下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
宇宙无边无际，在宇宙面前，人类只不过是一粒粒微小的尘埃，生活在同样微小的星球上。然而，当我们越感受到自身的渺小和无力时，我们就越能为人类所取得的成就感到惊喜。
——[英]伯特兰·罗素
我们的宇宙的确很大，同时，它也很“老”（对于我们人类来说很“老”，不过，正如我们将要看到的，它仍会有很长时间的生命），因为从它诞生的那一刻起，已经过去了足足138亿年。在它诞生之前，时间一直无穷无尽，或者说不存在时间。在剧烈的宇宙大爆炸时，瞬息万变的时间产生了，一同产生的还有空间。在时间的开端，大爆炸释放的巨大能量在瞬间产生了大量的粒子，它们构成了如今宇宙中的一切：星系、恒星、黑洞、星际气体、行星、生物物种和我们人类。时空的诞生使“宇宙之前有什么”的问题变得毫无意义，而关于“大爆炸为什么会发生，是什么导致了它的发生”的问题也一直没有定论。
大爆炸在无声中进行。试想一下，在没有介质的情况下，爆炸怎么会发出声音呢？就好像没有空气，声波如何传播呢？同样令人难以相信的是，这次有史以来最大的爆炸还发生在黑暗中。其实，光子在宇宙诞生的瞬间就已经大量弥散在空中，但是当时的空中充满了密集又奇特的物质，使得它无法传播。大爆炸产生了无尽的堆积在一起的基本粒子，光子一产生，就立刻被吸收。因此，这是一次非常独特的爆炸：无声且黑暗，尽管爆炸释放出了巨大的能量。那么，是谁或何物将会欣赏到如此震撼的“烟火”呢？必须等到超过100亿年后（至少地球是这样），才会诞生生命，他们能够发现电磁波或是构成光辐射的光子。
我们似乎难以探讨最初的那种奇特状态，那个 t =0的无限小的瞬间，在那一瞬，由于某种未知的原因，存在着无法衡量的巨大能量——也许是一个巨大的量子波动，一个从虚无中、从量子真空中随机生成的巨大能量。人类和科学似乎捕捉不到万物的起源，只有众多的神秘假说和幻想场景萦绕在我们脑海里，所有这些假说显然都是无法证实的，也不会令人满意。事实上，这些假设和幻想把关于万物起源的解释归于他时、他物，并自发产生了一个基本问题：谁创造了造物主。人类渴求探索未知，而自然似乎为我们设定了一个不可逾越的鸿沟。然而果真如此吗？或许我们还需等待数十年或数个世纪，但是我们认知的脚步从不停歇。就在100年前，还没有粒子加速器，我们对量子力学和宇宙的规律一无所知，对自身和自己的大脑更是知之甚少。因此，我们创造了很多有意思的假说，目前为止都无法得到验证，例如振荡宇宙、负数时间、多重宇宙等。我们试图在理论上做出各种尝试，以使我们越来越接近万物起源的奥秘，并触探到我们最深层的“根”。
大爆炸后的一瞬间，宇宙开始呈现出一些特征，尽管那是一个极其复杂的场景，如今我们仍能辨别出一些奇妙的画面。
我们现在所处的时间是大爆炸后的10 -43 秒。
可惜的是，即使我们已经付出努力为解释那一瞬间的物理现象提供理论假设，我们的解释仍要经历严峻的考验。宇宙如此之小，小到我们无法想象；我们甚至不懂用数学方法辅助科学理论，去描述新生宇宙的特性；物理学是未知的，所有的解释都是徒劳的，对于我们的大脑来说，一切都难以理解。那时，能量密度极高，温度达到成百上千亿度。引力已经出现了，但是我们还不知道是怎么一回事：它可能和“大统一理论”中的其他力合为一体。也许，正如一些理论预测的那样，有10个空间维度，而不是如今我们实验证明的3个维度。量子力学和引力理论互相冲突，时间和空间被所谓的量子泡沫填满，在其中波动、起伏。一些衡量时空的概念消失了，“此前”与“此后”混淆、“这里”与“那里”混淆。同样，“原因”和“结果”也混淆在一起，实际上这没有任何意义。
