字宙是怎样形成的

空间、时间、物质——这一切都源于137亿年前的一个“大爆炸”。那时的宇宙是一个无比奇异的地方。那里还没有行星、恒星或星系这些东西，只有一团基本粒子充斥其中。此外，整个宇宙还没有一个针孔大，而且热得令人难以置信。这个宇宙从何时开始膨胀，从这个出人意料的怪异起点，逐渐扩展，——直到演化成目前这个样子。

现代科学还无法描述或解释大爆炸之后10-43秒内发生了什么事情。这个时间间隔——10-43秒，被称为普朗克时间，是以德国科学家麦克斯·卡尔·恩斯特·普朗克的名字命名的。普朗克首先引入了这样一个概念：能量不能连续改变，而是由具有特定能量的“单元”或者“量子”构成。量子理论是现代大部分物理学的基石，它从最小的尺度上处理宇宙问题，而且被列为20世纪理论科学的两个伟大成就之一(另一个是爱因斯坦的广义相对论，处理极大尺度——天文尺度上的物理学)。

这些理论尽管在它们各自的领域里都被实验和观测完美地验证了，然而要调和这两个理论的物理学家却遇到了很大的困难，因为它们对时间的处理方法根本不同。在爱因斯坦的理论中，时间是一个维度，是连续的，所以我们从一个时刻平滑地过渡到下一个时刻;而在量子理论中，普朗克时间就代表着一个基本的极限，时间具有一定意义的最小单元，同时这也是在理论上能够测量出的最小时间单元。如果我们制造出最为精确的钟表，会发现它会不规律地从一个普朗克时间跳到下一个普朗克时间。

调和这两种截然对立的时间观念是21世纪物理学要攻克的主要难题。近年来在“弦理论”和“膜理论”方面进行了一些尝试。就目前来说，量子物理主宰着紧邻大爆炸之后的灼热致密的微小宇宙阶段。我们对宇宙的科学研究就从大爆炸之后10-43秒开始。

大爆炸的概念与直觉相反，我们的常识似乎更易接受一个静态无穷的宇宙观念，但是发生过大爆炸这个奇异的事件确有科学依据。如果我们接受大爆炸的理论，就有可能看清整个事件的发展过程，从第一个普朗克时间开始，直到现在。

一、引力——宇宙的力

宇宙万物之间距离的存在起作用的力是万有引力。无论是恒星、行星、一个人还是一片云，引力的强度取决于它里面包含多少物质。注意，质量和重量是不同的。质量表示存在多少物质，而重量表示由于重力产生的力的大小，所以一个在地球轨道上的宇航员虽然处于失重状态，但并没有失去质量。可以把引力定义为：使质量产生重量的力。例如，月亮是太阳系大家庭中较小的一个成员，其引力小到无法保持住大气。地球质量比月球大得多，于是把物体吸引住的能力也强得多，所以它吸引了我们呼吸所需的大气层。与此类似，早期宇宙中物质密集的区域比稀疏的区域有更大的引力，可以把周围的物质吸引过来，而这又使它的引力进一步增强了。所以这一过程一直在加速，就像常说的那样：富者愈富，贫者愈贫。质量越大，引力越强，从周围吸引到的物质就越多。使用计算机能够重构当时的情景，因此能建立一个比较好的模型来反映早期宇宙是如何演化成现在宇宙的大尺度结构的。

一个星系团最开始时是很小的，随着宇宙的膨胀，其体积也不断地增加，并持续地从周围把物质吸纳过来。随着可以积累的物质的耗尽，它增长得越来越慢，直至停止扩张，这个原始的星系群达到了它最大的范围，并有能力凝聚到它最终的质量。引力随距离的增大而减弱，所以在宇宙演化的过程中，收缩仅发生在很小的尺度上。

二、自然界中的力

在刚刚大爆炸后极端高温的宇宙中，夸克具备足够的能量自由地运动。因此，通过理解最大尺度上的宇宙发展过程，可以增加我们对最小尺度上的粒子的了解。每个粒子在宇宙初期获得的能量比我们在粒子加速器中所能制造的高得多。即使我们建造一个和太阳系一样尺寸的加速器也不可能产生如此巨大的能量。

