宇宙如何开始（5）

因此，1979年的一个十二月夜晚，理论物理学家艾伦·古斯特在思考缺失的单极子之谜时，偶然发现了一个非凡的解决方案。

一个不仅解决了自身问题，还解决了宇宙的视界问题和平坦性问题的机制，而不是逐渐在数十亿年内扩张到我们今天所见的辽阔程度。她提出了一个机制，通过这个机制，宇宙可以突然而几乎瞬间地膨胀到原始尺寸的很多倍，然后减速并继续以更线性的方式扩张。这种膨胀期间，宇宙将在不到一兆分之一秒的时间内倍增大约90倍，导致指数级的膨胀，从根本上改变宇宙的面貌。因为当指数级膨胀发生时，事物会迅速变得非常庞大。想象一下反复折叠一张巨大的纸，开始时厚度为一厘米，第一次折叠会使其翻倍到两厘米，下一次则会使其接近半厘米的厚度，第三次再次翻倍，现在它的厚度大约是指甲的厚度。到目前为止，还没有什么特别之处，但当你折叠到第七次时，单张纸的厚度已经达到整个笔记本的厚度。十次折叠时，它的厚度将与你的手的宽度一样。实际上，在2002年，一名美国女学生将一张纸巾折叠成长达1.2公里的一捆，厚度超过半米，创造了此实验的世界纪录，仅折叠了12次。如果可能制作和处理更大的纸张，进一步的折叠将使厚度成倍增加。23次折叠将使纸张厚约一公里，而30次折叠则足以将其从地球表面垂直升高100公里进入太空。42次折叠将使纸张到达月球，而51次折叠则足以到达太阳。81次折叠将使纸张的宽度与仙女座星系相当，约为141,000光年，而90次折叠相当于膨胀期90次倍增，将使那张巨大的纸张折叠成比整个室女座超星系团（横跨130 million光年）还要大的一堆。这种令人难以置信的膨胀是艾伦提出的针对整个宇宙的，仅在不到一兆分之一秒的时间内，在普朗克时刻和大统一时代混乱的湍流之后，这个炽热高密度的宇宙膨胀了超过十万亿倍，如果说有什么东西使宇宙大爆炸有了威力，那就是这个。宇宙一度似乎如此炽热、充满活力，现在变得巨大、空荡和寒冷。虽然看起来很激烈，但这实际上是一个优雅的解决方案，可以解决困扰宇宙大爆炸理论的三个问题，因为这种膨胀使我们有可能接受这样一个可能性，即我们看到的巨大宇宙实际上并不是全部，而只是可观测宇宙的一个气泡，其大小由光速、流逝的时间和自时间开始以来的膨胀所定义。由于膨胀和随后的扩张，我们可观测的气泡直径约为930亿光年，但它仍然只是整个宇宙的一小部分，而正是在这个无法看见的范围内，我们可以找到解决问题的答案。

热均匀性的地平线问题只有在我们所见到的均匀性应用于整个宇宙时才成问题，但膨胀理论允许宇宙的收缩部分包含极端的温度变化，然后在指数膨胀期间相互分离得很远。我们所观测到的宇宙的局部区域仅代表整体的一小部分，在膨胀之前与自身处于热平衡，并且可能与我们无法看到的其他部分存在着巨大差异。同样地，空间-时间曲率的平坦性问题只有在我们只看到一个微小部分时才是一个令人困惑的巧合，无法确定它是否适用于整个宇宙。这可能是一种视角的问题，从海岸上看，海洋的地平线似乎是平坦的，但只有当我们在地球上空飞行时，从更高的角度感知到更多的地面时，我们才能看到实际上它是弯曲的。更广阔的宇宙可能是正曲率、负曲率或两者的扭曲组合，但我们无法看到我们自己宇宙的边界以外。最后，磁单极子的缺失只有在我们假设它们在整个宇宙中不存在时才是一个问题，但如果它们存在于早期宇宙中，并且数量符合我们当前的模型预测，那么指数膨胀会使它们相互分离，直到它们分布到每个可观测宇宙中大约一个单极子。在一个直径为930亿光年的球体内寻找一个单一的单极子，我们尚未找到它也就不足为奇了。

宇宙膨胀理论现在已经成为我们对宇宙最早时刻的理解的一部分，天体物理学家自艾伦的启示以来已经花费了40年的时间来研究宇宙突然而剧烈膨胀的机制。这个戏剧性阶段的时机与能量下降和冷却的时间相吻合，这标志着基本力的宏观统一的结束和强核力的出现。一些科学家理论推测，电弱力传递的粒子衰变创造了一个由新的信使粒子“胀子”传递的强膨胀场。这种强大的新膨胀能量推动了宇宙的

生物也与我们共享双边对称性，从最大的鲸鱼到最低微的蠕虫，如果不是镜像对称的两倍，其他动物如海星和海胆更倾向于五个辐射对称的触角。科学家发现，进化明显偏爱这些平衡对称的形式，至少因为它们可以由比其他更复杂和非重复的几何形状更简单的指令构造而成。正是基于数学算法的简单性构成了整个自然非生命世界中发现的对称性。

