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我們的宇宙大約誕生于138億年前，那時發(fā)生的幾乎所有事情對于現(xiàn)在的我們來說仍是未解之謎。我們不知道彼時的物質以何種形式存在，也不知道它們遵循怎樣的物理規(guī)律。唯一可以確定的是，新生的宇宙與當今世界上的任何事物都幾乎沒有共同之處。 僅僅在很短的一瞬間（約 秒左右）之后，引力就開始表現(xiàn)出我們今天所熟悉的性質，而其他的幾種基本力（電磁力、弱力和強力）在當時仍然與現(xiàn)在所看到的大不相同。之后發(fā)生的事情完全超出了我們的想象。  [圖源：Makeagif.com] 從宇宙大爆炸之后的 秒左右開始，我們的宇宙開始以比之前更快（不只是快了一點點，是快了很多很多）的速率膨脹。這個階段的膨脹速率實在太快，幾乎就在一瞬間，我們的宇宙發(fā)生了徹底的改變。在這個被稱為宇宙暴脹的時期，宇宙的體積在短短 秒的時間里增長了 倍。在這一膨脹過程中，所有物質以遠超光速的速率彼此遠離。 當暴脹結束時，每一個粒子都成為獨立的個體，其周圍是一大片向四面八方延展開來的廣闊的真空。緊接著—僅僅是很短很短的時間之后—整個宇宙空間中又再次充滿了物質和能量。我們的宇宙重獲新生，迎來了新的開始。 在萬億分之一秒之后，已知的4種基本力誕生了，并且其性質與今天我們所觀察到的極為相似。盡管在這一時期，我們宇宙的溫度和密度都在急劇下降，但仍然是高得讓人難以想象—宇宙空間中的溫度大約是 攝氏度。像希格斯玻色子以及頂夸克這樣的奇異粒子與電子和光子一樣普遍存在，宇宙中的每一個角落都充滿了由夸克和膠子構成的稠密等離子體以及多種其他形式的物質和能量。  在宇宙的膨脹又進行了百萬分之一秒之后，我們的宇宙冷卻到足以讓夸克和膠子結合在一起，第一批質子和中子就此誕生。在隨后的幾分鐘內，許多質子和中子聚合到一起，形成了第一批原子核。在這一時期，我們的整個宇宙就像是一顆現(xiàn)代恒星的核心，不過這種情況也沒有持續(xù)太久。隨著宇宙空間的進一步擴張，溫度也在持續(xù)地下降，這導致宇宙每分鐘都在發(fā)生著劇烈的變化，但后來就減緩到每小時，乃至每一天。幾十萬年后，我們的宇宙冷卻到只有幾千攝氏度。大約就在這個時間段，電子開始與原子核結合，形成了第一批完整的原子。 在引力的影響下，物質團塊開始緩慢而平穩(wěn)地坍縮，這促成了恒星和星系的誕生。根據(jù)我們的估算，第一批恒星大約出現(xiàn)在大爆炸之后2億年，這些早期的恒星比我們今天看到的恒星要大得多，壽命也短得多。直到現(xiàn)在，我們的望遠鏡才勉強能夠捕捉到這些新生恒星的圖像。我們的太陽以及太陽系大約誕生于大爆炸后92億年，在整個宇宙中算是晚輩了。今天，已經(jīng)138億歲的宇宙仍然在繼續(xù)膨脹、冷卻并演化。一路走來，宇宙經(jīng)歷了多個時期的歲月洗禮，有著一段波瀾壯闊的過去。在遙遠的將來，它也必將迎來全新的時代，發(fā)生許多我們能夠預見或是難以預料的變化。  宇宙誕生的歷程。[圖源：NASA] 無論從什么角度來看，宇宙學在過去這個世紀都取得了令人矚目的成就。一百年前，我們對宇宙遙遠的過去一無所知，當然也對它的起源一無所知。但是基于愛因斯坦對于時間和空間提出的觀點，天文學家發(fā)現(xiàn)我們的宇宙正在膨脹。到了20世紀60年代末，我們有了充足的證據(jù)可以表明，宇宙在一百多億年前從被我們稱為“大爆炸”的高溫、高密度的狀態(tài)中誕生。人類第一次開始了解宇宙的起源。 不過我們的了解還并不全面。如果回溯得再久遠一點兒——回溯大爆炸發(fā)生后最初的那幾秒鐘內甚至大爆炸后一瞬間發(fā)生的事情，我們手中就沒有任何可供參考的相關直接觀測結果了。我們對于這一時期知之甚少，它至今仍然藏身于難以逾越的能量、距離和時間之后。 其中最著名的謎團也許是暗物質。