第1章 看看宇宙大爆炸 (第1/2页)

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主角下达指令，带我进入宇宙大爆炸那一刻。

个人梦境机迷你版:主人，已准就绪。

进入梦境，宇宙大爆炸之旅开启。

一、物质无中生有的现象及相关理论

我们先来看三个现象：

1. 在粒子对撞机里，两个高速运动的质子相撞后，变成了两个低速运动的质子、一个碳块和一个反碳块。我们都知道质子是由上夸克和下夸克组成，质子里并没有粲夸克，可最后竟然无中生有地多出来两个粲夸克。

2. 两个能量极高的电磁波相撞，能在真空里变成一个正电子和一个负电子，这种现象被称为布莱特-惠勒过程。在我们的传统认知中，电磁波更偏向于能量，而电子更偏向于实体物质，这种现象表明能量可以转换成物质。

3. 在一片什么都没有的真空里存在一个电场，只要电场的强度超过10的18次方伏特每米，就能在真空里激发出一个正电子和一个负电子，这种现象叫施温格效应。这就更令人震撼了，因为几乎不需要初始物质，只需加强电场就能凭空变出电子。

这三个现象揭示出一个规律：能量加真空等于粒子，这里的能量可以是任何形式的能量，比如动能、势能、辐射等等都可以。真空里虽然没有粒子，但有各种类型的场，如电子场、夸克场、希格斯场等等，只要给这些场提供能量就能激发出粒子。例如，只要给真空里的电磁场能量，就能激发出一个实体的电子；只要给真空里的夸克场能量，就能激发出一个实体的夸克。标准模型里所有的粒子都能通过这种方式无中生有。

二、宇宙大爆炸过程中的对称破缺

大爆炸后，在10的负43次方秒之内，人类已知的所有物理理论都失效，四种基本作用力在这个时间可能是统一的。10的负43次方秒的时候，宇宙的温度冷却到10的32次方摄氏度，引力率先从四种基本作用力中分离出来；10的负36次方秒的时候，宇宙的温度冷却到10的28次方摄氏度，强力又分离了出来；10的负12次方秒的时候，宇宙的温度冷却到10的15次方摄氏度，弱力和电磁力分离，至此四种基本作用力全部分离。

为什么四种力会分离呢？是因为宇宙温度的变化引发了相变。打个比方，水蒸气的温度下降到100°c的时候会发生相变，凝结成水，水的温度下降到0°c的时候，也会发生相变，冻成冰。四种力也是如此，随着宇宙温度的下降发生了三次相变，最终导致四种力分离。那什么是相变呢？相变的本质是对称破缺。

你可以简单这么理解，宇宙最开始高度对称，之后发生了三次对称破缺，每减少一部分对称性，就会分离出一种力。人类目前可以在粒子对撞机上验证最后一次对称破缺，只要温度超过10的15次方摄氏度，电磁力和弱力就会完完全全地统一在一起，无法区分。但是前两次的对称破缺由于粒子对撞机的能量不足，现在还无法通过实验验证。

除了这三种对称破缺，很多高能理论，例如弦论、量子引力等，都认为在极高的能量下，洛伦兹对称性会被破坏，狭义相对论不再成立。

一个完全对称的宇宙会是什么样子的？我们都知道，能量从真空里面激发出一个正粒子的同时，也一定会激发出一个反粒子，因为正反粒子相遇后会湮灭成光子，所以如果宇宙完全对称，就会全部变成光子。因此人类无法在完全对称的宇宙里面存活。

幸运的是，宇宙在10的负11次方秒的时候发生了cp对称破缺，导致正物质比反物质多了10亿分之1，最终形成了现在的正物质宇宙。宇宙在10的负12次方秒的时候还发生了希格斯场的对称破缺，这次对称破缺赋予了w、Z玻色子质量。宇宙在10的-6次方秒的时候发生了手征对称破缺。手征对称破缺是质子和中子质量的主要来源，因为人的质量主要来源于质子和中子，所以人的质量也主要与手征对称破缺密切相关。

