宇宙膨脹背后的故事（十五～十八）
·程 鶚·
?。ㄊ澹河钪娲蟊ǖ挠嗖?/p>
? ? 也是在1948年，剛剛從美國海軍退伍的馬里蘭大學(xué)年輕教師韋伯（Joseph
Weber）找到伽莫夫，自我介紹是微波技術(shù)專家，詢問是否有合適的課題讓他研
修一個物理博士學(xué)位。伽莫夫不假思索地回答，“沒有?！表f伯不得已，后來輾
轉(zhuǎn)進入了探測引力波領(lǐng)域（詳見《捕捉引力波背后的故事》第三章）。
? ? 伽莫夫大概自己都不知道，他那兩個弟子阿爾弗、赫爾曼在推算出大爆炸之
后的宇宙在今天應(yīng)該有絕對溫度5度左右的背景溫度后，那時正在四處尋找微波
專家，咨詢觀測這個大爆炸遺跡的可能性。
? ? 二戰(zhàn)之后像韋伯那樣的無線電——微波是無線電頻譜中的一部分——專家其
實相當(dāng)多，有些還是頗為資深的物理學(xué)家。戰(zhàn)爭期間，物理學(xué)家在原子彈之外最
突出的貢獻大概就是在雷達、通信技術(shù)上。戰(zhàn)后，這些人才回到大學(xué)實驗室，以
各種方式用他們在戰(zhàn)爭中開發(fā)或?qū)W會的技術(shù)開拓科學(xué)研究的疆界。
? ? 1950年代初，英國、澳大利亞天文學(xué)家注意到他們的無線電天線可以接收到
一些來自天外的電波。古爾德和霍伊爾率先意識到這些電波來自銀河之外，可能
非常遙遠。因為用光學(xué)天文望遠鏡看不到發(fā)射這些電波的源頭，不知道是不是來
自恒星、星系，便暫時把它們的來源叫做“類星體”（quasar。這個詞是華裔物
理學(xué)家丘宏義（Hong-Yee Chiu）生造出來的。）
? ? 后來，帕洛瑪山上的桑德奇等人費了九牛二虎之力才在1963年用海爾望遠鏡
看到一個與類星體吻合的光源，并拍攝到光譜。果然，這個光譜紅移得更夸張，
顯示光源速度達每秒四萬七千公里。這時已經(jīng)無法繼續(xù)用已有的“宇宙距離階梯”
測定其距離，只能通過哈勃定律由速度倒推其距離大約在幾億光年之外，比胡馬
森看到過的最遠星系又遠了好多倍。
? ? 無線電與可見光一樣是電磁波，只是處于不同的頻率波段?？梢姽庠谟钪婵?/p>
間旅行時會遭到各種星系、塵埃等的吸收和散射，有相當(dāng)?shù)膿p失（這也是哈勃等
人根據(jù)光強估算距離的主要誤差來源）。而無線電信號則不然，它們在宇宙中幾
乎暢行無阻。因此，即使是來自非常遙遠的無線電，也能在地球上接收到。由此
誕生了“射電天文學(xué)”。
? ? 類星體的發(fā)現(xiàn)給霍伊爾等人的“穩(wěn)定態(tài)”宇宙帶來的一個難題。他們理論的
精髓就在于“穩(wěn)定”：宇宙恒定，不像大爆炸理論那樣有個起點，并隨之演變。
? ? 我們在觀察星空、宇宙時，距離的遠近同時也就是時間的先后。因為光傳播
的速度雖然很快，達每秒30萬公里，卻也不是無限。遠處的光（或無線電信號）
傳到我們這里需要一定的時間。來自幾億光年之外的信號便是經(jīng)過了幾億年的時
間才抵達。也就是說，我們今天看到的類星體，實際上已經(jīng)是幾億年前的存在。
? ? 那些幾億年前的類星體卻與我們附近、更“現(xiàn)代”的星系有著明顯的不同：
類星體在發(fā)射著強烈的無線電波，而相應(yīng)的可見光卻微弱；我們已經(jīng)熟悉的星云、
星系恰恰相反。這不符合穩(wěn)定態(tài)模型中宇宙時時、處處一樣的描述。更讓霍伊爾
他們頭疼的是，隨后的跟蹤觀測還發(fā)現(xiàn)，類星體數(shù)目的分布也隨距離而變化：越
遠的地方，類星體越多，密度越高。
? ? 大爆炸理論在這里卻得心應(yīng)手。大爆炸之后的宇宙是隨時間不斷地演化的。
幾億、幾十億年前的宇宙與今天的宇宙大相徑庭。那時宇宙的溫度高，尚未形成
今天常見的星系、恒星。類星體大概就是大星系誕生之前或之初的躁動，大量的
基本粒子在巨大的黑洞周圍高速運動、碰撞，發(fā)出強烈的無線電波。因為恒星還
沒有大量地形成，可見光便相對地微弱。
? ? 越遠的類星體密度越高更是大爆炸的自然結(jié)果：膨脹中的宇宙越早期密度越
高，膨脹后密度減低——也就是說膨脹之后“拉開”的空間里并沒有像霍伊爾想
象的那樣出現(xiàn)新的物質(zhì)填充。
? ? 類星體的發(fā)現(xiàn)，不僅又一次擴大了人類認知宇宙的視野，再次揭示天外有天，
也讓大爆炸理論在與穩(wěn)定態(tài)模型的僵持中第一次占了上風(fēng)。不久，更強勁的證據(jù)
出現(xiàn)了。
? ? 二戰(zhàn)之后，普林斯頓大學(xué)的狄克（Robert Dicke）教授對廣義相對論、宇宙
學(xué)發(fā)生了濃厚的興趣。每星期總有一天，他和他的學(xué)生們會海闊天空地討論這方
面的課題，直到入夜才一起到鎮(zhèn)上的小店去喝酒吃披薩。他對大爆炸和穩(wěn)定態(tài)理
論都不滿意，因為這兩個理論中宇宙的物質(zhì)都屬于“無中生有”。他更傾向于弗
里德曼描述的“振蕩宇宙”：宇宙是不停地在膨脹、坍縮，如此周期往復(fù)。這樣
宇宙中的物質(zhì)總是存在著，只是密度在變化。
? ? 1960年代中期，霍伊爾和同行合作解決了伽莫夫等人沒能解決的難題：宇宙
初始的基本粒子通過中子俘獲過程只能產(chǎn)生最簡單的幾個原子，到鋰原子以上便
出現(xiàn)了“斷鏈”，無法持續(xù)?；粢翣柕热税l(fā)展出一套在恒星內(nèi)部高溫、高壓條件
下產(chǎn)生更重的原子的反應(yīng)鏈，解開了宇宙萬物來源之謎。但也因此，稍重的原子
必須在宇宙膨脹后期、恒星已經(jīng)大量出現(xiàn)以后才能面世。
? ? 狄克因此想到，如果宇宙在來回振蕩，這些后期才有的原子在宇宙的坍縮過
程中也必須消失，才能在下一輪膨脹中重新產(chǎn)生。而它們之所以消失，只能是因
為坍縮的宇宙進入超高溫狀態(tài)，以至于所有原子都被剝裂，還原為質(zhì)子、中子等
基本粒子。
? ? 狄克覺得這樣一來宇宙的溫度是可以推算的。他指導(dǎo)學(xué)生皮布爾斯（Jim
Peebles）做一下理論計算。皮布爾斯很快得出結(jié)論：宇宙從最初的高溫膨脹、
冷卻至今，現(xiàn)在的溫度應(yīng)該在絕對溫度10度左右。
? ? 那是1964年，阿爾弗和赫爾曼的宇宙溫度約為5度的論文已經(jīng)發(fā)表了16年。
狄克似乎對他們的工作完全不知情或者完全忘卻了。他的振蕩宇宙的坍縮過程其
實就是愛丁頓、伽莫夫所想象的時間逆轉(zhuǎn)的宇宙“倒帶”過程。作為理論模型，
二者其實沒有區(qū)別。
? ? 皮布爾斯寫好論文投稿后被匿名的審稿人打回，指出他們不應(yīng)該地忽略了阿
爾弗、赫爾曼等人的工作。皮布爾斯按要求修改后依然沒能過關(guān)。但狄克并不太
在意。他已經(jīng)開始了下一個行動。
? ? 與伽莫夫那幾個人不同的是，狄克自己就是實打?qū)嵉奈⒉夹g(shù)行家。他在
1946年發(fā)明了一個“狄克輻射計”（Dicke radiometer），是微波天線最常用的
接收器。他也是一個實驗好手。就在他琢磨宇宙的同時，他還用現(xiàn)代化手段重復(fù)
了傳說中的伽利略比薩斜塔實驗，以超高精度證明物體在引力場中的運動與質(zhì)量
無關(guān)。
? ? 這時他帶著另外兩個學(xué)生很快就在普林斯頓大學(xué)地質(zhì)系（Guyot Hall）樓
頂上裝置起一個微波天線。準備尋找大爆炸的遺跡。
