都说宇宙诞生于一场大爆炸,在那之前天地未分、时空未辟,一无所有。只有一个奇小奇热,无可名状的点,被称为奇点。远在137亿年前,就是这一个点,做出了一件开天辟地的大事。
这个奇点,就是我们现在这个宇宙的起点。如今我们这个宇宙里的一切,你想得到的所有的词:“时间”“空间”“能量”“物质”“恒星”“银河”“太阳”“地球”,都是从这么一个不知道该怎么描述的点跑出来的。
为什么说奇点不可描述呢?它可能根本就不能算是一个点,只是为了描述方便才那么形容。只能说宇宙是从一个非常小、非常热又非常密的状态开始的。这个状态有一天,忽然开始膨胀,于是宇宙就产生了。这个最初的膨胀,就是传说中的大爆炸。
又是宇宙,又是大爆炸的,听上去真有点唬人,让人觉得“哎呀这得是多厉害的场面呀”,其实全不是那回事儿。就连“大爆炸”这个词,其实也来自反对者的吐槽。物理学家那会儿可讨厌“宇宙有一个开端”这念头了,照他们的想法,我们花了好几百年,无数先烈前赴后继,好不容易把上帝从宇宙主宰的宝座上拉了下来,现在说宇宙是有开端的?这不又回到创世纪那一套了吗?什么?还是“BANG”一声爆出来的?添什么乱哪,“我才不管你信不信呢,反正我不信”!
可没想到跟取外号似的,越是吐槽越是流传久远,宇宙是“大爆炸”出来的嘲讽,就一直叫了下来。可其实,这场“大爆炸”,它既不大,也算不上是一场爆炸,当然也没有“BANG”的一声。
是不是头有点晕?那先来做个选择题。
题目:“大爆炸”蕴含的能量,折算成质量,大约相当于下面哪一个选项?
A. 1 千克 B. 1 吨 C. 1000 吨 D. 1010 吨
大多数人可能都想不到,答案是 A。我们这个宇宙,导致它诞生的那次“大爆炸”,蕴含的能量只相当于区区1 千克的质量。这个“大”字,非常名不副实。
至于“爆炸”么, 当然也名不副实。首先,宇宙一开始膨胀得相当慢,最初的10-36 秒里才膨胀了1 亿倍——可别觉得我口气大!108 倍而已,宇宙接下来马上要疯狂膨胀至少1050 倍,比较下来,区区1 亿倍只是温和友好的热身运动。其次,爆炸怎么会没有核心呢?所谓爆炸,总是在一个空间里有一个爆炸的中心,中心的压力大,外围的压力小,所以从中心向外猛烈扩张。但是宇宙最初这个“大爆炸”,既不是在一个空间里(空间都是它的产物呢),也没有一个爆炸的中心,宇宙里处处的压强都是均衡的,膨胀的是时空本身。
至于大爆炸“那一刻”到底发生了什么,没有谁知道,我们只能尽可能地逼近那个时刻,但永远无法到达。如果大爆炸是时间的起点“0”,我们目前已知的宇宙的婴儿期,是从10-43秒开始的。小数点后面跟着42 个0,对绝大多数人而言,这和0 也没区别,但这个时间点却划下了一道壁垒分明的界限,物理学家严肃地表示在10-43 秒之前发生的事儿,我们就是不可能知道!这个10-43 秒专门有个名头,叫作“普朗克时间”。
宇宙在这个时间点,还很小(比一个原子核小多了),很热,正在慢吞吞地向外膨胀。此时根本不可能有粒子能够在这种高温中稳定存在。 这么个宇宙当然是非常没劲的:整个宇宙里只有一种东西——辐射;也只有一种作用力(除了引力之外),那就是传说中的“大统一力”。
不过这一状态也仅维持到了10-36 秒的时候,宇宙温度也降到了只有1027℃。1027℃是一个非常危险的温度,它标志着宇宙状态极度不稳定。在这一刻,强相互作用力跟电磁力、弱相互作用力挥手告别,大一统力“分裂”了,宇宙开始了猛烈的膨胀,这就是“暴胀”。与此同时,宇宙的温度还在剧烈下降。
作用力的分离和宇宙的急剧变冷,使宇宙获得了无比庞大的能量,这些能量转化为实在的粒子,宇宙的质量开始迅速增大。所以,宇宙在年仅10-34 秒的时候显得格外年富力强,创造力满点,到处漂着各种如今再也看不到的玩意儿:
夸克、大质量弱相互作用粒子、宇宙丝、原始黑洞…… 再加上传递强相互作用力的胶子,传递弱相互作用力的W 和Z 玻色子,传递引力的引力子……
可在那一刻之后直到今天,这些粒子中的大多数虽然在理论上确实存在过,却瞬生瞬灭,几乎观察不到了,只能被称为“虚粒子”。唯有轻子和夸克还保持着实粒子风范——其实就连夸克也被虐得不轻,它们必须抱团求生,一个好汉三个帮地组成了质子或中子,躲在原子核里存身。
转瞬之间到了10-32 秒,原本的宇宙从原子核大小变成了葡萄柚大小。由于膨胀的速度远远超过了光速,从其他部分传来的光永远也来不及抵达这个“葡萄柚”,这只“葡萄柚”从此与原初宇宙中的其他部分隔绝了音讯,它就是孕育了我们所能了解到一切的“这个”宇宙。
这时,宇宙的质量已经从最初始的1 千克变成了1050 吨。但宇宙暴胀的质量和体积与温度的下降程度不成正比:在体积暴胀了无数倍之后,温度却只下降到了原来的10万分之一,从 1027℃变成了1022℃。看起来,这时候才是“真·大爆炸”呢,无中生有地涌现出这么多正能量。
随后,宇宙开始缓慢地膨胀和冷却,而暴胀的短暂时期留下的遗产,却使宇宙成为我们如今看到的这副模样。