沸腾文学

第34章 兄妹相认34（第1页）

在向这个终极目标前进的道路上，温伯格可以说是走出了第一步，他建立的模型叫做“弱电统一理论”，也就是证明了弱核力和电磁力实际上是同一个东西。这也是他获得诺奖的原因。那么在温伯格之后，现在我们正在尝试把强核力也包括进来，证明它和弱核力、电磁力同样是一个东西，不过这个理论还没有最终完成。当然了，如果将来有人能够把引力也包括进来，达成所有四种力的大统一，那这个人就完成了物理学界的最终目标，到时候，他的历史地位肯定将会媲美牛顿和爱因斯坦。

现在你知道了，温伯格在物理学界的地位是非常高的，那么我们今天讲的这本书《最初三分钟》，就是他写的一本著名的科普书。所以说，如果你想体验当代最好的物理学家为你讲解宇宙的诞生，这本书无疑就是你的首选。

这本书最早出版于1977年，而就在那之前的十几年里，人类对宇宙的认识发生了一次巨大的飞跃。一种新的理论，也就是今天我们熟知的“大爆炸理论”登上舞台，成为公认的关于宇宙起源的科学解释。本书其实就是对这个新兴理论进行的一次全面总结，它的内容大致可以分成两部分：其一是对大爆炸理论发展的历史回顾，关于这部分内容，“每天听本书”栏目有另外一本书《大爆炸简史》的讲解，你可以去收听，我在这里就不重复介绍了。

今天要给你讲的是这本书的精华部分，其实从书名就可以看出来，就是宇宙诞生之后三分钟内所发生的故事。在这本书里，温伯格体现出了他深厚的功力，通过理论计算，他就像放电影那样，准确地给我们描绘了宇宙诞生之后三分钟，或者更准确地说，3分46秒这段时间里发生的一切。所以这本书严格来说，其实应该叫做《最初的3分46秒》。不过温伯格自己说了，如果书名取成这样，大概会吓跑一大半读者，所以我们也不必在名字上过多纠结。当然，你肯定很好奇，为什么是3分46秒？这个数字到底有什么重要意义？不要着急，接下来，就让我们跟随温伯格的脚步，一起去看一看这场关于“宇宙创世”的电影，去了解一下在最初的3分46秒里到底发生了什么神奇的故事。

第一，我们的宇宙由什么构成？为什么说它的“配方”是在最初的3分46秒里决定的？

第二，为什么这3分46秒不但可以解释宇宙，同时也是对大爆炸理论本身最有力的支持？

所以这个方程告诉我们，物质和能量其实是一回事，它们之间可以相互转化，比方说原子弹爆炸，就是一小部分质量转化成能量的结果。从某种程度上说，你可以把物质粗略地理解成一种凝聚得很“紧密”的能量形态，质量越大，其中“凝结”的能量也就越多。

我们知道，今天的宇宙是由“物质”主导的，换句话说，今天宇宙里大部分能量都以“物质”的形态存在。而你在中学里都学过，物质的质量主要集中在原子的原子核当中，原子核又主要由质子和中子组成，其中质子带正电，中子不带电。

所以总而言之，在今天的宇宙里面，绝大多数物质都由质子和中子这两种粒子组成。如果把我们的宇宙比作一锅汤，那么，质子和中子就是这锅汤里面最基本的两种配方，它们构成了这锅汤的主体。另外还有很多其他基本粒子，但是它们只相当于调料，并不是这锅汤的主要成分。

科学家通过观测知道，在今天的宇宙里，质子和中子的比例大概是7:1，也就是说，每七个质子对应着一个中子。所以，这就是我们宇宙的主要“配方”，它在很大程度上决定了宇宙这锅汤的“味道”。如果这个比例不是这样，那么，我们的宇宙就会变成一个完全不同的样子，银河系，太阳系，甚至我们自己是否还会存在，那就不好说了。

但是，为什么是7:1？这个比例是怎么来的？人们在很长一段时间里都并不知道，甚至为什么会有“中子”存在，这也曾经是一个谜团。因为在自然界，中子是一个不稳定的东西，如果它没有被吸纳到原子核里面，而是独立存在的话，它就会自动放出一个电子，从而衰变成质子，这个过程叫做“Beta衰变”。所以，最初的中子从哪里来？它又是如何被保存到原子核里去的？质子和中子为什么会保持7:1的比例，而不是所有的中子都彻底衰变成质子？这些问题都关系到我们宇宙最根本的秘密。在这本书里，温伯格告诉你，原来一切的答案就取决于宇宙诞生之后的最初3分46秒。

在这3分46秒里面究竟发生了什么？温伯格指出，其实道理很简单，只要假设我们的宇宙是从一个非常高温高密度的状态膨胀而来，我们就可以回答前面提出的所有问题，甚至还可以详细地描绘出这个过程中的每一个步骤。接下来，就让我们像放电影那样，来看一看宇宙是如何慢慢进化的。

在宇宙诞生的极早期，它局限在一个非常小的空间里面，就像是一个小点。这时候，整个宇宙都处在一个极度高温高密度的状态。比方说，在大爆炸之后的0。01秒，宇宙的温度可能高达1000亿度，这是什么概念？我们知道太阳表面的温度只有6000度，1000亿度是太阳表面温度的1600万倍，是一个难以想象的高温。

在这种条件下，宇宙里的“物质”和今天很不一样。首先，原子核根本无法稳定存在。因为在极度高温之下，宇宙里充满了各种高能粒子，哪怕质子和中子偶然结合成原子核，它也会马上遭到冲击，重新分裂成碎片。所以，质子和中子这个时候都是“自由”的，它们只能以单个的形式存在，没有办法稳定结合在一起。

