都說宇宙誕生于一場大爆炸,在那之前天地未分、時空未辟,一無所有。只有一個奇小奇熱,無可名狀的點,被稱為奇點。遠在137億年前,就是這一個點,做出了一件開天辟地的大事。
這個奇點,就是我們現在這個宇宙的起點。如今我們這個宇宙里的一切,你想得到的所有的詞:“時間”“空間”“能量”“物質”“恒星”“銀河”“太陽”“地球”,都是從這么一個不知道該怎么描述的點跑出來的。
為什么說奇點不可描述呢?它可能根本就不能算是一個點,只是為了描述方便才那么形容。只能說宇宙是從一個非常小、非常熱又非常密的狀態開始的。這個狀態有一天,忽然開始膨脹,于是宇宙就產生了。這個最初的膨脹,就是傳說中的大爆炸。
又是宇宙,又是大爆炸的,聽上去真有點唬人,讓人覺得“哎呀這得是多厲害的場面呀”,其實全不是那回事兒。就連“大爆炸”這個詞,其實也來自反對者的吐槽。物理學家那會兒可討厭“宇宙有一個開端”這念頭了,照他們的想法,我們花了好幾百年,無數先烈前赴后繼,好不容易把上帝從宇宙主宰的寶座上拉了下來,現在說宇宙是有開端的?這不又回到創世紀那一套了嗎?什么?還是“BANG”一聲爆出來的?添什么亂哪,“我才不管你信不信呢,反正我不信”!
可沒想到跟取外號似的,越是吐槽越是流傳久遠,宇宙是“大爆炸”出來的嘲諷,就一直叫了下來。可其實,這場“大爆炸”,它既不大,也算不上是一場爆炸,當然也沒有“BANG”的一聲。
是不是頭有點暈?那先來做個選擇題。
題目:“大爆炸”蘊含的能量,折算成質量,大約相當于下面哪一個選項?
A. 1 千克 B. 1 噸 C. 1000 噸 D. 1010 噸
大多數人可能都想不到,答案是 A。我們這個宇宙,導致它誕生的那次“大爆炸”,蘊含的能量只相當于區區1 千克的質量。這個“大”字,非常名不副實。
至于“爆炸”么, 當然也名不副實。首先,宇宙一開始膨脹得相當慢,最初的10-36 秒里才膨脹了1 億倍——可別覺得我口氣大!108 倍而已,宇宙接下來馬上要瘋狂膨脹至少1050 倍,比較下來,區區1 億倍只是溫和友好的熱身運動。其次,爆炸怎么會沒有核心呢?所謂爆炸,總是在一個空間里有一個爆炸的中心,中心的壓力大,外圍的壓力小,所以從中心向外猛烈擴張。但是宇宙最初這個“大爆炸”,既不是在一個空間里(空間都是它的產物呢),也沒有一個爆炸的中心,宇宙里處處的壓強都是均衡的,膨脹的是時空本身。
至于大爆炸“那一刻”到底發生了什么,沒有誰知道,我們只能盡可能地逼近那個時刻,但永遠無法到達。如果大爆炸是時間的起點“0”,我們目前已知的宇宙的嬰兒期,是從10-43秒開始的。小數點后面跟著42 個0,對絕大多數人而言,這和0 也沒區別,但這個時間點卻劃下了一道壁壘分明的界限,物理學家嚴肅地表示在10-43 秒之前發生的事兒,我們就是不可能知道!這個10-43 秒專門有個名頭,叫作“普朗克時間”。
宇宙在這個時間點,還很小(比一個原子核小多了),很熱,正在慢吞吞地向外膨脹。此時根本不可能有粒子能夠在這種高溫中穩定存在。 這么個宇宙當然是非常沒勁的:整個宇宙里只有一種東西——輻射;也只有一種作用力(除了引力之外),那就是傳說中的“大統一力”。
不過這一狀態也僅維持到了10-36 秒的時候,宇宙溫度也降到了只有1027℃。1027℃是一個非常危險的溫度,它標志著宇宙狀態極度不穩定。在這一刻,強相互作用力跟電磁力、弱相互作用力揮手告別,大一統力“分裂”了,宇宙開始了猛烈的膨脹,這就是“暴脹”。與此同時,宇宙的溫度還在劇烈下降。
作用力的分離和宇宙的急劇變冷,使宇宙獲得了無比龐大的能量,這些能量轉化為實在的粒子,宇宙的質量開始迅速增大。所以,宇宙在年僅10-34 秒的時候顯得格外年富力強,創造力滿點,到處漂著各種如今再也看不到的玩意兒:
夸克、大質量弱相互作用粒子、宇宙絲、原始黑洞…… 再加上傳遞強相互作用力的膠子,傳遞弱相互作用力的W 和Z 玻色子,傳遞引力的引力子……
可在那一刻之后直到今天,這些粒子中的大多數雖然在理論上確實存在過,卻瞬生瞬滅,幾乎觀察不到了,只能被稱為“虛粒子”。唯有輕子和夸克還保持著實粒子風范——其實就連夸克也被虐得不輕,它們必須抱團求生,一個好漢三個幫地組成了質子或中子,躲在原子核里存身。
轉瞬之間到了10-32 秒,原本的宇宙從原子核大小變成了葡萄柚大小。由于膨脹的速度遠遠超過了光速,從其他部分傳來的光永遠也來不及抵達這個“葡萄柚”,這只“葡萄柚”從此與原初宇宙中的其他部分隔絕了音訊,它就是孕育了我們所能了解到一切的“這個”宇宙。
這時,宇宙的質量已經從最初始的1 千克變成了1050 噸。但宇宙暴脹的質量和體積與溫度的下降程度不成正比:在體積暴脹了無數倍之后,溫度卻只下降到了原來的10萬分之一,從 1027℃變成了1022℃。看起來,這時候才是“真·大爆炸”呢,無中生有地涌現出這么多正能量。
隨后,宇宙開始緩慢地膨脹和冷卻,而暴脹的短暫時期留下的遺產,卻使宇宙成為我們如今看到的這副模樣。