宇宙的最初三分钟：从基本粒子到大爆炸
宇宙的最初三分钟：从基本粒子到大爆炸
宇宙是如何诞生的？这个问题一直困扰着人类。本文将带你走进宇宙诞生的最初三分钟，从基本粒子和基本相互作用力出发，详细解析宇宙诞生后的不同阶段及其特征，包括普朗克时期、暴胀时期、自由夸克时期、核子形成时期和原初核合成时期。
上一节讲到，利用温度可以估算出，原初核合成大概在宇宙诞生三分钟后结束。换言之，宇宙就起源于这最初的三分钟（图2.21）。（脚注：1979年，美国著名物理学家温伯格出版了一本名为《最初三分钟》、专门介绍宇宙起源的科普书。本节的灵感即来源于此。不过在1979年，古斯尚未提出暴胀理论。所以温伯格的书只科普了大爆炸理论。）
接下来，我将会结合暴胀和宇宙大爆炸这两章的内容，为你呈现一部关于宇宙起源的“电影”。
为了让读者能更好地理解这部宇宙起源“电影”，我需要先介绍一些背景知识，即宇宙中的基本粒子和四种基本相互作用力。
图2.22就展示了宇宙中包含的基本粒子。构成常规物质的基本粒子包括6种夸克（上、下、顶、底、粲、奇异夸克）、6种轻子（电子、子、子、电子型中微子、子型中微子、子型中微子），以及它们的反粒子（其他属性都相同、只有所带电荷符号相反的粒子）。此外，还包括一些传递基本相互作用的粒子，包括传递电磁相互作用的光子、传递强相互作用的胶子，以及传递弱相互作用的粒子和。最后，还有一个2012年才被发现、能给其他基本粒子赋予质量的希格斯粒子。
这些基本粒子就是构成我们所熟悉的大千世界的基本“砖块”。举个例子。作为原初核合成原料的质子和中子，就是由夸克构成的。说得更具体一点，质子由两个上夸克（带正电，其电量为电子的倍）和一个下夸克（带负电，其电量为电子的倍）构成，中子则由一个上夸克和两个下夸克构成。
需要特别说明的是，上面仅仅是物理教科书上的说法，实际情况要复杂很多。我们在永恒暴胀的那一节讲过，真空中充斥着大量会短暂存在的实虚粒子对。类似地，除了固定存在的两个上夸克和一个下夸克以外，质子内部还充斥着大量会短暂存在的夸克—反夸克对。换言之，除了三个固定存在的夸克以外，质子内部还有一片由大量短暂存在的夸克—反夸克对构成的夸克之海。如果把质子比作一档综艺节目，固定存在的那三个夸克就是这档综艺节目的固定嘉宾，短暂存在的海量夸克—反夸克对则是它的飞行嘉宾。图2.23就展示了科学家眼中的质子内部结构图（红色大球是上夸克，蓝色大球是下夸克）。
除了这些基本粒子以外，宇宙中还存在着四种基本相互作用力，即引力、电磁力、强核力和弱核力（图2.24）。
引力是我们最熟悉的相互作用力。它是在有质量的物体之间普遍存在的一种互相吸引的作用力，其大小与物体间距离的平方成反比。引力还是唯一能在宇宙尺度上起作用的基本相互作用力。正是引力的存在，牵引着日月星辰的运转。
电磁力也是我们非常熟悉的相互作用力。它是处于电场或磁场中的带电粒子所受到的作用力。不同于只具有吸引效果的引力，电磁力具有“同性相斥异性相吸”的特点。正是电磁力的存在，维系着原子结构的稳定。
强核力和弱核力是我们在日常生活中很难接触到、仅作用于原子核内部的相互作用力。强核力是把质子和中子粘合在一起并形成原子核的作用力，弱核力是让原子核发生放射性衰变的作用力。正是强核力和弱核力的存在，保证了原子核结构的形成。
四种基本相互作用力的强度存在着极大的差别。如果让两个质子相距10^(-15)米，它们就可以同时感受到全部的四种相互作用力。为了便于比较，我们不妨把其中最强的强核力的大小设定为1。那第二强的电磁力的大小为1/137，第三强的弱核力的大小为10^(-6)，最弱的引力的大小为10^(-38)。也就是说，最弱的引力的强度，只有最强的强核力的100万亿亿亿亿分之一。
最奇妙的是，尽管这四种基本相互作用力的作用范围和相对强度天差地别，但它们很可能是同一种力的不同表现形式。只是随着宇宙温度的不断降低，这四种基本相互作用力才逐一分离开来（图2.25）。为了便于理解，你可以把它们想象成同一头大象的四个不同部位。
