透視宇宙大約138億年前，宇宙真的發生過大爆炸嗎
撰文丨[日]小柴昌俊
摘編丨何安安
“大爆炸宇宙論”（TheBigBangTheory）是現代宇宙學中最有影響的一種學説。這種學説認為，宇宙是由一個緻密熾熱的奇點於138億年前的一次大爆炸後膨脹形成的。1927年，比利時天文學家和宇宙學家勒梅特（GeorgesLema?tre）最早提出了宇宙大爆炸假説。這之後，1929年，美國天文學家哈勃，根據這一假説提出，星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，並推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹説。
研究者通過現在星系間的距離及其移動速度倒推計算，得出“大約在138億年前所有星系都集中在一點（即奇點）”的結論。“大爆炸”理論的擁躉堅信，宇宙曾有一段從熱到冷的演化史，在這個時期裏，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化，如同一次規模巨大的爆炸。爆炸之初，物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之後的不斷膨脹，導致温度和密度很快下降。隨着温度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，並複合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星雲，星雲進一步形成各種各樣的恆星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。
宇宙真的形成於“大爆炸”嗎？顯然，這一觀點讓人們分成了兩派。一派堅持大爆炸理論，一派則抱以反對觀點，並堅持恆穩態理論。主張大爆炸理論正確性的核心人物是美國物理學家伽莫夫，他為此提出了更加具體的宇宙誕生模型。根據他的理論，宇宙最初為密度極高的中子羣，它是在某一瞬間開始膨脹的。而非常權威的天文學家霍伊爾則認為這一理論並不正確，他認為，“我們的宇宙從無限的過去到無限的未來都會保持同一種狀態。雖然星系的相互遠離導致了宇宙空間的密度逐漸變小，但在密度減小的空間中會產生出新物質，它們能彌補密度的缺失，使宇宙保持均衡和穩定。宇宙就是以這種方式保持恆穩態的。”
作為基礎科學的一個研究領域，中微子天體物理學創立於日本。在《幽靈粒子》一書中，諾貝爾物理學獎得主小柴昌俊以連接極小粒子世界與極大宇宙的“幽靈粒子”——中微子為線索，通俗講解了基本粒子的發現、恆星的結構與演化等內容，並從實驗角度展現了當前物理學對深層自然之謎的追求與探索。小柴昌俊指出，在“二戰”中，雷達技術得到了突飛猛進的發展，研究者利用雷達技術獲得了若干重大發現，特別是對“微波”的發現對“大爆炸”理論提供了非常有力的實驗支撐，從而使得這一理論逐漸為人們所接受。
小柴昌俊（KoshibaMasatoshi），1926年生於日本愛知縣，畢業於日本東京大學理學院物理系，之後就讀於美國羅切斯特大學研究生院，並獲得哲學博士和理學博士學位。歷任東京大學、東海大學理學院教授，其間還曾兼任德國電子同步加速器研究所（DESY）及歐洲核子研究中心（CERN）客座教授等要職。東京大學名譽教授。1987年，小柴昌俊領導的實驗團隊利用神岡探測器觀測到了世界首例來自超新星的中微子。2002年，因他在“中微子天文學”領域做出的先驅性貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。
