论文部分内容阅读
话说宇宙大事，有归于无，无中生有，早在那天地未分、时空未辟，一无所有之间，有一奇小奇热，无可名状之点，因其无可名状，甚为奇怪；而除此之外一无所有，又甚为畸零，故此名之日奇点（singularity）。远在137亿年前，便是由此一点，做出了一件开天辟地的大事。有分教：
太初鸿蒙何所有？奇小极热可流金。
自从时空由此出，开天辟地到如今。
……嗯，从现在开始我改说人话哈。
这个奇点呢，就是我们现在这个宇宙的起点。如今我们这个宇宙里的一切，你想得到的所有词儿：高大上的比如时间、空间、能量、物质，接地气的比如地球（虽然在这个故事里，地球绝对是个剧情过了一大半才跑出来的不称职主角）、恒星、太阳、银河，包罗万象，全都是从这么一个不知道该怎么描述的点跑出来的。
咋理解不知道该怎么描述法呢？它其实根本就不能算是一个点。宇宙学家们说了，点不点的那都是为了讲课和写文章方便才弄出来的概念！我们可不认账，我们的理论只是说，宇宙是从一个非常小、非常热又非常密的状态开始的。从这个非常小、非常热又非常密的状态，BANG！忽然开始了膨胀，于是宇宙就产生了。这个最初的，必须要大写的“BIG BANG！”，就是传说中的大爆炸，有时为了特别表示它是产生宇宙的“那一次”爆炸，还要加上前缀，称之为“宇宙大爆炸”。
又是宇宙，又是大爆炸的，连起来看这个词儿未免有点吓人，“哎呀这得该是何等厉害的一个场面呀！”其实也全不是那么回事儿。首先要声明的是，大爆炸这个名字其实来自于反对者的吐槽——这倒跟外号是同一个道理，越是吐槽的外号越是流传久远——既然是吐槽，那肯定是抓住一点无限放大，别指望反对者跟你讲究措辞分寸。
想当初，物理学家可讨厌“宇宙有一个开端”这念头了。照他们的想法，我们花了好几百年，无数先烈前赴后继才好不容易把上帝他老人家从宇宙主宰的宝座上拉了下来，你现在跟我说宇宙是有个开端的？开什么玩笑，这不又回到《圣经·创世纪》2.0版？什么？还是BANG一声爆出来的？添什么乱哪，我才不管你信不信呢，反正我不信！
所以宇宙的这个开端就这么拉了个“大爆炸”的嘲讽，然后一直叫了下来。拜《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）这部美剧之赐，这个词儿在今天格外深入人心，可其实这场“大爆炸”它既不大，也算不上是一场爆炸，当然更没有BANG的一声。
呃，头有点晕？那先来做个选择题。题目：“大爆炸”蕴含的能量，折算成质量，大约相当于下面哪一个选项？
A.1千克；B.1吨；C.1000吨；D.1010吨
想撕书是不是？不过你也可以拿这个问题去为难一下的物理老师（如果有的话），如果你们老师答不上来，你就可以笑呵呵地回答：真相永远只有一个。答案是千真万确却又令人乍舌的——A。
我们这个宇宙，在导致它诞生的那次“大爆炸”中，蕴含的能量只相当于区区1千克的质量。
作为对比，在不到一秒钟之后，宇宙里的能量就变得相当于1050吨质量。1050相当于在1的后面跟上50个零，为了避免骗字数的嫌疑，我就不在这里把这个数完整写出来了。跟这么大的一个宇宙相比，大爆炸的能量真的是无比渺小，这个“大”字非常名不副实。等一下马上要发生的事儿比它要大得多，各位看官不要着急，待我慢慢道来。
