暴胀与粒子物理学家之介入_宇宙起源
“毫无疑问，再没有什么像司空见惯的东西那样不自然的了。”
引自《身份案》①
20 世纪 70 年代中期，宇宙学朝一个新的方向发展了。粒子物理学家开始逐渐介入。 1973 年，他们成功地找到了一种关于物质在极端条件下呈现何种行为的理论。先前，他们有关物质行为的思想曾预言，当能量和温度增高时，物质的相互作用应变得越来越强，描述起来也愈来愈复杂。因此，他们对于研究由大爆炸的第一秒钟所提供的环境并不十分起劲，他们觉得还存在着更紧迫而又有可能解决的问题。然而，他们成功地对基本粒子间的高能相互作用作出的新描述却具有这样的特征：随着温度的上升和能量的增大，相互作用变得较弱、也较为简单了。这种性质称为“渐近自由”，因为如果能量无限增大的话，那么在此渐近过程中粒子之间的相互作用就消失了，它们的行为就仿佛像处于自由状态下一样。
基本粒子物理学家已开始寻找将不同的自然力纳入某种单一的“统一理论”的途径。1967 年，温伯格（steven Weinberg）和萨拉姆（Abdus Salam）首先解决了电磁力和弱力（与放射性相伴的力）如何统一的理论。20 世纪 70 年代在欧洲核子研究中心发现了两类预期应当存在的新的基本粒子，从而出色地证实了上述理论。现在寻找的则是使强力也加入统一行列的理论，即包含上述三类力的某种“大统一理论”（见图 6.1）。
有关统一的这些尝试乍一看似乎是不会成功的，因为我们知道各种不同的自然力强度是极不一样的，它们对各种不同类别的粒子起作用。这些截然不同的东西怎么会是一回事呢？答案是：自然力的强度随环境的温度而变化。所以它们虽然在我们生活的低能世界中大不相同，但在我们所探索的高温条件下却会极其缓慢地变化。某些业已提出而颇有希望的理论预言（见图6.2）：这 3 种力在非常高的能量下——超过 1015 吉电子伏，相应于 1028 开的温度——应变得大致相等；该能量远远大于任何可以设想的地球上的粒子对撞机所能产生的能量，而与宇宙本身肇始之后约 10-35 秒所历经的能量相等。所以，我们也许可以凭借探索这些“大统一理论”导致的字宙学后果，来检验它们是否具有物理意义。此外，宇宙学家可能还会发现，有关基本粒子行为的这些新预言将能解释原先尚未阐明的宇宙性质。
大统一理论认为力的强度随温度的增加而变化，从而解决了今天具有不同强度的力的统一问题。它们必须解决的另一个问题是：不同的力作用在不同类型的基本粒子上。为了全面地统一所有的粒子，它们就必须能相互转化。这就要求存在质量非常大的新的传递物，这些重粒子仅在宇宙热得足以使它们由粒子碰撞而产生时才大量地出现。这类理论预期，几乎必不可免地会出现两类新粒子。第一类我们称之为 X 粒子，它似乎是一种神赐之物。人们预期它具有任何已知的物质基本粒子皆不具备的某种性质：它可以将物质转变为反物质。只有能够发生这样的转化，才有可能存在一组关于基本粒子相互作用的真正统一的定律。
① 参见第四章章首引文译注。此处引文系福尔摩斯对华生语，寓意为我们所见的宇宙具有一系列似乎很难自然形成的特征，见本章正文——译者 这一特征使这些大统一理论能够为宇宙中某种奇怪的“一边倒”现象作出解释。自然界中的每一种基本粒子都有一种“反粒子”，它们两者之间的诸多性质（例如电荷）正好都取相反的值，即具有相反的正负号，恰似一块磁铁的北极正好与其南极相反一般。虽然粒子物理学的实验室实验产生粒子和反粒子时两者是完全平等的，但当我们观看宇宙空间或者收集宇宙线时，却发现只有物质而没有反物质。宇宙仿佛是由物质、而不是反物质占着主导地位。使事情显得更加令人费解的是，如果物质不能转化为反物质的话，那么宇宙中物质与反物质数量的总体不平衡就永远不会改观了。于是，如果今天宇宙中物质占据主导地位——人们已观测到了这种不平衡性，那么为了对此作出解释，我们就必须对宇宙的开端有所了解。面对这一结论，科学家们反躬自问：会不会存在着某个更自然或更对称的状态，人们可以想象它是由某种迄今尚未发现的自然原理挑选出来的。唯一“自然的”初始状态看来就是物质与反物质均等的状态。但是，如果物质不能转变为反物质的话，那么这样一种状态就不可能转变为我们今天所见的“一边倒”状态，完美无缺的初始平衡必须被保留下来。
