這是一篇關(guān)于物理學(xué)方面的文章，用來(lái)擺正哲學(xué)跟科學(xué)的關(guān)系。這樣做絕不是無(wú)的放矢，因?yàn)槲覉?jiān)信，由哲學(xué)統(tǒng)領(lǐng)一切學(xué)科的年代早已一去不復(fù)返，類似世界的本源這一類問(wèn)題還是應(yīng)該由科學(xué)家們?nèi)パ芯拷鉀Q；而試圖利用尖端物理學(xué)的研究成果來(lái)建立新的哲學(xué)體系的想法，如果不是荒謬可笑的，至少也是不切實(shí)際的——因?yàn)檎軐W(xué)家們不可能真正理解這些知識(shí)的深刻內(nèi)涵，他們必然跟我一樣：通過(guò)科普讀物來(lái)了解它，并且僅僅是略知一二，甚至肯定是一知半解——除非他們?cè)谑钦軐W(xué)家的同時(shí)也是出色的科學(xué)專門(mén)家。
因此，我要寫(xiě)這樣一篇文章。如果我在本文里說(shuō)的一些基本結(jié)論跟某些哲學(xué)大咖說(shuō)的不一樣，并且能夠引起大家思考和辨明真相的興趣，那么我的目的也就達(dá)到了。
當(dāng)然，無(wú)論這個(gè)目的能不能達(dá)到，我說(shuō)的都是一些廢話。因?yàn)榇蠹彝耆珱](méi)有必要通過(guò)我獲得這些知識(shí)，相關(guān)的書(shū)籍多得是，那可要比我說(shuō)的既透徹又專業(yè)又準(zhǔn)確。然而明知道是廢話也還是要說(shuō)，這其中的原因卻有些如同魯迅先生所說(shuō)：蒼蠅是不知道人家討厭它嗡嗡的，而我是明明知道卻偏要嗡嗡。
另外，我本來(lái)是要試圖介紹一下當(dāng)今宇宙學(xué)的，但是由于我們認(rèn)識(shí)的兩大前沿——物質(zhì)基本組分的微觀世界與恒星和星系的天文世界——在二十世紀(jì)八十年代以來(lái)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(xué)說(shuō)，故而，本文的題目稱作“關(guān)于天體-粒子物理學(xué)的一點(diǎn)廢話”。相信這是可以理解并可以諒解的。
提到宇宙的起源，人們自然會(huì)想到大爆炸假說(shuō)。雖然在這個(gè)假說(shuō)之前，人們?cè)缫呀?jīng)提出過(guò)各式各樣的解釋，但顯然它們都一一敗在了實(shí)證主義的科學(xué)面前。
大爆炸假說(shuō)是目前唯一與實(shí)際觀測(cè)吻合的較為一致的假說(shuō)，因而也是被宇宙學(xué)家們普遍接受的一種假說(shuō)。該假說(shuō)認(rèn)為宇宙最初是一個(gè)質(zhì)量無(wú)窮大，體積無(wú)窮小的致密的點(diǎn)，后來(lái)，該點(diǎn)發(fā)生了爆炸，各種物質(zhì)被噴發(fā)出來(lái)，從而誕生了宇宙。最初，人們并不認(rèn)為這種假說(shuō)是可能的，雖然在這之前人們已經(jīng)接受了宇宙是膨脹著的這一觀念，而大爆炸必將產(chǎn)生一個(gè)非靜止的宇宙。
自古以來(lái)，包括偉大的牛頓，沒(méi)有誰(shuí)認(rèn)為宇宙不是靜止的，事實(shí)上，太陽(yáng)也始終保持它跟地球的距離不變。然而，僅僅根據(jù)牛頓力學(xué)，我們就可以預(yù)知：除非有某種別的力介入與引力抗衡，呈靜態(tài)分布的恒星和星系之間的引力將會(huì)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(fā)的驅(qū)使而具有某種初速度，并因此而相互分離。
然而，當(dāng)時(shí)沒(méi)有人能一眼看透，甚至連愛(ài)因斯坦根據(jù)他自己的廣義相對(duì)論推算出宇宙不可能靜止的時(shí)候，也懷疑自己犯了錯(cuò)誤。于是，他引入了一個(gè)“宇宙學(xué)常數(shù)”，通過(guò)這個(gè)常數(shù)的存在，就會(huì)得到一個(gè)靜態(tài)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(xué)常數(shù)”是沒(méi)有意義的。一個(gè)靜態(tài)的宇宙就如同一根豎立著的針，只要對(duì)它作微乎其微的更動(dòng)，它就會(huì)偏離開(kāi)它的平衡，而變得要不就膨脹要不就收縮。多年以后，愛(ài)因斯坦把他的“宇宙學(xué)常數(shù)”稱為“我一生中的最大失策”。
1929年，愛(ài)德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)，來(lái)自星系的光呈現(xiàn)某種系統(tǒng)性的紅移，這意味著光源正在離開(kāi)我們遠(yuǎn)去，也就是說(shuō)，宇宙正在膨脹。如果我們沿著時(shí)間回溯，宇宙中所有的物質(zhì)都將聚攏到一起。大爆炸假說(shuō)也正是按照這樣的思路從20世紀(jì)30年代起步。