至于“爆炸”么，其实也是非常名不副实。因为首先，宇宙一开始膨胀得那是相当地慢，最初的10-36秒里才膨胀了1亿倍——可别觉得“才膨胀了1亿倍”！1亿倍就是108倍而已，宇宙接下来马上要疯狂膨胀至少1050倍，跟这比起来，区区1亿倍只是温和友好的热身运动。其次，你见过谁家爆炸是没有核心的吗？所谓爆炸嘛，总是在一个空间里，有一个爆炸的中心，中心的压力大，外围的压力小，所以从中心向外猛烈扩张的现象。但是宇宙最初这个“大爆炸”么，它既不是在一个空间里（空间都是它的儿子呢，不要错了辈分！），也没有一个爆炸的中心，宇宙里处处的压强都是均衡的，膨胀的是时间与空间本身。
（我觉得，又有人想撕书了对不对？）
宇宙学家在这里打了一个马虎眼。没有谁能知道大爆炸的“那个时刻”发生了什么，我们只可能尽可能地逼近那个时刻，但永远无法到达目标。大爆炸是时间的起点，也就是时间的零点，而我们能够讨论的宇宙婴儿期，是从10-43秒开始的。小数点后面跟着42个0，随后才是1，对我们中的绝大多数人而言，这和0根本没有区别，但这个时间点却划下了一道壁垒分明的界限，我们可能知道这个时间之后的事件，但绝不可能知道之前的事件。它是对物理学家来说，有意义的最短的时间间隔，就是这个10-43秒，它专门有个名头，叫做“普朗克时间”。
马克斯·普朗克是量子力学的奠基人，他发现能量只能以量子的形式一份份地向外传递，量子不能够再被分开。用普朗克的名字来命名的词儿多少都跟量子有关，而某种意义上，普朗克时间就是时间的“量子”：和这个世界上的许多事物相同，时间也并不是可以无限等分的，人们没法探测到比它更短的时间间隔内的任何变化，这意味着比它更短的时间间隔实际上并不存在。
不知你晕不晕，反正我不晕，这么跟你说吧！对于10-43秒之前的事儿我们啥都不知道，而且也没法指望后世的宇宙学家们知道。宇宙在年龄为10-43秒的这时候，还很小（比一个原子核小多了），很热（稍微低于“普朗克温度”，也就是1.416833×1032度），正在慢吞吞地向外膨胀，一边膨胀一边降温，不过再怎么降温都还是热得非常过分，根本不可能有粒子能够在这种高温中稳定存在。这么个宇宙当然是非常没劲的：整个宇宙里只有一种东西，那就是辐射；也只有一种作用力，那就是传说中的“大统一力”。这是物理学家所追求的终极状态，一切的基本作用都统一到了一起，别管是引力、电磁力、强核力还是弱核力，统统都是一回事儿，所有的物理定律都是“对称”的，举一可以反三，于是各种纷繁芜杂的物理公式嘁哩喀喳地飞到一起，变成一个无比简单的表达，这简直就跟玩儿俄罗斯方块终于等到一根长棍儿落下，哗的一下前面堆出来的一大坨全部消掉那般，可以让任何强迫症患者顿觉神清气爽（科学家对待工作多少都有点强迫症）。但是物理学家或许会喜欢这状态，我们可绝对不喜欢：一句话就能写明白的事儿，有啥意思呢？ 别担心，好戏马上就要登场。宇宙虽说暂时膨胀得有点儿慢吞吞，但是它冷却的速度比膨胀要快得多。很快——真的很快，在宇宙年龄达到10-35秒的时候，温度从最初的正无穷降到了只有1028度。这个时候，引力马上要和其他三种力分道扬镳，引力相关的物理定律再也不跟其他定律对称啦，物理学家管这叫“对称破缺”。不过引力是打算分家单过了，电磁力、强核力和弱核力，可还亲亲热热副三好着，共同生活在“超对称”大家庭里呢。
1028度是一个非常危险的温度，标志着宇宙状态极端不稳定。如果在我们的宇宙上装有监控装备的话，这时候必然是红灯亮起、警报狂拉、报警短信滴滴滴滴不断朝负责人手机上狂发不休的状态。
——警告！作用力即将分裂！
——警告！即将进入超冷状态！
——警告！膨胀失控！
——警告！暴胀开始！
——警告！警告！警告！
就在这一连串的警报声中，宇宙开始了猛烈的膨胀。从它年龄达到10-35秒开始，到10-32秒结束，每过10-34秒，宇宙的体积就翻一番。只花了短短的一瞬间，远远小于一个原子的体积就变得比一个最大的星系还要大。这就是宇宙的“暴胀”。