如何用中微子探索未知宇宙？回顧過去的宇宙觀測成果，小柴昌俊指出，研究基本粒子的理論物理學家將基本粒子與宇宙極其緊密地聯繫在一起，但宇宙中仍然存在着各種各樣的未解之謎。小柴昌俊説，“雖然我們目前並不清楚宇宙在最初是如何誕生的，但堅信在宇宙形成初期肯定存在一種能統一各種力的理論，而且當時的對稱性維持得非常好。”
小柴昌俊進一步指出，“如果宇宙在演化過程中確實經歷過暴脹階段，那麼除了我們身處的宇宙之外，還應該存在很多由其他顆粒膨脹形成的宇宙。”而這意味着，我們耳聞目睹的“宇宙”，也許和無數個我們無法觀測到的宇宙一樣，只是宇宙的其中之一。
以下內容節選自《幽靈粒子：透視未知的宇宙》，較原文有刪節修改，小標題為編者所加，非原文所有。已獲得出版社授權刊發。
《幽靈粒子：透視未知的宇宙》，[日]小柴昌俊著，逸寧譯，人民郵電出版社2020年4月版。
大約138億年前
宇宙發生過“大爆炸”嗎？
如果我們將觀察世界的視野放大，那麼首先能觀察到的是地球所屬的太陽系，而太陽系又位於名為“銀河系”的星系邊緣。
銀河系只是眾多星系中的一個，除此之外還存在很多星系。在此，我們姑且把可以囊括我們能觀測到的一切東西的集合視為宇宙。研究者在觀測星系的過程中發現了某種法則。在元素釋放出的光中，包含具有某種特定波長的光。來自遙遠星系的光看上去光譜線向紅端偏離（紅移），即其波長變長了。我們把這種現象叫作“多普勒效應”，該現象表明，發出這束光的星系正以接近光速的速度遠離我們。
研究者通過分析和整理大量星系的數據後發現，星系遠去的速度與我們和星系之間的距離成正比。我們稱之為“哈勃定律”，這是觀測宇宙的重要事實之一。
其實，測量我們與遙遠天體之間的距離本身就是一件非常困難的工作，僅僅介紹這個知識點就大約需要一本書的篇幅，所以我在此就不展開説明了。這麼説來，如果時間能倒流到過去，那麼所有星系應該都曾經集中在同一個地方吧？研究者通過現在星系間的距離及其移動速度倒推計算，得出“大約在138億年前所有星系都集中在一點（即奇點）”的結論。
於是，基於此結論自然地湧現出了一種觀點，這種觀點認為，宇宙大約在138億年前於一點發生了大爆炸，此後持續膨脹，直至演變成現在的形態。我們將這場在宇宙中發生的大爆炸叫作“BigBang”。
最初，很多人都無法接受這個理論，他們無法認同“宇宙在某一時間點發生了大爆炸，隨後開始膨脹直至變成現在的樣子”的觀點。我想人們不接受該理論的原因是多種多樣的。當時既有來自哲學界的反對，也有來自天文學領域的質疑，就連非常權威的天文學家霍伊爾都曾對該理論發表過如下評論：“這種理論是不正確的。我們的宇宙從無限的過去到無限的未來都會保持同一種狀態。雖然星系的相互遠離導致了宇宙空間的密度逐漸變小，但在密度減小的空間中會產生出新物質，它們能彌補密度的缺失，使宇宙保持均衡和穩定。宇宙就是以這種方式保持恆穩態的。”這種觀點一經提出，研究者們就圍繞這兩種宇宙理論展開了異常激烈的討論。一方認為大爆炸理論才是正確的理論，而另外一方則堅信恆穩態理論的正確性。
研究者利用雷達技術
為大爆炸理論找到有力支撐
主張大爆炸理論正確性的核心人物是美國物理學家伽莫夫，他為此提出了更加具體的宇宙誕生模型。根據他的理論，宇宙最初為密度極高的中子羣，它是在某一瞬間開始膨脹的。中子在高密度的原子核內狀態非常穩定，然而一旦置身於原子核之外，中子就會自然地衰變為質子、電子和反電子中微子。中子衰變的平均壽命約為1000秒。
美國物理學家伽莫夫。