在大爆炸后的10 -36 秒，发生了一件对于宇宙的未来，尤其对于人类来说非常重要的事件。大爆炸时，产生了相似数量的物质粒子和反物质粒子（我们将在后面详细讨论），而在10 -36 秒时，它们的数量变得不一样。在那一瞬间，超重中微子的某些反应使得之前的数量平衡被打破，物质的数量略多于反物质。这一微小比例的多余物质在正反粒子对剧烈的湮灭过程中“幸存”下来，并且，从湮灭中产生了大量的光子。未与反物质相匹配的多余物质将构成整个宇宙，如今，在宇宙中，反物质看上去仍然不存在。我们确实要无尽感激这一事件：从构成宇宙的最初物质中产生了恒星、星系、行星、地球上的生命以及我们人类。如果缺少那一小部分多余的物质，宇宙将被数量惊人的光子所笼罩：那将会是一个沉闷、可怜的宇宙，它几乎永远无法进化，产生生命和意识。
在大爆炸后的10 -36 秒和10 -32 秒之间，在如此短暂的瞬间，这个刚刚诞生不久的时空又完成了一次巨大的扩张，也就是所谓的宇宙膨胀。从此之后，宇宙开始进入一个迅速且汹涌的膨胀阶段，仿佛被第二次大爆炸所推动，而这第二次大爆炸比第一次还要威猛。新生宇宙的空间正在以远大于光速的速度膨胀——这没有任何问题，因为宇宙空间可以以任意的速度膨胀，这和填充它的物质的速度不一样，爱因斯坦的相对论指出，宇宙中物质的速度是不可能达到光速的。宇宙正在呈指数级生长，它几乎在一瞬间从一个无限小的体积扩张到直径几十厘米的大小：如果用火球来做比喻的话，它就是人类能够想象的最炽热的火球。这样的膨胀就像一个DNA分子在一瞬间变得和我们的银河系一样大。
还有一个无限短暂的瞬间值得一提，就在那一瞬，我们进入了宇宙中一个未知的“房间”，观看了一场宇宙中不可思议的“视频动画”。从10 -32 秒到大约10 -11 秒之间，希格斯场首次出现，它作用于所有粒子，开始减缓它们的运动，赋予它们质量。在那之前，严格来说，所有的粒子就像光子一样没有质量。这是对于宇宙的未来和我们来说都举足轻重的事件，正是通过希格斯场的作用，粒子的质量产生了，也使得我们最终有能力在此讲述宇宙的故事。正因如此，我们的实验观测极限要设置在大爆炸后10 -12 秒这一无限小的瞬间，这非常重要。这也意味着在我们的粒子物理实验室里，特别是在大型强子对撞机中的高能质子的碰撞瞬间，我们能够还原与宇宙早期相似的能量密度，即大爆炸后的千分之一纳秒时的能量密度。就像我之前所说的那样，大型强子对撞机实际上是一个时间机器，它能在实验室里重现微型的宇宙大爆炸，让我们更好地了解宇宙生命中那些关键的瞬间。在那一刻，宇宙已成形了，它相当美丽，其中布满了各种粒子，它们构成了如今物理学家们所称的“基本粒子的标准模型”（Modello Standard delle Particelle Elementari）。那一时刻的能量是如此之高，以至于质子和中子分裂成它们的内部结构：夸克和胶子，后者在强相互作用方面类似于光子。
如今，当我们探究了宇宙刚刚诞生的状态之后，我们才能说，基本粒子物理学唤起了人类对于遥远年代的宇宙的记忆，而标准模型理论可以很好地解释基本粒子物理学中的一些重要概念。这一理论包含了详细的解释性图表，它从20世纪60年代开始发展起来，在那时，我们还没法在实验室里重现具有象征意义的微型大爆炸，展现出模型本身所描述的那个粒子世界。现如今，理论大厦中唯一的一条裂痕便是发现了中微子振荡