把夸克约束在一起的力不同寻常，这种力被称为强核力不是没有缘由的，它只在极小的尺度内才占主导地位，所以我们需要使用非常强大的粒子加速器才能使质子分裂。不同于我们在大尺度环境中所熟悉的力，例如引力或异性电荷之间的吸引力那样，强力随距离的增加而增加。换言之，如果我们能够分开2个夸克，会发现分离的距离越大，两者之间拉回的力就越大。当夸克分开到一定程度，造成这种形变所注入的能量是如此之大，以至于能量转化为质量，产生2个新的夸克。这样猛然间我们手上就有了2对夸克，而不是事先希望的把夸克单独隔离开。这意味着我们在实验中从未产生过独立的夸克。夸克只作为其他粒子的组分而存在于日常世界，例如质子和中子中各含有3个夸克。

值得注意的是，当前我们通过粒子物理对微观世界的研究，和通过宇宙学对极大尺度的宏观世界的认识是紧密交织在一起的。一个充满了高能基本粒子的炙热空间，是我们想象到的新生宇宙的最早景象。

三、光的缘起

在暴胀这一灾变时期后的30万年里没有发生什么大的变化，因为支配宇宙演化的物理环境基本保持不变。宇宙成了一个变动不那么剧烈的地方。随着温度的降低，质子和中子的速度也减慢了。但就像我们将要看到的那样，物质和辐射依然混合在一起。我们认为，这一时期的宇宙和今天看到的最初的恒星宇宙间的最大差异是，宇宙在这极早期阶段是完全不透明的。

包括可见光在内的电磁波都可以看成是光子流。光子是一种没有质量的粒子，以每秒30万千米的速度运动。在量子力学(可能是现代科学中经过最好验证的理论)的奇妙世界中，我们不再能够明确地区分“波”和“粒子”，而要接受任何物质都会表现出介于两者之间的“波粒二象性”。就像我们传统上认为是粒子的那些实体——例如电子和质子一样，光在某些时刻也表现得像一个粒子，叫作“光子”，而在其他时候则像一个波。

每个光子都携带一份确定的能量，能量大小取决于光的颜色，所以确实可以说电磁波是一个光子流。现在让我们追踪其中一个光子的轨迹。它可能是在极早期宇宙中一次质子和反质子的碰撞中产生的。在这种非常密集的环境中，这个光子走不了多远就会碰上一个电子并被吸收掉，而电子则获得了能量。其后，光子可能又被发射出去，但这时和它原来的方向已是完全不同了。这个过程在不断地重复，其结果是光子在任何方向上都走得很慢。

但是当宇宙在大爆炸后30万年，恰好冷却到3000摄氏度时发生了一个突然的变化。在这个临界时刻之前，电子这种组成普通原子的物质最轻，因而也是运动最快的粒子，以至于较重的原子核无法将其捕获。但到了3000摄氏度时，它们就难以逃脱原子核的捕捉了，最初的中性原子产生了。从原子的尺度上看，被捕获的电子在一个很远的距离上环绕原子核，但如果与原子间的距离相比，电子离原子核是极近的。这样，新形成的原子之间的空间变得空旷了，光子突然能够不受阻碍地运动很长的距离。换句话说，物质和辐射分离开来，在大爆炸后30万年，宇宙变得透明了。

四、光谱

艾萨克·牛顿爵士首次将一束阳光穿过一个玻璃棱镜，证明了阳光是由从红色(长波长)到紫色(短波长)的各种波长的光线组成的。他把阳光通过小孔和棱镜，射出后形成一条彩色光带，这是首个有意制成的光谱。牛顿并未做进一步的实验，或许因为那时棱镜的玻璃质量欠佳，但更有可能的是还有其他的事情等待他去考虑。下一个较大的进展来自英国科学家W.H.渥拉斯顿。1801年，渥拉斯顿在屏上用一道狭缝代替了小孔，得到了里面横跨着许多暗线的带状太阳光谱，但他认为这些线仅是各种颜色的分界，因而与一项重大发现失之交臂。十多年后，德国光学家约瑟夫·夫琅禾费终于发现了个中奥秘。