宇宙大爆炸后至少发生了7种对称破缺，也就是说宇宙最开始的时候高度对称，之后在一次次的对称破缺中，宇宙的对称性不断降低，最终形成了我们这个世界。

三、粒子诞生及宇宙大爆炸后的演化

我们再来看看粒子是如何诞生的。我们都知道，温度越高的物体发出的光波长越短，单个光子的能量就越大，当光子的能量足够大的时候，就能在真空里面无中生有的激发出粒子。具体来说，宇宙的温度和能激发出的粒子质量由这个公式决定：公式里的k是波尔兹曼常数，t是宇宙的临界温度，m是粒子质量，c是光速。

如电子质量是9.1x10的负31次方千克，代入公式，我们可以计算出电子的临界温度是5.9x10的9次方摄氏度。也就是说，当宇宙的温度高于这个临界温度的时候，就能在真空里面激发出电子，当宇宙的温度低于这个临界温度的时候，就激发不出电子。同样的方法，我们可以用这个公式计算出上夸克的临界激发温度是2.8x10的10次方摄氏度，粲夸克的临界激发温度是1.5x10的13次方摄氏度等等。

宇宙大爆炸后，10的负12次方秒，宇宙的温度大概是10的15次方摄氏度，这个温度超过了标准模型所有粒子的临界温度。因此在这个时间之前，宇宙能在真空里面激发出所有类型的粒子，最终形成了一团以夸克、胶子、电子、光子为主的粒子云。

大爆炸后10的负6次方秒，宇宙的温度降到10的10次方摄氏度，三个夸克开始结合在一起，形成质子和中子。大爆炸后第3分钟到第20分钟，这时候宇宙的温度和压力跟太阳差不多，于是质子和中子在这段时间内就聚变成了氦、锂等原子核。这时候宇宙主要由原子核、电子和光子三种物质组成。但是这时候的原子核抓不住电子，因为温度实在是太高了，即使原子核抓住了电子，也会被能量极高的光子拆散。

大爆炸后第37万年，宇宙的温度下降到3000K，原子核就能稳稳地抓住电子了，于是就形成了原子。之后原子在引力的聚集下，经过几亿年的演化，最终形成了恒星和星系，宇宙就是这么一步步诞生的。

我们总结一下宇宙大爆炸的过程，从物质角度观察，粒子先是从真空里面被激发出来，之后一步步从小到大聚集；从能量角度观察，随着温度的降低，四种基本作用力一步步分离；从信息角度观察，宇宙最开始高度对称，之后至少发生了7次对称破缺，这就是宇宙大爆炸的整个框架。

四、宇宙大爆炸的证据

1. 哈勃红移：1929年，哈勃发现所有的星系都正在远离我们，距离越远的星系，远离我们的速度就越大，这说明宇宙正在膨胀。如果倒放这个过程，你就会发现这些星系最开始应该是聚集在一起的，这就是宇宙大爆炸的最直接证据。

2. 太初核合成：大爆炸理论认为宇宙在第3分钟到第20分钟之间发生了核聚变，质子、中子按照一定的方式核聚变成了氦二、氦三、氦四、锂等。

3. 宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射是大爆炸模型极为有力的证据。下面看看它是如何产生的。

光子与带电荷的粒子会发生相互作用，比如因汤姆孙散射，光子的能量会降低且方向会偏转。宇宙大爆炸后形成了大量自由电子，由于自由电子带电荷，光子撞到自由电子上就会被散射，致使光子不断改变传播方向，这些自由电子如同迷雾般阻碍光子传播，此时宇宙是不透明的。

大爆炸后37万年，宇宙温度降至3000K，自由电子和质子结合形成氢原子，氢原子整体呈电中性，不会散射光子，于是阻碍消失，光子可无阻碍地长距离自由传播，宇宙也就变得透明了。这些自由传播的光子因空间膨胀不断被拉长，从原来的红外线波段被拉长到微波波段，就形成了宇宙微波背景辐射。

1948年，天文学家依据大爆炸模型预言存在这种辐射。1964年，贝尔实验室的两位工程师发现了它，并因此荣获1978年诺贝尔物理学奖。如今我们周围就存在大量宇宙微波背景辐射，每立方米空间平均约有4亿颗宇宙微波背景辐射的光子，它们是宇宙中最古老的光，穿越了138亿年才来到我们身边，静静诉说着宇宙大爆炸的故事。

