南部阳一郎 透视宇宙：大约138亿年前 宇宙真的发生过大爆炸吗

作者小柴昌俊

何安安节选

“大爆炸宇宙学”

它是现代宇宙学中最有影响力的理论。根据这一理论，宇宙是由138亿年前一次大爆炸后密集而炽热的奇点膨胀而成的。1927年，比利时天文学家和宇宙学家勒迈特

最早提出BIGBANG假说。然后，在1929年，美国天文学家哈勃根据这一假设，提出了星系红移与星系间距离成正比的哈勃定律，并推导出星系相互远离的暴胀宇宙理论。

通过对星系间距离及其运动速度的逆向计算，研究人员得出结论，“所有星系都集中在大约138亿年前的一个点。”

“结论。“大爆炸”理论的粉丝坚信宇宙有一个从热到冷的演化历史。在此期间，宇宙体系不断膨胀，使得物质的密度从密集演变为稀疏，就像一场巨大的爆炸。爆炸初期，物质只能以中子、质子、电子、光子、中微子等基本粒子的形式存在。宇宙爆炸后，温度和密度迅速下降。随着温度的降低和冷却，原子、原子核和分子逐渐形成，它们结合成共同的气体。气体逐渐凝聚成星云，进而形成各种恒星和星系，最终形成了我们今天看到的宇宙。

宇宙真的是在大爆炸中形成的吗？显然，这种观点将人们分为两类。一派坚持大爆炸理论，另一派持相反观点，坚持稳态理论。主张大爆炸理论正确性的核心人物是美国物理学家伽莫夫，他为宇宙的诞生提出了更具体的模型。根据他的理论，宇宙原本是一个密度极高的中子团簇，在某个时刻开始膨胀。非常权威的天文学家霍伊尔认为这个理论是不正确的。他认为“我们的宇宙从无限的过去到无限的未来都会保持同样的状态。虽然星系之间的距离导致宇宙空的密度逐渐降低，但在密度降低的空间空会产生新的物质，可以弥补密度的不足，保持宇宙平衡稳定。这样，宇宙保持稳定。”

作为基础科学的一个研究领域，中微子天体物理在日本创立。在《鬼粒子》中，诺贝尔物理学奖获得者小柴昌俊解释了基本粒子的发现、恒星的结构和演化等。通过拍摄中微子，一个连接微小粒子世界和大宇宙的“幽灵粒子”，从实验的角度展现了物理学对深层自然奥秘的追求和探索。小柴昌俊指出，二战期间，雷达技术得到了突飞猛进的发展，研究人员利用雷达技术取得了一些重要发现，尤其是“微波”的发现，为“大爆炸”理论提供了非常有力的实验支撑，从而使这一理论逐渐被人们所接受。

伽莫夫，美国物理学家。

伽莫夫把这个高温高密度的中子群命名为“伊伦”。一旦“埃隆”开始膨胀，随着密度的降低，一些中子会衰变为质子和电子，而同时产生的反电子中微子可能会直接“飞走”。在这种情况下，质子的正电荷会捕获电子并将其放在质子周围，从而形成氢原子。同时，质子会进一步与中子碰撞结合，形成一种叫做氘的粒子。如果粒子与另一个中子结合，就会形成氚核。另外，氘和质子碰撞结合，形成氦-3的原子核，当粒子吸收中子后，就会变成普通的氦核——氦-4。

如上所述，从初始中子数产生质子和氦核是非常自然和简单的。伽莫夫认为，结合大量中子可以产生更高质量的原子核，并为此进行了相关的模型计算。但由于计算过程中的障碍和困难，Gamow未能得到固定的模型。

但是，当时有理论指出，如果宇宙在形成之初就处于极高的温度和高密度，那么一定存在相同温度的高能电磁波。随着宇宙的膨胀，物质的密度逐渐降低，电磁波的能量也随之衰减。电子被原子核捕获并转化为电中性原子，因此光应该能够自由传播，而不会与物质粒子发生任何相互作用。

根据大爆炸早期的理论模型，当时的研究人员提出了“当前宇宙空应该仍然充满自由扩散的电磁波”的假设。但由于当时计算精度有限，他们未能进行准确计算。在第二次世界大战中，雷达技术取得了快速进步。

战后，研究人员利用雷达技术取得了一些重要发现。首先，彭齐亚斯和威尔逊发现电磁波充满了宇宙空。在电磁波家族中，有一种电磁波叫做“微波”，彭齐亚斯和威尔逊发现它是一种绝对温度为2.7开尔文的电磁波。此外，他们还发现微波的强度与方向无关，具有很高的准确性和一致性

