正文 第 5 章
大历史，小世界：从大爆炸到你（出书版） 作者:辛西娅·斯托克斯·布朗/译者:徐彬/ 于秀秀/刘晓婷
第 5 章
我们无法将故事倒退至时间为零的那一刻（t=0）。那一时刻还在科学理解的范畴之外，也是最大的谜团——时间从何而来？宇宙的第一秒决定了我们的命运，它诞生时的第一秒所发生的事情决定了我们今天的样子，否则，人类不会存在。
据估计，就在t=0之后，宇宙温度极高，能量和物质尚未分离。初始瞬间不像我们所理解的爆炸那样，从中心投射出什么东西，而是空间本身以一种外张的方式膨胀开来。
科学家想象，在第一秒的1027 的时刻，宇宙以极快的速度膨胀。天文学家称这一时期为“暴胀期”。1027 秒之后，早期宇宙膨胀到今天银河系的大小。
仍然在“第一秒”内的时间，宇宙的膨胀速度开始下降，四种基本力出现了。它们分别是引力、电磁力（包括电力、磁力和各种形式的光），以及其他两种只在原子内部起作用的力（强力和弱力）。名为“玻色子”的粒子，携带其中的后三种力。
（至今尚没有发现携带引力的粒子。人们推测存在一种带引力的粒子，而且名字已经给它取好了，叫作“引力子”（graviton）。物理学家希望某一天能够发现这种粒子，但迄今为止，他们还无法对引力做出令人满意的解释。）
另外，某种未知的能量对婴儿期宇宙的向外扩张起到了作用。1999年，天文学家意识到，这种能量一定存在，因为他们发现，在几十亿年的时间里，宇宙的膨胀速度一直在加快。这种能量看似是某种“反引力”，它对抗引力，推着宇宙向外扩张。天文学家把这种假说中的能量称为“暗能量”，因为天文学家只能通过它产生的影响检测到它，但并不知道它到底是什么。他们认为暗能量占据了宇宙中质能总量的70%左右。
仍然是在“第一秒”内，随着空间膨胀和宇宙冷却，能量凝结成了第一批物质。最小的粒子是夸克、轻子及其他粒子。依然是在“第一秒”内，夸克形成了质子和中子。（参见下一部分）
如果这些都还不够奇怪的话，那么在宇宙的第一秒之内，还发生了比这更为奇异的事情：就在最早的物质粒子在极度高温中快速旋转时，相同数量的反粒子出现了。这些反粒子与粒子一模一样，只是电荷相反。
反粒子与粒子相撞，彼此湮灭。二者都变成电磁辐射，产生的光子则带着能量远去。就在第一秒之内，粒子与反粒子的数量几乎均等，但在大湮灭事件之后，剩下了一些粒子。据科学家估计，平均每10亿对撞的粒子和反粒子之中，会有一个粒子留存下来。那么为什么宇宙中的粒子会比反粒子多呢？这是物理学界尚未解开的谜团。然而也正是那些留存下来的粒子，后来构成了宇宙中的万物。
另外，或许还存在一种物质，科学家称其为“暗物质”，因为它不会与光发生相互作用。天文学家认为暗物质是存在的，因为恒星和星系的运动方式无法用可见物质的引力解释。暗物质大概是在宇宙形成的第一秒内形成的，但无人可以确定这一点。据估计暗物质构成了宇宙质能总量的25%。而已知的物质，也就是普通的、原子或者重子构成的物质，占据了5%。
接下来的20分钟
大爆炸约3分钟后，温度已经冷却得足够了，质子和中子开始结合，形成原子核。此时尚没有原子，只是质子和中子结合在一起，还没有电子环绕在外。
温度还是太高，质子和电子依然不能结合形成原子。原子是由质子和中子组成原子核，加上绕核运动的电子构成的。（了解更多细节请参考下一节。）此时，宇宙呈现一种气体的状态，叫作等离子态，这种状态持续了大约30万年。新生物质的粒子（质子、中子和电子），在不断碰撞爆发的能量中跃动，而这种能量是由带正电荷的质子、带负电荷的电子和光的相互作用产生的。在这一锅粥中，光子无法逃脱。它们与带电荷的粒子，尤其是电子交织在一起，无法自由移动。
想象这样一幅画面：无论跃动的或是对撞的电子和质子何时吸引彼此结合成原子，辐射出来的光子都会与电子相撞，中止结合。而这种结合只有在所有粒子都失去更多的能量后才能持续，而粒子的确会失去更多能量，因为宇宙不断在冷却。
等离子的状态如今在恒星的中心依然存在。恒星中心温度极高，像早期宇宙的条件一样，能够产生类似气体的状态，原子分裂成亚原子粒子。
真是一锅粥啊！谁能从那种状态预测出138.2亿年之后的事情呢？
最初的38万年
等离子的状态存在了约30万年的时间。接下来的5万年左右，宇宙中会经历一个大变化。温度继续冷却，比我们今天的太阳表面温度还要低一点。整个宇宙的温度都是这样高。