，这一过程使得中微子从一种类型嬗变为另一种类型。中微子是一个很重要的粒子，我们在后面会简要介绍。除了这一点，整个理论运行得非常顺畅。因此，很自然到了最后阶段，物理学家们开始致力于对该理论的有效性进行决定性的证明：存在某种粒子，它能够赋予其他粒子以质量，如果没有它，其他粒子就只是能量的携带者，它就是所谓的“希格斯玻色子”（bosone di Higgs）。
1964年，有几个研究小组几乎同时独立研究出希格斯机制，其中一组为罗伯特·布绕特（Robert Brout）、弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）、彼得·希格斯（Peter Higgs），另一组为杰拉德·古拉尔尼克（Gerald Guralnik）、卡尔·哈庚（Carl Hagen）和汤姆·基博尔（Tom Kibble）。我们说，在空间的某个特定区域中，存在一个场，它施加给在同一区域的粒子某种作用力。希格斯机制指出了希格斯场及其相关的玻色子的存在：希格斯玻色子就是著名的“上帝粒子”，这个名字来源于利昂·莱德曼（Leo Lederman）的书名，是为了强调这个粒子所发挥的绝对特殊的作用：它弥漫在整个宇宙中，通过作用力，赋予其他基本粒子以质量。说句题外话，莱德曼最初将该粒子命名为“该死的粒子”（The Goddamn Particle），因为物理学家们难以找到它（可能出版商认为不妥，遂改成了“上帝粒子”，这一名称所带来的媒体影响力显然更广泛）。
希格斯场和希格斯玻色子的概念类似于人们所熟知的由电荷产生的“场”和光子的概念——光子也是一种玻色子——它是一种介质，或者说它是一种粒子，在两个带电粒子之间传递相互作用，使得这两个带电粒子“相互感觉”到一种电磁力的作用。换句话说，当我们谈论以某种力形成的场作为媒介相互作用时，就相当于谈论粒子之间相互作用，交换在该场的量子。在两个带电粒子之间传递相互作用的光子实际就是电磁场的量子。
让我们回到理论部分，希格斯场赋予其他粒子质量的方式十分复杂。然而，我们可以试着撇去一些较为专业的内容，通过描述其他的基本粒子、电子、夸克等的行为，总结一些简单且关键的信息，从而领会希格斯机制的核心。例如，存在一种缪子场，缪子是微观世界的粒子之一，在宇宙大爆炸后不久，它就充满了整个宇宙。如今，这个场无处不在，但在寒冷的宇宙真空中，温度和能量几乎为零，它的密度也等同于零。在真空中，唯一能唤醒缪子场的方法是赋予它能量，从而激发它。这就是在我们实验室的粒子加速器中完成的实验：在加速的粒子之间碰撞的瞬间，巨大的能量汇聚在一起，产生了一个激发态的场，就像一块掉进池塘里的石头，激起了浪花。这样激发的状态赋予缪子场中的一个量子（即缪子）以生命，它开始在时空中独自运动、扩散，然后衰变为其他的粒子，再次消失。
对于电子、轻夸克和中微子这些所谓的稳定粒子来说，运动机制又不相同了，它们不能衰变为更轻的粒子。轻夸克构成了原子核的质子和中子。如今，我们发现这些粒子在宇宙中呈自由状态。电子、轻夸克和中微子是普通物质的组成元素，这些普通物质又由原子组成，充满了整个宇宙。另外一些奇异的粒子场——缪子、陶子、重夸克等——在真空中难以寻觅，除非有某物对它们进行局部激发（如上述例子），给予它们能量并创造一个量子，该量子才能作为一个真正的粒子被观察到，尽管可被观察的时间短暂至极。