。对于大爆炸理论来说，这是一个非常有力的实验支持。

COBE卫星绘制的宇宙微波背景图。

从那以后，许多人逐渐接受了大爆炸理论。虽然我刚才提到微波强度是各向同性的，但是有一个例外，就是微波强度在一个方向上稍强，在相反方向上稍弱。但由于我们的观测者在宇宙中以一定的速度向某个方向空运动，大部分各向异性都可以巧妙抵消，剩下的各向异性无论如何也只是偏差的万分之一不到。事实上，如此高精度的各向同性对“宇宙第一次爆炸时发生了什么”这个问题提出了极其重要的约束，我们暂且不谈。

让你的想象力更接近“大爆炸”的零点

根据大爆炸理论，宇宙在形成的早期处于非常高的密度和温度。那么不难想到，随着时间的推移，宇宙的温度和密度应该会越来越高。

这样，粒子在不同的时间点

撞击过程中产生的能量会相当大，这是任何可以在地面建造的加速器绝对无法达到的。我给大家介绍基本粒子的时候，提到中子和质子并不真正属于可以构成物质的基本粒子。我们需要考虑更基本更微小的夸克。夸克之间的力是通过胶子交换传递的。因此，在宇宙形成的初始阶段，很有可能夸克、反夸克、胶子一起来回飞，就像一锅热汤。至于宇宙的进一步发展阶段，我们必须充分发挥我们的想象力。

《宇宙顺遂》剧照

当温度和密度较高时，宇宙很可能被某种形式的大统一理论所支配，它可以统一弱力、强力和电磁力。接下来，假设接近大爆炸零点的时间短于10-40秒，让我们试着让我们的想象力更接近大爆炸的零点。这时，在大爆炸零点之后紧接着的时间点，考虑到当时的密度和温度，引力很可能和其他三种力是一样的，可以写成同一个基本方程。在这里，我们不得不考虑目前的技术发展水平和地球的大小。以最新技术——超导磁体为例，我们已经能够制造出磁力高达10万高斯的强力磁体。地球上半径最大的圆是赤道。我们假设赤道应该被10万高斯的超导磁体密集覆盖，带正电荷的粒子和带负电荷的粒子应该从相反的方向加速并相互碰撞。

此时，撞击产生的能量远远高于目前计划的任何加速器实验所能提供的最大能量。但即便如此，与大爆炸早期产生的撞击能量相比，也只能算是冰山一角，仅为当时总能量的百分之一。我们必须明白，两者之间有着巨大的差距。因此，目前我们正在进行相关的实验，试图探索在宇宙早期形成并仍然存在于宇宙中的粒子。

反物质为什么不能被观测到？

反宇宙在哪里？

我们能只用一个理论来概括夸克、胶子、弱力、电磁力和引力吗？研究人员急切地挑战这项研究。换句话说，这部作品可以描述BIGBANG的初始情况，形成统一的理论。

近几十年来，研究基本粒子的理论物理学家极大地增加了他们关注宇宙相关问题的机会，他们将基本粒子与宇宙紧密联系在一起。这是一个非常好的趋势，我们对两者的理解和认识也有了很大的进步。然而，如果我们回顾过去对宇宙的观察，我们会发现宇宙中仍然有各种未解之谜。

比如我们所说的“物质”只要能被观测到就是可见的，而“反物质”因为不能被观测到是不可见的，所以我们的宇宙看起来就是一个只有物质没有反物质的世界。然而，宇宙在形成的早期就处于极高的温度，而当时的夸克和反夸克必须重复成对产生和成对湮灭的循环。

虽然我们一开始不知道宇宙是如何诞生的，但我们坚信，在宇宙形成之初，一定有一种理论可以统一各种力量，并且很好地保持了当时的对称性。我们以铁皮为例。大多数情况下，铁被磁化后会变成磁铁，所以铁片此时会有磁铁的磁场方向。

这是什么意思？其实，铁片中的各个方向并不完全相同，但在磁化铁片的过程中，磁场的磁极方向就变成了可以受到“特殊优待”的方向。也就是说，对于铁皮来说，空之间的各向同性是站不住脚的。然而，如果磁化铁片被加热到一定温度，