宇宙中如此眾多的物質(zhì)聚攏在一起，其強(qiáng)大的引力，必將摧毀一切物質(zhì)結(jié)構(gòu)，使之處于一種粒子狀態(tài)并且既熱且密。如果宇宙果真肇始于此，那就應(yīng)該留下某種從這個(gè)爆發(fā)式的開(kāi)端灑落的輻射。
1965年，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了“宇宙微波背景輻射”。這種輻射相當(dāng)于在電磁波譜的微波部分波長(zhǎng)為7.35厘米的某種無(wú)線電波信號(hào)；如果假設(shè)它是熱輻射，那么它所具有的能量相當(dāng)于2.7K的溫度——這與1948年阿爾弗和赫爾曼富于靈感的估計(jì)非常接近。
美國(guó)國(guó)家宇航局的宇宙背景探測(cè)器（COBE）衛(wèi)星從1989年開(kāi)始，在地球大氣外觀測(cè)微波背景輻射強(qiáng)度隨頻率的變化。觀測(cè)結(jié)果與據(jù)溫度為2.73K的純熱輻射做出的理論預(yù)言極其吻合。這種近乎完美的黑體輻射意味著，宇宙過(guò)去要比今天熱成千上萬(wàn)度，因?yàn)?，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(dá)到如此高的精度。
“宇宙微波背景輻射”成就了大爆炸假說(shuō)，使它一舉擊潰曾經(jīng)與之分庭抗禮的“穩(wěn)恒態(tài)”假說(shuō)【注】。通過(guò)對(duì)來(lái)自天空中不同方向的背景輻射強(qiáng)度的觀測(cè)，人們發(fā)現(xiàn)，宇宙正在所有的方向上以相同的速率膨脹，其精度大于十萬(wàn)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：它似乎處于一種安排的極為妥善的狀態(tài)之下。這難免使一些人認(rèn)為這一定是施加了某種外界的影響——現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展似乎為古老的神學(xué)找到了事實(shí)依據(jù)——大爆炸假說(shuō)必須為之找出自然的解釋。
如果我們不認(rèn)為這種影響來(lái)自上帝或者別的什么超自然的東西，那么我們就會(huì)跟宇宙學(xué)家們?nèi)〉酶旧系囊恢?。他們所面臨的問(wèn)題也將會(huì)是我們面臨的問(wèn)題：如果宇宙不是一開(kāi)始就是各向同性的，那么必然是在宇宙中進(jìn)行的各種物理作用“抹平”了它最初的非均勻性。
20世紀(jì)80年代，對(duì)于構(gòu)成物質(zhì)的大多數(shù)基本粒子的研究，開(kāi)始與宇宙學(xué)聯(lián)系起來(lái)。這是由于，一方面宇宙學(xué)家們指望基本粒子物理學(xué)家能闡述物質(zhì)和輻射在非常高的溫度下的表現(xiàn)，這樣他們就能繼續(xù)重現(xiàn)更接近于表觀開(kāi)端的宇宙既往史；另一方面由于地球上的加速器不能再現(xiàn)大爆炸的能量，探測(cè)器也不能捕獲那些最難以捉摸的物質(zhì)基本粒子，所以粒子物理學(xué)家們又指望宇宙的早期能成為檢驗(yàn)其理論的一條陽(yáng)關(guān)大道。事實(shí)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(duì)撞機(jī)試驗(yàn)都顯示不出來(lái)，也可能在天文學(xué)上造成種種后果。這樣，人們就可以利用天文證據(jù)來(lái)排除許多新型基本粒子存在的可能。
典型的甚至可以說(shuō)是美妙的例子來(lái)源于對(duì)中微子的研究。中微子是一種零電荷、與電子有相同的自旋、沒(méi)有或幾乎沒(méi)有質(zhì)量的粒子。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，宇宙學(xué)家們一直假設(shè)存在且僅存在著3種中微子（電子型的、μ子型的以及τ子型的）。對(duì)于宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，知道自然界存在多少種中微子是非常重要的，因?yàn)檫@能確定極早期宇宙中的輻射和物質(zhì)的總密度，并能決定宇宙膨脹的速度，而這顯然將決定宇宙中各種元素的相對(duì)豐度。大爆炸假說(shuō)預(yù)言宇宙應(yīng)當(dāng)由大約75%的氫和大約25%的氦組成，這與天文測(cè)量結(jié)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(shè)聯(lián)系在一起的。假如存在4種中微子，早期宇宙的膨脹速率就會(huì)大大增加，最終得到的氦豐度也會(huì)相應(yīng)的增加。
