文/老九
文章有點長，請耐心讀完，謝謝。
霍金昨日去世了，全球各界紛紛表示哀悼。我也把這篇文章發表出來，以表達我個人對霍金的悼念，以及對他和所有科學工作者的敬意。
斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942—2018），男，出生於英國牛津。1979年到2009年任英國劍橋大學盧卡斯數學教授，曾獲英國榮譽勳爵、英國皇家學會會員和美國科學院外籍院士、倫敦皇家天文學會的埃丁頓勳章、梵蒂岡教皇科學學會十一世勳章、霍普金斯獎、美國丹尼歐海涅曼獎、麥克斯韋獎、英國皇家學會的休斯勳章、愛因斯坦獎章、沃爾夫物理獎、沃爾夫基金獎等榮譽。是當代最偉大的物理學家之一、20世紀享有國際盛譽的偉人之一。
霍金的主要研究領域是宇宙論和黑洞，證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理，提出了黑洞蒸發理論和無邊界的霍金宇宙模型，在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步。因此，我要寫這樣一篇滿是廢話的文章。
斯蒂芬·霍金
另外，我本來是要試圖介紹一下當今宇宙學的，但是由於我們認識的兩大前沿——物質基本組分的微觀世界與恆星和星系的天文世界——近年來以始料未及的方式匯合到了一起，所以難免要涉及到粒子學說，故而，本文的題目稱作“關於天體-粒子物理學的廢話”。相信這是可以理解並可以諒解的。
提到宇宙的起源，人們自然會想到大爆炸假說。雖然在這個假說之前，人們早已經提出過各式各樣的解釋，但顯然它們都一一敗在了實證主義的科學麵前。
大爆炸假說是目前唯一與實際觀測吻合的較為一致的假說，因而也是被宇宙學家們普遍接受的一種假說。該假說認為宇宙最初是一個質量無窮大，體積無窮小的緻密的點，後來，該點發生了爆炸，各種物質被噴發出來，從而誕生了宇宙。最初，人們並不認為這種假說是可能的，雖然在這之前人們已經接受了宇宙是膨脹著的這一觀念，而大爆炸必將產生一個非靜止的宇宙。
自古以來，包括偉大的牛頓，沒有誰認為宇宙不是靜止的，事實上，太陽也始終保持它跟地球的距離不變。然而，僅僅根據牛頓力學，我們就可以預知：除非有某種別的力介入與引力抗衡，呈靜態分佈的恆星和星系之間的引力將會使它們相互落到一起。唯一的其它可能是，它們也許受到某種爆發的驅使而具有某種初速度，並相互分離。
然而，當時沒有人能一眼看透，甚至連愛因斯坦根據他自己的廣義相對論推算出宇宙不可能靜止的時候，也懷疑自己犯了錯誤。於是，他引入了一個“宇宙學常數”，通過這個常數的存在，就會得到一個靜態的宇宙模型——其中的斥力恰好與引力的吸引相平衡。然而這是不可能的，引入斥力的“宇宙學常數”是沒有意義的。一個靜態的宇宙就如同一根豎立著的針，只要對它作微乎其微的更動，它就會偏離開它的平衡，而變得要不就膨脹要不就收縮。多年以後，愛因斯坦把他的“宇宙學常數”稱為“我一生中的最大失策”。
夜空中的銀河
1929年，愛德溫·哈勃發現，來自星系的光呈現某種系統性的紅移，這意味著光源正在離開我們遠去，也就是說，宇宙正在膨脹。如果我們沿著時間回溯，宇宙中所有的物質都將聚攏到一起。大爆炸假說也正是按照這樣的思路從20世紀30年代起步。
把宇宙中如此眾多的物質聚攏在一起，其強大的引力，必將摧毀一切物質結構，使之處於一種粒子狀態並且既熱且密。如果宇宙果真肇始於此，那就應該留下某種從這個爆發式的開端灑落的輻射。
1965年，彭齊亞斯和威爾遜發現了“宇宙微波背景輻射”。這種輻射相當於在電磁波譜的微波部分波長為7.35釐米的某種無線電波信號；如果假設它是熱輻射，那麼它所具有的能量相當於2.7K的溫度——這與1948年阿爾弗和赫爾曼富於靈感的估計非常接近。
美國國家宇航局的宇宙背景探測器（COBE）衛星從1989年開始，在地球大氣外觀測微波背景輻射強度隨頻率的變化。觀測結果與據溫度為2.73K的純熱輻射做出的理論預言極其吻合。這種近乎完美的黑體輻射意味著，宇宙過去要比今天熱成千上萬度，因為，只有在如此極端的條件下，宇宙中的輻射才有可能呈黑體形式而達到如此高的精度。
