[一口读书]为何由大爆炸诞生的宇宙一片黑暗

by Seo Miteum

Published 18 Oct.2023 09:00(KST)

编辑者注有的句子本身就概括了整本书的内容，有的句子则能一下子触及读者内心，成为读者与一本书之间的接点。本文从书中摘录并介绍这类富有意义的句子。

据悉，宇宙在138亿年前的大爆炸中诞生。大爆炸之后宇宙中发生的诸多变化，长期以来一直是科学家关注的焦点。本书记录了科学家们试图解释大爆炸之后瞬间的种种努力，这是在人类未知世界中寻找答案的尝试。通过爱因斯坦的相对论，人类发现了宇宙正在膨胀这一事实，但“究竟为什么”这一问题至今仍未找到答案。构成宇宙95%的暗物质和暗能量也依然是未知领域。作者在寻找答案的过程中，用浅显易懂的语言梳理了宇宙学的发展大势。

通过本书，我将引导读者踏上一段前往我们宇宙最初瞬间的旅程。我们将从爱因斯坦关于时间和空间本质的革命性洞见出发，考察这一思想如何一步步发展，最终引向“宇宙诞生于一个炽热而致密状态的大爆炸”这一发现。同时，我也会尽力说明，人类如何借助从望远镜到粒子加速器等各种设备来探索我们宇宙的早期历史。在此基础上，我将重点聚焦那些令我们宇宙最初几分之一秒变得纷乱不清的难题、谜团和未解之谜。为何在我们的宇宙中，会偶然出现如此多的物质，却只有如此少的反物质？暗物质又是如何形成的？我们的宇宙为何以及怎样经历了一段短暂却急剧的膨胀？而这一切是否与当今宇宙再次出现加速膨胀这一事实存在关联？——第24～25页

然而，20世纪的物理学家们意识到，时间和空间并非那样单纯和简单。不同于亚里士多德、伽利略和牛顿，我们如今理解到，时间和空间可以发生变化并演化，可以具有形状，可以伸展、变形。时间和空间可以膨胀、收缩、缠绕、扭曲、断裂、弯曲、鼓起，甚至可以开启或终止其自身的存在。牛顿和伽利略甚至无法想象，人们在描述空间或时间时会使用这样的词汇。然而，宇宙学正是建立在这种充满动力、鲜活流动的时间与空间属性之上。——第36页

在爱因斯坦之前，人们眼中的宇宙是永恒不变、完完整整的样子。然而，如果宇宙可以发生变化，那么宇宙就会有一个开始，也许还会有一个终结。并非出于本意，爱因斯坦却将关于宇宙起源和历史的思考交付给了人类。——第52页

哈勃发现星系正在远离我们，而且这种速度与星系距离成正比，这一发现清楚地给出了宇宙正在膨胀并随时间而变化的第一条证据。这一事实蕴含着惊人的意义。凡是具有变化可能性的事物——例如我们的宇宙——无论如何都不能称之为恒久不变或永恒。而凡非永恒之物，就必然有一个开始，或者说必须有一个开始。科学家开始询问我们宇宙的起源，这是顺理成章的事情。——第83页

为了理解我们宇宙最初的那一刻，我们也会使用一些机器来再现遥远过去的物理条件。这些机器不是冰箱，事实上与冰箱恰恰相反。我们使用粒子加速器来再现大爆炸后约万亿分之一秒这一极早期阶段的温度，从而研究物质和能量在那时是如何行为的。我们无法真正逆行时间回到过去，亲眼目睹宇宙历史的第一个瞬间，于是只好在地球上重现一个大爆炸的微缩版。——第108～109页

正因为物质与反物质之间存在这种关系，我们才更难理解身边的世界。毕竟，如果我们的宇宙曾经充满了物质与反物质，而且物质与反物质总是成对产生、成对湮灭，我们就不得不问自己：这个世界为何最终几乎只剩下物质，而反物质几乎消失殆尽？反物质都去了哪里？又为什么物质没有和反物质一起消失？——第139～140页

虽然我们还不知道暗物质究竟是什么，或是由什么构成，但它极有可能是在宇宙最初的瞬间——大概在大爆炸后第一百万分之一秒之内——形成的。如果我们能够理解暗物质，不仅能了解暗物质本身的性质，还能获知关于我们宇宙极早期瞬间的种种信息。暗物质研究，本身就是关于这个世界起源的研究。——第169～170页

我们可以去许多地方寻找线索，但看起来最有可能的地点是我们银河系的中心。通过最高水平的观测和计算机模拟，人们发现银河系中心附近的暗物质密度相当高，因此有理由预期那里的暗物质粒子会以极高的速度相互作用并发生湮灭，而在湮灭过程中会产生巨量的伽马射线。——第202页

大型强子对撞机取得的结果从核心处撼动了粒子物理学。20世纪后半叶，粒子理论物理学家成功预言了多种粒子，而这些粒子随后在不断增强能量的加速器中被陆续发现，可谓一连串令人印象深刻的成功。然而，我们的洞见似乎已经走到了尽头。与超对称相关、早已被预言的那些粒子依然顽固地隐匿不现。也许超对称或某种类似的东西就近在咫尺，伸手可及，我们的信心也许很快就会恢复。但至少在当下，说我们尚不清楚该如何解决层级问题，不知道如何完成标准模型，也不了解暗物质如何嵌入我们宇宙的量子结构之中，这样的表述才是恰当的。——第231～232页

在“穿越空间”这一意义上，没有任何东西能够以超过光速的速度飞行，但空间本身并不受此限制。空间中相互分离的点，随着空间的膨胀而彼此远离，其速度可以取任意数值。结果就是，我们发出的光或信号永远无法抵达那样遥远的星系。而生活在那些遥远星系中的存在向我们发出的信号，也永远无法到达我们这里。由于空间不断膨胀，我们根本不可能与那样遥远的地方进行任何沟通，也无法看到那里，更无法以任何方式与之接触。那个地方完全脱离我们的观测，我们也无法对其施加任何影响。——第250页

随着宇宙学的发展，人们有越来越多的理由去考虑其他宇宙的存在。在这些宇宙中，许多可能与我们的宇宙截然不同，也有一些可能与我们的宇宙极为相似。无论哪一种情况，我所谈论的，都是一个与我们可经验的领域完全分离的世界——一个即便借助最强大的望远镜也无法企及的世界。——第283页

所幸的是，在我们的宇宙中，仍留存着许多尚未被利用的其他形式的信息。宇宙微波背景辐射形成于宇宙历史的一个特定时刻——大爆炸后约38万年——当时充斥宇宙的带电原子核和电子大多转变为中性的原子。自这一转变发生以来，中性原子一直在不断发射各种不同类型的光。对于下一代宇宙学研究者而言，研究我们宇宙及其最初瞬间的最有力工具，正是这片宇宙原子气体（atomic gas）所发出的光。——第338页