在科学中，对称性的含义比日常使用更广泛，它表明某个事物是相同的，无论发生什么变化，从物理定律到能量和动量守恒，宇宙本质上是对称的，正电荷与负电荷平衡，一些粒子顺时针旋转，其他粒子逆时针旋转，如果你测量阿尔法半人马座上的重力强度，结果将与我们太阳系中的相同。然而，宇宙并不是完全对称的，就像人体在更仔细的观察中，心脏偏移一侧，宇宙的完美平衡也存在缺陷。有些粒子永远不顺时针旋转，而另一些永远不逆时针旋转，物质和反物质的数量存在不平衡，电场能够做到的事情磁场不能做到，尽管这两者在概念上是等效的，许多这些不平衡对于现实的运作至关重要，但它们并非一开始就是这样。

实际上，在宇宙学家认为的第一万亿分之一秒内，一切都是完美对称的，存在平衡，但随着力量的最终分离和涌现，一切都发生了变化，这将影响到很大程度上存在的质量。就像温度的降低预示着水从蒸汽到液态到固态冰的相变，从根本上改变了其性质，每个转变都减少了它的对称性，因此，在年轻的宇宙中，温度的降低引起了能量和填充其中的物质的相变，四个基本力最终完全分离并结晶为独立的实体，一个新时代的曙光出现了。夸克时代首次由物质的相互作用来定义，巨超新星UY Scuti可能是我们宇宙中已发现的最大单个物体，其直径比我们的太阳大约大1700倍，如果它位于我们太阳系的中心，其外缘将位于木星轨道之外，然而，就像所有的恒星一样，它几乎完全由宇宙中最小的粒子组成，即轻元素氢和氦的单个原子。氢是最小的原子，其名称源自希腊语中的“不可分割”一词，但通过20世纪初原子理论的革命，我们现在知道原子是可以分割的，这个事实导致了人类历史上一些最具毁灭性的武器的产生，尽管氢和氦很简单，但它们是由质子、中子和电子这些复合粒子组成的，这些粒子可以相对容易地被分离和操纵，但即使这些也不是最小的基本粒子，质子和中子本身是由更小的单位——夸克组成的，夸克的各种特性以及电子的特性最终决定了一切事物，包括巨超新星UY Scuti。对物质的基本粒子的搜索已经是物理学家的指导性追求已有200年的时间，揭示其中的内在结构需要大量的能量，只有通过将这些粒子加速到极高的速度然后相互碰撞来获得，通过检查这些碰撞的残骸，我们可以组成我们宇宙构建块的完整图像，这个图像被称为粒子物理学的标准模型，从理论上讲，它是我们解释为什么一切看起来是现在的宇宙的方式所需要的。如我们所见，正常物质由质子和中子组成，它们集体被称为强子，但它们本身由夸克的组合组成，每个夸克都有独特的特性，如质量、电荷、自旋，以及另一种称为颜色的属性，这是一个任意的名称，与颜色无关，但有助于解释它们如何结合成团，一个带正电的质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而一个中性的中子由两个下夸克和一个上夸克组成，但还有其他夸克，具有奇异、魅力、顶和底等奇特的名称，它们组合形成更奇特的复合强子粒子，这些粒子在物理实验之外几乎看不到，因此，尽管物理学家在这些实验中不断地将强子相互碰撞，力度不断增大，但他们并没有发现夸克是由任何更小的东西组成的迹象，它们似乎真的是兔子洞的底部。与此同时，绕着原子核轨道运动的电子似乎也是不可分割的，它们是一种称为轻子的粒子，尽管所有正常物质只用负电子就足够，但在粒子碰撞的残骸中可以发现奇特的变种，如μ子、τ子、各种中微子的变种，所以我们的标准模型包括12种基本的不可分割的物质粒子，六种夸克和六种轻子，以及每个粒子的反物质对应物和基本力的信使粒子，光子是电磁力的信使粒子，胶子是强核力的信使粒子，W和Z玻色子是弱核力的信使粒子，如果虚拟粒子存在于时空中传递引力，那么它仍然未被探测到，所以目前只有四个规范玻色子连接着物质粒子，描述了宇宙中的一切，至少几乎一切。然而，我们目前的模型中还缺少一个关键的部分，那就是质量，宇宙中的每个元素，从氢到钚，都有自己特有的质量，主要对应于其核中的质子和中子的数量，因此，一个原子的大部分质量来自于质子和中子，但当我们深入研究质量的最终来源时，我们并不看到这个情况，因为事实证明，一个质子的重量远远超过其部分的总和，一个质子内部的基本粒子是三个夸克，但这些夸克的质量只占质子整体质量的9％，其余的质量来自于核中储存的能量，来自于爱因斯坦所确定的能量和质量之间的奇特关系以及胶子的奇异量子相互作用，也就是强核力的传递者。因此，当我们重新考虑宇宙中所有正常物质的质量时，超过90％的质量实际上并不来自物质本身，而是来自于空间中的潜在能量和空虚，但夸克确实具有质量，这是一个独立的、不同于这种能量的东西，其原因长时间以来一直是一个谜。光子和胶子没有质量也能很好地存在，电子和中微子的质量甚至比最小的夸克还要小，而弱力的传递者W玻色子的质量甚至比一个上夸克还要重，甚至比一个完整的铁原子还要重，那么是什么造成了质量的巨大差异？为什么粒子会有质量？这是上世纪60年代困扰英国理论物理学家彼得·希格斯的问题，当时他在爱丁堡大学任教和研究。
(www.Ws46.com)