? ? 大爆炸發(fā)生在100多億年之前，也無法在實驗室中重復(fù)，自然沒辦法直接觀
測。阿爾弗、赫爾曼以及狄克、皮布爾斯推導(dǎo)出的宇宙溫度卻是大爆炸的一個直
接后果，或者說“殘留”。狄克覺得這應(yīng)該能夠觀測到。
? ? 宇宙不是一個熱平衡的世界。無數(shù)的恒星內(nèi)部在發(fā)生強烈的熱核反應(yīng)，表面
不斷地發(fā)光發(fā)熱。它們的表面溫度至少幾千度，內(nèi)部更是達到億度的量級。（在
極高溫尺度，絕對溫度與攝氏度之間已經(jīng)沒有實質(zhì)區(qū)別。）
? ? 然而，從空間、體積來看，恒星在宇宙中只占據(jù)微不足道的存在：它們在我
們地球人的眼中不過只是“點點星光”。其余的廣宇，是一片漆黑死寂，冰冷的
世界。
? ? 不過，早在20世紀初，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星星之間也不是完全的空空如也，而是
彌漫著一些不明成分、來源的氣體、塵埃，被籠統(tǒng)地稱作“星際介質(zhì)”
（interstellar medium）。1940年，加拿大天文學(xué)家麥凱拉（Andrew McKellar）
還觀察到這些介質(zhì)中居然存在有機分子。他測量到氰（CN）分子自由基
（radical）的旋轉(zhuǎn)光譜，推算出其能量分布相當(dāng)于絕對溫度2.4度。如果假設(shè)這
些介質(zhì)、分子與其周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)的話，那么也就可以認定這些介質(zhì)所
處的空間的溫度大約是2.4度。但是，直到他在1960年去世，麥凱拉的數(shù)據(jù)沒有
引起人們注意。
? ? 阿爾弗、赫爾曼、狄克、皮布爾斯等人所研究的宇宙溫度卻不是星星、介質(zhì)
甚至分子些實際物體的溫度。在他們的理論模型中，大爆炸伊始的宇宙又熱又稠
密，充滿了光輻射和質(zhì)子、中子等基本粒子，互相攪成一團。當(dāng)宇宙終于膨脹、
冷卻到質(zhì)子與電子可以結(jié)合成穩(wěn)定的氫原子之后，光子才能在宇宙中暢行無阻——
此即所謂宇宙的第一縷光。那時的光子能量（頻率）非常高。再經(jīng)過一百多億年
的膨脹、冷卻，光子的波長隨著空間被持續(xù)拉長，其頻率相應(yīng)地紅移變低。到今
天，按照他們算出的宇宙溫度，那些光子應(yīng)該主要出于能量很低的無線電波段，
也就是微波頻段。
? ? 這些光子——如果存在的話——直接來自大爆炸開始的那顆蛋，充滿了那時
候還不很大的宇宙。在今天的宇宙中它們也就同樣地會均勻地散布在整個空間而
無處不在，成為宇宙恒定的背景。因此，它們被稱作“宇宙微波背景”（cosmic
microwave background）。
? ? 阿爾弗和赫爾曼當(dāng)初在大學(xué)、學(xué)術(shù)會議上做過一系列講座，希望能引起微波
行家的興趣，尋找探測這個宇宙大爆炸的遺跡，但無人響應(yīng)。人們或者不相信這
個天方夜譚，或者覺得這樣的微波信號即使存在，也會太微弱，沒有希望測出。
? ? 最令他們喪氣的是，連他們的導(dǎo)師、向來喜好“異端邪說”的伽莫夫也沒有
買他們的賬。兩人后來相繼找到不同的新工作，各奔前程，沒有再繼續(xù)這個課題。
伽莫夫更是在學(xué)術(shù)上移情別戀，與剛發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結(jié)構(gòu)的
沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）還有費曼（Richard Feynman）
等人一起搭伙去試圖破解生命遺傳編碼的秘密。在那之后十來年里，大爆炸理論
陷入低迷。阿爾弗和赫爾曼所提出微波背景被人遺忘，直到被狄克、皮布爾斯重
新“發(fā)現(xiàn)”。
? ? 就在狄克和他的學(xué)生們一切準備就緒、只待開機探測時，狄克接到一個意外
的電話。
? ? 1957年10月4日，蘇聯(lián)成功發(fā)射人類第一顆人造衛(wèi)星。次年，美國倉促成立
航空航天局（NASA），應(yīng)對新時代的挑戰(zhàn)。航天局試圖發(fā)掘衛(wèi)星的實用價值，他
們最早的嘗試之一是發(fā)射一個簡陋的球體，進入軌道后內(nèi)部爆炸充氣，成為大氣
層外的一個大氣球。這氣球的表面上涂有一層鋁金屬，可以反射電磁波。這樣，
他們從西海岸的加州發(fā)射微波信號，由衛(wèi)星反射回地球表面，被東海岸貝爾實驗
室的天線接收，成功地實現(xiàn)橫跨北美大陸的太空微波通訊。
? ? 這個氣球衛(wèi)星只是被動地反射電磁波，能回到地球表面的信號非常微弱。貝
爾實驗室為此專門制作了一個大型微波天線。接收微波的天線與日常熟悉的衛(wèi)星
天線不同，不是拋物面的圓盤，而是像早期的方形高音喇叭。這個天線長15米，
喇叭口6米見方，以它所在的鎮(zhèn)命名叫做“霍姆德爾喇叭天線”（Holmdel Horn
Antenna)。天線內(nèi)部探測微波信號的正是一個狄克輻射計。
? ? 航天局的這個項目沒有太長的壽命。1962年，美國發(fā)射了第一顆正式的通訊
衛(wèi)星（Telstar），上面攜帶電子設(shè)備，可以將接收的信號放大后再播放，大大
提高了使用效率。地面上也不再需要特制的大天線就可以接收到衛(wèi)星信號。
? ? 于是，霍姆德爾這個天線淪為閑置。兩個剛剛博士畢業(yè)來到貝爾實驗室的天
文學(xué)家彭齊亞斯（Arno Penzias）和威爾遜（Robert Wilson）看中了這個難得
的高靈敏度、低噪音家伙，覺得可以用它來普查銀河系的微波分布。于是他們著
手天線的校準，逐個剔除可能的誤差和環(huán)境噪音。
? ? 在排除了所有可辨認的噪音后，他們被一個奇怪而頑固的噪音所困擾。這個
噪音無論白天黑夜都一樣地存在。他們把天線對準鄰近繁華的紐約市，然后轉(zhuǎn)到
反方向做比較，居然沒有差別；他們又耐心地跟蹤測量了幾個月，讓地球繞著太
陽公轉(zhuǎn)，也沒有發(fā)現(xiàn)該噪音有任何季節(jié)性的變化。他們仔細檢查儀器，發(fā)現(xiàn)有幾
只鴿子在天線里做了窩。于是他們花大功夫，將天線拆開，仔細清洗了多年積累
的鳥糞（彭齊亞斯很專業(yè)地稱之為“白色的電介質(zhì)物體”）。他們駕車把鴿子送
到很遠的地方放生，但善于找路回家的鴿子很快又回來了，于是他們不得不拿起
鳥槍來解決這個干擾源。然而，天線上測到的信號依然如故：無時不有無處不在。
? ? 無奈中，彭齊亞斯在與同行的電話中傾訴了他們這個煩惱。對方想起剛剛聽
過皮布爾斯的一個講座，似乎有點關(guān)聯(lián)，建議他與普林斯頓的那撥人聯(lián)系求助。
彭齊亞斯于是給狄克打了電話。狄克放下話筒時臉色死灰，當(dāng)即告知他的團隊：
“伙計們，我們被人搶先了?！保ā癇oys, we've been scooped.”）
? ? 貝爾實驗室距離普林斯頓不過60來公里。狄克一行駕車前往，共同分析彭齊
亞斯和威爾遜的數(shù)據(jù)。沒有太多的懸念，他們很快就確定令這兩個倒霉蛋近乎瘋
狂的噪音便是他們在普林斯頓準備尋找的宇宙微波背景輻射——大爆炸的余波。
（威爾遜在加州理工學(xué)院攻讀博士時曾聽過霍伊爾的課，因此對穩(wěn)定態(tài)模型有印
象。但他們倆對大爆炸理論均不甚了了，而對阿爾弗、赫爾曼的宇宙溫度預(yù)測以