这样，新的大统一理论就要求 X 粒子来充当救星了。X 粒子和它们的反粒子以不同的速率衰变为其他形式的粒子和反粒子。结果，物质与反物质之间完全平衡（相同数目的 X 粒子和反 X 粒子）的初始状态，就可以通过宇宙极早期阶段中的这些衰变，而自然转化为某种“一边倒”的状态。
1978 年，人们研究了这一类型中为数众多，而各有差异的大统一理论，并弄清楚了阐明宇宙中已观测到的物质一反物质不对称性并非难事。这可是个好消息。它在 1977 年到 1980 年间唤起了粒子物理学家对于研究极早期宇宙的巨大兴趣。但是，也有一些坏消息，人们却多半对它视而不见。X 粒子只是整个宇宙在最初时刻必不可免地产生的两类粒子之一。X 粒子很快就衰变成了其他粒子——如夸克和电子（它们今天置身于我们周围的原子中），另一类粒子却是人们既不需要而又驱赶不走的。
这些多余的粒子称为磁单极。它在下述的所有尝试中都是不可避免的副产品：这类尝试欲将各种自然力统一到某种大统一理论中去，而这些理论则须得出一个与我们自己的世界相似、包含人们熟悉的电力与磁力的世界。由于和电与磁有着这种联系，就不能凭借对理论作点小修小补而将磁单极取消掉。人们必须找到某种途径，使磁单极在早期宇宙中刚一形成即被消除，因为没有观测证据表明它们存在于今天。更糟糕的是，如果宇宙中到处都有磁单极的话，那么它们最终对于今日宇宙之密度作出的贡献，就会比恒星和星系中所有普通物质的贡献大 10 亿倍，这不是我们生活于其中的宇宙。如此巨量的任何形式的物质都将使宇宙的膨胀迅速地减慢——其减慢速率要比实际见到的快上 10 亿倍。不论是星系，还是恒星，或是人，都不可能存在。问题是很严峻的。人们怎样才能摆脱这些讨厌的磁单极，或者压低它们的产量？答案是我们对宇宙的思考要开辟新的一章，并且彻底改变我们探究宇宙可能如何起源的方法。为了弄清其深奥精妙之处，我们需要进行这样的探索：我们今日所见的这部分宇宙来自何方？它过去是怎样的？这为何又使它今日的状态变得如此神秘？
当我们谈论宇宙时，我们必须小心地界定一种重要的差别。这个宇宙① 存
① （这个）宇宙，英文是 the Universe，即 universe（宇宙）首字母 U 大写，前面加定冠词，特指我们置身 在着，它就是一切。它可能是无限延伸的，也可能是有限的，我们对此并不知晓。还有一个概念是我们所说的“可见宇宙”（见图 6·4），它是（这个）宇宙的一个有限部分，从宇宙开始膨胀起，光已经有足够的时间可以从上述这个部分到达我们这里。我们可以把可见宇宙想象为一个半径约 150 亿光年的球，我们自己就在球心。随着时间的流逝，我们的可见宇宙尺度也增大了。对宇宙的科学研究，其观测部分仅限于对可见宇宙进行。为了超越这一范围，并对整个宇宙的性质说些什么，我们必须以不能由观测周围世界来检验的某种方式进行外推。
现在假设我们来回溯构成今日可见宇宙的那个区域的历史。它一直在参与宇宙的膨胀，因此它所包含的物质（多得足以构成今天的上千亿个星系）昔时必容纳在一个远较今日小得多的区域内。由于该区域的半径随膨胀而增长，所以按照众所周知而历经检验的热力学定律，该区域中辐射之温度反比于其体积而下降。这意味着我们可以利用辐射温度作为这一部分宇宙昔日大小的量尺。若其体积加倍，则其温度减半。
