第一章如何營造一個宇宙(1)
它們都處於同一平麵。它們都在沿同一方向轉動......你要知道，這真是完美無缺的，這真是不可思議的，這幾乎是很神奇的。--天文學家傑弗裏·馬西對太陽係的描述
無論怎麽努力，你都永遠也想像不出質子有多麽微小，占有多麽小的空間。它實在太小了。
質子是原子極其微小的組成部分，而原子本身當然也小不可言。質子小到什麽程度？像字母"i"上的點這樣大小的一滴墨水，就可以擁有約莫5000億個質子，說得更確切一點，要比組成1.5萬年的秒數 還 多。因此，起碼可以說，質子是極其微小的。
現在，請你想像一下，假如你能（你當然不能）把一個質子縮小到它正常大小的十億分之一，放進一個極小的空間，使它顯得很大，然後，你把大約30克物質裝進那個極小極小的空間。很好，你已作好創建一個宇宙的準備。
我當然估計到，你希望創建一個會膨脹的宇宙。不過，要是你願意創建一個比較老式而又標準的大爆炸型宇宙，你 還 需要別的材料。事實上，你需要收集現有的一切東西--從現在到宇宙創建之時的每個粒子--把它塞進一個根本談不上大小的極小地方。這就是所謂的奇點。
無論哪種情況，準備好來一次真正的大爆炸。很自然，你希望退避到一個安全的地方來觀察這個奇觀。不幸的是，你無處可以退避，因為奇點之外沒有任何地方。當宇宙開始膨脹的時候，它不會向外擴展，充滿一個更大的空間。僅有的空間是它一麵擴展一麵創造的空間。
把奇點看成是一個懸在漆黑無邊的虛空中的孕點，這是很自然的，然而是錯誤的。沒有空間，沒有黑暗。奇點四周沒有四周。那裏沒有空間供它去占有，沒有地方供它去存在。我們甚至無法問一聲它在那裏已經多久--它是剛剛產生的，就像個好主意那樣， 還 是一直在那裏，默默地等待著合適的時刻的到來。時間並不存在。它沒有從過去產生這一說。
於是，我們的宇宙就從無到有了。
刹那間，一個光輝的時刻來到了，其速度之快，範圍之廣，無法用言語來形容，奇點有了天地之大，有了無法想像的空間。這充滿活力的第一秒鍾（許多宇宙學家將花費畢生的精力來將其分割成越來越小部分的1秒鍾）產生了引力和支配物理學的其他力。不到1分鍾，宇宙的直徑已經有1600萬億公裏，而且 還 在迅速擴大。這時候產生了大量熱量，溫度高達1000萬攝氏度，足以引發核反應，其結果是創造出較輕的元素--主要是氫和氦， 還 有少量鋰（大約是1000萬個原子中有1個鋰原子）。3分鍾以後，98％的目前存在的或將會存在的物質都產生了。我們有了一個宇宙。這是個美妙無比的地方，而且 還 很漂亮。這一切都是在大約做完一塊三明治的時間裏形成的。
這個重大時刻的發生時間 還 是個有點爭議的問題。宇宙到底是在100億年以前形成的， 還 是在200億年以前形成的， 還 是在100億年到200億年之間形成的，這個問題宇宙學家已經爭論很長時間。大家似乎越來越讚成大約137億年這個數字。但是，我們在後麵將會進一步看到，這種事情是極難計算的。其實，我們隻能說，在那十分遙遠的過去，在某個無法確定的時刻，由於不知道的原因，科學上稱之為t=0的時刻來到了。我們於是踏上了旅程。
當然，有大量的事情我們不知道， 還 有大量的事情我們現在或在過去很長時間裏以為自己知道而其實並不知道。連大爆炸理論也是不久以前才提出來的。這個概念自20世紀20年代以來一直很流行，是一位名叫喬治·勒梅特的比利時教士兼學者首先提出了這種假設。但是，直到20世紀60年代中，這種理論才在宇宙學界活躍起來。當時，兩位年輕的射電天文學家無意中發現了一種非同尋常的現象。
