深度：解读宇宙大爆炸，138亿年前的最初3分钟到底发生了什么？

宇宙学的沉思

人类自古以来就渴望认识宇宙的起源。也许没有哪个问题像这样超越文化和时代分隔，它唤起祖先的想象，也引发今天宇宙学家的沉思。

人口渴望解释为什么会有一个宇宙，它是如何成为我们今天看到的样子，它是怎么演化的？今天人们接受的宇宙学理论，认为宇宙在最初的瞬间经历过最极端的条件：巨大的能量、极高的温度和极大的密度。我们的宇宙源于138亿年前的一次大爆炸。真的是这样吗？

宇宙大爆炸的理论起源于爱因斯坦完成广义相对论的15年后。弗里德曼发现了宇宙从一个无限压缩的状态爆炸出来的，而且现在仍然处于爆炸引起的膨胀中。5年以后，哈勃望远镜通过观察了几十个星系，证实了宇宙仍然处于膨胀之中。

让我们来简单回顾一下宇宙大爆炸的过程

宇宙大爆炸后的10的负43次方秒，普朗克时间形成，宇宙的三维空间形成，其余的维度还保持在原来的普朗克尺度里。

随后时间膨胀、冷却、温度下降，大约十万分之一秒后，夸克可以三个成团聚集在一起，形成了质子和中子。

百分子一秒后，周期表里最轻的一些元素的核也够条件从冷却的粒子等粒子体中凝结出来。

接下来3分钟里，宇宙逐渐冷却到10亿开，出现最多的核是氢和氦，还有一些锂。这就是所谓的原始核合成时期。

接下来几十万年，也没发生什么特别的事情。宇宙继续膨胀、温度继续冷却。当温度降低到几千开时，电子流慢慢流向原子核，原子核捕捉了它们，第一次形成了电中性的原子。这是一个重要的时刻，大体上说，这一刻开始，宇宙变得透明了。宇宙充满了带电的等离子体，有的带正电，如原子核，有的带负电，如电子。只与带电体发生相互作用的光子，落在深深的带电粒子的汪洋里，不停歇地碰撞挤压，要么被偏转，要么被吸收，慢慢地宇宙开始从混浊变得清晰。

约10亿年以后，宇宙的基本从沸腾的爆炸状态安静下来，星系、恒星和行星终于开始一个个从原初元素的引力束缚堆里产生出来。

在大爆炸138亿年后的今天，我们也来了，在惊叹宇宙壮丽的同时，也惊讶我们自己能一点点树立起一个合理的而且经得起实验检验的宇宙起源理论。

大爆炸理论看似精确和严密，但是还是有些问题有待解决，比如为什么宇宙的空间温度都是相同的，相隔如此遥远的空间区域中没有办法实现能量传递和交换，解释不了为什么它们具有完全相同的温度。物理学家把这个解释不了宇宙大范围的温度均匀性的问题称之为：视界问题。视界问题的本质是，为了让宇宙中任意两个遥远距离的区域靠近，我们必须回到时间的开始。而且物理学家们发现，现在宇宙正处于暴胀之中，形成了暴胀的宇宙学模型。

暴胀宇宙一种更新版的大爆炸理论，认为宇宙非常年幼时，曾经过一个暴胀阶段。地点不同，温度会有所不同。但是如果只考虑初期宇宙中极小的一块区域，则可以认为这个小区域具有均匀的温度。如此小的一块区域，在它还来不及非均匀化的一瞬间如果就急剧膨胀为很大的宇宙的话，那么在这个宇宙中的温度自然也就是基本均匀的。按照这种思路，那么，在现在的宇宙中观测到来自宇宙一切方向的背景辐射所对应的温度基本一致，也就不足为怪。

不管是标准的大爆炸理论还是暴胀的宇宙理论，我们都没办法解释事物到底是怎么开始的，我们也不知道我们的宇宙学理论是否合理。关于弦理论和M理论，我们今天的认识还非常肤浅，不能决定一个“包罗万象”的理论，也不能决定它自己的宇宙学初始条件。当然也就不能把它提到物理学定律的高度。我们还将继续探寻宇宙的终极理论到底是什么。我们的宇宙有可能是一个巨大天空的一个小部分，汪洋大海宇宙岛中的一个，因此也有科学家提出多重宇宙的概念，但是多重宇宙的假设至少可以让我们更加宁静，别总想着去解释我们的宇宙为什么会是这个样子。更激进的思想来自于宾夕法尼亚州立大学的斯莫林，他提出每一个黑洞都是一粒新宇宙的种子，新宇宙从种子爆发出来，但永远藏在黑洞视界的背后。