不过，虽然没办法结合，但1000亿度的高温却足以让质子和中子不断转化，也就是互相变来变去。具体地说，如果质子被一个带有足够能量的电子撞到，它就会变成中子，反过来也一样。在大爆炸的最初，宇宙里充满了高能电子，它们对所有的质子和中子都不停地进行冲击，所以，两者也就不停地相互转化，你变成我，我变成你。理论上讲，这时候谁变成谁的可能性都差不多，所以两者的数量应该是一半对一半，这就是我们宇宙最初的“配方”，也是最初中子的由来。

哎，你注意啊，在最开始的时候，质子和中子的数量是一半对一半，那为什么，它后来变成了今天的比例，也就是7:1呢？

这就是大爆炸带来的结果。关键在于，随着宇宙的膨胀，它的温度也随之不断降低。宇宙的半径每膨胀一倍，温度就下降到原来的一半，要记住，温度是影响我们宇宙这锅汤料配方最重要的因素。因为温度降低，也就意味着宇宙里粒子携带的平均能量在不断减少，这就引发了一个微妙的改变：随着宇宙膨胀，质子和中子的比例不再是1:1，中子开始慢慢变少，质子开始慢慢变多。

这是为什么呢？道理其实很简单：因为中子要比质子稍微重一点点。所以同样是受到电子撞击，让质子变成中子需要的能量，就比中子变成质子要高一点点。当宇宙温度非常高的时候，这种差异可以忽略不计，因为当时宇宙里充斥着大量的高能电子，对于这些电子来说，它们把中子转变成质子，或者把质子转变成中子，难度是差不多的，因为电子的能量太高了，这两种过程所需的能量虽然有微小的差异，但几乎可以忽略不计。所以，这时候中子和质子的比例是1:1。

但随着宇宙温度的下降，电子的平均能量开始慢慢减少，哎，这时候差异就慢慢体现出来了。因为这时候，因为能量不足，有些电子只能让中子变成质子，而不能反过来。这样一来，就会导致更多的中子向质子转化，于是质子的比例就开始慢慢增加。到了大爆炸之后大约14秒，宇宙温度已经从1000亿度下降到30亿度，而质子和中子的比例也已经相应地变成了83:17，差不多是5:1，和原来的一半对一半已经相差很多了。

这时候发生了一件重要的事情，就是当温度降到30亿度的时候，宇宙里的电子和正电子对开始大规模地互相湮灭，而不再重新产生。在很短的时间里，宇宙里的电子减少了99%以上，从此以后，我们的质子和中子基本上就不再因为电子的撞击而互相转化。

这是不是意味着，质子和中子的比例从此就固定下来了呢？很遗憾，并没有。因为我们前面说过，中子它在自由形态之下，是一个不稳定的东西。就算没有电子撞击，它也会通过beta衰变自发地变成质子，而且这是一个单向的过程，也就是只能变过去而变不回来。在大爆炸的前几秒钟里，这种效应还不是很明显，因为每个中子平均要过大约15分钟才会衰变，但是现在，这就变成了一个需要认真对待的因素。本来宇宙里的中子就已经没多少了，如果再任凭它们自由衰变，那么到最后必然全部消失，全部变成质子。那么，为什么还会有我们今天的宇宙呢？

当然，学过化学的都知道，原子核其实有更加稳定的模式，比方说氦的原子核，也就是两个质子加两个中子，哎，这种“四个人”的家庭就非常稳定，很不容易拆散。但问题是，两个质子和两个中子不可能一下子凑到一起，你还是得一步步来。不管怎么样，必须要先有一个质子和一个中子，然后才能依次往里加上另外两个人。所以说，这里存在一个瓶颈，就是无论如何，你必须要能够先让一个质子和一个中子的最简单组合稳定存在，然后才能进一步结成更稳定的其他家庭模式。如果第一步走不出去，后面也就无从谈起。

所以总而言之，想要拯救剩下的中子，我们必须期待宇宙降到一个特定的温度，使得最简单的原子核模式，也就是一个质子加一个中子可以稳定存在。如果宇宙能够在所有的中子都衰变成质子之前降低到这个温度，那么，它就可以拯救剩下的中子，把它们都结合到原子核里去。反过来，如果宇宙的温度降得不够快，那么，我们就只能眼睁睁地看着所有的中子都衰变成质子。质子我们知道，就是氢的原子核，换句话说，如果中子全部都衰变了，那么除了氢之外，宇宙里的绝大多数其他化学元素都将不复存在。

在大爆炸之后3分46秒的那一刻，究竟发生了什么？首先，这时候的宇宙温度降低到了9亿度，从而使得一个质子和一个中子可以初步组成一个稳定的原子核。然后，一个新的质子和一个新的中子很快加入进来，在此基础上继续结合，构成更加稳定的“四人”组合，也就是氦的原子核。关键在于，我们非常幸运，因为在3分46秒的时候，宇宙里的中子还没有来得及全部衰变，通过计算我们可以得出结论，这时候宇宙里大概还剩下大概13%的中子。

所以，在这个决定命运的3分46秒，宇宙里剩下的中子全部被结合到了原子核里面，因为它们在原子核里不会衰变，所以这些中子就得以长久保留。从这一刻开始，宇宙里质子和中子的比例不再发生大的变化，换句话说，我们宇宙的“配方”也就从此固定了下来。在接下来的138亿年里，宇宙会以这些物质为基础，进一步演化，最终形成今天的样子。从满天繁星到日月光芒，从山川河流到帝王将相，我们今天看到的一切，知道的一切，基本上都是由这些粒子组成的。可以说，整个世界的命运，基本上都在这个关键的时刻被决定了。