事實(shí)說(shuō)明了粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)可以如何的相輔相成，但事情遠(yuǎn)沒(méi)有到此結(jié)束。當(dāng)粒子物理學(xué)家開(kāi)始試圖尋找將不同的自然力納入某種單一的“統(tǒng)一理論”的途徑時(shí)，更精彩的一幕出現(xiàn)了。
將電磁力、弱（放射性）力、強(qiáng)（核）力統(tǒng)而為一的理論被稱為“大統(tǒng)一理論”。乍看上去這些嘗試是不會(huì)成功的，因?yàn)槲覀冎栏鞣N不同的自然力強(qiáng)度是極不相同的，它們對(duì)各種不同類別的粒子起作用。但是大統(tǒng)一理論認(rèn)為力的強(qiáng)度隨溫度的增加而變化，當(dāng)溫度增高時(shí)，自然力的有效強(qiáng)度亦增大，必將出現(xiàn)各種力的統(tǒng)一。另一方面，為了解決不同的力作用于不同的基本粒子的問(wèn)題，就必須全面的統(tǒng)一各種粒子。要完成這種粒子的統(tǒng)一，就必須使它們能夠互相轉(zhuǎn)化。這就要求存在質(zhì)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(chǎn)生時(shí)才大量的出現(xiàn)，它們就是X粒子和磁單極。
說(shuō)到磁單極，就不得不提到“反物質(zhì)”這個(gè)概念了。我們知道，物質(zhì)是由基本粒子組成的，同理，反物質(zhì)則由反基本粒子組成，所以，反物質(zhì)可以用反粒子這個(gè)概念來(lái)替換。反粒子和粒子之間的諸多性質(zhì)（比如電荷）正好都取相反的值，即具有相反的正負(fù)號(hào)。這意味著，當(dāng)它們彼此相遇的時(shí)候?qū)w于湮滅，這種湮滅以光子的形式釋放能量。磁南極遇到磁北極只產(chǎn)生吸引而不會(huì)歸于湮滅，說(shuō)明它們只是在磁極上正好取相反的符號(hào)，而并不是互為反物質(zhì)。無(wú)論你把一塊磁鐵分成多少塊，雖然每一塊都將產(chǎn)生一個(gè)南極一個(gè)北極，但它們是物質(zhì)的仍然是物質(zhì)的，決不會(huì)就變成反物質(zhì)的，所以期待反物質(zhì)同時(shí)就存在于物質(zhì)之中的想法，得到的必然是靈“光”一現(xiàn)之后的貽笑大方。
這是一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中就可以研究的過(guò)程，據(jù)說(shuō)也并不困難。但值得我們關(guān)注的是，雖然粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)產(chǎn)生粒子和反粒子時(shí)兩者是完全平等的，但當(dāng)我們觀看宇宙空間或者收集宇宙線時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)只有物質(zhì)沒(méi)有反物質(zhì)。誠(chéng)如霍金所言：“我們沒(méi)有直接的證據(jù)表明，其它星系中的物質(zhì)是由質(zhì)子、中子還是由反質(zhì)子、反中子構(gòu)成，但二者必居其一，否則我們又會(huì)觀察到大量由湮滅而產(chǎn)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(gòu)成；看來(lái)，一些星系為物質(zhì)，而另一些星系為反物質(zhì)也是不太可能的”。
為什么宇宙中物質(zhì)比反物質(zhì)多這么多？難道宇宙最初形成它們的時(shí)候不應(yīng)該跟粒子實(shí)驗(yàn)室里的情形一樣？顯然，人們沒(méi)有任何理由認(rèn)為“自然的”初始狀態(tài)不是物質(zhì)與反物質(zhì)均等的狀態(tài)。那么，到底是什么造成了今天這種物質(zhì)占主導(dǎo)地位的情形呢？原因在于，對(duì)于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(jiǎng)獲得者克羅寧和費(fèi)茲發(fā)現(xiàn)的。他們指出，如果僅僅用反粒子來(lái)取代粒子，并且采用鏡像，但不反演時(shí)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(shí)，相對(duì)于把電子變成反夸克，把反電子變成夸克會(huì)更容易一些。正是這種不對(duì)稱的情況導(dǎo)致了物質(zhì)比反物質(zhì)多的情形。
X粒子只是整個(gè)宇宙在最初時(shí)刻必不可免的產(chǎn)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。這些多余的粒子就是磁單極。我們現(xiàn)在沒(méi)有任何觀測(cè)證據(jù)證明磁單極仍然存在于今天，而且，如果宇宙中到處都有磁單極的話，將會(huì)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(shí)際見(jiàn)到的快上10億倍。那樣的話，不論是星系還是恒星或是人，都不可能存在！