这样猛烈的膨胀伴随的自然是更加猛烈的降温，与此同时，监控的警报还在狂闪呢。
——警告！作用力分离！
——警告！真空失守！粒子出现！
——宇宙正在长胖！长胖！长胖！
宇宙的质量正在迅速增大，因为它正享用着一场空前绝后的免费盛宴：作用力的分离向它馈赠了无比庞大的能量，这些能量随着宇宙的冷却而转化为实在的粒子，让这枚“宇宙蛋”的质量从最初始的1千克变成了10-50吨。要我说，这才是真·大爆炸呢，无中生有地涌现出这么多正能量，网络上的段子手跟这一比，简直弱爆了。
这顿免费的盛宴毕竟也还不是凭空出现的。宇宙在年仅10-34秒的时间里显得格外年富力强，创造力满点，到处漂着各种如今打死也看不到的玩意儿：夸克、大质量弱相互作用粒子（WIMP）、宇宙丝、原始黑洞……在现在只能在极短的时间内存在、甚至只存在于理论中的粒子，比如传递强核力的胶子、传递弱核力的W和Z玻色子、还有传递引力的引力子，在当时却都是实际的存在。再加上轻子，这一大堆粒子马上就要踏上一出名为“宇宙幸存者”的真人秀舞台，能活到现在的还保持着实粒子风范的就只有夸克和轻子了——夸克其实也被虐得不轻，必须抱团求生，一个好汉三个帮地组成了质子或中子，猫在原子核里存身。其他的么……理论上它们全都存在，不过还没人有那个本事和运气看到。
在剩下的三种力中，最早分离出来的是强核力。弱核力和电磁力在暴胀时期的末尾分离，这也标志着暴胀的结束。作用力的分离带来的不仅仅是让后世的物理学家焦头烂额的各种复杂物理现象，还让宇宙保持了暴胀开始时的温度：在体积暴胀了无数倍之后，温度却还是当初的1028度。随后，宇宙开始缓慢地膨胀和冷却，而暴胀的短暂时期留下的遗产，却保证了宇宙成为我们如今看到的这副模样。这片沸腾的夸克海洋要如何在无数的可能性中杀出一条血路，产生宇宙中第一个重子——
欲知后事如何，且听下回分解。
太初鸿蒙何所有？奇小极热可流金。
自从时空由此出，开天辟地到如今。
……嗯，从现在开始我改说人话哈。
这个奇点呢，就是我们现在这个宇宙的起点。如今我们这个宇宙里的一切，你想得到的所有词儿：高大上的比如时间、空间、能量、物质，接地气的比如地球（虽然在这个故事里，地球绝对是个剧情过了一大半才跑出来的不称职主角）、恒星、太阳、银河，包罗万象，全都是从这么一个不知道该怎么描述的点跑出来的。
咋理解不知道该怎么描述法呢？它其实根本就不能算是一个点。宇宙学家们说了，点不点的那都是为了讲课和写文章方便才弄出来的概念！我们可不认账，我们的理论只是说，宇宙是从一个非常小、非常热又非常密的状态开始的。从这个非常小、非常热又非常密的状态，BANG！忽然开始了膨胀，于是宇宙就产生了。这个最初的，必须要大写的“BIG BANG！”，就是传说中的大爆炸，有时为了特别表示它是产生宇宙的“那一次”爆炸，还要加上前缀，称之为“宇宙大爆炸”。
又是宇宙，又是大爆炸的，连起来看这个词儿未免有点吓人，“哎呀这得该是何等厉害的一个场面呀！”其实也全不是那么回事儿。首先要声明的是，大爆炸这个名字其实来自于反对者的吐槽——这倒跟外号是同一个道理，越是吐槽的外号越是流传久远——既然是吐槽，那肯定是抓住一点无限放大，别指望反对者跟你讲究措辞分寸。
想当初，物理学家可讨厌“宇宙有一个开端”这念头了。照他们的想法，我们花了好几百年，无数先烈前赴后继才好不容易把上帝他老人家从宇宙主宰的宝座上拉了下来，你现在跟我说宇宙是有个开端的？开什么玩笑，这不又回到《圣经·创世纪》2.0版？什么？还是BANG一声爆出来的？添什么乱哪，我才不管你信不信呢，反正我不信！