以上，构成铁的磁场的每个磁极将分别面向任意方向，整体将进入无任何方向、无磁场的状态。也就是说，铁片在高温下开始各向同性，因此具有良好的对称性。

电影《星际迷航》剧照。

在形成之初，宇宙的温度极高，甚至超过了我们在加速器实验中所能达到的最高温度1012倍以上。因此，我认为当时的宇宙应该保持我们能想到的所有对称性。如果是这样，那么反夸克的数量应该和当时宇宙中夸克的数量一样。此外，如果各种物质确实由三个夸克组成，那么宇宙中应该会形成相同数量的物质和反物质。

然而，这些看不见的反物质去了哪里？另外，人类没有发现的反宇宙在哪里？这些问题仍然没有解决。

然而，无论提出什么理论，都无法解释宇宙如何只把物质和电子转移到一个地方，把反物质和正电子转移到其他地方。如果正负物质相邻，它们应该在边界湮灭并释放伽马射线。研究人员正在进行各种实验来探索这种γ射线，但尚未取得进展。

虽然真相尚未水落石出，但我们可以肯定的是，从夸克和反夸克对称的宇宙形成初期，到现在物质和反物质不对称的时代，一定是在这个时期发生了一些事件，才导致了这样的变化。如今，美国和日本在致力于找出这个问题的加速器实验中展开了激烈的竞争，但双方都还没有得出最终的结论。

什么是暗物质？

通过观察宇宙，我们也学到了一件奇怪的事情。在宇宙中，除了我们能用光观察到的物质之外，似乎还有完全不发光的物质，它们甚至在整个宇宙中占据了相当大的比例。我们称这些物质为“暗物质”。通过观察一个星系，我们可以根据星系发出的光量来估计星系中恒星的数量和每个恒星的质量，把所有的恒星放在一起就可以得到整个星系的质量。

接下来，我们试图观察围绕星团外侧旋转的恒星。我们可以根据光谱的谱线运动来观察恒星的速度，也可以判断它是在接近还是远离星团。因此，我们至少可以知道恒星的运动速度，也可以在距离星团中心任意距离处测量。

然而，恒星在距离星团中心一定距离处的移动速度取决于吸引恒星的引力。大量的观测事实表明，星系的整体引力，也就是星系的整体质量，远远大于从发光恒星计算出来的质量。

电影《星际迷航》剧照。

那么，什么是“暗物质”？这是宇宙学和基本粒子科学中的一个主要问题。有人认为暗物质很可能是BIGBANG早期形成的粒子，我们以前从未见过。此外，有人认为暗物质实际上不同于“超弦理论”所预言的能形成物质的粒子群，它属于另一种只与引力相互作用的物质群。

这里的“超弦理论”其实是根据芝加哥大学的南部阳一郎先生的研究工作发展而来的。根据该理论，基本粒子不是点粒子，而是由一维线性弦组成。这一理论为构建引力量子理论提供了可能。

什么是暗物质？我想未来的研究会给出答案。

在宇宙之初

通货膨胀一定是以某种形式发生的

另外，我还想提一下，几乎所有的恒星都有磁场。太阳也有磁场，有时候它的强磁场会出现在太阳表面形成黑子。当然，地球也有磁场。通过观察，研究人员发现恒星之间也存在一个弱磁场空。那么，星系之间有磁场吗？经过观察，我们知道星系之间存在磁场，但磁场的强度较弱。根据研究人员的推测，超新星爆发后形成的中子星很可能有很强的磁场，就像一个超级磁铁。这是因为当物质处于极高温度状态时，电子会脱离原子核，变成所谓的“等离子体状态”。电子在等离子体状态下可以自由运动，所以等离子体是一种优秀的导体。理论上，很明显，如果磁感应线穿过等离子体，并且等离子体由于某种原因处于运动中，那么磁感应线具有跟随等离子体运动的特性。

一般来说，恒星是自行旋转的，和地球是一样的，它的旋转轴不一定和磁场的方向在一条直线上。根据麦克斯韦电磁学原理，当错位磁极旋转时，会随着磁场的时间变化而产生电场，粒子会在强磁场形成的强电场影响下快速加速疾驰。因此，我们在地球上观测到的宇宙射线可能是强电场加速的产物。这种可能性逐渐浮出水面。

1987年，大麦哲伦星云发生超新星爆发，当时形成的中子星应该有很强的磁场。最近，一些研究人员发表了相关数据，表明中子星似乎在高速旋转。如果是这样的话，中子星越转越快也不是不可思议的。

星际剧照。

理论物理学家提出了通货膨胀的概念。根据这种观点，宇宙在极其“年轻”的阶段经历了相变。“相变”是一个不常见的词。事实上，水逐渐冷却到结冰是一种相变。虽然“水”的成分根本没有变化，但液态水和固态冰的性质却大不相同。宇宙膨胀意味着在宇宙形成的早期也发生了类似的变化。