现在，让我们选一个非常早的时刻，在该时刻预期可以出现 3 种自然力强度的大统一。这是那样的一个时代：其时宇宙的温度高得足以产生 X 粒子和磁单极，因而具有确定的值；它相应于约 3×1028 开。这是宇宙开始膨胀后仅约 10-35 秒时的温度。
今天，即膨胀开始之后约 1017 秒，辐射的温度已下降到了 3 开。所以，自从那个早期时刻以来，温度已经改变了 1028 倍，今天的可见宇宙所包容的事物，当时容纳在一个半径比今日之可见字宙小 1028 倍的球中。可见宇宙今天的尺度由其年龄乘以光速而给出，约为 3×1027 厘米。因此，在大统一的时代，我们这个可见宇宙内的一切东西部包容在一个半径为 3 毫米的球内（见图 6.5）！这听起来小得惊人，但问题却在于这实际上是太大了。因为，从宇宙开始膨胀直到那时，光能够行经的距离是光速（每秒 3×1010 厘米）乘以年龄 10-35 秒，即 3×10-25 厘米。这是自从膨胀开始以来，任何信号所能传播的最大距离。它被称为视界距离。如果摩擦或其他起着平滑作用的过程正在熨平宇宙初始状态中的任何不规则性，那么视界就决定着任何时刻这种平滑作用的最大限度，因为它们的作用不可能快于光速。问题在于，后来膨胀成我们今天的可见宇宙的那个区域，在早先那个时刻不知比视界的尺度大了多少。这就产生了一种疑难和一个问题。
一种疑难是：要弄清楚，如果宇宙由大量彼此完全独立的分立区域构成（此处完全独立是指自从宇宙肇始以来，还没有足够的时间让光从其中的一个区域跑到另一个区域），那么我们又如何解释宇宙中不同地方、以及在天空中不同方向上的非常显著的规则性。如果没有足够的时间供热或能量发生转移以协调不同地方的状况，那么它们怎会具有相同的温度、膨胀速率、密度、以及相同的非均匀程度等等？我们似乎只能得出这样的结论：初始状态乃是到处都“创生”出同样的条件。
一个问题是：我们这些多余的磁单极“朋友”的遍在性。这些粒子出现在早期宇宙中微观能量场取向失配的地方。当宇宙年龄为 10-35 秒的时候，无论何处只要微观能量场的指向存在某种失配，那里就会形成一个稳定的磁单极。该时刻的视界尺度是 10-25 厘米，它向我们道出那些能量场可被排列、从
其中的这整个宇宙。下文中的“可见宇宙”原文是 the vishle universe，首字母 u 小写，涵义见正文——译者 而可以避免失配的限度。但是，在那个非常早的时刻，日后将膨胀成为我们的可见宇宙的那个区域要比该视界尺度大 1024 倍，故应含有极其大量的失配。结果，它将包含多得无法接受的磁单极。这就称为磁单极问题。
从这些细节回过来作一反思，并清理一下发生了什么事情，那将是很有教益的。物理学家已经建立了在极高的温度下物质表现出何种行为的详细理论。因此，这样的理论应该能用于宇宙史的最初时刻。当人们用它们来再现那些最初时刻时，便导致了一些激动人心的新见解。它们提供了解释宇宙何以变得偏爱物质而不是反物质的可能性。但与此同时，它们又预言了宇宙间存在着大量被称为磁单极、而其实并不存在的新物质粒子。预期存在如此众多的磁单极原因在于下述事实：今天的整个可见宇宙由那样的一个区域膨胀而来，后者在磁单极产生的时候，远比光从膨胀开始以来所能行进的距离大得多。物理学家们是如此倾心于物质处于高温下的这些理论所获得的成功，以至于在面临磁单极问题时不是放弃这些理论，而是将问题搁在一边，并继续探索它们的性质，以期出现柳暗花明的新局面。事情果然如此。