所以宇宙的这个开端就这么拉了个“大爆炸”的嘲讽，然后一直叫了下来。拜《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）这部美剧之赐，这个词儿在今天格外深入人心，可其实这场“大爆炸”它既不大，也算不上是一场爆炸，当然更没有BANG的一声。
呃，头有点晕？那先来做个选择题。题目：“大爆炸”蕴含的能量，折算成质量，大约相当于下面哪一个选项？
A.1千克；B.1吨；C.1000吨；D.1010吨
想撕书是不是？不过你也可以拿这个问题去为难一下的物理老师（如果有的话），如果你们老师答不上来，你就可以笑呵呵地回答：真相永远只有一个。答案是千真万确却又令人乍舌的——A。
我们这个宇宙，在导致它诞生的那次“大爆炸”中，蕴含的能量只相当于区区1千克的质量。
作为对比，在不到一秒钟之后，宇宙里的能量就变得相当于1050吨质量。1050相当于在1的后面跟上50个零，为了避免骗字数的嫌疑，我就不在这里把这个数完整写出来了。跟这么大的一个宇宙相比，大爆炸的能量真的是无比渺小，这个“大”字非常名不副实。等一下马上要发生的事儿比它要大得多，各位看官不要着急，待我慢慢道来。
至于“爆炸”么，其实也是非常名不副实。因为首先，宇宙一开始膨胀得那是相当地慢，最初的10-36秒里才膨胀了1亿倍——可别觉得“才膨胀了1亿倍”！1亿倍就是108倍而已，宇宙接下来马上要疯狂膨胀至少1050倍，跟这比起来，区区1亿倍只是温和友好的热身运动。其次，你见过谁家爆炸是没有核心的吗？所谓爆炸嘛，总是在一个空间里，有一个爆炸的中心，中心的压力大，外围的压力小，所以从中心向外猛烈扩张的现象。但是宇宙最初这个“大爆炸”么，它既不是在一个空间里（空间都是它的儿子呢，不要错了辈分！），也没有一个爆炸的中心，宇宙里处处的压强都是均衡的，膨胀的是时间与空间本身。
（我觉得，又有人想撕书了对不对？）
宇宙学家在这里打了一个马虎眼。没有谁能知道大爆炸的“那个时刻”发生了什么，我们只可能尽可能地逼近那个时刻，但永远无法到达目标。大爆炸是时间的起点，也就是时间的零点，而我们能够讨论的宇宙婴儿期，是从10-43秒开始的。小数点后面跟着42个0，随后才是1，对我们中的绝大多数人而言，这和0根本没有区别，但这个时间点却划下了一道壁垒分明的界限，我们可能知道这个时间之后的事件，但绝不可能知道之前的事件。它是对物理学家来说，有意义的最短的时间间隔，就是这个10-43秒，它专门有个名头，叫做“普朗克时间”。
马克斯·普朗克是量子力学的奠基人，他发现能量只能以量子的形式一份份地向外传递，量子不能够再被分开。用普朗克的名字来命名的词儿多少都跟量子有关，而某种意义上，普朗克时间就是时间的“量子”：和这个世界上的许多事物相同，时间也并不是可以无限等分的，人们没法探测到比它更短的时间间隔内的任何变化，这意味着比它更短的时间间隔实际上并不存在。
不知你晕不晕，反正我不晕，这么跟你说吧！对于10-43秒之前的事儿我们啥都不知道，而且也没法指望后世的宇宙学家们知道。宇宙在年龄为10-43秒的这时候，还很小（比一个原子核小多了），很热（稍微低于“普朗克温度”，也就是1.416833×1032度），正在慢吞吞地向外膨胀，一边膨胀一边降温，不过再怎么降温都还是热得非常过分，根本不可能有粒子能够在这种高温中稳定存在。这么个宇宙当然是非常没劲的：整个宇宙里只有一种东西，那就是辐射；也只有一种作用力，那就是传说中的“大统一力”。