4. 宇宙年龄的计算：天文学家通过哈勃红移、宇宙微波背景辐射这两种独立的原理和不同方法，分别计算出宇宙年龄，发现二者结果差距不大，都在138亿年左右。并且测量大量古老天体的年龄，在误差允许范围内，没有一个天体年龄超过138亿年。这间接证明宇宙在138亿年前可能发生过一次重大事件。

5. 模拟宇宙演化与观测结构相符：天文学家利用大爆炸模型模拟宇宙几亿年的演化过程，发现其能生成一种网状天体结构，这与目前天文望远镜观测到的超星系团、星系长城、空洞等大尺度纤维结构是一致的。

6. 中微子背景辐射预测准确：大爆炸模型预测存在温度为1.95K的中微子背景辐射。2015年在宇宙微波背景辐射（cmb）上间接发现了温度为1.96K的中微子背景辐射，理论预测值1.95K与实测值1.96K较为接近，可见大爆炸模型的预测还是比较准确的。

二、宇宙大爆炸模型的缺陷及爆胀场理论

不过，大爆炸模型并非完美无缺，它存在至少三大缺陷，分别是视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。下面我们来具体看看。

1. 视界问题：这是宇宙大爆炸模型的一个突出缺陷。宇宙大爆炸后诞生了A、b两朵粒子云，因量子力学的随机性，两朵云的温度不同，假设A云温度是3500°c，b云温度是2500°c，且两朵云距离较远，A云在银河系左边，b云在银河系右边。

思考一下，A云的热量能否传递给b云呢？答案是不能，因为热量传递速度不能超光速，而大爆炸后时间太短，A云没有足够时间把热量传递给b云，所以A、b两朵云会存在一定温度差。

天文学家依据大爆炸模型计算，微波背景辐射中至少应该有几万个像A、b云这样温度明显不同的区域。但实际天文观测表明，微波背景辐射的温度差别极小，各个方向的温度仅有十万分之一的差别，即最冷的地方约2999.99°c，最热的地方约3000.01°c。由此可见，理论和实际观测出现了矛盾。

而爆胀场理论可解决此问题，其思路是：假设A、b两朵云最初在一粒沙子大小的空间内，这样两朵云就能互相传递热量，通过热量交换，A、b两朵云在这粒沙子大小的空间里提前混合成3000°c，然后空间发生爆炸，致使这粒沙子瞬间膨胀到银河系大小，此时银河系左边的A云是3000°c，银河系右边的b云也是3000°c，最后因量子涨落，在微波背景辐射里呈现出2999.99 - 3000.01°c的温度范围，这样就完美解决了该问题。简单来说，就是先在极小空间内提前混合好温度，空间爆炸后全空间的温度就都一样了，从而使微波背景辐射的温度也趋于一致。

2. 平坦性问题：根据广义相对论，宇宙可分为开空间、闭空间和平坦空间三种类型。天文观测表明，宇宙目前是平坦空间。但平坦空间极难形成，因为它要求宇宙的能量密度必须严格等于临界密度，就如同跷跷板一样，只要最初稍有偏离，就会随着空间的膨胀放大这种偏离。

由于量子力学的随机性，宇宙大爆炸初期，有些区域密度大，有些区域密度小，最终很可能导致形成一个不平坦的宇宙。然而天文观测显示宇宙现在非常平坦，这就产生了矛盾。

爆胀场理论可解决此问题，其思路是：一粒沙子密度不均匀，有的地方密度大，有的地方密度小，若将这粒沙子瞬间膨胀到银河系那么大，就会抹平一切密度不均匀，宇宙的空间就会变得非常平坦，从而完美解决了该问题。

3. 磁单极子问题：大多数大统一理论认为，大爆炸后10的负36次方秒左右，因温度变化，强力和电弱力分离，这次从高温到低温的相变过程中会出现磁单极子。磁单极子是指像磁铁虽有南北两极，但它只有南极或者只有北极的一种特殊粒子。