伽莫夫將這一具有高温和高密度的中子羣命名為“伊倫”。一旦“伊倫”開始膨脹，那麼隨着密度的降低，一部分中子就會衰變成質子和電子，而同時產生的反電子中微子則可能會直接“遠走高飛”。這種情況下，質子的正電荷會捕獲電子並將其安放在質子周圍，由此就形成了氫原子。同時，質子會進一步與中子發生碰撞、黏結，形成一種名為“氘核”的粒子，如果該粒子再與一箇中子結合就會形成“氚核”。另外，氘核與質子經過碰撞、黏結可以形成氦-3的原子核，而該粒子吸收中子就會變成普通的氦核——氦-4。
如上所述，由最初的中子羣產生質子和氦核是極其自然和簡單的。伽莫夫認為，通過結合大量的中子可以產生質量更大的原子核，併為此進行了相關的模型計算。然而計算過程障礙重重、舉步維艱，最終伽莫夫未能得到固定的模型。
不過當時已經有相關學説指出，如果宇宙在形成之初處於極度高温和高密度的狀態，那麼就必然存在與其温度相當的高能電磁波穿梭其間。隨着宇宙的膨脹，物質的密度逐漸降低，電磁波的能量也隨之衰減。電子被原子核捕獲轉變為呈電中性的原子，那麼光就應該能不與物質粒子發生任何相互作用，進而可以自由地傳播了。
當時的研究者根據初期的大爆炸理論模型，提出了“在當前的宇宙空間中仍應充滿自由擴散的電磁波”的假説，但由於當時能達到的計算精度有限，所以未能進行準確的推算。在第二次世界大戰中，雷達技術取得了突飛猛進的發展。
在戰爭結束後，研究者利用雷達技術獲得了若干重大發現。首先，彭齊亞斯和威爾遜發現了充滿宇宙空間的電磁波。在電磁波家族中有一種叫作“微波”的電磁波，彭齊亞斯和威爾遜通過進行精準的測定後發現，它是一種絕對温度為2.7開爾文的電磁波。另外，他們還發現微波的強度與方向無關，具有精度極高的一致性（各向同性）。對於大爆炸理論而言，這是非常有力的實驗支撐。
COBE衞星繪製的宇宙微波背景圖。
自此以後，很多人逐漸開始接受了大爆炸理論。雖然我剛才提到微波的強度具有各向同性，但其實存在一個例外，即微波強度在某一方向上稍強而在其反方向上略弱。不過，由於我們的觀測器正以某一速度向宇宙空間中的某一特定方向運動，這樣一來正好可以巧妙地抵消掉絕大部分各向異性，剩餘的各向異性無論怎麼看也僅有萬分之一以下的偏差。其實，這樣高精度的各向同性為“宇宙最初發生爆炸時究竟發生了什麼”的問題提出了極其重要的限制條件，關於這一點我們暫且不談。
把想象的腳步邁近“大爆炸”零點
根據大爆炸理論，宇宙形成初期處於密度和温度都非常高的狀態。那麼我們不難想到，隨着時光倒流，宇宙的温度應該會越來越高，密度也應該會越來越大。
如此一來，處於各個時間點的粒子（當時的粒子是什麼東西，這也是個難題）撞擊時產生的能量會相當大，該能量絕對是我們利用在地上可建的任何加速器都無法達到的。我在為大家介紹基本粒子的時候提到過，中子和質子其實並不屬於能真正構成物質的基本粒子，我們需要考慮到更為基礎和微小的夸克。夸克間的作用力通過膠子的交換來傳遞，因此在宇宙形成的初期階段，極有可能出現過夸克、反夸克與膠子一同穿梭飛舞、宛如一鍋熱湯的時期。至於宇宙再往前的發展階段到底如何，就得充分發揮我們的想象力了。
《宇宙暢行》（丹麥）劇照。
當温度和密度都更高時，宇宙很有可能被某種形式的大統一理論所支配，該理論能統一弱力、強力和電磁力。接下來，讓我們試着把想象的腳步邁近大爆炸零點，假設靠近大爆炸零點的時間比10-40秒還短。這時候，在緊隨大爆炸零點之後的時間點上，基於對當時密度和温度的考慮，此時引力極有可能與其他三種力相同，都能寫入同一個基本方程式之中。在此，我們不得不考慮到當今的技術發展水平以及地球的規模等限制因素。以最新的技術——超導磁鐵為例，如今我們已經能夠製造出磁力高達10萬高斯的強力磁鐵。地球上半徑最大的圓為赤道，我們假設要在赤道上密密麻麻地佈滿10萬高斯的超導磁鐵，並讓攜帶正電荷的粒子與攜帶負電荷的粒子從相反方向各自加速後互相撞擊。