这是物理学家所追求的终极状态，一切的基本作用都统一到了一起，别管是引力、电磁力、强核力还是弱核力，统统都是一回事儿，所有的物理定律都是“对称”的，举一可以反三，于是各种纷繁芜杂的物理公式嘁哩喀喳地飞到一起，变成一个无比简单的表达，这简直就跟玩儿俄罗斯方块终于等到一根长棍儿落下，哗的一下前面堆出来的一大坨全部消掉那般，可以让任何强迫症患者顿觉神清气爽（科学家对待工作多少都有点强迫症）。但是物理学家或许会喜欢这状态，我们可绝对不喜欢：一句话就能写明白的事儿，有啥意思呢？ 别担心，好戏马上就要登场。宇宙虽说暂时膨胀得有点儿慢吞吞，但是它冷却的速度比膨胀要快得多。很快——真的很快，在宇宙年龄达到10-35秒的时候，温度从最初的正无穷降到了只有1028度。这个时候，引力马上要和其他三种力分道扬镳，引力相关的物理定律再也不跟其他定律对称啦，物理学家管这叫“对称破缺”。不过引力是打算分家单过了，电磁力、强核力和弱核力，可还亲亲热热副三好着，共同生活在“超对称”大家庭里呢。
1028度是一个非常危险的温度，标志着宇宙状态极端不稳定。如果在我们的宇宙上装有监控装备的话，这时候必然是红灯亮起、警报狂拉、报警短信滴滴滴滴不断朝负责人手机上狂发不休的状态。
——警告！作用力即将分裂！
——警告！即将进入超冷状态！
——警告！膨胀失控！
——警告！暴胀开始！
——警告！警告！警告！
就在这一连串的警报声中，宇宙开始了猛烈的膨胀。从它年龄达到10-35秒开始，到10-32秒结束，每过10-34秒，宇宙的体积就翻一番。只花了短短的一瞬间，远远小于一个原子的体积就变得比一个最大的星系还要大。这就是宇宙的“暴胀”。
这样猛烈的膨胀伴随的自然是更加猛烈的降温，与此同时，监控的警报还在狂闪呢。
——警告！作用力分离！
——警告！真空失守！粒子出现！
——宇宙正在长胖！长胖！长胖！
宇宙的质量正在迅速增大，因为它正享用着一场空前绝后的免费盛宴：作用力的分离向它馈赠了无比庞大的能量，这些能量随着宇宙的冷却而转化为实在的粒子，让这枚“宇宙蛋”的质量从最初始的1千克变成了10-50吨。要我说，这才是真·大爆炸呢，无中生有地涌现出这么多正能量，网络上的段子手跟这一比，简直弱爆了。
这顿免费的盛宴毕竟也还不是凭空出现的。宇宙在年仅10-34秒的时间里显得格外年富力强，创造力满点，到处漂着各种如今打死也看不到的玩意儿：夸克、大质量弱相互作用粒子（WIMP）、宇宙丝、原始黑洞……在现在只能在极短的时间内存在、甚至只存在于理论中的粒子，比如传递强核力的胶子、传递弱核力的W和Z玻色子、还有传递引力的引力子，在当时却都是实际的存在。再加上轻子，这一大堆粒子马上就要踏上一出名为“宇宙幸存者”的真人秀舞台，能活到现在的还保持着实粒子风范的就只有夸克和轻子了——夸克其实也被虐得不轻，必须抱团求生，一个好汉三个帮地组成了质子或中子，猫在原子核里存身。其他的么……理论上它们全都存在，不过还没人有那个本事和运气看到。
在剩下的三种力中，最早分离出来的是强核力。弱核力和电磁力在暴胀时期的末尾分离，这也标志着暴胀的结束。作用力的分离带来的不仅仅是让后世的物理学家焦头烂额的各种复杂物理现象，还让宇宙保持了暴胀开始时的温度：在体积暴胀了无数倍之后，温度却还是当初的1028度。随后，宇宙开始缓慢地膨胀和冷却，而暴胀的短暂时期留下的遗产，却保证了宇宙成为我们如今看到的这副模样。这片沸腾的夸克海洋要如何在无数的可能性中杀出一条血路，产生宇宙中第一个重子——
欲知后事如何，且听下回分解。