及近在咫尺的狄克小組研究工作完全一無所知。）
? ? 他們實際測量的數(shù)據(jù)表明今天的宇宙背景溫度是絕對溫度4.2度，與理論預(yù)
測相當(dāng)接近。
? ? 1978年，彭齊亞斯和威爾遜因為這個無意的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎。這是
諾貝爾獎第一次頒發(fā)給與天文觀測有關(guān)的貢獻。
? ? 當(dāng)年諾貝爾（Alfred Nobel）設(shè)立他那后來舉世聞名的獎金時，在科學(xué)類上
指明了物理、化學(xué)和生理醫(yī)學(xué)——他覺得最實用的科目。天文學(xué)沒有被包括在內(nèi)。
相當(dāng)長時期內(nèi)，諾貝爾獎委員會也不認可天文學(xué)是物理學(xué)的一部分。因此，歷史
上一些做過突出貢獻的天文學(xué)家，包括勒梅特、愛丁頓、哈勃等等，都與這個獎
項無緣。
? ? 因為狄克的決定性協(xié)助，彭齊亞斯和威爾遜曾邀請他在他們的論文中作為第
三作者。狄克紳士般地謝絕，可能就此失去分享諾貝爾獎的機會。普林斯頓的小
組另外撰寫了一篇論文，與彭齊亞斯和威爾遜的觀測報告同時發(fā)表，從理論上闡
述那便是宇宙大爆炸留下的遺跡。
? ? 在領(lǐng)獎儀式上，彭齊亞斯才得以回顧他惡補的歷史，突出介紹了伽莫夫、阿
爾弗、赫爾曼等人的早期貢獻。對已經(jīng)去世的伽莫夫來說，這已經(jīng)是第三次——
也不是最后一次——在諾貝爾獎獲獎儀式上收獲到感謝。
?。ㄊ河谧罴毼⑻幰姾棋钪?/p>
? ? 1977年，溫伯格在美國出版了一本面向大眾的科普書《最初三分鐘》（The
First Three Minutes），主要介紹宇宙在大爆炸后隨即發(fā)生的一系列場景。
這個引人入勝的標題——書中內(nèi)容其實并不僅限于那“三分鐘”——和新奇、詳
實的科學(xué)內(nèi)涵吸引了大量讀者，成為影響廣泛的暢銷書。
? ? 宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)又過去了12年。大爆炸這個奇葩的想法不僅在科學(xué)界得
到廣泛認可，成為作為該書副標題的“宇宙起源的現(xiàn)代觀點”（A Modern View
of the Origin of the Universe），而且也不再是一個簡單抽象的猜想，已經(jīng)
發(fā)展為堅實的物理理論，并能夠在現(xiàn)實世界中得到驗證。
? ? 作為“外行”的彭齊亞斯和威爾遜發(fā)表他們的微波測量結(jié)果時，還曾小心翼
翼地避免解釋他們數(shù)據(jù)的含義，把這個不討好的任務(wù)交給同時發(fā)表詮釋性論文的
狄克小組。狄克他們也沒有提“大爆炸”，而是采用了普林斯頓同事惠勒（John
Wheeler）提議的“原始火球”（primordial fireball）的說法。還是《紐約時
報》報道時直截了當(dāng)，大標題為：“信號暗示一個‘大爆炸’宇宙”。
（“Signals Imply a ‘Big Bang’ Universe”）。一年后，皮布爾斯開始采
用“大爆炸”這個字眼，意味著他們也終于“歸順”了伽莫夫、阿爾弗的宇宙起
源理論。
? ? 在類星體上遭受重創(chuàng)的穩(wěn)定態(tài)模型本已在茍延殘喘，霍伊爾還是竭盡全力負
隅頑抗。直到2000年，他（去世前一年）還出版了一本專著維護穩(wěn)定態(tài)宇宙，批
駁天文學(xué)界隨大流接受大爆炸理論的行徑。但他已經(jīng)淪為孤獨的絕響：即使是他
的老朋友古爾德、邦德都已經(jīng)接受了大爆炸學(xué)說。（1983年，霍伊爾的合作者、
美國天文學(xué)家福勒（William Fowler）因發(fā)現(xiàn)恒星內(nèi)部產(chǎn)生重元素的過程獲得諾
貝爾獎。包括福勒自己在內(nèi)的很多人認為霍伊爾更應(yīng)該得這個獎，因為該項工作
實屬霍伊爾首創(chuàng)。對霍伊爾未能獲獎的原因有諸多猜測，是諾貝爾獎爭議案例之
一。）
? ? 微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)是穩(wěn)定態(tài)模型破產(chǎn)、大爆炸理論勝出的決定性事件。數(shù)
學(xué)家埃爾德什（Paul Erdos）曾感嘆：上帝犯了兩個錯誤：一是他用大爆炸的方
式創(chuàng)造了宇宙；二是他還留下了微波輻射的證據(jù)。
? ? 溫伯格既不是天文學(xué)家也不是宇宙學(xué)家，而是一個研究基本粒子的理論物理
學(xué)家。他探索的對象因此是物理學(xué)中最微觀的世界。由他來描述、解釋最宏觀的
宇宙似乎有點風(fēng)馬牛不相及。然而，這也正是1970年代物理學(xué)所特有的一道亮麗
風(fēng)景。
? ? 因為，在那最初的“三分鐘”里，宇宙其實就是一個基本粒子實驗室，高能
物理學(xué)家的樂園。
? ? 伽莫夫年僅24歲時用量子力學(xué)的隧道效應(yīng)解釋原子核衰變，隨后又推算把粒
子加速到一定的動能，就可以突破原子核的壁壘。為此，他協(xié)助考克饒夫和沃爾
頓發(fā)明了第一個粒子加速器。從那個加速器猶如健身房器械的管子里出來的質(zhì)子
成功地打開了鋰、鈹?shù)仍雍恕?/p>
? ? 在我們這個適合人類生存的世界里，實驗室里產(chǎn)生的粒子不具備太高的速度，
因此需要加速才能擊碎原子核。如果換一個環(huán)境，比如太陽等恒星的內(nèi)部，因為
溫度、壓力非常高，那里的粒子本身便帶有非常大的動能，不需要人為加速就可
以持續(xù)核反應(yīng)。加速器便可以在人類世界中模擬恒星內(nèi)部的環(huán)境。
? ? 如果把膨脹、冷卻的宇宙回溯到最初，那會是一個即使太陽中心也相形見絀
的最極端世界，其中的粒子會具備極高的能量。原子核——或任何有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的
粒子——都會在不斷的碰撞中解體，回歸為最原始的“基本粒子”。于是，伽莫
夫按照他當(dāng)時的認識設(shè)想最初的“伊倫”只能由中子組成。
? ? 考克饒夫和沃爾頓在劍橋修建的加速器把質(zhì)子加速到了具備幾萬“電子伏”
的動能（電子伏是一個高能物理常用的能量單位，是一個電子在一個伏特的電壓
中加速所獲得的動能）。從動能來看，這些質(zhì)子相當(dāng)于來自一個溫度高達10億度
的世界，遠高于太陽的中心，大體相當(dāng)于大爆炸之后200秒時的宇宙。
? ? 當(dāng)愛丁頓繪聲繪色地描述他如何在想象中將宇宙的演化“倒帶”回放到時間
的起點時，他沒有想到就在他眼皮底下的幾個年輕人所鼓搗著的簡陋家伙便在實
現(xiàn)這個操作，并且已經(jīng)接近了宇宙爆炸后的“最初三分鐘”。
? ? 考克饒夫和沃爾頓的設(shè)計很快被美國的勞倫斯（Ernest Lawrence）發(fā)明的
“回旋加速器”（cyclotron）超越。勞倫斯因此在1939年——比考克饒夫和沃
爾頓還早12年——獲得諾貝爾獎?；匦铀倨骶邆洳恍枰蟮膱龅?、能源便能
夠持續(xù)加速粒子的優(yōu)勢，在其后幾十年中有了飛速的發(fā)展。美國布魯克海文國家
實驗室在1950年代的回旋加速器就已經(jīng)可以把粒子加速到30億電子伏的高能。那
相當(dāng)于是大爆炸之后0.000000003秒、溫度為35萬億度的宇宙。