早期宇宙的时期
上图表明了宇宙早期四个阶段的物理过程，这四个时间段分别为：0.00001秒之内，0.00001秒，1秒和30万年。波浪线代表光子。
随着温度冷却，光子不断失去能量，亚原子粒子也不再振动得像之前那样疯狂。振动减弱，具有相反电荷的质子和电子就能结合在一起了。带正电荷的质子或者与中子结合的质子，吸引带负电荷的电子，形成了第一批原子。
第一批原子是最简单的两种——氢和氦。氢原子由一个质子和一个电子组成，氦原子由两个质子和两个中子组成原子核，还有两个电子绕核运动。早期宇宙中的原子比例，以质量计，约75%为氢原子，25%为氦原子，还有相对稳定的锂的痕迹，锂由3个质子、3个中子和3个电子组成。（以数量计，氢原子大约占早期宇宙的90%。）
原子的结构有点类似于太阳与其行星的关系——体积极小的电子绕着由质子和中子组成的巨大原子核转动。每一个原子都有相同数量的质子和电子，所以正负电荷相互抵消。质子的体积几乎是电子的2000多倍。中子没有电荷，质量比质子的质量稍微大些。中子与质子结合，形成原子核，质量达到整个原子的99.9%。中子通过强力相互吸引，也帮助质子结合起来，否则质子会相互排斥。所以，每个含有一个以上质子的原子，在其核内，都会有一些中子将其聚合在一起。
还有一个令人吃惊的事实：像太阳系一样，原子内部绝大部分都是空的空间。比如在氢原子内部，如果其质子像篮球那么大，它周围的空间就堪比地球。而电子的大小，则只相当于樱桃核。电子绕着质子旋转，就相当于一颗樱桃核在地球大气层的边缘（距离地球表面约100千米）绕地球旋转一样。剩下的则是空空如也的空间。
原子长什么样？
原子的结构：一群电子绕原子核运动。原子核由质子和中子构成，质子和中子均由3个夸克构成。
微小的电子，绕着原子核不断运动，成为“电子云”。电子的轨道称为“电子层”。最里面的层级仅能容纳两个电子。接下来的两层，每一层则能容纳8个电子。有时候，最外一层不足8个电子，这种原子就可能形成分子。（关于这一过程的细节请参见第4章。）我们无法精确描述电子的运动，因为电子的运动方式并不符合常规。它们的运动符合量子运动规律——电子会从一个相对稳定的轨道跃迁到另外一个轨道，但不大可能处于两个轨道之间。从这一点上讲，将原子与太阳和8大行星进行类比就不那么恰当。
如果原子内部大部分都是空的，那么为何它们组成的物体是坚固的呢？这是因为力、键合力以及场，让万物各安其位，让物体显得坚固。
光，正如上文提到的那样，是不带电荷的。质子、中子和电子结合形成原子之后，光子就不会与它们的电荷纠缠在一起了。光子形成了巨大的光束，在空间自由移动。
上面已经提到，两位射电天文学家探测到了那道光束。阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了科学家称作“宇宙背景辐射”（CBR）的东西，有时也称作“宇宙微波背景”（CMB）。这一背景就是那道光冷却下来的残留物，它们充斥宇宙，来自第一粒原子诞生、光（光子）能够自由移动的那一刻。
我们怎么可能看到那么久之前存在的东西呢？原因就是，某事物距离我们越远，其辐射抵达我们所需的时间就越长。如今所见乃长久之前的样子。举个例子来说，如果我们看到距离地球3000光年的一颗恒星爆炸了，那么，爆炸是发生在3000年前，因为爆炸时发出的光需要用3000年的时间才到达地球。（光年是光传播一年的距离。一光年相当于9.5万亿千米，即6万亿英里。这个距离到底有多长呢？想象一下我们的太阳系，它比太阳系直径的500倍还要多，不过这没有把太阳系边缘的大型奥尔特云算在内。）
大爆炸之后38万年，宇宙背景辐射开始在空间中穿越，过了差不多138亿年的时间，才到达我们这儿。宇宙的膨胀把这束光的光子拉伸成了微波，其波长太长，肉眼无法看到。只有仪器能够探测到，将其转化成图像，呈现在我们眼前。
两个早期空间望远镜
威尔金森微波各向异性探测器（ain]查看。）
知识前沿的疑问
人类对于宇宙的认识还存在很多重大问题未能得到回答。下面列举其中几个，科学家希望通过LHC收集的数据能够解答其中几个问题。等本书出版时，有些问题可能已经解决——由于新发现产生的速度越来越快，要想让书的内容保持最新可不容易。
第 5 章