此時，由撞擊產生的能量要遠遠高於目前任何一個計劃實施的加速器實驗所能提供的最大能量。然而即便如此，與宇宙發生大爆炸初期時產生的撞擊能量相比，這也只能算是冰山一角，僅為當時總能量的千億分之一，我們必須明白在這二者間存在着巨大的差距。為此，當前我們正在開展相關實驗，試圖探尋那些形成於宇宙誕生初期且至今依然殘存在宇宙之中的粒子。
為什麼無法觀測到反物質？
反宇宙又在何處？
能否僅用一個理論來統括夸克、膠子、弱力、電磁力以及引力呢？研究者們正在熱火朝天地向該項研究發起挑戰。換言之，這項工作能描述出宇宙大爆炸初期的情況，並形成統一的理論。
近幾十年間，研究基本粒子的理論物理學家們專心研究宇宙相關問題的機會大大增加，他們把基本粒子與宇宙極其緊密地聯繫了起來。這是一種非常好的趨勢，我們對二者的認識和理解也因此取得了十足的進步。然而，如果我們回顧過去的宇宙觀測成果就會發現，宇宙中仍然存在着各種各樣的未解之謎。
例如，我們所説的“物質”只要能被觀測到就是可見的，而“反物質”因為無法被觀測到，所以就是不可見的，因此我們的宇宙看起來就像是一個只有物質而沒有反物質的世界。但是宇宙形成初期處於極度高温的狀態，當時的夸克與反夸克必然重複着成對產生和成對湮滅的輪迴。
雖然我們目前並不清楚宇宙在最初是如何誕生的，但堅信在宇宙形成初期肯定存在一種能統一各種力的理論，而且當時的對稱性維持得非常好。我們以鐵片為例。在大多數情況下，鐵被磁化後會變成磁體，所以此時鐵片會具有磁體的磁場方向。
這代表什麼意思呢？其實是鐵片中的所有方向原本並非完全相同，而在鐵片被磁化的過程中，磁場磁極的方向則變成了可以受到“特殊優待”的方向。也就是説，對於鐵片而言，空間上的各向同性是不成立的。不過，如果將磁化的鐵片加熱至某一温度（我們將該温度稱為“居里温度”）以上，那麼構成鐵的磁場的各個磁極就會分別朝向任意方向，整體則進入一種不指向任意方向的、沒有磁場的狀態。也就是説，鐵片在高温狀態下開始具有各向同性，從而具備了良好的對稱性。
電影《星際迷航3：超越星辰》劇照。
宇宙在形成初期温度極高，該温度甚至超出了我們在加速器實驗中所能到達的最高温度的1012倍以上，因此我認為當時的宇宙應該維持着所有我們可以想到的對稱性。如果事實果真如此，那麼當時在宇宙中反夸克的數量應該與夸克的數量相同，加之各種物質如果的確是由3個夸克組合而成，那麼在宇宙中就應該形成了數量相同的物質與反物質。
但是，這些我們看不見的反物質到底跑到哪裏去了呢？另外，那個尚未被人類發現的反宇宙又在何處呢？這些問題至今仍是未解之謎。
然而，無論提出怎樣的理論都無法解釋宇宙是如何從混雜於一處的正反物質中僅把物質和電子轉移到某處、把反物質和正電子轉移到其他地方的。如果正反物質彼此相鄰，那麼二者應該會在分界線處發生湮滅並釋放出γ射線。研究者們正在進行各種實驗以探尋這種γ射線，但是目前依然沒有取得任何進展。
雖然真相仍未水落石出，但我們可以肯定的是，從夸克與反夸克對稱的宇宙形成初期，到如今這個物質與反物質不對稱的時代，其間一定發生了某些事件才導致了這樣的變化。如今，美日兩國在致力於探明這一問題的加速器實驗中展開了激烈的競爭，不過雙方都尚未得到最終的結論。
暗物質究竟是什麼？