? ? 越來越大、能量越來越高的加速器揭示出一個嶄新、神秘而豐富多彩的微觀
世界。五花八門的粒子在不同的能量檔次上出現(xiàn)、分解，表現(xiàn)出不同的碰撞、反
應(yīng)機理。這些在最小尺度上的知識、數(shù)據(jù)的積累正好為大尺度的早期宇宙提供了
實在的線索：在某個時期的宇宙中翻天覆地的就應(yīng)該是某個相應(yīng)能量的加速器中
所看到的粒子和它們的反應(yīng)過程。
? ? 1968年，也就是伽莫夫逝世的那一年，斯坦福大學(xué)的直線加速器用高能的電
子轟擊氫原子核，證實質(zhì)子并不是原來想象的基本粒子，而是由更基本的“夸克”
（quark）組成。中子亦然，因此不可能是能存在于“伊倫”中的原始粒子。
? ? 1970年代，包括華裔物理學(xué)家丁肇中（Samuel Ting）在內(nèi)的眾多高能物理
學(xué)家利用大型加速器一層層地揭開了微觀世界的奧秘，逐漸形成基本粒子的“標
準模型”（Standard Model）。正是在這個模型的基礎(chǔ)上，溫伯格得以“越界”
總結(jié)、描述宇宙的早期膨脹、演化過程。
? ? 勒梅特曾經(jīng)把他的宇宙蛋所在的時間叫做“沒有昨天的那一天”（The Day
without Yesterday）。在那一刻，愛丁頓的錄像帶已經(jīng)倒到了頭，不再有更早
的過去。我們不知道——也不可能知道——那時的宇宙確切會是什么樣子。因為
廣義相對論在那一刻出現(xiàn)了數(shù)學(xué)上的“奇點”（singularity），不再具有物理
意義。最多，我們只能泛泛地描述宇宙那時沒有空間尺寸，處于時間的零點，而
溫度、壓力、密度都是無窮大。
? ? “原始火球”爆炸后，一個有真實物理意義的世界才開始展開。溫伯格在他
的書中將愛丁頓倒好的錄像帶一幕一幕地重放：
? ? 大爆炸發(fā)生0.01秒后，宇宙的溫度高達一千億度。在那樣的“煉獄”中，基
本上只存在沒有或幾乎沒有質(zhì)量的光子、中微子、電子以及它們相應(yīng)的“反粒
子”：反中微子和正電子。這時候的宇宙是一個和睦相處的大家庭，所有粒子膠
合成一團，不分彼此，處于完全的熱平衡狀態(tài)。也有極少量（十億分之一）的質(zhì)
子和中子混在其中，它們不停地被眾多的輕子轟擊而來回互變，中子甚至沒機會
自己衰變成質(zhì)子。
? ? 0.12秒時，宇宙的溫度隨著膨脹冷卻到約三百億度。那些可憐的極少數(shù)質(zhì)
子、中子被轟擊的程度稍微緩和，部分中子得以衰變成質(zhì)子。原來數(shù)目相同的質(zhì)
子、中子數(shù)開始出現(xiàn)差異。質(zhì)子占62%而中子只有38%。
? ? 1.1秒時，溫度冷卻到一百億度。和睦的大家庭第一次出現(xiàn)分裂：不愛與他
人摻和的中微子退了群（decouple）。這些中微子自顧自地彌漫于宇宙空間，
不再與其它粒子交往，形成所謂的“宇宙中微子背景”（cosmic neutrino
background），延續(xù)至今。（遺憾的是，這一背景的存在還只是理論預(yù)測。因
為中微子幾乎完全不與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，異乎尋常地難以探測。宇宙中微子背
景的能量非常低，更是難上加難，至今依然無法找到這個可以驗證大爆炸理論的
證據(jù)。）
? ? 13.83秒時，溫度冷卻到三十億度。宇宙中的電子和正電子開始大規(guī)?；ハ?/p>
碰撞而湮滅，轉(zhuǎn)化為光子。也是在這個時候，伽莫夫描述的“中子俘獲”的元素
制造過程才得以開始，宇宙中第一次出現(xiàn)氫、氦原子核以及它們的幾種同位素。
? ? 3分零2秒后，溫度冷卻到十億度。電子和正電子湮滅后基本消失，宇宙這時
充滿了光子和中微子，以及越來越多的氫、氦同位素。因為不再有電子、正電子
的持續(xù)轟擊，還未被“俘獲”的自由中子也得以大規(guī)模衰變成質(zhì)子。宇宙中質(zhì)子、
中子的比例出現(xiàn)顯著差異：86%的質(zhì)子對14%的中子。在那之后，所有的中子都被
俘獲、“封閉”在氫、氦原子核中（原子核內(nèi)的中子壽命非常長，基本上不會自
己衰變）。
? ? 溫伯格的書名叫做《最初三分鐘》。這除了吸引讀者眼球外，也因為他覺得
宇宙的最初三分鐘是最精彩的。那之后宇宙只是慣性地膨脹、冷卻，“再沒什么
有意思的事情發(fā)生了”。這個說法也許是出于他對基本粒子物理的情有獨鐘，但
未免夸張。
? ? 在最初的狂熱過去后，宇宙依然持續(xù)地膨脹、冷卻著。大爆炸之后五萬年左
右，宇宙中有質(zhì)量的粒子開始超越光子、中微子等成為主體力量，引力也開始發(fā)
揮作用。幾十萬年之后，宇宙終于冷卻到“只有”幾千度的“低溫”。這時帶正
電的氫、氦等原子核才能夠與帶負電的電子持久性的結(jié)合，形成穩(wěn)定、中性的原
子。一直與這些帶電粒子糾纏不清的光子終于也得以脫身，與那些遠古的中微子
一樣退了群，成為另一道與世無爭的宇宙背景。隨著宇宙持續(xù)的膨脹，這些光子
的頻率不斷地紅移，最終會在微波頻段被彭齊亞斯和威爾遜意外地發(fā)現(xiàn)。
? ? 但在地球和地球上的貝爾實驗室出現(xiàn)之前，這些光子的頻率會先紅移到紅外
線波段。那時整個宇宙不再有可見光，進入所謂“黑暗時代”（Cosmic Dark
Age）。（當(dāng)然，可見光、黑暗這些概念都是以地球人類為主體的描述，而那時
候還遠遠沒有人類。）
? ? 黑暗時代一直持續(xù)到大爆炸二億年后。這時氫原子在引力作用下形成第一代
恒星，內(nèi)部因壓力點燃核聚變而發(fā)光、發(fā)熱。宇宙才再度出現(xiàn)光明。在那之后的
幾億年里，宇宙繼續(xù)膨脹、冷卻，恒星聚集成為類星體、星系、超星系等等。恒
星內(nèi)部的核聚變逐級發(fā)生后制造出碳、氧、硅、鐵等較重的元素，然后在恒星
“死亡”之前的超新星爆發(fā)中將這些元素拋灑出來。某些恒星坍縮成密度巨大的
中子星。它們的碰撞、合并又能制造出鉛、金、鉑等重金屬。
? ? 在大爆炸之后大約92億年，宇宙的某個角落中出現(xiàn)了太陽系。最先出現(xiàn)的是
作為恒星的太陽，隨后是木星、土星、天王星和海王星，然后才有水星、金星、
地球和火星。又過去40多億年后，地球上出現(xiàn)了人類。他們抬頭仰望、低頭沉思，
從浪漫的想象和原始的敬畏到智慧的認識和邏輯的推理，經(jīng)過幾百年的努力，逐
漸發(fā)現(xiàn)了宇宙的膨脹、理清了宇宙的來源和頭緒。
? ? 溫伯格等物理學(xué)家所描述的這個圖景是一個精確、定量的物理過程。它不僅
能預(yù)測微波背景輻射，而且還能非常準確地解釋今天宇宙中各種元素的由來和比
例。另一位也以熱心科普著名的物理學(xué)家克勞斯（Lawrence Krauss）的褲兜里
永遠地放著這么一張數(shù)據(jù)卡片。當(dāng)他遇到對宇宙來源于大爆炸表示懷疑的人時，
便會驕傲地拿出卡片引證，說明大爆炸不是空想臆測，而是一個已經(jīng)被證實的理
論。
? ? 然而，也正是在1970年代末，當(dāng)基本粒子和宇宙起源在物理學(xué)中趨近輝煌的
頂峰時，一絲不茍的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們的大爆炸理論依然有著顯著的缺陷，無法
解釋宇宙膨脹過程中的幾個奇詭、頑固的謎點。
?。ㄊ撸捍蟊ㄖ蟮睦Щ?
