星汉灿烂，若出其里——宇宙起源

前言

五百年前，人类还为地球是不是宇宙的中心争论不休。通过对火星轨道的观测，尤其开始使用犀利的望远镜后，太阳是我们宇宙中心的事实，终于尘埃落定。望远镜也像魔镜一样，打开人类的视野，直直伸向几近无穷的苍穹。

01 运动的宇宙

爱因斯坦最为人知的当然是他的相对论。相对论中有个重要概念，就是能量和物质的转换。当时核物理尚未出现，离第一颗原子弹爆炸还有40年，他就先把原子弹的核心物理放在那，等以后的人类使用。

▲爱因斯坦画像 (图片来源于千图网）

他的理论说，能量E和物质静止时的质量m，可透过公式E=mc²互相转换(c 为光的速度 )。一小块东西如果完全依这个公式转变成能量，将巨大无比，是核能的来源。经由现代粒子加速器中实验证实，光能量也可称光子能量，和物质质量间的互相转换，的确有如阳光大道，畅通无阻。

爱因斯坦看得很清楚，物质和能量既然这么容易互相转换，那能量（即光子）也应像物质一样，受万有引力控制。飞在天上的东西最终会往地下掉，光自然也该朝有重力场的方向弯曲吧?

星光向太阳方向弯曲的现象，在1919年日全食时，扎扎实实地被人类测量到了。爱因斯坦的预言被证实，一夜之间使他成为人类有史以来最为人知的科学家。

这个物理实验，惊天地，泣鬼神!自此，光子与重力齐飞，能量共物质一色。

但到现在人们还常问，宇宙以强势的“大爆炸”拉开序幕时，就只有那么一团“热气”，看不到以后遍布宇宙的物质材料，像星星、月亮、高山、大海什么的，它们从哪来的呢?

问得好!

宇宙“大爆炸”上台时，全身披挂的就是那团电磁波能量的“热气”爆炸后膨胀，一膨胀就开始冷却、降温。在不同温度，经由能量转换特定质量的公式，开始将光能量转化为物质，制造出许多各类粒子和反粒子如质子和反质子，电子和反电子(正电子)等。重的粒子如中子，在温度约11亿度时，由能量转换成稳定物质。轻的如电子等，会在较低的温度稳定出现，皆按爱因斯坦给我们的物理定律现身和办事。

▲宇宙星云

宇宙大爆炸时的那团“热气”，没有爱因斯坦的能量和物质互相转换的理论，人类就无法知道宇宙中物质如何出现。爱因斯坦老早将理论摆在那等了好几十年，才被人类用在宇宙起源上。

爱因斯坦的光子能量，除了能由“热气”变成粒子外，还有另一个惊天动地的特性，就是，光子在宇宙中跑的速度恒定不变。

在爱因斯坦之前，19世纪的人类，认为光的传播需要介质或载体。水波要在水中才能传播，那么光也得需要介质，即以太(ether)，才能传播才是。光在以太中传播的速度，应和以太本身的速度有关。换言之，只要以太这类介质存在，光在以太中传播的速度就可快可慢。

于是人类开始辛苦地在宇宙中寻找以太，但最后竟然发现宇宙中没有以太这玩意儿。以太不存在，给了爱因斯坦灵感，就要求光在宇宙中传播速度恒定。( 作者注: 光速恒定，对测量光速的坐标轴有一定的要求，下文再讨论。)

速度一般以距离除以时间来计算。现在光速不变，那对距离和时间的要求就要放松。于是，爱因斯坦的相对论中，时间和空间都可伸缩，以达到光速恒定不变的要求。

牛顿力学中，空间是空间，时间是时间，两者之间没有瓜葛互动，只管自己，以绝对分离状态，亘古独立地流动。现在爱因斯坦要求光速恒定，时间空间都能伸缩，他更进一步把时间的一维空间和空间的三维空间缝织在一起。时间与空间混合，你中有我，我中有你，时空伸缩有序，太神奇了！

爱因斯坦一下子，又把人类带上了个更高大的宇宙平台。

爱因斯坦的宇宙表面看来和牛顿的一样，因万有引力都得向收缩塌陷的方向倾斜。爱因斯坦的相对论再伟大，还是不得不继承牛顿静止宇宙的魔咒，只好铆足了劲，让高速相对运转的天体紧急刹车，以期产牛静止宇宙的现象。于是，简单美丽的广义相对论公式，就硬被加上了一条无关的反重力场的“宇宙常数”( cosmological constant) 尾巴。

爱因斯坦的宇宙，是一个四维空间的时空几何结构，其中含有一般三维空间曲率概念。在每个计算中，曲率数值可预设: 膨胀(马鞍形)宇宙曲率为负值，收缩(球形)宇宙曲率为正值，不胀不缩(平直)宇宙曲率为零。爱因斯坦的相对论公式看起来简单，但实为一个4 x 4=16个公式同时成立的张量联立方程式(作者注:其中6个重复，实得10个独立方程式 )，要代代专家努力理论解读，应用于特殊案例，才能一窥天庭庙堂的奥秘。

比如“黑”也是广义相对论公式的特殊案例。史瓦兹西产德( KarSchwarzschild，1873-1916)以爱因斯坦相对论导出黑洞数学理论但爱因斯坦本人并不接受这类神秘天体存在的说法。又如，重力场在旋转天体附近，几何形状就会像水流涌进浴缸排水口一样，产生重力场涡流现象。专家们花了好大的力气，才从相对论中挖掘出这块瑰宝。而NASA要经过42年研发，耗资7亿7千万美元，在2004年才将“重力探测器 （BGravity Probe B)送上绕极太阳同步轨道，印证了爱因斯坦所说，旋转重力场会产生微小惯性陀螺方向的变化。