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第 5 章
我们无法将故事倒退至时间为零的那一刻（t=0）。那一时刻还在科学理解的范畴之外，也是最大的谜团——时间从何而来？宇宙的第一秒决定了我们的命运，它诞生时的第一秒所发生的事情决定了我们今天的样子，否则，人类不会存在。
据估计，就在t=0之后，宇宙温度极高，能量和物质尚未分离。初始瞬间不像我们所理解的爆炸那样，从中心投射出什么东西，而是空间本身以一种外张的方式膨胀开来。
科学家想象，在第一秒的1027 的时刻，宇宙以极快的速度膨胀。天文学家称这一时期为“暴胀期”。1027 秒之后，早期宇宙膨胀到今天银河系的大小。
仍然在“第一秒”内的时间，宇宙的膨胀速度开始下降，四种基本力出现了。它们分别是引力、电磁力（包括电力、磁力和各种形式的光），以及其他两种只在原子内部起作用的力（强力和弱力）。名为“玻色子”的粒子，携带其中的后三种力。
（至今尚没有发现携带引力的粒子。人们推测存在一种带引力的粒子，而且名字已经给它取好了，叫作“引力子”（graviton）。物理学家希望某一天能够发现这种粒子，但迄今为止，他们还无法对引力做出令人满意的解释。）
另外，某种未知的能量对婴儿期宇宙的向外扩张起到了作用。1999年，天文学家意识到，这种能量一定存在，因为他们发现，在几十亿年的时间里，宇宙的膨胀速度一直在加快。这种能量看似是某种“反引力”，它对抗引力，推着宇宙向外扩张。天文学家把这种假说中的能量称为“暗能量”，因为天文学家只能通过它产生的影响检测到它，但并不知道它到底是什么。他们认为暗能量占据了宇宙中质能总量的70%左右。
仍然是在“第一秒”内，随着空间膨胀和宇宙冷却，能量凝结成了第一批物质。最小的粒子是夸克、轻子及其他粒子。依然是在“第一秒”内，夸克形成了质子和中子。（参见下一部分）
如果这些都还不够奇怪的话，那么在宇宙的第一秒之内，还发生了比这更为奇异的事情：就在最早的物质粒子在极度高温中快速旋转时，相同数量的反粒子出现了。这些反粒子与粒子一模一样，只是电荷相反。
反粒子与粒子相撞，彼此湮灭。二者都变成电磁辐射，产生的光子则带着能量远去。就在第一秒之内，粒子与反粒子的数量几乎均等，但在大湮灭事件之后，剩下了一些粒子。据科学家估计，平均每10亿对撞的粒子和反粒子之中，会有一个粒子留存下来。那么为什么宇宙中的粒子会比反粒子多呢？这是物理学界尚未解开的谜团。然而也正是那些留存下来的粒子，后来构成了宇宙中的万物。
另外，或许还存在一种物质，科学家称其为“暗物质”，因为它不会与光发生相互作用。天文学家认为暗物质是存在的，因为恒星和星系的运动方式无法用可见物质的引力解释。暗物质大概是在宇宙形成的第一秒内形成的，但无人可以确定这一点。据估计暗物质构成了宇宙质能总量的25%。而已知的物质，也就是普通的、原子或者重子构成的物质，占据了5%。
接下来的20分钟
大爆炸约3分钟后，温度已经冷却得足够了，质子和中子开始结合，形成原子核。此时尚没有原子，只是质子和中子结合在一起，还没有电子环绕在外。
温度还是太高，质子和电子依然不能结合形成原子。原子是由质子和中子组成原子核，加上绕核运动的电子构成的。（了解更多细节请参考下一节。）此时，宇宙呈现一种气体的状态，叫作等离子态，这种状态持续了大约30万年。新生物质的粒子（质子、中子和电子），在不断碰撞爆发的能量中跃动，而这种能量是由带正电荷的质子、带负电荷的电子和光的相互作用产生的。在这一锅粥中，光子无法逃脱。它们与带电荷的粒子，尤其是电子交织在一起，无法自由移动。
想象这样一幅画面：无论跃动的或是对撞的电子和质子何时吸引彼此结合成原子，辐射出来的光子都会与电子相撞，中止结合。而这种结合只有在所有粒子都失去更多的能量后才能持续，而粒子的确会失去更多能量，因为宇宙不断在冷却。
等离子的状态如今在恒星的中心依然存在。恒星中心温度极高，像早期宇宙的条件一样，能够产生类似气体的状态，原子分裂成亚原子粒子。
真是一锅粥啊！谁能从那种状态预测出138.2亿年之后的事情呢？
最初的38万年
等离子的状态存在了约30万年的时间。接下来的5万年左右，宇宙中会经历一个大变化。温度继续冷却，比我们今天的太阳表面温度还要低一点。整个宇宙的温度都是这样高。