? ? 1978年11月，狄克教授來到康奈爾大學(xué)訪問。那里物理系有一個以貝特命名
的講座，每年邀請校外專家就一個前沿選題做一系列學(xué)術(shù)報告。一個月前，彭齊
亞斯和威爾遜剛剛在瑞典領(lǐng)取了諾貝爾獎（也就是說，狄克自己剛剛與諾貝爾獎
擦肩而過）。宇宙大爆炸正好是一個熱點。
? ? 13日的講座面向全系各專業(yè)的師生。他沒有重復(fù)大爆炸理論已經(jīng)取得的成就，
而是著重于一個似乎無法解釋的疑惑：宇宙是平的。
? ? 自從廣義相對論面世以來，空間彎曲這個不容易理解的概念已經(jīng)廣為人知。
在愛因斯坦這個理論中，質(zhì)量告訴空間如何彎曲。地球之所以在繞著太陽公轉(zhuǎn)，
是因為太陽附近的空間是彎曲的，迫使地球隨之拐彎。不過太陽的質(zhì)量雖然很大，
對宇宙來說卻輕如鴻毛。一旦離開了太陽系，它的影響微乎其微，那外面的空間
不會因太陽而彎曲。
? ? 當(dāng)然，天外有天。宇宙有數(shù)不清的太陽，還有質(zhì)量更大的中子星、黑洞等等。
它們各行其責(zé)，令自己附近的空間彎曲，卻也會同樣地對遙遠的空間無能為力。
從整個宇宙這個大尺度來看，空間是彎曲的還是平坦的？
? ? 愛因斯坦在1917年給出的第一個宇宙模型時答曰：是彎曲的。那是一個“有
限無邊”的“球形奶?！笔接钪?。其中每一個點都有著同樣的彎曲度，一個類似
于二維球面的三維圓球。
? ? 弗里德曼、勒梅特等人很快發(fā)現(xiàn)愛因斯坦的模型只是一個特例，而且是他無
中生有地引進那個宇宙常數(shù)、湊出一個靜態(tài)宇宙的結(jié)果。如果沒有那個宇宙常數(shù)
項，廣義相對論中的宇宙是隨時間變化的，而余下的三維空間既可以是正曲率
（類似于二維的球面）、負曲率（類似于二維的馬鞍面），也可以就是尋常的、
平坦的歐幾里德空間。
? ? 在哈勃證明宇宙的膨脹之后，愛因斯坦放棄他的宇宙模型。宇宙的形狀便再
度成為懸而未決的課題。弗里德曼發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦方程中的宇宙形狀取決于其中
的質(zhì)量密度。如果密度恰好是某個特定的數(shù)值，那么宇宙就是平坦的。密度大了，
宇宙會有正曲率；小了，則是負曲率。那個特定的數(shù)值便叫做“臨界密度”
（critical density）。為了方便，物理學(xué)家把宇宙的實際密度與臨界密度之比
叫做“歐米伽”（Ω）。只有在Ω等于1時，才會有一個平坦的宇宙。
? ? 在1970年代，天文學(xué)家已經(jīng)注意到遠方星系的數(shù)量大致與距離成正比，表明
我們所在的宇宙其實是平坦的。彭齊亞斯和威爾遜觀察到的微波背景在天際的各
個方向看不出區(qū)別，也說明宇宙的曲率——如果有的話——會非常之小。
? ? 對質(zhì)量密度的估計也合拍：今天宇宙的Ω可能處于0.1與2之間，相當(dāng)?shù)亟咏?/p>
1。
? ? 狄克在錯失微波背景的發(fā)現(xiàn)后不久就開始思考這個問題，這時已經(jīng)琢磨了近
十年。他講解道：Ω不是一個常數(shù)，會隨著宇宙的膨脹變化。這是一個“放大”
的過程：如果宇宙初始時Ω稍微大于1，它會變得越來越大；如果當(dāng)初稍微小于1，
它今天就應(yīng)該已經(jīng)變得非常小。只有從一開始Ω嚴格等于1，宇宙才會永久性地
平坦。
? ? Ω要具備今天接近于1的數(shù)值，它在大爆炸后的一分鐘時必須介于
0.999999999999999和1.000000000000001之間。如果說這是碰巧的話，我們的
運氣實在匪夷所思。狄克因此憂慮，大爆炸理論可能不完備，存在著明顯的漏洞。
? ? 其實，類似的困惑不止這一個。還有一個挑戰(zhàn)可以溯源于日常生活中不值一
哂的常識：夜晚的天空是黑的。如何解釋這個粗淺問題，曾經(jīng)足足困擾了天文學(xué)
家?guī)装倌辍?/p>
? ? 曾幾何時，夜晚的天空是黑的屬于天經(jīng)地義：在托勒密的描述中，恒星不過
是稀稀疏疏地鑲嵌在天球上的點綴。在沒有太陽光的夜晚，天幕上自然只有那么
些個繁星在閃爍。
? ? 當(dāng)伽利略在17世紀初舉起他自制的望遠鏡看到“不可思議之多”的、過去從
來沒有人看到過的滿天星星時，人類才意識到肉眼所見的星星只是宇宙的一小部
分。天外有天，也許會是無邊無際。
? ? 開普勒立即為這個浪漫的想法當(dāng)頭澆了一盆冷水。他“一針見血”地指出，
如果宇宙中有無窮無盡的星星，它們總體的光亮?xí)咏踔脸^太陽。地球上便
不可能有黑暗的夜空。
? ? 開普勒的想法由德國的居里克（Otto von Guericke）賦予更完整的描述。
他形象地類比道：一個人如果身處無限的森林之中，無論林中的樹木粗細、疏密，
他都無法看到森林之外的亮光。因為無論往哪個方向看，他的視線遲早會被或遠
或近的某顆樹擋住。只有在有限大小的森林中，才有可能通過樹間的縫隙看到外
面的光亮。
? ? 夜晚看天上的星星正好相反。如果有無限多的星星，那么無論在哪個方向都
遲早會看到一顆在發(fā)光的星星。這樣，即使在夜晚，星星的亮光應(yīng)該完全覆蓋整
個天幕。
? ? 居里克以在他擔(dān)任市長的城市中演示科學(xué)實驗著名，尤其熱衷于真空。他曾
將兩個密封的半球中間抽成真空，然后各用8匹強壯的馬從兩邊拉，結(jié)果拉不開
這兩個半球，展示了大氣壓的威力。他認為，夜晚的黑暗說明宇宙中有星星的部
分很有限。更遠的地方是無限的真空，不再有星星。我們在星星之間看到的黑暗，
便是那遙遠真空的所在。
? ? 不料，居里克無意中給后來的牛頓出了個大難題。發(fā)現(xiàn)了萬有引力的牛頓意
識到，假如宇宙中只存在有限數(shù)目的星星，這些星星遲早會因為引力坍縮到一個
點上。只有在無窮多的星星存在時，才能在各方向彼此抵消引力而平衡。（當(dāng)然，
牛頓這個論斷也不成立：無窮多的星星保持平衡只是數(shù)學(xué)上的一個不穩(wěn)定解，現(xiàn)
實中不可能存在。）
? ? 于是，夜晚的天空為什么黑暗，依然無法解釋。在那之后的幾代天文學(xué)家相
繼提出各種解釋，也都鎩羽而歸。
? ? 比如以計算出彗星回歸而著名的哈雷（Edmond Halley）。他以光的波動說
這個新理論計算恒星光的傳播，指出光強會隨距離的平方衰減。越遠的星光到地
球時越是微弱，這是我們無法用肉眼看到遠處星星的原因。他認為也可以解釋夜
空的黑暗，因為太遠的星星光亮太弱，沒有貢獻。
? ? 但我們看到星光并不是個體的星星，而是視線內(nèi)所有星星光的總和。遺憾的
是，哈雷在計算星星的分布時犯了一個幾何上的錯誤。一個視角上的面積與距離
的平方成正比，因此視角內(nèi)一定距離上星星的數(shù)量也與距離的平方成正比。它們
發(fā)光的總和正好抵消了衰減的損失，到達地球的光亮因此與距離無關(guān)。這樣，即
使我們分辨不出遠處個體的星星，夜晚的天空還是會被無窮多的星星照亮——類
似于我們看到的銀河、星云中成片的光亮。
? ? 1848年，美國作家、詩人愛倫·坡（Edgar Allan Poe）突發(fā)奇想，在紐約
舉辦了一個演講會，發(fā)布他會對現(xiàn)代宇宙學(xué)“有革命性影響”的成果?，F(xiàn)場聽眾