1980 年，一位正在麻省理工学院工作的美国青年粒子物理学家古斯（Alan Guth）突然想出一种解决磁单极问题的办法，并使大统一的想法可与我们有关宇宙的知识相兼容。从那时以来业已证明，古斯的暴胀宇宙概念乃是极早期宇宙研究中的焦点，并且它本身也已发展成一个新的分支学科，后者的主旨乃是研究可实现其基本思想的一切途径。
我们可以看到，磁单极问题乃是极早期宇宙中视界尺度过小造成的。大统一时期的视界尺度膨胀到今天也不过成为一个大小为 100 公里的区域。只要宇宙在较早的时期膨胀得较快，那么也许就能使像视界那样大小的区域膨胀为今天的可见宇宙所具有的尺度。这就是古斯的暴胀宇宙假说所提议的内容。它要求宇宙在极早期经历一个短暂的加速膨胀（“暴胀”）阶段。所需的这个阶段简直短极了——从 10-35 秒加速到 10-33 秒就可万事大吉。
如果出现这种加速，那么我们的整个可见宇宙就可以从早先光信号能到达的范围内的某一区域膨胀而来。它的平滑性和各向同性就变得可以理解了。但更重要的是，大量的磁单极将不复存在，因为我们的可见宇宙是从某个极小的区域膨胀而来，后者则小得只能包容一个导致磁单极的失配。磁单极问题是有可能解决的。
认识到这一点非常重要：这种方案并未制止磁单极的形成，也未能通过某种途径消除它们。所有的磁单极仍如原来设想的那样照样形成。事情只不过变成了我们的整个可见宇宙来自仅含一个磁单极（或一个也不含）的小区域。与此相似，我们观测到的宇宙的均匀性和各向同性也得到了解释：这并不是由于存在着某种新的机制抹去了所有的不均匀性，也不是由于存在着什么强令初始状态绝对秩序井然的原理，而是由于我们看到的只是一个极小的区域膨胀后的映象，这个区域小得足以在一开始就因那些将较热区域过剩的能量携往较冷区域的自然平滑过程而保持均匀。在我们目前的视界之外，依然可能存在着不均匀性。它们并没有披消除，而只是被清扫到了我们看不见的地方。
我们刚才已经看到，在膨胀宇宙的标准图景中作一点小小的修改所带来的好处，这种修改允许在宇宙的历史上有一个非常短暂的阶段，在此期间宇宙加速地膨胀。这听起来好像只是给预期的宇宙史作一个微不足道的注解，但是却具有意义深远的重大影响。先前，我们讨论了彭罗斯和霍金的奇点定 理，你还记得，它们是以下述假设为依据的：所有形式的物质皆对其他物质有引力吸引作用。这就要求给出宇宙中密度与压力之和的量 D 为正值。如果这一点成立，那么所有的膨胀宇宙就都会减速。无论它们开始时膨胀得多么快，也无论它们将永远膨胀下去、抑或最终将收缩到一次“大坍聚”，引力效应都会使膨胀渐渐变慢下来，因为所有的物质都将吸引作用施于其他物质。所以，要是你希望早期的宇宙经历一个短暂的加速膨胀阶段，那就必须使引力效应暂时变为排斥，因此量 D 也暂时变为负值。这便是暴胀宇宙假说的基础：它是对宇宙均匀性的一种解释，也是对磁单极问题的一种解决办法，它要求存在某种在大爆炸之后很快就能产生这一短暂的反引力阶段的物态。如果自然界中不存在这样的物质，那么这种理论也就失败了。但它确实是存在的，我们将在下一章中看到，宇宙中应该保留着某些残存的证据，作为过去那个暴胀时代的见证。
在 20 世纪 60 年代，人们相信完全有理由认为一切形式的物质都具有正的 D 值。20 世纪 80 年代，这一信念已被侵蚀到了这样的程度：如今宇宙学家们相信在高密状态下的物质一定经历着 D 为负值的条件。究竟因为发生了什么事情才造成了这种逆转？粒子物理学家再次为此开辟了新的可能性，他们的理论预言存在着能够经受极大张力的新型物质。这些张力相当于负的压力，它们的存在可以压倒正的密度，从而造成负的 D 值。倘若这些形式的物质当真存在，而不只是纸上谈兵，那么它们的强度就会随着宇宙的膨胀而极其缓慢地变化，并对这种膨胀施加排斥性的引力效应。宇宙的膨胀将开始加速。宇宙将会“暴胀”，直至与此有关的物质场衰变为 D 取正值而形式较为普通的物质与辐射。此时，膨胀将复归于标准的减速状态。这便是有关极早期宇宙演化的暴胀宇宙方案之精髓。它是为大爆炸宇宙膨胀图景写下的一条极其简短的注解。