根据大爆炸模型计算，宇宙应该产生了很多磁单极子，可至今我们一个都未找到。要是能找到磁单极子，肯定能荣获诺贝尔物理学奖。

对于爆胀场理论解决此问题的方式，假设在一粒沙子里面有1亿颗磁单极子，当沙子瞬间膨胀到银河系大小，整个太阳系都分不到一颗磁单极子，自然就找不到它了。

总之，传统的大爆炸模型存在这三大缺陷，于是天文学家提出了爆胀场理论来修复这些缺陷，相当于给大爆炸模型打了个大大的补丁。

三、爆胀场理论的观测证据及相关推导

爆胀场理论有三个核心预言：宇宙空间非常平坦、存在符合高斯分布的近尺度不变的密度涨落、原初引力波。

下面我们来简单推导一下空间为何会出现指数膨胀。根据广义相对论和宇宙学原理，可得到宇宙的演化方程——弗里德曼方程，这是宇宙学极为重要的一个方程。对于宇宙大爆炸前期来说，方程后面两项可忽略不计，从而可简化为：

这里p代表物质的能量密度，G是引力常数，a(t)代表空间的大小，a(t)上面一个点代表宇宙空间的大小随时间的变化率，也就是微积分里的da\/dt。

如果爆胀场的能量密度是一个固定数值，那么p就是一个固定数值，整个方程的右边就是一个固定值，简化后它就变成一个非常简单的微分方程，大一学生基本都会解这个微分方程。其解令人惊讶的是出现了指数形式。因为a代表空间的大小，t代表时间，这就意味着宇宙空间的大小随时间呈指数变化。所以，只要假设真空爆胀场的能量密度是一个固定值，宇宙空间的大小就能随时间指数增加。

接着看看爆炸前后宇宙的总能量变化。根据定义，能量密度等于能量除以体积，而体积等于长度的三次方。由于爆炸使宇宙的长度增加了10的26次方倍，可知宇宙的体积增加了10的78次方倍。又因为宇宙爆胀场的能量密度是一个固定值，所以爆炸前后宇宙的能量增加了10的78次方倍。假如爆炸前宇宙只有几百个氢原子的能量，那么爆胀后宇宙的总能量就会变成10的55次方千克，而10的55次方千克就是现在可观测宇宙的总质量。这个结论相当震撼，以往我们一直认为宇宙大爆炸起始点密度无限大、物质无限多，现在依据爆胀场理论，大爆炸的起点只需有几百个氢原子的能量即可，宇宙几乎所有的能量都是在10的负36次方秒到10的负32次方秒之间通过空间爆胀增加的。

一、宇宙大爆炸能量来源

那宇宙增加的这么多能量是从哪里来的呢？天文学的主流观点认为是从真空获取的能量，真空蕴含着大量能量，它存在高能量状态和低能量状态，就好比水库一样，大爆炸之前的真空处于高能量状态，大爆炸之后变为低能量状态。

因为存在类似大坝高度固定的某种条件限制，所以真空能量的变化也是相对固定的，这就相当于真空暴胀场的能量密度是固定值。根据前面讲过的弗里德曼公式，暴胀场的能量密度固定会引发空间指数膨胀。

另外，真空能量发生变化后，如同水库上游的水倾泻到下游，在下游积攒了大量能量。按照之前所讲，能量与真空相互作用能产生各种粒子，这些能量在下游的真空里形成了一团包含夸克、胶子、电子、光子等的粒子云，之后粒子云逐步合并形成质子、中子、原子核、原子、恒星和星系等。

总之，真空从高能量状态转变为低能量状态，其能量数值变化相对固定，这导致了空间指数膨胀、能量损耗，同时在真空里激发出粒子云，正好对应暴胀场理论和大爆炸理论这两个互补的理论。在宇宙学领域，目前只有这两个理论有较多观测证据，暴胀场理论有部分观测证据，大爆炸理论至少有6个观测证据，其他理论基本缺乏观测证据。所以，宇宙大爆炸的能量很可能来源于真空势能的变化，这一点很重要，我再强调一下，宇宙大爆炸的能量很可能来源于真空势能的变化。

二、关于真空能量的思考及不同理论观点

那真空的能量又是从哪里来的呢？有以下两种思路：

1. 霍金等人的观点：霍金认为物质的能量与真空的能量之和为0，如果物质的能量是正的，那么真空的能量就是负的。（此处“伊拉克”表述有误，推测可能想说“狄拉克”，狄拉克是20世纪除爱因斯坦之外非常重要的物理学家，他认为真空是充满负能量态的粒子海，其对真空的理解可供我们参考。）