寥寥無幾，沒有他所期望的賓客滿堂。隨后，他把演講稿寫成散文詩，題目叫做
《尤里卡》（Eureka）。這個詞來自傳說中希臘科學(xué)家阿基米德（Archimedes）
在澡盆中領(lǐng)悟到浮力原理時的興奮叫喊：“我明白了”。
? ? 愛倫·坡此前聽過一兩次科學(xué)講座，也讀了幾本相關(guān)的書。但他只是以詩人
的情懷描述他所理解的客觀世界。他“看到”宇宙隨著神靈心跳的節(jié)奏不斷膨脹、
收縮，他預(yù)見宇宙最終將走向毀滅……在豐富多彩的浪漫想象中，他也寫道：如
果宇宙中有無限多的星星，那么黑夜一定會光明得如同白晝。我們之所以有黑夜，
唯一的可能是遙遠的星光還沒來得及抵達地球。
? ? 《尤里卡》出版后依然石沉大海，毫無反響。一年后，愛倫·坡在貧困、酗
酒、潦倒中去世，享年僅40歲。作為藝術(shù)家，他在死后獲得了比生前輝煌得多的
名聲。
? ? 就在《尤里卡》問世的那一年，年僅24歲的英國劍橋的物理學(xué)家湯姆森
（William Thomson）推出了后來成為科學(xué)標準的“絕對溫標”（absolute
temperature）。（湯姆森后來封爵而改稱開爾文勛爵（Lord Kelvin）。絕對
溫標的單位也被叫做“開爾文”（K)。我們現(xiàn)在所說的宇宙微波背景輻射的溫度
用的就是這個溫標。）1884年，已經(jīng)是大師的湯姆森來到愛倫·坡生前居住的巴
爾的摩市，應(yīng)邀在成立不久的約翰斯·霍普金斯大學(xué)給那時還處于蠻荒狀態(tài)的美
國物理學(xué)界做一系列講座。他們不知道愛倫·坡那“越界”的詩篇，但湯姆森在
講座中介紹了他自己對夜空黑暗問題的研究。
? ? 與愛倫·坡不謀而合的是，湯姆森也認為很多恒星的光沒能傳到地球。但作
為科學(xué)家，他依據(jù)的不僅僅是想象。那時的物理學(xué)家已經(jīng)知道恒星發(fā)光需要消耗
燃料，因此不可能永遠地發(fā)光。當(dāng)我們觀看幾億光年之外時，那里的恒星不可能
連續(xù)發(fā)光幾億年。如果它們與太陽的壽命同步，它們現(xiàn)在是在發(fā)光，但那光還沒
來得及到達地球。
? ? 這樣，我們能看到的不是宇宙所有的星星，而只是其中一小部分。湯普森把
這部分叫做“可見宇宙”（visible universe），并做了相應(yīng)的估算。因為可
見的星星是有限的，像一個不那么大的森林一樣，我們可以通過縫隙看到夜空的
黑暗。
? ? 他在偏僻的美國所做的這個報告也沒引起過多大注意。
? ? 及至1950年代，也是在劍橋的邦迪提出合理地解釋夜空的黑暗是天文學(xué)的重
要職責(zé)。他發(fā)表了一系列論文，還把這個歷史難題“正式”命名為“奧伯斯佯謬”
（Olbers' paradox）。奧伯斯（Heinrich Olbers）是19世紀初曾參與該爭論
的一個德國天文愛好者。但他既不是這“佯謬”的提出者，也沒有什么突出的貢
獻。
? ? 邦迪之所以舊話重提，是因為他發(fā)現(xiàn)夜空的黑暗其實是宇宙膨脹的證據(jù)：因
為越遠的恒星膨脹的速度越快，它們發(fā)出的光紅移得越厲害，可能完全移出可見
光頻段，因此在夜晚看不見。這個解釋對他尤其合適，因為可以符合他那個無限、
穩(wěn)定態(tài)宇宙模型。
? ? 然而，還是后來擊潰了穩(wěn)定態(tài)宇宙的大爆炸理論能夠給出更扎實、準確的描
述。
? ? 在大爆炸之初，宇宙曾經(jīng)充滿了光。但那時的光子與質(zhì)子、電子等基本粒子
組成的高溫等離子體攪和在一起，并不透明。只有在30萬年、質(zhì)子與電子組合成
穩(wěn)定的原子之后，才出現(xiàn)第一縷可見的光。時至今日，那些光子已經(jīng)紅移到微波
頻段，只能用貝爾實驗室的喇叭天線才能“看到”，但不再為我們的夜空提供任
何光亮。
? ? 后來，宇宙還經(jīng)歷過“黑暗時代”，才有了第一代恒星的誕生。這些以及后
來出現(xiàn)的恒星距離我們會更近一些，它們發(fā)出的光也還沒有完全被紅移，能夠被
現(xiàn)代天文望遠鏡捕捉到。它們是最早——也就是最遠——的恒星。在它們之外不
再有光。于是，從地球上仰望，夜空中沒有布滿閃爍的星星，而是存在大量的
“縫隙”，便是沒有光亮的黑幕。
? ? 愛倫·坡和湯普森不可能知道宇宙會有一個年齡、時間會有一個起點，否則
他們那個“遠處星星的光還沒來得及傳到地球”會更有說服力。他們誤打誤撞的
解釋雖然也不盡正確，卻在不經(jīng)意中引入了一個重要的物理概念。
? ? 因為他們也不可能想到的是，20世紀初的愛因斯坦會提出一個驚人的思想：
宇宙中傳遞信息的速度不可能超過光速，并由此發(fā)展出相對論。如果在宇宙有限
的年齡中，某個地方的光還來不及傳播到地球來，那么地球上的人類便不可能獲
知那個地方的任何信息。對于地球人來說，那不只是看不見那里可能有的星星，
而是那個地方本身不具備任何物理意義、無法定義其是否存在。
? ? 于是，湯普森的“可見宇宙”可以推廣為“可觀測宇宙”（observable
universe）：人類所能認知的宇宙，只是與地球能以光傳播發(fā)生聯(lián)系的那部分。
在那之外，是否依然天外有天、宇宙是有限還是無限……凡此種種，都因為無法
認知而“無所謂”了。
? ? 我們在地球上登高望遠，視線會因為地理的阻擋有一個極限，叫做地平線。
相應(yīng)地，當(dāng)我們仰望星空時，也會遭遇到這個“可觀測宇宙”的極限，在天文中
也叫做“視界”（visible horizon）。在今天的宇宙，這個視界的距離大致——
但不完全——等于光速乘以宇宙的年齡，即從大爆炸伊始到今天光所能傳播的最
遠距離。
? ? 細心的天文學(xué)家便由此發(fā)現(xiàn)了宇宙的另一個蹊蹺。
? ? 我們在地球上往東看，在接近視界的距離上觀測到了微波背景輻射。我們轉(zhuǎn)
過身來再往西看，也是在接近視界的距離觀測到了微波背景輻射。它們都在我們
的視界之內(nèi)。但是，因為它們各自在相對的兩個方向，彼此之間便間隔了接近兩
個視界的距離。從宇宙大爆炸到今天，光——或任何信息——不可能從其中一邊
傳遞到另一邊。
? ? 不僅如此。微波背景輻射的光子出現(xiàn)在宇宙大爆炸后“僅僅”30萬年的時候。
那時的宇宙更年輕，視界比現(xiàn)在還短太多。所以，東邊的微波光子與西邊的微波
光子從來不可能建立過聯(lián)系、交換過信息。
? ? 然而，無論從哪個方向來的微波光子都有著同樣的頻率、處于同一溫度。它
們是怎么約好——物理行話叫“達到熱平衡”——的？
? ? 也許與宇宙是平的一樣，這又是碰巧了。我們的宇宙會有那么多詭秘的巧合
嗎？難怪狄克教授會對大爆炸理論的可靠性深為憂慮。
? ? 狄克那天在康奈爾講座的教室里坐著一位年輕的博士后。他對廣義相對論、
宇宙學(xué)只有泛泛的了解。那天他得了支氣管炎正在發(fā)燒，只是懵懵懂懂地聽了狄
克的講述，在日記里簡單記下了這個挺有意思的問題。因為這些與他正在進行的
研究完全不搭界，他沒有再去琢磨。
? ? 他完全不知道，僅僅不到2年，他會成為在解決大爆炸理論這兩個難題上做
出重大突破的先驅(qū)。
?。ㄊ耍捍艈螛O之謎
? ? 古斯（Alan Guth）忍著發(fā)燒聽狄克的講座時，他尚未真正開始的物理學(xué)生
涯正面臨著夭折的威脅。他到康奈爾已經(jīng)一年多了。在這之前，他在麻省理工學(xué)