对宇宙学家们来说，这种宇宙史图景的诱人之处是多方面的。我们已经看到它如何解决了磁单极问题，并使我们得以理解宇宙在我们今天观测到的最大尺度上的各向同性和相对平滑性。不仅如此，它还对可见宇宙的现状作出了两项进一步的预言，因此，如果它不对的话，我们完全可以舍弃它。
当加速膨胀阶段出现时，它持续的时间至少必须达到当时宇宙年龄的 70 倍，这样才能解决磁时间 单极问题。这就是从一个原先仅 1 毫米的区域成长为我们的可见宇宙所需要的时间。加速膨胀阶段的一个重要结果是，它确保了宇宙在一个很长的时间内持续膨胀，也就是说，这种加速使得该膨胀宇宙非常接近于区分永远膨胀的宇宙与终将收缩到某种“大坍聚”的宇宙之临界状态。这为我们的宇宙何以如此接近今天观测到的这种临界状态提供了非常出色的解释。
如果加速膨胀阶段的持续时间长得足以解释为什么我们未见到任何磁单极，那么我们就应该发现现时的膨胀与临界状态的差异不会超出百万分之一。这也就意味着我们应当发现宇宙的平均密度与每立方厘米 2×10-29 克的临界值相差不超过百万分之一。
有两点理由使人们对此发生兴趣。首先，如果这正确无误的话，那么它就意味着我们将永远不能确定我们的字宙是开是闭。我们的观测永远也不能将宇宙的密度确定到百万分之一的精度，因为不同地方的密度变异远比百万分之一大得多。但是，更容易使人发生兴趣的还是第二种含义：人们观测到的宇宙中的发光物质密至多为临界水平的 1/10。如果暴胀理论正确的话，那 么宇宙中的大部分物质就必须以某种不发光的形式存在，而不是存在于发光的恒星或星系中。这是一个受欢迎的结论，因为天文学家们久已为下述事实所困惑：他们观测到的恒星和星系的运动表明，它们的速度远比用邻近的全部可见物质施予的引力所能解释的快得多。看来，必定还存在着许多看不见的暗物质，它们的引力拉曳影响着我们所见到的运动。
我们对于这本账的第一个反应，就是假设在恒星和星系之间肯定存在着非常多的暗物质——也许以极暗的星、或岩石、气体、尘埃、以及其他小碎片的形式而存在，它们未介入形成发光恒星的过程。换言之，宇宙中的光分布图并不是物质分布的良好指南。我们对这种情况并不陌生。如果我们从大空中观望地球，并为暗黑的地面绘制一幅人工照明分布图，那么我们就会发现它并不能忠实地反映出地球表面的人口密度。与此相反，它倒有可能反映了财富的分布。西方的大都市也许会光耀夺目，第三世界的人口分布中心却可能相当昏暗。
遗憾的是，宇宙中的事情却未必如此直截了当。我们可能以为下述想法是言之成理的，即：宇宙中有大量普通原子物质和分子物质，它们随处散布，并以不发光的形式出现；但大自然的意见却与此相左。你还记得，有关膨胀宇宙的基石之一，乃是我们有能力详细预言宇宙年龄在 1 秒与 3 分钟之间理应出现的一系列核反应的后果。那些计算与氢、锂、氘、以及氦的两种同位素（氦 3 和氦 4）的观测丰度极为吻合。它们告诉我们，参与那些核反应的物质如今的贡献一定不超过临界密度的十分之一。如果核的密度大于此值，那么在大爆炸中摧毁这些元素的核反应就会进行得更快，从而使它们的丰度减少到低于今天的观测值。因此，如果宇宙具有隐匿着暗物质的临界密度，那么这些物质就不可能以普通原子和分子的形式存在；因为在普通原子和分子的原子核内包含着质子和中子，而质子和中子是参与核反应的。
由此，我们得出结论：如果发生暴胀，那么不仅暗物质的临界密度将在可见宇宙中占主导地位，而且暗物质必须以不参与核反应的形式而存在。这就意味着它必须以类中微子粒子（即与中微子相类似的粒子）的形式出现。我们在前面已经遇到过这些粒子，它们不带电荷，因而不受电磁力影响。它们也不受强核力的影响，只有引力和与放射性有关的弱力才能对它们起作用。