天文學家和宇宙學家已經(jīng)非常精確地確定了我們的宇宙中有多少物質，他們還發(fā)現(xiàn)有很多物質并不以原子的形式存在。經(jīng)過數(shù)十年的測量和爭論，我們現(xiàn)在確信，宇宙中的大多數(shù)物質并不是由原子或是其他任何已知物質構成，而是由某種不能輻射、反射或是吸收光的物質構成的，這種物質被稱為暗物質。 在過去的幾十年里，物理學家一直致力于一項雄心勃勃的實驗計劃，試圖揭示這種物質究竟是什么，又是怎樣在大爆炸中形成的。盡管物理學家最初對此非常樂觀，但是我們現(xiàn)在仍然對暗物質及其性質一問三不知。  不過，有科學家認為，暗物質在宇宙中形成了一種微粒狀而且超長的暗物質流，而星球的引力很可能將這些暗物質流轉變成狹窄的“毛發(fā)”（hairs）。[圖源：https://www./image-feature/jpl/pia20176/dark-matter-hairs-around-earth] 即便是“普通”物質的起源也尚存在一些未被摸透的秘密。雖然質子、中子和電子以及它們構成的原子都可以很簡單地通過為人們所熟知的過程創(chuàng)造出來，但是這些過程也會創(chuàng)造出等量的更為奇異的粒子，即反物質。當物質粒子和反物質粒子相互接觸時，兩者都會湮滅。那么為什么我們的宇宙中物質如此之多，而反物質卻如此之少呢？或者換句話說，到底為什么會有物質存在呢？如果物質和反物質在大爆炸帶來的高溫中等量產(chǎn)生（我們目前所知的物理學理論所做出的預測正是如此），那么幾乎所有的物質在很久以前就已經(jīng)全部被毀滅，宇宙中基本不會留下多少原子。 然而現(xiàn)在，我們周圍到處都是原子。不知怎么的，在宇宙誕生后不到一秒的時間里，產(chǎn)生的物質就比反物質更多了。我們不知道這一事件是如何發(fā)生、何時發(fā)生的，也不明白其背后的機制，但是早期宇宙中的某些條件就這么莫名其妙地使原子（以及包括生命在內的所有的化學物質）的種子得以在大爆炸的高溫之下幸存下來。  [圖源：scitechdaily.com] 再往前回到更為久遠的過去，我們就會遇到也許是宇宙所有的奧秘中最有趣的一個事件。為了理解我們所觀察到的宇宙，宇宙學家不得不得出這樣一個結論：在宇宙形成的最初階段，它一定經(jīng)歷了一個短暫的超高速膨脹。盡管這一暴脹時期持續(xù)的時間大概只有一秒的億分之一的億分之一的億分之一的億分之一，但它卻徹底地改變了我們的宇宙。從各種意義上來說，我們可以把暴脹的結束視作我們所生活的這個宇宙的真正的開端。盡管宇宙學家已經(jīng)找到了許多令人信服的理由能夠證明暴脹確實發(fā)生過，但是他們仍然對宇宙早期歷史中的這一關鍵時期知之甚少。 *** 在這本書中，我將帶你游覽宇宙的初生時刻。我們將從愛因斯坦對于空間和時間的本質的革命性觀點開始，看看我們是怎樣從這些想法推知宇宙發(fā)端于如今被我們稱為宇宙大爆炸的高溫、高密度的狀態(tài)的。我將盡我所能，解釋我們如何利用從望遠鏡到粒子加速器的各種工具來了解宇宙的早期歷史。在那之后，我們會將討論重心再次轉到那些有關宇宙初生時刻的問題上。為何我們的宇宙中，物質如此之多而反物質如此之少？暗物質是如何形成的？我們的宇宙似乎經(jīng)歷過一場短暫的超高速膨脹，但這為什么會發(fā)生，又是如何發(fā)展的？它與我們的宇宙現(xiàn)在再一次加速膨脹有關嗎？ 這本書中處處是未解之謎，因為我們目前所掌握的就只有這么多。但是，現(xiàn)在的謎團就是未來的發(fā)現(xiàn)。在新的數(shù)據(jù)、觀測和觀點的支撐下，我們已經(jīng)準備好闡明那些最令人困惑的問題。有了這些新的進展，我們將比以往任何時候都更加深入、更加清楚地看見過去——更加靠近時間的邊緣。 *本文節(jié)選并刪改自中信出版·鸚鵡螺《時間的邊緣》，丹·胡珀著，柏江竹譯，2021年1月。  |
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