早期宇宙的时期
上图表明了宇宙早期四个阶段的物理过程，这四个时间段分别为：0.00001秒之内，0.00001秒，1秒和30万年。波浪线代表光子。
随着温度冷却，光子不断失去能量，亚原子粒子也不再振动得像之前那样疯狂。振动减弱，具有相反电荷的质子和电子就能结合在一起了。带正电荷的质子或者与中子结合的质子，吸引带负电荷的电子，形成了第一批原子。
第一批原子是最简单的两种——氢和氦。氢原子由一个质子和一个电子组成，氦原子由两个质子和两个中子组成原子核，还有两个电子绕核运动。早期宇宙中的原子比例，以质量计，约75%为氢原子，25%为氦原子，还有相对稳定的锂的痕迹，锂由3个质子、3个中子和3个电子组成。（以数量计，氢原子大约占早期宇宙的90%。）
原子的结构有点类似于太阳与其行星的关系——体积极小的电子绕着由质子和中子组成的巨大原子核转动。每一个原子都有相同数量的质子和电子，所以正负电荷相互抵消。质子的体积几乎是电子的2000多倍。中子没有电荷，质量比质子的质量稍微大些。中子与质子结合，形成原子核，质量达到整个原子的99.9%。中子通过强力相互吸引，也帮助质子结合起来，否则质子会相互排斥。所以，每个含有一个以上质子的原子，在其核内，都会有一些中子将其聚合在一起。
还有一个令人吃惊的事实：像太阳系一样，原子内部绝大部分都是空的空间。比如在氢原子内部，如果其质子像篮球那么大，它周围的空间就堪比地球。而电子的大小，则只相当于樱桃核。电子绕着质子旋转，就相当于一颗樱桃核在地球大气层的边缘（距离地球表面约100千米）绕地球旋转一样。剩下的则是空空如也的空间。
原子长什么样？
原子的结构：一群电子绕原子核运动。原子核由质子和中子构成，质子和中子均由3个夸克构成。
微小的电子，绕着原子核不断运动，成为“电子云”。电子的轨道称为“电子层”。最里面的层级仅能容纳两个电子。接下来的两层，每一层则能容纳8个电子。有时候，最外一层不足8个电子，这种原子就可能形成分子。（关于这一过程的细节请参见第4章。）我们无法精确描述电子的运动，因为电子的运动方式并不符合常规。它们的运动符合量子运动规律——电子会从一个相对稳定的轨道跃迁到另外一个轨道，但不大可能处于两个轨道之间。从这一点上讲，将原子与太阳和8大行星进行类比就不那么恰当。
如果原子内部大部分都是空的，那么为何它们组成的物体是坚固的呢？这是因为力、键合力以及场，让万物各安其位，让物体显得坚固。
光，正如上文提到的那样，是不带电荷的。质子、中子和电子结合形成原子之后，光子就不会与它们的电荷纠缠在一起了。光子形成了巨大的光束，在空间自由移动。
上面已经提到，两位射电天文学家探测到了那道光束。阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了科学家称作“宇宙背景辐射”（CBR）的东西，有时也称作“宇宙微波背景”（CMB）。这一背景就是那道光冷却下来的残留物，它们充斥宇宙，来自第一粒原子诞生、光（光子）能够自由移动的那一刻。
我们怎么可能看到那么久之前存在的东西呢？原因就是，某事物距离我们越远，其辐射抵达我们所需的时间就越长。如今所见乃长久之前的样子。举个例子来说，如果我们看到距离地球3000光年的一颗恒星爆炸了，那么，爆炸是发生在3000年前，因为爆炸时发出的光需要用3000年的时间才到达地球。（光年是光传播一年的距离。一光年相当于9.5万亿千米，即6万亿英里。这个距离到底有多长呢？想象一下我们的太阳系，它比太阳系直径的500倍还要多，不过这没有把太阳系边缘的大型奥尔特云算在内。）
大爆炸之后38万年，宇宙背景辐射开始在空间中穿越，过了差不多138亿年的时间，才到达我们这儿。宇宙的膨胀把这束光的光子拉伸成了微波，其波长太长，肉眼无法看到。只有仪器能够探测到，将其转化成图像，呈现在我们眼前。
两个早期空间望远镜
威尔金森微波各向异性探测器（ain]查看。）
知识前沿的疑问
人类对于宇宙的认识还存在很多重大问题未能得到回答。下面列举其中几个，科学家希望通过LHC收集的数据能够解答其中几个问题。等本书出版时，有些问题可能已经解决——由于新发现产生的速度越来越快，要想让书的内容保持最新可不容易。
第 5 章
恋耽美