“宇宙微波背景輻射”成就了大爆炸假說，使它一舉擊潰曾經與之分庭抗禮的“穩恆態”假說（穩恆態不主張物質全部創生於過去某一特定的瞬間，而認為物質正在以恰當的速率不斷的創生著，這一創生速率剛好跟因膨脹而使物質變稀的效果相平衡，從而使宇宙中的物質密度維持不變）。
但通過對來自天空中不同方向的背景輻射強度的觀測，人們發現，宇宙正在所有的方向上以相同的速率膨脹，其精度大於十萬分之一。這種近似的如此之好的“各向同性”顯示我們的宇宙的確很特殊：它似乎處於一種安排的極為妥善的狀態之下。這難免使一些人認為這一定是施加了某種外界的影響——現代科學的發展似乎為古老的神學找到了事實依據——大爆炸假說必須為之找出自然的解釋。
如果我們不認為這種影響來自上帝或者別的什麼超自然的東西，那麼我們就會跟宇宙學家們取得根本上的一致。他們所面臨的問題也將會是我們面臨的問題：如果宇宙不是一開始就是各向同性的，那麼必然是在宇宙中進行的各種物理作用“抹平”了它最初的非均勻性。
銀河系
20世紀80年代，對於構成物質的大多數基本粒子的研究，開始與宇宙學聯繫起來。這是由於，一方面宇宙學家們指望基本粒子物理學家能闡述物質和輻射在非常高的溫度下的表現，這樣他們就能繼續重現更接近於表觀開端的宇宙既往史；另一方面由於地球上的加速器不能再現大爆炸的能量，探測器也不能捕獲那些最難以捉摸的物質基本粒子，所以粒子物理學家們又指望宇宙的早期能成為檢驗其理論的一條陽關大道。事實上，如果存在某種新型的亞原子粒子，哪怕它的影響弱得連地球上的粒子對撞機試驗都顯示不出來，也可能在天文學上造成種種後果。這樣，人們就可以利用天文證據來排除許多新型基本粒子存在的可能。
大爆炸假說預言宇宙應當由大約75%的氫和大約25%的氦組成，這與天文測量結果極為吻合，而這種吻合又是與自然界中僅僅存在3種中微子的假設聯繫在一起的。假如存在4種中微子，早期宇宙的膨脹速率就會大大增加，最終得到的氦丰度也會相應的增加。
事實說明了粒子物理學和宇宙學可以如何的相輔相成，但事情遠沒有到此結束。當粒子物理學家開始試圖尋找將不同的自然力納入某種單一的“統一理論”的途徑時，更精彩的一幕出現了。
獵戶座星雲
將電磁力、弱（放射性）力、強（核）力統而為一的理論被稱為“大統一理論”。乍看上去這些嘗試是不會成功的，因為我們知道各種不同的自然力其強度是極不相同的，它們對各種不同類別的粒子起作用。但是大統一理論認為力的強度隨溫度的增加而變化，當溫度增高時，自然力的有效強度亦增大，必將出現各種力的統一。
另一方面，為了解決不同的力作用於不同的基本粒子的問題，就必須全面的統一各種粒子。要完成這種粒子的統一，就必須使它們能夠互相轉化。這就要求存在質量非常大的新的傳遞物，這些重粒子僅在宇宙熱的足以使它們由粒子碰撞而產生時才大量的出現，它們就是X粒子和磁單極。
說到磁單極，就不得不提到“反物質”這個概念了。我們知道，物質是由基本粒子組成的，同理，反物質則由反基本粒子組成，所以，反物質可以用反粒子這個概念來替換。反粒子和粒子之間的諸多性質（比如電荷）正好都取相反的值，即具有相反的正負號。這意味著，當它們彼此相遇的時候將歸於湮滅，這種湮滅以光子的形式釋放能量。
磁南極遇到磁北極只產生吸引而不會歸於湮滅，說明它們只是在磁極上正好取相反的符號，而並不是互為反物質。無論你把一塊磁鐵分成多少塊，雖然每一塊都將產生一個南極一個北極，但它們是物質的仍然是物質的，決不會就變成反物質的，所以期待反物質同時就存在於物質之中的想法，得到的必然是靈“光”一現之後的貽笑大方。
這是一個在實驗室中就可以研究的過程，據說也並不困難。但值得我們關注的是，雖然粒子物理學實驗室試驗產生粒子和反粒子時兩者是完全平等的，但當我們觀看宇宙空間或者收集宇宙線時，卻發現只有物質沒有反物質。誠如霍金所言：“我們沒有直接的證據表明，其它星系中的物質是由質子、中子還是由反質子、反中子構成，但二者必居其一，否則我們又會觀察到大量由湮滅而產生的輻射。因此我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構成；看來，一些星系為物質，而另一些星系為反物質也是不太可能的”。
