物理學(xué)家從各個角度,用各種方法對標(biāo)準(zhǔn)模型和這些基本粒子進行了細致的研究,這個模型成功地通過了所有考驗——這絕對是一個偉大的成就。

回到起點

對宇宙學(xué)的研究也在20世紀(jì)取得了令人震驚的成果。我們現(xiàn)在已經(jīng)掌握了大量的證據(jù)來支撐大爆炸理論(Big Bang theory)。根據(jù)這一理論的描述,宇宙起始于由能量組成的高溫致密混沌,并在隨后的億萬年間,隨著延續(xù)至今的時間和空間膨脹而逐漸冷卻。盡管名字聽起來很嚇人,但大爆炸并不是空間中發(fā)生的爆炸,而是時間和空間的起點——或者更準(zhǔn)確地說,是當(dāng)前人類對物理學(xué)的領(lǐng)悟能把我們帶到最接近起點的地方。

“大爆炸”這個術(shù)語常被用于指代兩個概念——一是大爆炸理論,即宇宙從最初的高溫致密狀態(tài)下膨脹的模型;二是大爆炸事件本身,即宇宙起源的那個密度無限大且溫度無限高的點[專業(yè)術(shù)語稱為奇點(singularity)]。“大爆炸”一詞最早是由一個英國物理學(xué)家弗雷德·霍伊爾(Fred Hoyle)于1949年在英國廣播公司(British Broadcasting Corporation,BBC)的一個電臺節(jié)目中提出的。他本人實際傾向于一個相反的、被稱為定態(tài)宇宙(steady-state universe)的理論。對于那些“認為宇宙中所有物質(zhì)都是在過去某個特定時間的一次大爆炸中產(chǎn)生的早期理論”3,他持反對意見,并認為這些理論和當(dāng)時的觀測結(jié)果不符。但是,霍伊爾在學(xué)術(shù)界是少數(shù)派,而且定態(tài)宇宙理論也和目前的觀測數(shù)據(jù)不符。與之相比,大爆炸理論(這個術(shù)語隨后被它的擁護者所接受)則被證明和目前所有的實驗結(jié)果保持著驚人的一致。

在大約137億年前,我們今天所看到的宇宙(甚至更大的范圍),都包含在一個溫度極高、密度也極大的點內(nèi)。那時還沒有恒星或星系,只有一片由各種可能出現(xiàn)的粒子組成的沸騰的能量海洋。不斷碰撞的粒子,在“產(chǎn)生—分解—湮滅—再產(chǎn)生”這個循環(huán)過程中不停地出現(xiàn)和消失。這片能量海洋的溫度和密度都接近于無限——在宇宙的最早期,溫度甚至高于1億億億億(1032)攝氏度。

無論是什么原因引起的大爆炸(關(guān)于這個問題有很多有趣的想法,以后我們會對這些想法進行討論),都導(dǎo)致了宇宙的存在,空間也在隨之而來的膨脹中逐漸冷卻。在宇宙年齡達到百萬分之一秒時,溫度很快降低到10萬億(1013)攝氏度,并宣布了一個宇宙歷史新時代的到來:粒子——包括質(zhì)子和中子——開始從宇宙的原始混沌中凝聚出來。