爱因斯坦的相对论，以整个宇宙为实验室，场面波澜壮阔，并不是盏省油的灯。用实验来验证相对论，动辄需耗资几十亿美元，费时数十载在目前金融海啸和国债泛滥的时代，经费和人力来源并不充裕，往往捉襟见时，只得咬紧牙关前行。

爱因斯坦的宇宙究竟是胀还是缩，就连他本人也看不清楚，只确定宇宙中的天体是动态的。但在1915年前后，爱因斯坦仰望星空，看到的仍是牛顿静止宇宙的紧箍咒，魔法依旧高悬。

其实，爱因斯坦相对论呈现出来的宇宙，和牛顿的绝对静止的宇宙在概念上是不同的。牛顿的天体，得完美地、坚固地安排在一个无穷大和无穷久的宇宙中。而爱因斯坦的宇宙，是一个在动态下平均值为静止的宇亩。这好比纽约第42街时代广场上的人潮，人来人往，摩肩接踵，移动不止，各向目的地前行。但仔细观察，往北走的和往南走的人一样多，往东的也和往西的同数，并且大家行走的速度差不多。如果把所有行人的速度正负加起来平均一下，可能离零速度不远，这就是爱因斯坦想要达到的一个在动态下静止的宇宙。

爱因斯坦和牛顿得到相同结论: 别跟天斗，一动不如一静，还是谨慎为妙。

略微不同的是，牛顿遇到难题时求助上帝救援，而爱因斯坦比较牛决定自力更生，在他的理论中，加上了一条反重力场的宇宙常数尾巴，企图以人类发明的物理定律来平衡宇宙，自求多福。

02 对宇宙大爆炸的理解

以现在“暴胀”理论的理解，138亿年前，宇宙起源时有个大爆炸事件。爆炸前的宇宙超小，光能轻易横渡，整个宇宙之光亲密接触、混合搅拌，形成超均匀状态。爆炸开始后的10⁻³⁵至10⁻³²秒间，宇宙以奇高无比的“伪真空”( false vacuum )量子振荡能量，以超过光速1亿亿亿倍的速度，一下子把宇宙“暴胀”了至少近1亿亿亿倍。

▲宇宙膨胀

暴胀速度太快，超均匀的光波没有时间调整，依然以超均匀状态存在。暴胀后，宇宙半径暴增，像一个被膨胀成几近无穷大的气球一样，在有限的范围内，气球表面就像一个平面，见不到弯曲度。故“暴胀”理论能合理解释我们宇宙中呈现的电磁微波超均匀和宇宙平直的现象。

暴胀后的宇宙，充满了高能量的光子、电子、中微子、质子、中子以及它们的反粒子等，在极高温下，形成原始混沌的等离子体，光子和电子质子之间这推不停，产生了声波振荡。宇宙继续膨胀、继续降温，转眼37.6万年过去了。等到宇宙的温度降到3000K，电子速度够慢了，就被质子逮个正着，中性氢原子出现了，等离子体随着就没电了，光子推不到质子和电子，声波振荡就戛然而止。光子没有电子和质子挡路，在最后刹那间，就以电磁微波记录下宇宙37.6万年时的天空形象，然后跟随膨胀的宇宙同步起舞，138亿年后，被贝尔实验室的大耳朵听到。

而不带电的中性材料，在大爆炸后宇宙留下的量子起伏的胎记诱导下开始朝物质多的方位凝聚。2亿年后，重力场终于引发了氢转氦的核变，发出了第一道光，星星出现了，星系不久后跟进。宇宙又继续膨胀了136亿年，展现出当下温柔平直的星空，璀璨瑰丽，供你我欣赏赞叹。

简单地说，我们的宇宙，就是这么起源的。

1965年宇宙电磁微波被发现后，狄基马上判断微波属于黑体辐射，并从人类能在宇宙活得好好的事实臆测，宇宙应有温柔平直的几何特性。斯穆特认定宇宙目前众多星系凝聚，包括人类生命立足地地球，微波中应含悲天悯人的不均匀的原始胎记。黑体辐射和不均匀部分的侦测，只能到天上去做。

第一代宇宙微波测量卫星证实了黑体辐射，并测量到宇宙的不均匀部分。数年后，经由地面对超新星的观测，发现了神秘的暗能量。再快马加鞭，从南极洲气球实验，测量出宇宙一直是在一个平面上膨胀，温柔平直的宇宙终于在20世纪末定案。21世纪初发射的第二、第三代宇宙微波卫星以节节攀高的分辨率，更精确地测量了宇宙的平直度，并打开和我们宇宙外的宇宙沟通的管道。

我们的宇宙，在震慑的超均匀中，含有慈悲的不均匀内涵，使脆弱的人类生命有立足之地。而不均匀的分配图形，刚好提供了平直几何特性显现出宇宙温柔的一面。

正是，宇宙中有美妙的韵律和温柔的人性。

超均匀、不均匀和平直，都应是宇宙在起源时极高能量大爆炸的动作下，留下的原始胎记。这些胎记，携带着宇宙起源的奥秘。

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来源：大美科学

编辑：利有攸往