回到宇宙最初时刻的那一瞥

我们的宇宙大约诞生于138亿年前，那时发生的几乎所有事情对于现在的我们来说仍是未解之谜。我们不知道彼时的物质以何种形式存在，也不知道它们遵循怎样的物理规律。唯一可以确定的是，新生的宇宙与当今世界上的任何事物都几乎没有共同之处。

仅仅在很短的一瞬间（约

秒左右）之后，引力就开始表现出我们今天所熟悉的性质，而其他的几种基本力（电磁力、弱力和强力）在当时仍然与现在所看到的大不相同。之后发生的事情完全超出了我们的想象。

[图源：Makeagif.com]

从宇宙大爆炸之后的

秒左右开始，我们的宇宙开始以比之前更快（不只是快了一点点，是快了很多很多）的速率膨胀。这个阶段的膨胀速率实在太快，几乎就在一瞬间，我们的宇宙发生了彻底的改变。在这个被称为宇宙暴胀的时期，宇宙的体积在短短

秒的时间里增长了

倍。在这一膨胀过程中，所有物质以远超光速的速率彼此远离。

当暴胀结束时，每一个粒子都成为独立的个体，其周围是一大片向四面八方延展开来的广阔的真空。紧接着—仅仅是很短很短的时间之后—整个宇宙空间中又再次充满了物质和能量。我们的宇宙重获新生，迎来了新的开始。

在万亿分之一秒之后，已知的4种基本力诞生了，并且其性质与今天我们所观察到的极为相似。尽管在这一时期，我们宇宙的温度和密度都在急剧下降，但仍然是高得让人难以想象—宇宙空间中的温度大约是

摄氏度。像希格斯玻色子以及顶夸克这样的奇异粒子与电子和光子一样普遍存在，宇宙中的每一个角落都充满了由夸克和胶子构成的稠密等离子体以及多种其他形式的物质和能量。

在宇宙的膨胀又进行了百万分之一秒之后，我们的宇宙冷却到足以让夸克和胶子结合在一起，第一批质子和中子就此诞生。在随后的几分钟内，许多质子和中子聚合到一起，形成了第一批原子核。在这一时期，我们的整个宇宙就像是一颗现代恒星的核心，不过这种情况也没有持续太久。随着宇宙空间的进一步扩张，温度也在持续地下降，这导致宇宙每分钟都在发生着剧烈的变化，但后来就减缓到每小时，乃至每一天。几十万年后，我们的宇宙冷却到只有几千摄氏度。大约就在这个时间段，电子开始与原子核结合，形成了第一批完整的原子。

在引力的影响下，物质团块开始缓慢而平稳地坍缩，这促成了恒星和星系的诞生。根据我们的估算，第一批恒星大约出现在大爆炸之后2亿年，这些早期的恒星比我们今天看到的恒星要大得多，寿命也短得多。直到现在，我们的望远镜才勉强能够捕捉到这些新生恒星的图像。我们的太阳以及太阳系大约诞生于大爆炸后92亿年，在整个宇宙中算是晚辈了。今天，已经138亿岁的宇宙仍然在继续膨胀、冷却并演化。一路走来，宇宙经历了多个时期的岁月洗礼，有着一段波澜壮阔的过去。在遥远的将来，它也必将迎来全新的时代，发生许多我们能够预见或是难以预料的变化。

宇宙诞生的历程。[图源：NASA]

无论从什么角度来看，宇宙学在过去这个世纪都取得了令人瞩目的成就。一百年前，我们对宇宙遥远的过去一无所知，当然也对它的起源一无所知。但是基于爱因斯坦对于时间和空间提出的观点，天文学家发现我们的宇宙正在膨胀。到了20世纪60年代末，我们有了充足的证据可以表明，宇宙在一百多亿年前从被我们称为“大爆炸”的高温、高密度的状态中诞生。人类第一次开始了解宇宙的起源。

不过我们的了解还并不全面。如果回溯得再久远一点儿——回溯大爆炸发生后最初的那几秒钟内甚至大爆炸后一瞬间发生的事情，我们手中就没有任何可供参考的相关直接观测结果了。我们对于这一时期知之甚少，它至今仍然藏身于难以逾越的能量、距离和时间之后。