仙女座星雲
為什麼宇宙中物質比反物質多這麼多？難道宇宙最初形成它們的時候不應該跟粒子實驗室裡的情形一樣？顯然，人們沒有任何理由認為“自然的”初始狀態不是物質與反物質均等的狀態。那麼，到底是什麼造成了今天這種物質占主導地位的情形呢？
原因在於，對於粒子和反粒子物理定律不是完全相同的，這是由1980年諾貝爾獎獲得者克羅寧和費茲發現的。他們指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，並且採用鏡像，但不反演時間方向，則宇宙的行為不保持不變。這意味著X粒子和它們的反粒子將以不同的速率衰變成其它形式的粒子和反粒子，而同時，相對於把電子變成反夸克，把反電子變成夸克會更容易一些。正是這種不對稱的情況導致了物質比反物質多的情形。
X粒子只是整個宇宙在最初時刻必不可免的產生的兩類粒子之一，它很快就衰變成了其它的粒子——如夸克和電子，但另一類粒子卻是人們不需要也趕不走的。這些多餘的粒子就是磁單極。我們現在沒有任何觀測證據證明磁單極仍然存在於今天，而且，如果宇宙中到處都有磁單極的話，將會使宇宙的密度增加10億倍，從而使宇宙的膨脹速度迅速的減慢——其減慢速率要比實際見到的快上10億倍。那樣的話，不論是星系還是恆星或是人，都不可能存在！
宇宙學家們可以計算出X粒子和磁單極產生時所需要的溫度，這是一個確定的值，相當於約3×10^28K。這是宇宙開始膨脹後僅約10^-35秒時的溫度。此時，我們的宇宙的大小應該為光速乘以這段時間，即3×10^-25釐米。這是自膨脹開始以來，任何信號所能傳播的最大距離，也被稱為視界距離。
在我們看來這個計算結果跟其它天文數字一樣，沒有什麼異乎尋常的，但是宇宙學家們卻不得不承認這個數字相當古怪。因為，我們今天處於膨脹開始之後約10^17秒，輻射的溫度已經下降到了大約3K。也就是說，跟宇宙開始膨脹後10^-35秒那個時刻相比，宇宙的溫度已經改變了10^28倍，今天我們看到的宇宙中所包含的事物，在當時應該容納在一個直徑比今天的可見宇宙小10^28的球中。可見宇宙今天的尺度由其年齡乘以光速給出，約為3×10^27釐米。顯然，當時宇宙的大小應該是3毫米。
由此我們發現，在宇宙開始膨脹後10^-35秒那個時刻，宇宙出現了兩種尺度。我們沒有理由放棄任何一種尺度，但是我們有足夠的理由選擇3毫米這個尺度，因為它來自今天的宇宙。而3毫米這個數字實在是太大了，大到在那個時刻，連光信號都無法到達它的邊界。這不僅導致大量的磁單極產生，而且也使人們無法相信這樣一個“信息不暢”的宇宙會各部分溫度都一致併產生了今天這樣一個各向同性的宇宙。
兩個互相吞噬的黑洞
1980年，麻省理工學院的青年粒子物理學家古斯想出了一種解決辦法，這就是著名的古斯暴脹宇宙假說。它要求宇宙在極早期經歷一個短暫的加速膨脹（暴脹）階段。這個階段所需的時間簡直短極了，只需要區區100秒——從10^-35秒加速到10^-33秒——就可以萬事大吉。如果出現這種加速，那麼我們的整個可見宇宙就可以從早先光信號能達到的區域膨脹而來。它的平滑性和各向同性就變得可以理解了。更重要的是，大量的磁單極將不復存在，因為我們的可見宇宙不再是由3毫米、而是由3×10^-25釐米這麼大的區域膨脹來的,後者小得只能容納一個磁單極失配。磁單極問題變得有可能解決了。
暴脹宇宙假說是對宇宙均勻性的一種解釋，也是對磁單極問題的一種解決辦法，但是它要求存在某種大爆炸之後很快就能產生短暫反引力階段的物質,如果自然界中不存在這種物質，這種理論也就失敗了。而事實是，它們確實是存在的，宇宙中保留著某些殘存的證據，經典的例子就是COBE衛星發現的背景輻射溫度的漲落。
寫到這裡我打算結束這篇文章了。當然，關於大爆炸、暴脹以及宇宙的特性還有很多話可以說，比如黑洞、WIMPs、暗物質等等。但是我不想說下去了，因為最重要的都已經澄清——科學就是科學。把科學的發展看得機械化、把科學的解釋變得庸俗化，都是對科學本身的最大不敬。而建立在這種不敬上的一切，都將是披著科學麵紗的新宗教的肇因。
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