粒子物理學為破譯極早期宇宙之謎帶來曙光——《宇宙之書》讀書筆記6

文：鄭娟娟

當代主流理論認為，宇宙起源於138.2億年前的宇宙大爆炸。

上世紀初世界上最有造詣的天體物理學家愛丁頓卻曾說過，「作為一個科學家，我完全不相信宇宙開始於大爆炸的說法。」

朋友們，你們相信現在的宇宙始於一場大爆炸嗎？

今天，繼續《宇宙之書》的讀書筆記，和你們一起分享科學大神們有關宇宙的精彩討論。

對於宇宙的歷史，宇宙的演化，一直是宇宙學家、包括一些物理學家在內，苦苦思索、非常糾結，並經常辯論不休的事情。有的人堅持穩態宇宙理論；有的人堅持大爆炸理論；有的認為宇宙沒有一個起點，也沒有終結的一天；有的認為宇宙有一個開始，也會有結束；有人認為宇宙演化至今，有一些量——例如光速、引力常數是始終不變的，也有人認為，這些量在宇宙的不同時期是不同的……。對於這些觀點和爭論，根據現有的知識和天文觀測，一些問題解決了，但更多的問題還是懸而未決。

《宇宙之書》的第144-225頁大量講述了這些思考和討論，感興趣的朋友可以自己翻看，我的筆記將跳過這一部分，直接進入更加精彩的下一部分，那就是粒子物理學的發展對於宇宙學研究的極大幫助。

愛因斯坦的廣義相對論並不能在所有情況下都十分有效，比如，在一個叫「普朗克時期」的時候，廣義相對論就失效了。這個「普朗克時期」是在接受宇宙有一個「大爆炸奇點」的前提下提出來的。設想我們逆著時間線追溯宇宙的膨脹，來到奇點定理預言的歷史起點，假設宇宙各處的歷史是同時開始的，並將這個時刻記為t=0。科學家們估計，在t等於10的負43次方秒內，廣義相對論是失效的。在宇宙最初的10的負43次方秒內，時間和空間都是那麼的不確定，整個宇宙都呈現出一種量子波動的行為，用愛因斯坦的理論是描述不了的。（註：見書P215-216）

於是，科學家們轉而尋找更多的方程，以描述大爆炸理論中宇宙早期的基本粒子的運動規律。不過，直到20世紀70年代之前，這個問題都未能解決。1975年，描述三種基本相互作用（電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用）的「大統一理論」（GUT）的出現，為重構宇宙歷史時期所遇到的問題提供了新出路。

簡單的說，就是如果考慮真空漲落產生的效應，那麼自然界中的強、弱和電磁相互作用的等效強度就會在非常高的能量下趨於一致，那時，一個自然界三種相互作用的「大統一理論」就誕生了。它意味著，當我們追溯宇宙膨脹開始時應該出現的那個極高溫時期時，相互作用強度就會越來越弱，事情也會變得越來越簡單。（註：見書P220-224）

宇宙學研究的是大尺度上的物理機制，基本粒子物理學研究的是微小尺度上的物理機制，當涉及宇宙誕生之初的極端情況時，這兩種物理學不可避免地融合到一起，既是大勢所趨，也是宇宙的本質所要求的——宇宙本身就是至大與至小的融合統一。

伴隨大統一理論而來的，還有一個新的問題，粒子物理學家發現，如果宇宙剛誕生不久時，弱、強、電磁相互作用在極高的能量下變成同一種相互作用，就必然會產生一個不必要的副產品——這是一種非常重的新粒子，磁單極子，除掉它的唯一方法是讓正反磁單極子碰在一起發生湮滅，可是一旦形成，磁單極子就不太有機會碰到反磁單極子，於是就會在宇宙中保留下來，而且數量非常多。可是這與當前宇宙的情況非常不符。這就是「磁單極子問題」。（註：見書P229）

為了解決這個問題，1980年，一位年輕的粒子物理學家阿蘭·古斯提出了暴脹宇宙模型。在這個模型里，他定義了一種新型粒子，後來被稱為「標量場」，其壓強是負的，因而會產生排斥力；它像宇宙學常數，但又不是宇宙學常數，因為標量場或快或慢會發生衰變，轉化成普通的輻射物質或基本粒子，於是壓強轉而變成正的，排斥力變成引力。（註：見書P230-233）

暴脹發生在宇宙的甚早期，恰好在磁單極子的出現和正反物質的平衡建立起來之前，在標量場的作用下，宇宙經歷了一次短暫而突然的加速。可以參看書中繪製的圖示。

圖片：拍自原書，僅供學習參考。

到目前為止，暴脹理論受到很多人的歡迎，因為這個理論有一大堆非常簡單而又令人滿意的結果。它解釋了一攬子問題，包括可見宇宙為什麼是均勻而各向同性的，為什麼沒有充斥大量磁單極子，為什麼宇宙的膨脹處於臨界狀態。（註：見書P234-236）當然，學術界也依然有一些人不斷反對這個理論。

未完待續……

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