但是不管怎样，引力的量子理论经过超弦理论的发展，为我们带来了信心和希望，我们相信，经历千辛万苦之后，我们一定能带着某些最深沉的问题的答案，重新走出来。

宇宙的统一理论存在吗？

百年之后，超弦理论，或者说现在的M理论会发展到什么样子，我们现在无从得知。也许到那时候，我们会发现超弦理论只是我们万里长征的第一步。未来我们还会遇到更多从未见过的思想和概念。

前面我们讲到，第二次超弦革命给整个物理学世界带来了巨大的震撼，但是多数弦理论家认为，我们还需要经历第三次、第四次那样的理论革命，才能彻底解放弦理论的力量，确立它终极理论的地位。今天的内容，让我们将把目光投向弦理论的未来。

过去百年里，我们明白了一个大道理，那就是物理学定律总联系着对称性。狭义相对论的基础是相对性原理所赋予的对称性——即常速运动的观测者之间的对称性。表现在广义相对论的引力的基础是等效原理——相对性原理向所有观测者（不论他们的运动状态有多复杂的推广）。另外，强力、弱力和电磁力的基础是更加抽象的规范对称性。

等效原理带来了广义相独立，规范对称引出了引力以为的三种力，那么弦理论本身是不是有更大原理的比如结果呢？当我们展望弦理论的下一个阶段时，我们的目标变成了去寻找那个“能不可避免地带来一切”的原理，整个理论都必然从它那里喷涌而出。

时间和空间是什么？

我们在前面大量使用了时间和空间的概念，也提出了宇宙是10维空间加上1维时间的11维的。空间和时间是不可分割的，它们为什么会交织在一起？因为物体在空间的运动会影响它的时间历程。牛顿认为时间和空间是构成宇宙的永恒不变的元素。但也有科学家提出质疑，他们声称，空间和时间不过是为了方便概况宇宙中的物体与事件间的关系的记录本而已。爱因斯坦的广义相对论也抛弃了绝对时间和空间的概念。后来的弦理论提出，引力子这个最小的引力单元是一种特别的振动模式的弦。正如电磁场由无数光子组成一样，引力场由无数引力子组成，也就说，无数根弦在像引力子模式那样振动。另外，引力场锁在弯曲的时空结构里，所以，我们自然要将时空结构本身与大量经历着相同序列的引力子振动模式的弦等同起来。简而言之，弦编织了宇宙的时间和空间结构。

在我们以前讨论过的弦理论的特征中，下面3个也许是最重要、最应该牢记的。

第一，引力和量子力学是宇宙如何表现的最主要内容，任何一个可能的统一理论都必须包括它们。弦理论实现了这一点。

第二，通过物理学家在过去100年的研究，还揭示了其他的重要思想——许多都被实验证实了——它们对我们认识宇宙起着关键作用。举几个例子，这些思想包括，自旋、物质粒子的族结构、信使粒子、规范对称、等效原理、对称破缺和超对称性，等等。所有这些概念都自然出现在弦理论中。

第三，在传统理论如标准模型中，有19个可以调整的参数来保证理论与实验测量的一致。弦理论则不同，它没有可调的参数。从原则上讲，它蕴含的一切都是完全确定的——它们应该提供绝不含糊的检验，以判别理论是对还是错。

在未来10年，我们可以乐观地期待，在日内瓦的巨型量子对撞机投入运行之前，弦理论的认识会取得巨大的发展，能在发现超对称伙伴粒子之前做出一些关于它的具体预言。那么证实那些预言将是科学史上不朽的篇章。

我们能解释一切宇宙的规律吗？

爱因斯坦很多年前提出：宇宙最不可理解的事情，就是它是可以理解的。

在飞速进步的时代，动人的发现很容易使我们盲目地信任自己对宇宙的理解力，但理解力或许真的有它的尽头，也许我们需要接受，当我们达到宇宙最深层的科学认知后，宇宙依然有一些我们不能解释的事情，也许那个解释宇宙的终极理论永远也不会出现。