他們的名字分別叫做阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜。1965年，他們在美國新澤西州霍爾姆德爾的貝爾實驗室，想要使用一根大型通信天線，可是不斷受到一個本底噪聲--一種連續不斷的蒸汽般的噝噝聲的幹擾，使得實驗無法進行下去。那個噪聲是一刻不停的，很不集中的。它來自天空的各個方位，日日 夜 夜 ，一年四季。有一年時間，兩位年輕的天文學家想盡了辦法，想要跟蹤和除去這個噪聲。他們測試了每個電器係統。他們重新組裝了儀器，檢查了線路，察看了電線，撣掉了插座上的灰塵。他們爬進拋物麵天線，用管道膠布蓋住每一條接縫，每一顆鉚釘。他們拿起掃帚和抹布再次爬進拋物麵天線，小心翼翼地把他們後來在一篇論文中稱之為"白色電介質"的、用更通常的說法是鳥糞的東西掃得幹幹淨淨。可是他們的努力絲毫不起作用。
他們不知道，就在50公裏以外的普林斯頓大學，一組以羅伯特·迪克為首的科學家正在設法尋找的，就是這兩位天文學家想要除去的東西。普林斯頓大學的研究人員正在研究20世紀40年代在蘇聯出生的天文物理學家喬治·伽莫夫提出的假設：要是你看到空間深處，你就會發現大爆炸殘留下來的某種宇宙背景輻射。伽莫夫估計，那種輻射穿過茫茫的宇宙以後，便會以微波的形式抵達地球。在新近發表的一篇論文中，他甚至提出可以用一種儀器達到這個目的，這種儀器就是霍爾姆德爾的貝爾天線。不幸的是，無論是彭齊亞斯和威爾遜， 還 是普林斯頓大學小組的任何專家，都沒有看過伽莫夫的論文。
彭齊亞斯和威爾遜聽到的噪聲，正是伽莫夫所假設的。他們已經找到了宇宙的邊緣，至少是宇宙150億光年以外的可見部分。他們在"觀望"第一批質子--宇宙中最古老的光--果然不出伽莫夫所料，時間和距離已經將其轉變成了微波。艾倫·古思在他的《不斷膨脹的宇宙》一書中提出一種類比，有利於擺正這一發現的位置。要是你把觀望宇宙深處比做是在美國紐約帝國大廈的100層上往下看（假設100層代表現在，街麵代表大爆炸的時刻），那麽在彭齊亞斯和威爾遜發現那個現象的時候，已經有人發現的最遠的星係是在大約60層，最遠的東西--類星體--是在大約20層。彭齊亞斯和威爾遜的發現，把我們對宇宙可見部分的認識在大廳的地板上推進了約1厘米。
它們都處於同一平麵。它們都在沿同一方向轉動......你要知道，這真是完美無缺的，這真是不可思議的，這幾乎是很神奇的。--天文學家傑弗裏·馬西對太陽係的描述
無論怎麽努力，你都永遠也想像不出質子有多麽微小，占有多麽小的空間。它實在太小了。
質子是原子極其微小的組成部分，而原子本身當然也小不可言。質子小到什麽程度？像字母"i"上的點這樣大小的一滴墨水，就可以擁有約莫5000億個質子，說得更確切一點，要比組成1.5萬年的秒數 還 多。因此，起碼可以說，質子是極其微小的。
現在，請你想像一下，假如你能（你當然不能）把一個質子縮小到它正常大小的十億分之一，放進一個極小的空間，使它顯得很大，然後，你把大約30克物質裝進那個極小極小的空間。很好，你已作好創建一個宇宙的準備。
我當然估計到，你希望創建一個會膨脹的宇宙。不過，要是你願意創建一個比較老式而又標準的大爆炸型宇宙，你 還 需要別的材料。事實上，你需要收集現有的一切東西--從現在到宇宙創建之時的每個粒子--把它塞進一個根本談不上大小的極小地方。這就是所謂的奇點。
無論哪種情況，準備好來一次真正的大爆炸。很自然，你希望退避到一個安全的地方來觀察這個奇觀。不幸的是，你無處可以退避，因為奇點之外沒有任何地方。當宇宙開始膨脹的時候，它不會向外擴展，充滿一個更大的空間。僅有的空間是它一麵擴展一麵創造的空間。
把奇點看成是一個懸在漆黑無邊的虛空中的孕點，這是很自然的，然而是錯誤的。沒有空間，沒有黑暗。奇點四周沒有四周。那裏沒有空間供它去占有，沒有地方供它去存在。我們甚至無法問一聲它在那裏已經多久--它是剛剛產生的，就像個好主意那樣， 還 是一直在那裏，默默地等待著合適的時刻的到來。時間並不存在。它沒有從過去產生這一說。
於是，我們的宇宙就從無到有了。