这些幽灵般的粒子对宇宙总密度的贡献取决于它们有多重。我们知道有 3 种不同类型的中微子，人们从未发现它们之中的任何一种具有非零的质量。不过，这样的证据并不是很严格的，因为中微子的相互作用极其微弱，所以很难做有关的实验，而且实验结果对于中微子可能具有的质量也是不很敏感的。但是，粒子物理学家还为我们提供了更多的东西。他们为致力于统一所有的自然力而建立的理论，预言存在着许多相互作用很微弱的其他的类中微子粒子（它们称为“大质量的弱相互作用粒子”，英文为 Weak1y In-teracting Massive Particles，取首字母缩略为 WIMPs），它们在地球上的实验室中尚未被探测到。日内瓦和美国的新一代粒子加速器和对撞机的目标之一就是发现一些这种类型的粒子。
如果 3 种已知的中微子具有质量——三者之和不超过约 90 电子伏（一个氢原子的质量约为 10 亿电子伏），那么散布在宇宙中的全部中微子所贡献的密度就会超过临界值，因而宇宙将会闭合，并且将来注定会归于坍缩，类似地，WIMPs 如果存在，并且具有 2 或 3 倍于氢原子的质量，那么它们的累积 密度就会超过使宇宙闭合所需的值。
如果宇宙主要由这些弱相互作用粒子的“海洋”构成，那么我们也许就会问：为什么我们不能直接探测它们，从而一劳永逸地解决问题呢？遗憾的是，如果暗物质以我们已知的中微子（它们即使具有质量也是微乎其微）的形式存在，那么我们就没有希望直接探测到它们。它们与我们的探测器的相互作用太微弱了。我们所能做的一切就是尝试在实验室中测量中微子的质量，预言这些粒子对发光物质之聚集成团应该起什么作用，对这种成团过程进行计算机模拟，并与观测进行比较以作检验。然而，如果构成暗物质的是WIMPs，那么事情就更加激动人心了。这些粒子要比人们所知的中微子可能拥有的质量大 10 亿倍，它们以远比中微子大得多的能量击中我们的探测器。事实上，要是暗物质的确由 WIMPs 构成的话，那么我们应该是有能力探测到宇宙中围绕着我们的这个粒子之“海”的。
现在英国和美国的几个实验小组正在建造地下探测器，希望能发现宇宙 WIMPs 海。当一个这样的粒子击中晶体内的一个原子核时，该粒子就会使这个原子核反弹，并因能量的积聚而使晶体稍稍变热，于是记录下一个信号。如果你为探测这些事件而监测 1 千克物质，那么你每天就应当发现大约 1 到
10 个事件。如果你能屏蔽掉所有其他的信号（来自宇宙线、放射性衰变、以及地球上其他事件的信号——否则它们就有可能把探测器淹没了），那就应该有可能确定 WIMPs 是否就在我们周围。将探测器深埋在地下可以形成这种屏蔽，再将它放在一个冷藏装置中，使它的温度下降到离绝对零度（相当于零下 273 摄氏度）只差百分之几度，并用吸收物质和传感装置将它围起来。
我们希望在今后几年中看到诸如此类实验的首批结果。它们有可能以意想不到的方式揭示有关宇宙的非凡事件。宇宙究竟是“开”是“闭”，也许就取决于最微小的物质粒子的性质，并且也许是在地球矿井的底部，而不是在注视天空的望远镜上确定这一点。巨大的星系团也许只是宇宙大洋中的区区一滴。也许多得足以使空间弯曲成闭合状态的那种物质，与我们业已在粒子加速器中探测到的物质，可能具有大不相同的形式。这将是有关我们物质宇宙状况的最后一次哥白尼式的大变革。我们不但不在宇宙的中心，而且甚至并不由在宇宙间占主导地位的那类物质构成。
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