像渥拉斯顿一样，夫琅禾费获得了太阳光谱。他把暗线描画下来，发现不同光谱的位置和强度是不变的。例如在光谱黄色的部分有两条非常明显的暗线。这些线条是如何形成的?1858年古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生回答了这个问题，同时奠定了现代光谱学的基础。

被称作夫琅禾费线的暗线还可以提供运动的信息，继而间接地告诉我们天体的距离。注意一下救护车鸣笛的声音。与静止时相比，当汽车朝我们开来时，每秒钟内有更多数量的声波进入耳朵，其效果是波长变短了，所以听上去声调越来越高;而当汽车经过后驶离我们时，每秒钟进入耳朵的声波数减少，波长变长，所以音调变低。奥地利科学家多普勒对这种现象首先做出了解释，后来这种现象被称为“多普勒效应”。对光来说也存在同样的现象：一个正在靠近的光源，波长的缩短会令光线变蓝;正在退行的光源，光线则会变红。这种颜色变化极其微弱，不易察觉，但却会在夫琅禾费线中有所反映。如果所有的谱线都向红端，即长波长端移动，那么光源就正在远离我们。红移越大，退行速度就越快。

就像望远镜收集光线一样，光谱仪把光分解成彩虹样的光谱。你可以在发光的固体或者液体的光谱中看到彩虹似的连续谱带;而低压气体的光谱却大不一样，不同于一条彩带，你只能看到分立的亮线，即发射光谱。基尔霍夫和本生发现，每条谱线都是某种特定元素或者元素组合的标志，且不会重复。例如钠会产生两条明亮的黄线以及其他亮线。有些元素的光谱比较复杂，比如铁有数千条谱线。基尔霍夫和本生伟大的洞察力在于，发现太阳光谱中的暗线和实验室里发光气体光谱中的亮线是一一对应的。现在我们知道每条谱线都产生于气体原子外层电子某个特定状态的跃迁。如果气体很热，电子的能级降低时就会放出能量，我们便可看到发射线;如果气体较冷并且背景光是像阳光那样的连续谱的话，我们便可看到一条暗线，因为电子在相同的频率上吸收了能量，并跃迁到上面的能级。在太阳光谱黄色部分里的那一对特殊的暗线就是相对较冷的钠蒸汽存在的明确迹象。通过对这些夫琅禾费线的研究，可以得到被称为“反变层”的太阳内层大气中所有气态元素的丰度。

五、光的屏障

在微波背景辐射产生之前，宇宙是不透明的，光线无法在里面传到远方。从外面看，太阳有一个确切的表面：光球，但其实我们看到的不过是物质开始变得透明的那个边界。光球内，气体很炽热、明亮和密集，光子无法不受碰撞地穿透出去，就像紧接着大爆炸后的那段时间一样;光球之外，气体变得透明了，光子能够自由地穿越，就像宇宙刚刚变得透明的那一时刻——宇宙微波背景产生的时刻。

要看透云层，我们有一个替代方案：无线电波可以轻易地穿过云层，所以可以得到云层之外或者云朵里面的信息。然而这种技巧在宇宙微波背景这里行不通。30万年是对所有电磁辐射的限制，这似乎是难以克服的障碍。那么我们怎么能够在前面如此自信地描述在这一时刻之前的情况呢?此时我们需要依靠理论。这些理论中有许多曾成功地预言了微波背景辐射是什么样子，这样我们就能够将理论和实际的宇宙微波背景作比较，得出合适的结论。

但更为理想的当然是我们能够越过这个障碍看到过去。为了达到这个目标出现了不少想法，比如去探测那些在微波背景辐射时代之前就幸存下来、未曾变化的高能粒子。现在科学家们已经开始寻找这种以微小的、几乎无质量的中微子或其他怪异的物质形态出现的粒子。