希格斯场在大爆炸后的10 -11 秒也遍布于宇宙，那时，宇宙中已经出现了我们如今所知的一些基本粒子场。这个情景就像一团水蒸气迅速凝结后，形成了海水，瞬间流入一片干涸的土地。水蒸气在100摄氏度以下会凝结成水；当宇宙的温度下降到低于1 000 000 000 000 000摄氏度（10 15 摄氏度）时，就会产生希格斯场。在那之前，希格斯场的密度很小；所有的基本粒子质量为零。从宇宙开始注满“希格斯之水”后，基本粒子开始与新生的场相互作用，就像我们即将看到的那样，粒子一边冷却，一边获得很高的质量。类似于一个电荷在另一个电荷产生的电磁场中运动时，受到一股力的作用，基本粒子也受到希格斯场的作用力，这就像一种稠密的介质施加给某一穿过它的物体摩擦力——也就是惯性的作用。
举一个经典的“茶杯”的例子。你们想象一下自己被蒙住双眼，用一把小勺子在空杯子里搅动。在搅动的过程中，你们不会感到任何力的作用，勺子十分轻盈，甚至夸张一点说，勺子没有质量。如果突然某人倒了一些蜂蜜在杯子里，在勺子搅动的同时，你们会感到一种黏稠的作用力。那么，你们自然就会认为勺子变重了，获得了一定的质量。这是一个比喻：杯子内部的空间就是宇宙空间，小勺子是我们所知的基本粒子中的一种，在初期是没有质量的，蜂蜜就是希格斯场，它遍布于宇宙，从宇宙诞生初期到未来的所有时刻，它一直存在，通过与其他粒子的相互作用，赋予它们质量。然而，光子却没有受到希格斯场的影响，它仍然没有质量。其他粒子的质量均来源于无处不在的希格斯场的作用：耦合性越强，粒子获得的质量就越大。
下面，让我们来讨论一个有意思的话题：各种基本粒子产生的场和希格斯场完全不同。宇宙诞生初期，能量极高，各种粒子场被激发，在宇宙中的密度也相对较大。随着宇宙的膨胀，能量的减少，各种场的密度也减小了，直到“消失”在宇宙中，那时，整个宇宙系统的能量为零，即达到了最小能量的真空状态，布满了“沉睡”的粒子场。然而，希格斯场的运行机制则完全不同。在宇宙诞生之初、非常热的环境中，希格斯场几乎不存在。随着宇宙温度的降低，希格斯场被激发了，它的能量极低，却不是数值为零，在量子真空中仍有一些活跃的成分，就像一片安静的、平缓的海域也能给穿梭在其中的鱼和船只施加摩擦力。鱼和船只就像基本粒子一样，而这种摩擦力就像粒子的惯性或是质量。获得了质量的各种粒子在时空中弥漫。上述“茶杯”的例子讲的也是同样道理。
2012年，欧洲核子研究中心观测到了希格斯玻色子——希格斯场的量子激发态，这确实是一个伟大的发现，也意味着对标准模型理论有效性的论证已经完结。
现在，让我们回到奇妙的“电影”中来吧，它采用了“延时拍摄”的方法。大爆炸后的百万分之一秒，宇宙的体积迅速膨胀，温度持续下降，又出现了一些新的粒子，这些粒子在之前是不存在的，它们是数量惊人的强子，如质子和中子，它们由夸克组成，但更不稳定。还有很多电子和强子一同产生，电子周围还有它的反粒子，即正电子。（强子也有反粒子：和电子、正电子的关系相似，它们也会因为相互碰撞而相继自我湮灭，并且在碰撞过程中产生了能量和其他的亚粒子。正因如此，光子的数量陡增。）
在大爆炸发生后的一秒钟，此前产生并被困在稠密物质中的大量中微子被释放出来，开始迅速地向宇宙的四个角落弥漫，此运动不可阻挡，而且一刻不停地持续至今。
在大爆炸后的大约1到10分钟之间，我们发现宇宙在创造第一批轻核元素方面十分活跃，尤其是氘——氢的同位素，还有氦和锂。这些元素是在热核聚变反应中形成的，当时的温度极高，有几十亿度。宇宙的体积已经有几百光年大小了。对于它来说，只需要几分钟，就能从一个小于亚原子的大小扩展到无限大的空间。在宇宙诞生的最初几分钟就很活跃的核聚变，与我们更熟知的核裂变是不一样的。核裂变是指由重的原子核——比如铀——分裂成多个质量较小的原子核，即质子和中子较少的原子核。物质最初质量的很小一部分转变成了能量，因为裂变后的物质的质量之和稍低于最初原子核的质量。爱因斯坦的质能公式 E = mc 2 告诉我们，从微小的质量差异中也能产生巨大的能量。核裂变一方面可运用于核武器，在爆炸中，产生了巨大的、不可控的、毁灭性的能量；核裂变的另一运用是核反应堆，在那里产生的能量可带动涡轮机发电，能量源源不断地产出，而且是可控制的。