知道了宇宙中都有哪些基本粒子和基本相互作用力，接下来我们就可以播放宇宙最初三分钟的“电影”了。
在138亿年前的某个时刻，宇宙凭空出现。在此之前，没有时间、空间和物质，唯一存在的是真空。当然，它并不是一无所有的虚空，而是充满量子涨落、蕴含巨大能量的真空。在诞生的那一刻，宇宙的体积为0，而密度为无穷大，这就是所谓的宇宙奇点。目前，人类对宇宙奇点还一无所知。
诞生后0—10^(-43)秒，宇宙处于普朗克时期。在此期间，自然界中的四种基本相互作用力，即引力、电磁力、强核力和弱核力，都还属于同一种力，即超力（Superforce）。到了10^(-43)秒，宇宙温度下降到10^(32)K，此时发生了第一次宇宙相变（脚注：相变是指在某种临界条件下，事物从一种状态突变到另一种状态的现象，例如温度降到0℃时，水会突然从液态变为固态。），让引力从超力中分离出来。一般认为，要想准确地描述普朗克时期的物理，需要完整地量子引力理论。但时至今日，量子引力理论依然没有在真正意义上建立起来。所以，本书并没有从普朗克时期开篇，而是把下一阶段的暴胀作为这场宇宙时间之旅的起点。
诞生后10^(-43)—10^(-35)秒，宇宙处于暴胀时期。在此期间，宇宙从假真空环境跑到了真真空环境，由此获得的巨大能量推动了极早期宇宙的加速膨胀（即暴胀），从而一举解决了平坦性问题和视界问题。需要特别强调的是，推动我们宇宙进行加速膨胀的暴胀，很可能只是一场无比宏大、永不终结的永恒暴胀的一个小小的组成部分。这颗永恒暴胀的“苹果树”能制造许许多多的宇宙（超过个），我们所处的宇宙仅仅是其中之一。到了10^(-35)秒，宇宙温度下降到10^(28)K，此时又发生了第二次宇宙相变，让强核力也从超力中分离出来。
诞生后10^(-35)—10^(-10)秒，宇宙处于自由夸克时期。此时，宇宙已进入辐射为主的阶段。此外，宇宙中充斥着各种正反物质，主要是夸克、反夸克、电子和反电子。由于温度过高，这些夸克和反夸克都无法结合形成原子核，只能以自由夸克的形式存在随着温度的下降，正反物质将会发生湮灭。由于某种未知的原因，宇宙中正物质粒子的数量比反物质粒子要多10亿分之一。等正反物质互相湮灭后，这多出来的10亿分之一的物质，就逐渐演化成了我们今天看到的宇宙。到了10^(-10)秒，宇宙温度下降到10^(15)K，此时发生了第三次宇宙相变，即弱电相变，从而让弱核力和电磁力也分离开来。
诞生后10^(-10)—1秒，宇宙处于核子形成时期。在此期间，夸克在强核力的作用下互相结合并形成了大量的核子，也就是质子和中子。你可以把质子和中子想象成一个个的“牢房”，每个牢房里都关入了三个“犯人”，也就是三个夸克。这样一来，宇宙中的所有夸克都被收监在核子的牢房里，再也没有能在牢房外自由活动的夸克了。这个物理图像就是所谓的夸克禁闭。夸克禁闭直接导致了伽莫夫等人设想的那锅由质子、中子、电子、光子混合而成的热汤“伊伦”的形成。到了1秒的时候，宇宙温度下降到10^(10)K，随即开启原初核合成的进程。
诞生后1—200秒，宇宙处于原初核合成时期。在此期间，宇宙以质子（即氢原子核）和中子为原料，不断进行轻核聚变反应。到了3分多钟后，轻核聚变终止。此时宇宙中产生了氢、氦、锂元素，且氢和氦的质量之比达到3:1。这就解决了天文观测发现的轻元素丰度问题。
图2.26总结了这部宇宙起源“电影”的主要信息。我们以表格的形式，列出了极早期宇宙的5个主要阶段、相应的宇宙年龄和温度，以及相关的宇宙大事件。
人类之所以对宇宙起源有如此详细的了解，本质上是因为将粒子物理与核物理的知识应用到了宇宙。这种跨界的源头，正是伽莫夫和阿尔菲提出的大爆炸理论。时至今日，宇宙大爆炸已经成为公众知名度最高的科学理论之一。
不过有意思的是，宇宙大爆炸这个名字并非伽莫夫和阿尔菲所起。在这个名字流行开来以前，这对师徒一直把他们的宇宙起源理论称为伊伦理论。给他们的理论起这个名字的人，其实是伽莫夫的一生之敌。