刹那間，一個光輝的時刻來到了，其速度之快，範圍之廣，無法用言語來形容，奇點有了天地之大，有了無法想像的空間。這充滿活力的第一秒鍾（許多宇宙學家將花費畢生的精力來將其分割成越來越小部分的1秒鍾）產生了引力和支配物理學的其他力。不到1分鍾，宇宙的直徑已經有1600萬億公裏，而且 還 在迅速擴大。這時候產生了大量熱量，溫度高達1000萬攝氏度，足以引發核反應，其結果是創造出較輕的元素--主要是氫和氦， 還 有少量鋰（大約是1000萬個原子中有1個鋰原子）。3分鍾以後，98％的目前存在的或將會存在的物質都產生了。我們有了一個宇宙。這是個美妙無比的地方，而且 還 很漂亮。這一切都是在大約做完一塊三明治的時間裏形成的。
這個重大時刻的發生時間 還 是個有點爭議的問題。宇宙到底是在100億年以前形成的， 還 是在200億年以前形成的， 還 是在100億年到200億年之間形成的，這個問題宇宙學家已經爭論很長時間。大家似乎越來越讚成大約137億年這個數字。但是，我們在後麵將會進一步看到，這種事情是極難計算的。其實，我們隻能說，在那十分遙遠的過去，在某個無法確定的時刻，由於不知道的原因，科學上稱之為t=0的時刻來到了。我們於是踏上了旅程。
當然，有大量的事情我們不知道， 還 有大量的事情我們現在或在過去很長時間裏以為自己知道而其實並不知道。連大爆炸理論也是不久以前才提出來的。這個概念自20世紀20年代以來一直很流行，是一位名叫喬治·勒梅特的比利時教士兼學者首先提出了這種假設。但是，直到20世紀60年代中，這種理論才在宇宙學界活躍起來。當時，兩位年輕的射電天文學家無意中發現了一種非同尋常的現象。
他們的名字分別叫做阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜。1965年，他們在美國新澤西州霍爾姆德爾的貝爾實驗室，想要使用一根大型通信天線，可是不斷受到一個本底噪聲--一種連續不斷的蒸汽般的噝噝聲的幹擾，使得實驗無法進行下去。那個噪聲是一刻不停的，很不集中的。它來自天空的各個方位，日日 夜 夜 ，一年四季。有一年時間，兩位年輕的天文學家想盡了辦法，想要跟蹤和除去這個噪聲。他們測試了每個電器係統。他們重新組裝了儀器，檢查了線路，察看了電線，撣掉了插座上的灰塵。他們爬進拋物麵天線，用管道膠布蓋住每一條接縫，每一顆鉚釘。他們拿起掃帚和抹布再次爬進拋物麵天線，小心翼翼地把他們後來在一篇論文中稱之為"白色電介質"的、用更通常的說法是鳥糞的東西掃得幹幹淨淨。可是他們的努力絲毫不起作用。
他們不知道，就在50公裏以外的普林斯頓大學，一組以羅伯特·迪克為首的科學家正在設法尋找的，就是這兩位天文學家想要除去的東西。普林斯頓大學的研究人員正在研究20世紀40年代在蘇聯出生的天文物理學家喬治·伽莫夫提出的假設：要是你看到空間深處，你就會發現大爆炸殘留下來的某種宇宙背景輻射。伽莫夫估計，那種輻射穿過茫茫的宇宙以後，便會以微波的形式抵達地球。在新近發表的一篇論文中，他甚至提出可以用一種儀器達到這個目的，這種儀器就是霍爾姆德爾的貝爾天線。不幸的是，無論是彭齊亞斯和威爾遜， 還 是普林斯頓大學小組的任何專家，都沒有看過伽莫夫的論文。
彭齊亞斯和威爾遜聽到的噪聲，正是伽莫夫所假設的。他們已經找到了宇宙的邊緣，至少是宇宙150億光年以外的可見部分。他們在"觀望"第一批質子--宇宙中最古老的光--果然不出伽莫夫所料，時間和距離已經將其轉變成了微波。艾倫·古思在他的《不斷膨脹的宇宙》一書中提出一種類比，有利於擺正這一發現的位置。要是你把觀望宇宙深處比做是在美國紐約帝國大廈的100層上往下看（假設100層代表現在，街麵代表大爆炸的時刻），那麽在彭齊亞斯和威爾遜發現那個現象的時候，已經有人發現的最遠的星係是在大約60層，最遠的東西--類星體--是在大約20層。彭齊亞斯和威爾遜的發現，把我們對宇宙可見部分的認識在大廳的地板上推進了約1厘米。