通過觀測宇宙，我們還了解到了一件奇怪的事情。在宇宙中，除了我們可以用光觀測到的物質以外，似乎還存在完全不發光的物質，而且它們甚至在宇宙整體中佔據了相當大的比例。我們將這些物質稱為“暗物質”。通過觀測某個星系，我們能根據來自該星系的光的量估算出該星系擁有的恆星數量以及各個恆星的質量，把所有恆星的質量彙集到一起便能得到整個星系的質量。
接下來，我們嘗試對圍繞恆星團外側旋轉的恆星進行觀測，可以根據光譜的譜線移動觀測到恆星的速度，也能判斷出它在靠近還是在遠離恆星團。於是，我們至少能獲知該恆星的運動速度，也可以在與恆星團中心相距任何距離的位置進行這種測定。
不過，與恆星團中心相距一定距離的恆星的運動速度取決於吸引該恆星的引力的大小。大量觀測事實表明，星系的整體引力，即星系的整體質量要遠遠大於根據發光恆星計算出的質量。
電影《星際迷航3：超越星辰》劇照。
那麼，“暗物質”究竟是什麼呢？這在宇宙學和基本粒子學領域都是一個重大的難題。有人認為，暗物質很有可能就是那些形成於宇宙大爆炸初期的、迄今為止我們從未見過的粒子。此外也有人認為，暗物質其實有別於“超弦理論”預言的那些能構成物質的粒子羣，它屬於只與引力發生相互作用的另一個物質羣。
這裏的“超弦理論”其實是根據芝加哥大學南部陽一郎先生的研究工作發展而來的。該理論認為，基本粒子不是點狀粒子，它們是由一維的線狀弦構成的。這一理論為構建引力的量子理論提供了可能性。
暗物質究竟是什麼呢？我認為今後的研究將會給出答案。
宇宙形成初期
一定以某種形式發生過暴脹現象
此外我還想提及一點，那就是幾乎所有的恆星都具有磁場。太陽也具有磁場，有時其內部的強磁場會浮現到太陽表面形成太陽黑子。當然，地球也有磁場。研究者通過觀測發現，在恆星間的空間內也存在強度較弱的磁場。那麼，星系與星系之間也存在磁場嗎？通過觀測後我們瞭解到，星系間的確存在磁場，只是磁場的強度更加微弱罷了。據研究者推測，超新星爆發後形成的中子星很有可能具有極強的磁場，它宛如一塊超強磁鐵。這是因為當物質處於極其高温的狀態下時，電子會脱離原子核，轉變為所謂的“等離子態”。等離子態下電子可以自由活動，所以等離子體是一種優良的導電體。從理論上可以明確的是，如果磁感線從等離子體中穿過，而等離子體又正好出於某種原因處於運動狀態，那麼磁感線就具有了跟隨等離子體運動的性質。
一般而言，恆星都在自轉，與地球相同，其自轉軸不一定與磁場方向位於同一條直線上。根據麥克斯韋的電磁學原理，錯位的磁極經過旋轉，會隨着磁場的時間變化產生電場，粒子會在這個由強磁場形成的強電場的影響下加速，並飛速疾馳。因此，我們在地球上觀測到的宇宙線也許就是強電場加速後的產物。這種可能性逐漸浮出了水面。
1987年，大麥哲倫雲內曾發生過一場超新星爆發，當時形成的中子星應該具有很強的磁場。最近，有研究者公佈了相關數據，數據顯示該中子星似乎正在高速旋轉。如果事實果真如此，那麼中子星的旋轉速度越來越快也就不是什麼不可思議的事了。
電影《星際穿越》劇照。
理論物理學家們提出了“暴脹”的觀點。這種觀點認為，宇宙在極其“年幼”的階段生了相變。“相變”是一個不太常聽的詞語。其實，水逐漸降温直至結冰的過程就是一種相變。雖然“水”這種物質在成分上沒有發生任何變化，但液態的水和固態的冰在性質上卻有很大的差別。暴脹宇宙指的就是在宇宙形成初期發生了類似的變化。
那麼，宇宙發生相變的方式是什麼呢？在宇宙各個地方形成了新狀態的顆粒，隨着這些顆粒不斷增大，具有新狀態的區域也會逐漸擴大。由於對此的具體解釋目前尚無定論，所以在這裏我就不展開敍述了。總之，這種新狀態的“小氣泡”會急速膨脹起來。因此，研究者將該理論命名為“暴脹”。
