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第一章 如何营造一个宇宙(1)

它们都处于同一平面。它们都在沿同一方向转动......你要知道,这真是完美无缺的,这真是不可思议的,这几乎是很神奇的。--天文学家杰弗里·马西对太阳系的描述

无论怎么努力,你都永远也想像不出质子有多么微小,占有多么小的空间。它实在太小了。

质子是原子极其微小的组成部分,而原子本身当然也小不可言。质子小到什么程度?像字母"i"上的点这样大小的一滴墨水,就可以拥有约莫5 000亿个质子,说得更确切一点,要比组成万年的秒数还多。因此,起码可以说,质子是极其微小的。

现在,请你想像一下,假如你能(你当然不能)把一个质子缩小到它正常大小的十亿分之一,放进一个极小的空间,使它显得很大,然后,你把大约30克物质装进那个极小极小的空间。很好,你已作好创建一个宇宙的准备。

我当然估计到,你希望创建一个会膨胀的宇宙。不过,要是你愿意创建一个比较老式而又标准的大爆炸型宇宙,你还需要别的材料。事实上,你需要收集现有的一切东西--从现在到宇宙创建之时的每个粒子--把它塞进一个根本谈不上大小的极小地方。这就是所谓的奇点。

无论哪种情况,准备好来一次真正的大爆炸。很自然,你希望退避到一个安全的地方来观察这个奇观。不幸的是,你无处可以退避,因为奇点之外没有任何地方。当宇宙开始膨胀的时候,它不会向外扩展,充满一个更大的空间。仅有的空间是它一面扩展一面创造的空间。

把奇点看成是一个悬在漆黑无边的虚空中的孕点,这是很自然的,然而是错误的。没有空间,没有黑暗。奇点四周没有四周。那里没有空间供它去占有,没有地方供它去存在。我们甚至无法问一声它在那里已经多久--它是刚刚产生的,就像个好主意那样,还是一直在那里,默默地等待着合适的时刻的到来。时间并不存在。它没有从过去产生这一说。

于是,我们的宇宙就从无到有了。

刹那间,一个光辉的时刻来到了,其速度之快,范围之广,无法用言语来形容,奇点有了天地之大,有了无法想像的空间。这充满活力的第一秒钟(许多宇宙学家将花费毕生的精力来将其分割成越来越小部分的1秒钟)产生了引力和支配物理学的其他力。不到1分钟,宇宙的直径已经有1 600万亿公里,而且还在迅速扩大。这时候产生了大量热量,温度高达1 000万摄氏度,足以引发核反应,其结果是创造出较轻的元素--主要是氢和氦,还有少量锂(大约是1 000万个原子中有1个锂原子)。3分钟以后,98%的目前存在的或将会存在的物质都产生了。我们有了一个宇宙。这是个美妙无比的地方,而且还很漂亮。这一切都是在大约做完一块三明治的时间里形成的。

这个重大时刻的发生时间还是个有点争议的问题。宇宙到底是在100亿年以前形成的,还是在200亿年以前形成的,还是在100亿年到200亿年之间形成的,这个问题宇宙学家已经争论很长时间。大家似乎越来越赞成大约137亿年这个数字。但是,我们在后面将会进一步看到,这种事情是极难计算的。其实,我们只能说,在那十分遥远的过去,在某个无法确定的时刻,由于不知道的原因,科学上称之为t=0的时刻来到了。我们于是踏上了旅程。

当然,有大量的事情我们不知道,还有大量的事情我们现在或在过去很长时间里以为自己知道而其实并不知道。连大爆炸理论也是不久以前才提出来的。这个概念自20世纪20年代以来一直很流行,是一位名叫乔治·勒梅特的比利时教士兼学者首先提出了这种假设。但是,直到20世纪60年代中,这种理论才在宇宙学界活跃起来。当时,两位年轻的射电天文学家无意中发现了一种非同寻常的现象。

他们的名字分别叫做阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊。1965年,他们在美国新泽西州霍尔姆德尔的贝尔实验室,想要使用一根大型通信天线,可是不断受到一个本底噪声--一种连续不断的蒸汽般的咝咝声的干扰,使得实验无法进行下去。那个噪声是一刻不停的,很不集中的。它来自天空的各个方位,日日夜夜,一年四季。有一年时间,两位年轻的天文学家想尽了办法,想要跟踪和除去这个噪声。他们测试了每个电器系统。他们重新组装了仪器,检查了线路,察看了电线,掸掉了插座上的灰尘。他们爬进抛物面天线,用管道胶布盖住每一条接缝,每一颗铆钉。他们拿起扫帚和抹布再次爬进抛物面天线,小心翼翼地把他们后来在一篇论文中称之为"白色电介质"的、用更通常的说法是鸟粪的东西扫得干干净净。可是他们的努力丝毫不起作用。

他们不知道,就在50公里以外的普林斯顿大学,一组以罗伯特·迪克为首的科学家正在设法寻找的,就是这两位天文学家想要除去的东西。普林斯顿大学的研究人员正在研究20世纪40年代在苏联出生的天文物理学家乔治·伽莫夫提出的假设:要是你看到空间深处,你就会发现大爆炸残留下来的某种宇宙背景辐射。伽莫夫估计,那种辐射穿过茫茫的宇宙以后,便会以微波的形式抵达地球。在新近发表的一篇论文中,他甚至提出可以用一种仪器达到这个目的,这种仪器就是霍尔姆德尔的贝尔天线。不幸的是,无论是彭齐亚斯和威尔逊,还是普林斯顿大学小组的任何专家,都没有看过伽莫夫的论文。

彭齐亚斯和威尔逊听到的噪声,正是伽莫夫所假设的。他们已经找到了宇宙的边缘,至少是宇宙150亿光年以外的可见部分。他们在"观望"第一批质子--宇宙中最古老的光--果然不出伽莫夫所料,时间和距离已经将其转变成了微波。艾伦·古思在他的《不断膨胀的宇宙》一书中提出一种类比,有利于摆正这一发现的位置。要是你把观望宇宙深处比做是在美国纽约帝国大厦的100层上往下看(假设100层代表现在,街面代表大爆炸的时刻),那么在彭齐亚斯和威尔逊发现那个现象的时候,已经有人发现的最远的星系是在大约60层,最远的东西--类星体--是在大约20层。彭齐亚斯和威尔逊的发现,把我们对宇宙可见部分的认识在大厅的地板上推进了约1厘米。

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