核聚变是指质量较小的原子核被迫互相吸引——这一状况发生在宇宙诞生初期的几分钟内。然后，原子核克服了它们自身正电荷产生的强大排斥力，碰撞到一起，发生了聚合作用，由于中子不带电，原子核所带的正电荷实际上由构成它们的质子所带的正电荷引入。聚合作用之后，生成了新的质量更重的原子核，比如氢原子的原子核碰撞到一起产生了氦原子：前者由一个电子和一个质子组成，后者由两个电子、两个质子和两个中子组成，在核聚变反应后，原子核的质量之和略低于最初的质量之和，这一质量之差也转换成了能量。
宇宙演变历史的下一个重要的里程碑距离我们仍旧很遥远。我们需要跨越到大爆炸后的25万年左右，在那时，宇宙经历了一次显著的变化。那时的平均温度依旧很高，达到几千度，虽然宇宙已经广阔无垠，但它仍然处于黑暗中，充满了各种亚原子粒子。宇宙的平均能量太高了，使得电子无法黏附在氢和氦的原子核上形成原子。因此，宇宙空间里满是原子核、电子、光子和中微子，它们就像一颗颗微小的弹珠，在巨大的“宇宙弹球机”中激烈地碰撞着。
一次新的飞跃把我们带到了宇宙诞生后的38万年，对于“年轻”的宇宙来说，这真是至关重要的一刻。在宇宙中，第一次出现了“光”，一道明亮的红色光芒穿过整个宇宙。那时，宇宙中充满了光子，它们通过自身微弱的能量带给了宇宙光明的讯号，使其变得透明起来。那时的能量密度已经足够低了，使得电子和质子聚合在一起，形成了原子。我们如今所熟知的物质诞生了，这些由原子组成的基本物质及其演化物构成了我们的身体以及星球。那时，宇宙已经膨胀至几千万光年大小了。
大爆炸早期产生的数量相当的物质与反物质发生了湮灭，最终以光子形式释放出能量。在大爆炸的推动下，宇宙一直在膨胀。新的空间被持续创造出来，然后立即被物质和能量填满。与此同时，光子的密度不断降低，宇宙的温度也不断下降。今天，我们仍能看到那原始的光辐射，但频率比较低，或者说，它就像无线电的频率，而不像可见光的频率。因为一切都受到一种类似于“多普勒效应”的影响。
简而言之，当一个光波或声波的源头相对于接收器或听众来说在运动时，“多普勒效应”就产生了。如果距离源头较远的话，观测到的频率就会低一些；如果靠近源头的话，就能观测到一种更高的频率。救护车的警笛声是一个典型的例子：当它靠近我们的时候，警笛声变得很尖锐（频率升高）；当它经过并远离我们时，警笛声也会越来越小（频率降低）。然而，对于车上的乘客来说，警笛声的频率始终一致。对于大爆炸时产生的光子来说，道理是等同的，宇宙空间迅速膨胀，其中的光子也不断弥散，这样的空间产生了类似救护车的效应：对于我们这些地球上的观察者来说，我们看到的光子减少了频率和能量，这符合普朗克的比例关系，它将光子的能量与它的电磁波的频率联系起来。对于上述解释，有一点需要指出，由于空间的膨胀，所有的点都相互远离，就像在每次爆炸中，或是烟火中发生的那样。这同样也会发生在我们身上：我们会看到来自大爆炸的最初的光子弥散在不断膨胀的宇宙空间中，就像救护车离我们越来越远，警笛声的频率越来越低，我们所见的光子也会随着宇宙的膨胀而不断降低频率和能量。