院博士畢業(yè)后已經(jīng)在普林斯頓和哥倫比亞兩個大學(xué)各做了3年的博士后。盡管這
些牌子在履歷上很閃亮，奈何他一直沒有引人注目的成果，故沒能找到正式教職。
因此他在這里依然還是個博士后。他已經(jīng)31歲，畢業(yè)時就結(jié)了婚，這時還剛添了
一個小兒子。
? ? 他的運氣有點背。在研究生和第一個博士后期間，他鉆研夸克的相互作用，
結(jié)果論文剛發(fā)表就過時了：同時出現(xiàn)的“量子色動力學(xué)”（quantum chromo-
dynamics）解決了那個課題。他搭錯了車。
? ? 康奈爾當(dāng)時正熱鬧著的是威爾遜（Kenneth Wilson）教授發(fā)明的“格點規(guī)
范理論”（lattice gauge theory），用計算機模擬計算夸克相互作用。古斯
在這里頗為得心應(yīng)手，正著手撰寫兩篇論文，希望能成為教授職位的敲門磚。
? ? 他不知道他也正在錯過另一列更強勁的車。
? ? 盡管世界豐富多彩，物理學(xué)家一直相信宇宙的一切——至少在最基本的物理
層面——是可以用一個最簡單、最優(yōu)美的“終極理論”（Theory of Everything）
描述的。牛頓發(fā)現(xiàn)行星繞太陽的公轉(zhuǎn)與熟透的蘋果落下地面遵從的是同樣的力學(xué)
和萬有引力定律。麥克斯韋（James Clerk Maxwell）則以一組漂亮的方程將電
和磁兩種相互作用合而為一。
? ? 愛因斯坦在晚年孤獨地全力以赴，要證明電磁力和引力也能合并成他的“統(tǒng)
一場論”（Unified Field Theory）。直到1955年逝世時他依然沒能找出頭緒。
那時，物理學(xué)的主流卻已經(jīng)不怎么在乎引力。他們在日益強大的加速器中發(fā)現(xiàn)了
一個似乎更為五彩繽紛的微觀世界。那里引力的作用太弱，完全可以忽略不計。
但在電磁力之外，卻又出現(xiàn)了兩種新的作用力：將夸克等基本粒子約束在一起形
成質(zhì)子、中子的“強相互作用”和原子核衰變中的“弱相互作用”。
? ? 就在愛因斯坦去世的前一年，32歲的華裔物理學(xué)家楊振寧（Chen Ning Yang）
和他在布魯克海文國家實驗室的辦公室室友、27歲的米爾斯（Robert Mills）一
起提出了“規(guī)范場論”（gauge theory）。他們發(fā)表的論文很短，不到5頁，也
沒有能解決什么實際問題，卻因為其理論的數(shù)學(xué)形式很吸引人而引起持續(xù)的注意。
他們把麥克斯韋方程中描述電磁相互作用的對稱性推廣為一般性的、抽象的“規(guī)
范對稱”，試圖以此描述強相互作用，但并沒能找到合適的途徑。
? ? 出乎他們自己的預(yù)料，這個后來被稱為“楊-米爾斯場”的思想在二十年后
突然大放異彩。先是溫伯格等人找出了弱相互作用的對稱性，在規(guī)范場論框架下
完成了弱相互作用與電磁相互作用的統(tǒng)一。其后，強相互作用也以古斯曾失之交
臂的量子色動力學(xué)的形式被成功納入。
? ? 至此，電磁、弱和強三種力實現(xiàn)了統(tǒng)一，構(gòu)成一個完整的規(guī)范場論。雖然引
力還依然獨自逍遙在外，基本粒子領(lǐng)域的物理學(xué)家并不在乎。他們很氣魄地把這
個新理論直接叫做“大統(tǒng)一理論”（Grand Unified Theory）。
? ? 要不是因為他的一個難兄難弟在沒完沒了地鼓動，專心于自己課題的古斯對
身邊發(fā)生的這一波轟轟烈烈會一直無動于衷。
? ? 在中國上海出生、香港長大的戴自海（Henry Tye）與古斯同歲，他們在麻
省理工學(xué)院有過同一個博士導(dǎo)師。戴自海比古斯晚兩年獲得學(xué)位，也剛來到康奈
爾做博士后。他到來之前就已經(jīng)對大統(tǒng)一理論著了迷，篤信那是基本粒子理論的
未來。古斯卻不甚以為然。
? ? 就在狄克講座的三天后，戴自海又找到古斯，再次提議兩人合作研究大統(tǒng)一
理論中的“磁單極”（magnetic monopole）問題。
? ? 統(tǒng)一了電和磁的麥克斯韋方程固然優(yōu)美，卻有一個明顯的“缺陷”：描述電
和磁的部分在方程組中不那么對稱、一致。這是因為自然世界中兩者存在一個區(qū)
別：電有正有負，既有帶正電的原子核，也有帶負電的電子。磁雖然也有南極、
北極之分，但所有磁體都同時兼具南北兩極，無法分離。即使把一塊磁體打碎，
每個碎片也都還是同時有著南北極。也就是說，沒有單獨存在的“南磁荷”或
“北磁荷”。如果能有的話，這樣的磁荷就叫做磁單極。
? ? 對數(shù)學(xué)形式上的對稱性情有獨鐘的物理學(xué)家猜想磁單極應(yīng)該也是存在的，只
是或者還未被發(fā)現(xiàn)，或者只是我們所在的環(huán)境不適合。自麥克斯韋所在的19世紀
到現(xiàn)在，他們在這上面花費過大量精力尋找、琢磨。古斯在哥倫比亞做博士后時
就曾花了三年功夫研究這個東西。
? ? 的確，推廣了麥克斯韋方程的大統(tǒng)一理論中可以有磁單極的存在。戴自海因
此希望能與古斯聯(lián)手另辟蹊徑。古斯興趣缺缺。因為他已經(jīng)知道，要“制造”出
磁單極，需要達到10^17億電子伏的能量。那時人類最強大的加速器已經(jīng)能把粒子
加速到500億電子伏，可磁單極依然遙不可及。古斯不愿意在這不切實際的問題
上再繼續(xù)浪費時間。
? ? 但戴自海不是想人為制造磁單極。與溫伯格一樣，他知道人類無法制造出的
高能環(huán)境都曾經(jīng)在宇宙之初出現(xiàn)過。所以他是想用大統(tǒng)一理論計算一下，最初的
宇宙在高溫高壓時應(yīng)該出現(xiàn)過多少磁單極，它們是否有可能遺留到今天。
? ? 古斯依然不為所動。他不了解大統(tǒng)一理論，但知道大爆炸的那一刻是理論完
全失效的奇點。能產(chǎn)生磁單極的時刻距離這個奇點實在是太近了，這樣計算出來
的結(jié)果多半完全沒有物理意義。身為前途未卜的博士后，他不敢貿(mào)然造次。
? ? 有意思的是，最后說服古斯的不是戴自海，而正是溫伯格。
? ? 狄克走后半年，溫伯格也來康奈爾訪問。那時他的《最初三分鐘》正紅極一
時，但他來這里做的講座完全是學(xué)術(shù)性的：為什么宇宙中幾乎不存在反粒子。
? ? 與電子對應(yīng)著有正電子，與質(zhì)子對應(yīng)有反質(zhì)子……反粒子是我們熟悉的“正
?！绷Ｗ拥摹胺疵妗保河兄嗤馁|(zhì)量、自旋等物理特性，但所帶的電荷相反。
正反粒子彼此也水火不相容。如果相遇，就會互相湮沒，化為無形無質(zhì)量的能量。
好在我們今天的世界幾乎完全由正粒子組成，反粒子只在宇宙射線中非常偶然地
出現(xiàn)，或者在高能加速器中人為產(chǎn)生，對我們的生存和日常生活不構(gòu)成威脅。
（反粒子最初由英國人狄拉克（Paul Dirac）在1928年做出理論上的預(yù)測。加
州理工學(xué)院的安德森（Carl Anderson）1932年在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)正電子的軌跡
并隨后以實驗證實其存在。安德森的同學(xué)、中國科學(xué)家趙忠堯?qū)@個實驗有過顯