宇宙會在某一階段終止暴脹，之後便進入一般意義上的宇宙膨脹階段。另外，當宇宙停止暴脹時，相變的潛熱A還會繼續對宇宙進行加熱。如果這種理論準確無誤，那麼就證明宇宙是從一個極其微小的部分急劇擴大而來的，在此之前產生的大量磁單極子在這一微小部分內的含量微乎其微。
除此之外，在這個微小的部分發生急劇膨脹後，其中的各個部位的狀態很有可能保持高度一致。如果能巧妙地研究暴脹結束時的潛熱加熱現象，將有助於解釋物質與反物質的非對稱性。雖然現階段圍繞宇宙暴脹理論還存在着諸多爭議，但在宇宙形成的初期，它一定以某種形式發生過暴脹現象，這一點是可以確定的。
回溯宇宙大爆炸：
“開放宇宙”與“封閉宇宙”
面對發生在久遠的、大約138億年前的宇宙大爆炸，我們不能只停留在理論分析的層面上。下面就讓我們試着一起思考，從實驗的角度到底可以回溯倒推出多久以前的宇宙形態。研究者普遍認為，大概在大爆炸的30萬年後，温度為2.7開爾文的微波開始在宇宙空間中自由穿梭。此時宇宙的温度約為4000開爾文，此前產生的離子，即H＋、D＋、3He＋＋和4He＋＋等與電子結合後形成中性原子，所以它們會停止吸收由宇宙高温產生的輻射。因此，通過實驗深入研究這種微波就可以推導出宇宙當時的形態。
研究者據此進行了研究後發現，星系大約是在大爆炸發生的1萬年之後開始形成的。由於中微子與光一樣，都不與物質粒子發生相互作用，所以它應該可以在宇宙之中自由運動。據推測，中微子現在的温度只有1.9開爾文，這是因為中微子僅與弱力發生作用，因此它與物質的分離速度要比光快得多。觀測這種能量極低的宇宙中微子非常困難，如果我們能成功捕獲這種中微子，就很有可能迫近大爆炸發生後的第1秒。
另外，研究者普遍認為，宇宙正是在這一時期發生了某種形式的暴脹。繼續向前回溯，當我們來到大爆炸發生後“萬億分之一的萬億分之一的萬億分之一的十億分之一”（10-45）秒內時，包括引力在內的所有力都由一個統一的理論支配，此時整個宇宙的直徑可能在1毫米以下。現階段的超弦理論能在何種程度上反映這一終極的統一理論，我們又該如何從實驗層面驗證超弦理論，這是當前物理學界的一大課題。
電影《星際穿越》劇照。
如果宇宙在演化過程中確實經歷過暴脹階段，那麼除了我們身處的宇宙之外，還應該存在很多由其他顆粒膨脹形成的宇宙。
我們耳聞目睹的“宇宙”，也許和無數個我們無法觀測到的宇宙一樣，只是宇宙的其中之一。
另外，雖然我們現在正在討論有關宇宙開端（即離大爆炸較近的時期）的話題，但也不得不思考宇宙的未來。既然物理學的目標是追求對自然現象的終極理解，那麼宇宙的未來也是物理學家想要掌握的內容。如果宇宙的整體質量並不是特別大，那麼在發生大爆炸後逐漸開始膨脹的宇宙，其膨脹速度很有可能會隨着時間的流逝而逐漸降低。由於物質的量不是很大，其產生的引力也不足，所以一旦“遠走高飛”的星系在某一時刻停止了遠離宇宙中心的運動，引力就無法將其拉回原處。我們將這樣的宇宙稱為“開放宇宙”。
與此相反，如果宇宙的整體質量十分巨大，那麼這些逐漸離宇宙中心遠去的星系，最終很有可能會在強大的引力作用下漸漸降低遠離的速度，而且遲早會停下來，之後會再次返回原來的位置，於是宇宙從某一時刻起將從膨脹轉向收縮。我們將這種宇宙稱為“封閉宇宙”。
區分以上兩種情況的分水嶺是具有特殊意義的宇宙質量。其實，要想對宇宙暴脹進行預測，宇宙就必須具有這一特殊的質量。如果宇宙從膨脹狀態轉為收縮狀態時人類還在生存繁衍，那時我們的子孫後代會構建怎樣的物理學體系呢？我只是這樣想想就覺得非常有趣。
本文節選自《幽靈粒子：透視未知的宇宙》，較原文有刪節修改，小標題為編者所加，非原文所有。已獲得出版社授權刊發。
作者丨[日]小柴昌俊
摘編丨何安安
編輯丨張婷
校對丨危卓