在大爆炸后的38万年首次出现光以后，随着宇宙的逐渐膨胀，光又“熄灭”了：最初的光子辐射出的能量慢慢减弱，直到低于可见光的能量。于是，宇宙又进入了漫长的黑暗时代，这种状态持续了几百万年。如今，大爆炸后残存的光子——那些在物质与反物质湮灭之后产生的光子——充满了整个宇宙，构成了所谓的“宇宙背景辐射”（CMB，Cosmic Microwave Background）。它的能量相当于2.7开尔文的温度——约-270摄氏度。2.7开尔文是星际空间的温度，这个温度很低，但仍高于绝对零度——0开尔文，即-273.16摄氏度。
大爆炸后的几百万年，当宇宙中开始出现恒星和星系时，光又一次出现了。
现如今，也就是宇宙诞生的138亿年后，它仍然在不停地膨胀。然而，天文观测告诉我们，所有恒星、行星、黑洞、星系以及星系间的可见气体（它由原子构成的常规物质组成）的质量之和仅占宇宙总质能的5%，这一预估数据是通过独立测量完成的。而宇宙中约27%的能量属于一种不可见的物质形式，名为暗物质，人类至今尚不清楚它们是什么，但通过观察它们对星系旋转运动施加的引力作用，可以测量出来——尽管是暗物质，它们归根结底也是一种物质，因此具有质量。
为了解释暗物质的特性，物理学家们提出了不同的假设，有些假设充满了想象力。从本质来看，有两种不同的假设：第一种认为暗物质是一种看不见的宇宙结构，就像大爆炸后残留下的小黑洞，它们以一种出乎意料的、不规则的方式填满了整个宇宙；另一种假设涉及粒子方面的解释。比如，有一些理论预测存在一类至今未知的、新的基本粒子，即所谓的WIMP（大质量弱相互作用粒子，Weakly Interacting Massiv Particles）。它们是一些假设的、很重、很稳定的粒子，由于引力的作用，它们被吸附在星系的周围，十分明显地扰乱星系的运动——这一观察结果促使我们开始做第一次实验，目的是为了确定暗物质的存在。
除了引力以外，这些WIMP粒子还受到一种非常微弱的相互作用力的影响，这种力使得它们很难被发现，因此是黑暗的。要想成为WIMP粒子的候选粒子，必须是所有假想粒子中最稳定的，称为“超对称粒子”，在宇宙诞生之初，它们可能就已经布满其中，这样的状态可能一直延续至今。这些超对称粒子，由于具有相当大的质量，之间的相互作用力又非常微弱，它们是宇宙总质能重要的一部分。我们谈论的是超中性子（Neutralino）
，通过在大型强子对撞机中的高能碰撞实验，我们正在积极地研究该粒子。总之，无论从粒子物理学，还是天体物理学、宇宙学的领域来看，暗物质的发现无疑会成为一个极其重要的科学成果。
那么，宇宙中剩下68%的成分是什么呢？它们的特性至今尚不清楚吗？现在，我们要谈论暗能量，它们也促成了宇宙几十亿年来不断加速膨胀。暗能量是推动物体加速的燃料，也就是推动充满整个宇宙的星系加速的燃料。准确来说，它推动了恒星和星系所在的宇宙空间的膨胀，无论是说星系加速，还是说宇宙膨胀，结果没有区别。
在20世纪90年代末，暗能量的存在变得很明显。那时，通过对最遥远星系运动的精确测量，我们发现，它们正在加速远离其他星系以及我们的地球。未来天体物理学和宇宙学研究的首要目标之一就是弄清楚该神秘能量的特质，研究方法是观察相当数量的星系运动（几十亿个星系！）。另一种可能的研究工具是位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。假设暗能量来自粒子，创下纪录的粒子加速器可能可以帮助我们发现一类新的粒子，它们安静地存在于宇宙空间中，促进了宇宙空间的膨胀。
试想一下未来，经过几百年的科学研究，我们才刚能够弄明白占据整个宇宙5%的物质特性，这是不是十分苦涩呢？