那么，宇宙相变的方式是什么？处于新状态的粒子在宇宙的各个部分形成，随着这些粒子的增长，具有新状态的区域将逐渐扩大。由于对此的具体解释还没有定论，这里就不描述了。总之，这种新状态下的“小泡沫”会迅速膨胀。因此，研究人员将这一理论命名为“通货膨胀”。

宇宙会在某个阶段停止膨胀，然后进入宇宙的普遍膨胀阶段。另外，当宇宙停止膨胀时，相变的潜热A会继续加热宇宙。如果这个理论是准确的，它将证明宇宙已经从极小的部分迅速膨胀，而在此之前产生的大量磁单极子的含量非常少。

此外，在这个微小的部分迅速膨胀后，每个部分的状态很可能保持高度一致。如果能巧妙地研究膨胀末期的潜热加热现象，将有助于解释物质与反物质之间的不对称性。虽然目前围绕宇宙膨胀理论有很多争议，但可以肯定的是，在宇宙形成的早期，膨胀是以某种形式发生的。

回到BIGBANG:

“开放宇宙”和“封闭宇宙”

面对发生在很久以前，大约138亿年前的BIGBANG，我们不能只停留在理论分析的层面。让我们试着一起思考，从实验的角度来看，宇宙可以追溯到多久以前。研究人员普遍认为，大爆炸后大约30万年，温度为2.7开尔文的微波开始在宇宙中自由传播空。此时宇宙的温度约为4000开尔文，之前产生的离子，即H+、D+、3He ++和4HE++与电子结合形成中性原子，因此它们会停止吸收宇宙高温产生的辐射。因此，我们可以通过实验对这种微波进行深入研究，从而推导出当时宇宙的形态。

基于此，研究人员发现星系在大爆炸后大约一万年开始形成。因为中微子和光一样，不与物质粒子相互作用，所以它们应该能够在宇宙中自由运动。据推测，中微子的温度只有1.9开尔文，这是因为中微子只与弱力相互作用，所以它们与物质分离的速度比光快得多。这种能量极低的宇宙中微子很难观测到。如果我们能成功捕获这个中微子，它很可能会接近大爆炸后的第一秒。

此外，研究人员普遍认为，正是在这个时期，宇宙经历了某种形式的膨胀。回到过去，当我们来到大爆炸时，“十亿分之一万亿分之一，十亿分之一万亿分之一。”

在几秒钟内，所有的力，包括重力，都被一个统一的理论所支配。此时整个宇宙的直径可能还不到1 mm，目前的超弦理论能在多大程度上反映这种终极统一理论，如何从实验层面验证超弦理论？这是当前物理领域的一个主要问题。

星际剧照。

如果宇宙在演化过程中经历了膨胀，那么除了我们生活的宇宙之外，应该还有很多其他粒子膨胀形成的宇宙。

我们听到和听到的“宇宙”可能只是其中一个宇宙，就像无数个我们无法观察到的宇宙一样。

此外，虽然我们在谈论宇宙的开始，但我们必须思考宇宙的未来。既然物理学的目标是追求对自然现象的终极理解，那么宇宙的未来也是物理学家想要掌握的。如果宇宙的整体质量不是特别大，那么宇宙在大爆炸后逐渐开始膨胀的膨胀速度很可能会随着时间的推移而逐渐减小。因为物质的量不是很大，它的引力也不够，一旦一个“飞走”的星系在某个时刻停止远离宇宙中心，引力就无法把它拉回到原来的位置。我们称这个宇宙为“开放宇宙”。

相反，如果宇宙的整体质量巨大，那么这些逐渐远离宇宙中心的星系很可能会在强大的引力作用下逐渐减慢远离的速度，并且迟早会停止，然后再次回到原来的位置，所以宇宙会从某个时刻开始从膨胀转向收缩。我们称这种宇宙为“封闭宇宙”。

区分以上两种情况的分水岭是具有特殊意义的宇宙质量。事实上，如果我们想预测宇宙的膨胀，宇宙必须具有这种特殊的性质。如果宇宙从膨胀到收缩变化的时候，人类还在生存繁衍，那我们的后代会构建一个什么样的物理体系呢？我就是这么想的，很有意思。

本文节选自《幽灵粒子:未知宇宙的视角》，与原文相比有所删节和修改。字幕由编辑添加，不归原文所有。已获出版社授权出版。

作者是小柴昌俊

何安安节选

编辑张婷

校对是危险的