2. 能量守恒相关探讨：在现代物理学中，能量守恒等价于时间的平移不变性，假如自然法则不遵循时间的平移不变性，那么能量可能不守恒。事实上，现在不少天文学家认为宇宙物质部分的能量是不守恒的，至于物质与真空的总能量是否守恒还存在争议，我个人认为物质加真空的总能量应该是守恒的。

那真空为什么有能量呢？真空里面到底有什么东西？人类对真空的认知还处于类似盲人摸象的阶段，用不同的理论去观察真空，会得到不同的结论。例如：

1948年，卡西米尔通过实验证明真空并非空无一物，里面存在能量涨落；1960年，量子场论认为真空里充满了虚粒子；1990年，量子信息领域认为真空是具有大量量子纠缠的量子比特海；2000年，宇宙学研究发现真空里存在暗能量，暗能量促使宇宙加速膨胀。

人类至今还无法完整描绘出真空的真实面貌。

三、多重宇宙相关探讨及与其他宇宙观对比

真空为什么存在能量高的状态和能量低的状态呢？真空在一个点会发生宇宙大爆炸，在其他点有没有可能也会发生宇宙大爆炸呢？对于这两个问题，目前科学暂时无法给出确切答案，只能借助科幻的多重宇宙模型来探讨。

多重宇宙观点认为存在一个有限或者无限的真空，里面有很多“泡泡”，每一个“泡泡”就是一个宇宙，“泡泡”里面有时间、空间、粒子，而“泡泡”外面没有时间、空间、粒子，只有真空。

由于存在量子涨落，真空的能量并非完全均匀，有高有低，一些真空区域能量高，另一些真空区域能量低。霍金曾打过比方，真空就像临近沸腾的水，一旦某个区域温度超过100°c，就会瞬间形成一个气泡，也就是发生一次宇宙大爆炸，释放该区域真空的能量。因为气泡形成过程是吸收热量的，就像宇宙大爆炸吸收了真空里局部过高的能量，从而在真空里“吹”起一个宇宙泡泡。

那宇宙泡泡未来的宿命是什么呢？既然泡泡起源于向真空借能量，那么泡泡最终的归宿必然是把能量还回真空，有借有还嘛。具体来说，物质通过质子衰变、黑洞霍金辐射、大撕裂、真空衰变等方式变成光子，而光子的波长会随着空间膨胀被拉长，即光子的能量被空间膨胀降低，那光子减少的能量去哪儿了呢？当然是回归引力场或者回归真空了。所以，从多重宇宙角度来看，回归真空有可能是我们这个宇宙泡泡的最终归宿，这一点很重要，我再强调一遍，从多重宇宙的角度来说，回归真空有可能是我们这个宇宙泡泡的最终归宿。

四、宇宙观的发展

既然宇宙起源于真空，那真空又是怎么来的呢？假如真空是由真真空创造的，那真真空又是谁创造的呢？这样追问本源是无穷无尽的。真空也只是人类现阶段对宇宙的了解，肯定不是终极答案。若要寻找终极答案，可能只能借助于信仰，比如上帝、道、佛、自然法则、物自体、绝地精神、飞天意面等等。大家更倾向于道或者自然法则。

基本逻辑：自然法则创造了真空，真空将基本的能量传递给暴胀场，暴胀场衰变后激发出一团粒子云，最后从物质、能量、信息三方面开启了宇宙大爆炸，这就是整个宇宙大爆炸的宏观逻辑结构。

大约138亿年前，整个宇宙从一个极小、极热、极致密的起点状态瞬间膨胀开来，就像一个巨大的火球在瞬间爆裂，释放出无尽的能量和物质。这一瞬间，时间与空间一同诞生，宇宙的舞台由此拉开帷幕。在大爆炸的那一刻，宇宙从这个起点开始急剧膨胀，释放出巨大的能量和物质，温度高达数十亿度。随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，物质开始凝结，形成了氢、氦等轻元素，之后这些轻元素在引力作用下聚集，形成了第一代恒星和星体，宇宙的结构逐渐显现并不断演化。