著貢獻。）
? ? 為什么我們會如此幸運？溫伯格講解了大統(tǒng)一理論如何解釋這個問題。他的
計算表明在宇宙之初——不是“三分鐘”的最初，而是在0.0000001秒時——宇
宙的溫度有10萬億（10^13）度。那時候宇宙中只有夸克，正夸克與反夸克的數(shù)量
大體相同，只略有差異：每300000000個正夸克有299999999個反夸克。在隨后
的膨脹、冷卻中，這些正反夸克互相湮沒，基本上完全消失，只留下那剩余的3
億分之一的正夸克，它們主導(dǎo)形成了今天不再有反粒子的世界。
? ? 還不僅如此。為了解釋這個3億分之一差異的來源，溫伯格又計算了宇宙大
爆炸后10^-39秒時的情形。那時宇宙的溫度約10^29度，在那個“稍瞬即逝”的
一刻，因為電荷和宇稱對稱性的破缺（CP violation），正反夸克的數(shù)目出現(xiàn)了
這么一個微弱的偏差。
? ? 聽眾席中的古斯注意到10^29度這個溫度，那正是粒子能量處于10^17億電子
伏的環(huán)境，也就是產(chǎn)生磁單極的契機。他長出一口氣。既然溫伯格這樣的大佬能
從容地進行這奇點附近的演算，他自然也可以同樣地算算那同一個時刻的磁單極
數(shù)目。
? ? 于是，溫伯格剛走，古斯便找到戴自海，索取了有關(guān)大統(tǒng)一理論的文獻，
從頭學(xué)起。
? ? 10^17億電子伏在大統(tǒng)一理論中是一個占有特殊地位的能量點。只有在這里，
大統(tǒng)一理論才真正的名至實歸：強、弱、電磁這三種行為迥異、互不搭界的作用
力在這個能量上合而為一、不分彼此，實實在在地就是同一種作用力。也就是說，
如果不考慮引力，宇宙在10^-39秒時只存在一種相互作用，也叫做“大統(tǒng)一作
用”。
? ? 隨著宇宙的膨脹，在溫度、能量降低后，原有的大統(tǒng)一對稱性會發(fā)生“自發(fā)
破缺”（spontaneous symmetry breaking），依次呈現(xiàn)出三種不同的規(guī)范對稱
性，分別相應(yīng)于今天的三種作用力。
? ? 在楊振寧等人發(fā)展出規(guī)范場論之后，對稱性和對稱性的自發(fā)破缺成為現(xiàn)代物
理學(xué)舉足輕重的基石之一。其實這個概念本身由來已久，在日常生活中也屢見不
鮮?！緦Υ烁敿毜拿枋稣垍㈤喿髡咂吣昵皩懙牟┪摹秾ΨQ性自發(fā)破缺與希格斯
粒子》?！?/p>
? ? 比如液態(tài)的水，其中的水分子是隨機、均勻分布的。如果把水整體平移一個
任意的距離或旋轉(zhuǎn)一個任意的角度，從水分子的分布上看不出有什么變化。因此，
水具有空間平移和旋轉(zhuǎn)對稱性。但固態(tài)的冰就不一樣。冰中的水分子幾乎固定在
特定的晶體結(jié)構(gòu)位置上。如果平移的距離或旋轉(zhuǎn)的角度不是正好與晶格的周期相
符，就能看出來冰被挪動了。因此，固態(tài)的冰不具有液態(tài)水一樣的平移、旋轉(zhuǎn)對
稱性。當(dāng)水結(jié)成冰時，原有的對稱性便“破缺”了。結(jié)冰的那一刻，所有的水分
子必須一致性地自己選取一個晶格位置凝結(jié)，就是所謂的“自發(fā)”破缺。（當(dāng)然，
日常生活里的水結(jié)冰時出現(xiàn)的晶格位置更取決于容器壁、雜質(zhì)等外在因素的影響，
只有在最理想的條件下才會是自發(fā)的破缺。）
? ? 水在攝氏零度時突然結(jié)成冰的過程在物理學(xué)中叫做“相變”（phase tran-
sition）：從液相變成了固相。大統(tǒng)一理論中的大統(tǒng)一對稱性隨溫度降低而自發(fā)
破缺時，也伴隨著類似的相變。正是在這個相變過程中，會有一系列新粒子產(chǎn)生，
包括磁單極。
? ? 弄清楚這些理論問題之后，古斯和戴自海很快就找到了計算磁單極的途徑。
他們發(fā)現(xiàn)采取不同的模型、假設(shè)會得到不同的結(jié)果。但無論如何取舍，磁單極的
數(shù)目都會相當(dāng)?shù)卮蟆＿@顯然與我們今天找不到磁單極的事實不符。
? ? 正當(dāng)他們還在為這個結(jié)果困惑的時候，他們收到了一篇論文稿。溫伯格的研
究生普雷斯基爾（John Preskill）正巧也做了同樣的計算。雖然還只是一個研
究生，普雷斯基爾是自己獨立地進行了這項研究。論文也是他單獨署名，只是在
最后的鳴謝中提到導(dǎo)師溫伯格的名字。
? ? 他的結(jié)論與古斯和戴自海的差不多：根據(jù)大統(tǒng)一理論，宇宙大爆炸之初應(yīng)該
產(chǎn)生與質(zhì)子、中子總數(shù)相同數(shù)量的磁單極。普雷斯基爾還進一步指出，假如果真
如此，宇宙大爆炸理論便麻煩了。磁單極的質(zhì)量巨大，是質(zhì)子質(zhì)量的10^16倍，
它們所產(chǎn)生的引力作用不再能被忽略，會決定性地影響整個宇宙的膨脹過程。如
果宇宙在有這么多磁單極的情況下還能膨脹到今天這么大，說明宇宙本身的膨脹
速度其實快得驚人。這樣的話，我們今天的宇宙不會有140億年的歷史，而是只
有1200年！
? ? 這個結(jié)論顯然荒唐。于是，磁單極問題成為大統(tǒng)一理論的一個軟肋，也是宇
宙大爆炸理論的又一個未解難題。
? ? 古斯和戴自海甚是懊惱。兩個老資格的博士后居然就這樣被一個尚未出茅廬
的研究生給搶了先。為了已經(jīng)付出的努力不至于全部付諸東流，他們只好又竭盡
全力試圖尋覓一個能在大爆炸過程中避免這個磁單極問題的竅門，好加上一點新
內(nèi)容來發(fā)表自己的演算。
? ? 功夫不負有心人。在1979年快結(jié)束時，古斯在感恩節(jié)的長周末加班加點，終
于找到一個可能性：磁單極的產(chǎn)生與大統(tǒng)一相變發(fā)生的溫度、時刻相當(dāng)敏感。如
果相變在大爆炸之后稍晚一點、溫度稍低一點時發(fā)生，出現(xiàn)的磁單極數(shù)目便會大
大減少以至于微不足道。
? ? 一般而言，水在溫度降到攝氏零度時便會發(fā)生相變而結(jié)冰。但在某些特定的
條件下，非常純凈的水也可以進入所謂的“過冷”（supercooling）狀態(tài)，在零
度以下依然保持液態(tài)不結(jié)冰。條件理想的話，水能這樣超冷到零下好幾十度。這
種過冷的現(xiàn)象在其它相變中也很常見。他們因此設(shè)想，如果大統(tǒng)一對稱破缺的相
變沒有在其應(yīng)該發(fā)生的溫度實現(xiàn)，而是也過冷了一段時間，延遲到宇宙繼續(xù)冷卻
后的稍低溫度才發(fā)生，便可以繞開磁單極的困境。
? ? 雖然他們找不出宇宙之初的大統(tǒng)一相變過程中能發(fā)生過冷的理由或機制，但
至少他們有了更進一步的成果，足以發(fā)表自己的論文了。普雷斯基爾的論文這時
已經(jīng)引起相當(dāng)?shù)年P(guān)注。他們聽說其他人也正在醞釀這方面的論文，實在不能再讓
別人搶了先。因此，盡管古斯對這個粗糙的想法并不自信，他們也不得不加緊完
成演算，撰寫論文發(fā)表。
? ? 在這一片忙亂中，戴自海突然提醒古斯：如果宇宙真的有過這么一個過冷的
延遲相變，會不會對宇宙膨脹的速度本身也帶來某種實質(zhì)性的影響？
?。ㄎ赐甏m(xù)）
