的解释显然令人有点不踏实的感觉。很明 显，除非某种无形的物质形式能产生额外的引力，否则重力可能没有足够的 时间将这种微弱的波纹放大成为今天宇宙的大规模结构。 一种神秘的、被称为“暗物质”的东西于是应运而生。实际上，称之为 “无形物质”会更贴切，因为它看起来透明，而不是黑暗，它不带电荷，电 磁力对它没有影响，光子与它没有作用，可以穿过我们的身体而不会引起注 意。来自太空的暗物质似乎可以不受影响地穿过我们的整个星球，从地球的 另一边毫发无损地出现。