宇宙學(xué)家們可以計(jì)算出X粒子和磁單極產(chǎn)生時(shí)所需要的溫度，這是一個(gè)確定的值，相當(dāng)于約3×10^28K。這是宇宙開(kāi)始膨脹后僅約10^-35秒時(shí)的溫度。此時(shí)，我們的宇宙的大小應(yīng)該為光速乘以這段時(shí)間，即3×10^-25厘米。這是自膨脹開(kāi)始以來(lái)，任何信號(hào)所能傳播的最大距離，也被稱為視界距離。
在我們看來(lái)這個(gè)計(jì)算結(jié)果跟其它天文數(shù)字一樣，沒(méi)有什么異乎尋常的，但是宇宙學(xué)家們卻不得不承認(rèn)這個(gè)數(shù)字相當(dāng)古怪。因?yàn)?，我們今天處于膨脹開(kāi)始之后約10^17秒，輻射的溫度已經(jīng)下降到了大約3K。也就是說(shuō)，跟宇宙開(kāi)始膨脹后10^-35秒那個(gè)時(shí)刻相比，宇宙的溫度已經(jīng)改變了10^28倍，今天我們看到的宇宙中所包含的事物，在當(dāng)時(shí)應(yīng)該容納在一個(gè)直徑比今天的可見(jiàn)宇宙小10^28的球中?？梢?jiàn)宇宙今天的尺度由其年齡乘以光速給出，約為3×10^27厘米。顯然，當(dāng)時(shí)宇宙的大小應(yīng)該是3毫米。
由此我們發(fā)現(xiàn)，在宇宙開(kāi)始膨脹后10^-35秒那個(gè)時(shí)刻，宇宙出現(xiàn)了兩種尺度。我們沒(méi)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(gè)尺度，因?yàn)樗鼇?lái)自今天的宇宙。而3毫米這個(gè)數(shù)字實(shí)在是太大了，大到在那個(gè)時(shí)刻，連光信號(hào)都無(wú)法到達(dá)它的邊界。這不僅導(dǎo)致大量的磁單極產(chǎn)生，而且也使人們無(wú)法相信這樣一個(gè)“信息不暢”的宇宙會(huì)各部分溫度都一致并產(chǎn)生了今天這樣一個(gè)各向同性的宇宙。
1980年，麻省理工學(xué)院的青年粒子物理學(xué)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(shuō)。它要求宇宙在極早期經(jīng)歷一個(gè)短暫的加速膨脹（暴脹）階段。這個(gè)階段所需的時(shí)間簡(jiǎn)直短極了，只需要區(qū)區(qū)100秒——從10^-35秒加速到10^-33秒——就可以萬(wàn)事大吉。如果出現(xiàn)這種加速，那么我們的整個(gè)可見(jiàn)宇宙就可以從早先光信號(hào)能達(dá)到的區(qū)域膨脹而來(lái)。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(fù)存在，因?yàn)槲覀兊目梢?jiàn)宇宙不再是由3毫米、而是由3×10^-25厘米這么大的區(qū)域膨脹來(lái)的,后者小得只能容納一個(gè)磁單極失配。磁單極問(wèn)題變得有可能解決了。
暴脹宇宙假說(shuō)是對(duì)宇宙均勻性的一種解釋，也是對(duì)磁單極問(wèn)題的一種解決辦法，但是它要求存在某種大爆炸之后很快就能產(chǎn)生短暫反引力階段的物質(zhì),如果自然界中不存在這種物質(zhì)，這種理論也就失敗了。而事實(shí)是，它們確實(shí)是存在的，宇宙中保留著某些殘存的證據(jù)，經(jīng)典的例子就是COBE衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的背景輻射溫度的漲落。
寫(xiě)到這里我打算結(jié)束這篇文章了。當(dāng)然，關(guān)于大爆炸、暴脹以及宇宙的特性還有很多話可以說(shuō)，比如黑洞、WIMPs、暗物質(zhì)等等。但是我不想說(shuō)下去了，因?yàn)樽钪匾亩家呀?jīng)澄清——科學(xué)就是科學(xué)。把科學(xué)的發(fā)展看得機(jī)械化、把科學(xué)的解釋變得庸俗化，都是對(duì)科學(xué)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(xué)面紗的新宗教的肇因。
【注】“穩(wěn)恒態(tài)”假說(shuō)不主張物質(zhì)全部創(chuàng)生于過(guò)去某一特定的瞬間，而認(rèn)為物質(zhì)正在以恰當(dāng)?shù)乃俾什粩嗟膭?chuàng)生著，這一創(chuàng)生速率剛好跟因膨脹而使物質(zhì)變稀的效果相平衡，從而使宇宙中的物質(zhì)密度維持不變。
聯(lián)系客服