其中最著名的谜团也许是暗物质。天文学家和宇宙学家已经非常精确地确定了我们的宇宙中有多少物质，他们还发现有很多物质并不以原子的形式存在。经过数十年的测量和争论，我们现在确信，宇宙中的大多数物质并不是由原子或是其他任何已知物质构成，而是由某种不能辐射、反射或是吸收光的物质构成的，这种物质被称为暗物质。

在过去的几十年里，物理学家一直致力于一项雄心勃勃的实验计划，试图揭示这种物质究竟是什么，又是怎样在大爆炸中形成的。尽管物理学家最初对此非常乐观，但是我们现在仍然对暗物质及其性质一问三不知。

不过，有科学家认为，暗物质在宇宙中形成了一种微粒状而且超长的暗物质流，而星球的引力很可能将这些暗物质流转变成狭窄的“毛发”（hairs）。[图源：https://www.nasa.gov/image-feature/jpl/pia20176/dark-matter-hairs-around-earth]

即便是“普通”物质的起源也尚存在一些未被摸透的秘密。虽然质子、中子和电子以及它们构成的原子都可以很简单地通过为人们所熟知的过程创造出来，但是这些过程也会创造出等量的更为奇异的粒子，即反物质。当物质粒子和反物质粒子相互接触时，两者都会湮灭。那么为什么我们的宇宙中物质如此之多，而反物质却如此之少呢？或者换句话说，到底为什么会有物质存在呢？如果物质和反物质在大爆炸带来的高温中等量产生（我们目前所知的物理学理论所做出的预测正是如此），那么几乎所有的物质在很久以前就已经全部被毁灭，宇宙中基本不会留下多少原子。

然而现在，我们周围到处都是原子。不知怎么的，在宇宙诞生后不到一秒的时间里，产生的物质就比反物质更多了。我们不知道这一事件是如何发生、何时发生的，也不明白其背后的机制，但是早期宇宙中的某些条件就这么莫名其妙地使原子（以及包括生命在内的所有的化学物质）的种子得以在大爆炸的高温之下幸存下来。

[图源：scitechdaily.com]

再往前回到更为久远的过去，我们就会遇到也许是宇宙所有的奥秘中最有趣的一个事件。为了理解我们所观察到的宇宙，宇宙学家不得不得出这样一个结论：在宇宙形成的最初阶段，它一定经历了一个短暂的超高速膨胀。尽管这一暴胀时期持续的时间大概只有一秒的亿分之一的亿分之一的亿分之一的亿分之一，但它却彻底地改变了我们的宇宙。从各种意义上来说，我们可以把暴胀的结束视作我们所生活的这个宇宙的真正的开端。尽管宇宙学家已经找到了许多令人信服的理由能够证明暴胀确实发生过，但是他们仍然对宇宙早期历史中的这一关键时期知之甚少。

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在这本书中，我将带你游览宇宙的初生时刻。我们将从爱因斯坦对于空间和时间的本质的革命性观点开始，看看我们是怎样从这些想法推知宇宙发端于如今被我们称为宇宙大爆炸的高温、高密度的状态的。我将尽我所能，解释我们如何利用从望远镜到粒子加速器的各种工具来了解宇宙的早期历史。在那之后，我们会将讨论重心再次转到那些有关宇宙初生时刻的问题上。为何我们的宇宙中，物质如此之多而反物质如此之少？暗物质是如何形成的？我们的宇宙似乎经历过一场短暂的超高速膨胀，但这为什么会发生，又是如何发展的？它与我们的宇宙现在再一次加速膨胀有关吗？

这本书中处处是未解之谜，因为我们目前所掌握的就只有这么多。但是，现在的谜团就是未来的发现。在新的数据、观测和观点的支撑下，我们已经准备好阐明那些最令人困惑的问题。有了这些新的进展，我们将比以往任何时候都更加深入、更加清楚地看见过去——更加靠近时间的边缘。

*本文节选并删改自中信出版·鹦鹉螺《时间的边缘》，丹·胡珀著，柏江竹译，2021年1月。