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宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第22部分
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缤�8。6a所示，并不会受到电子所带的全部负电荷的影响，而只是感受其中未被和谐的部分。另一方面，一个高能电子，如图8。6b所示，会更加深入地穿透屏蔽墙，感受到更多未被和谐的裸电荷的影响。
图8。6 （a） 一个入射的电子B，能量较低，而A的中心处是另一个带负电的目标电子，被周围的虚拟正电荷所屏蔽，因此两者相互作用较弱。（b） 一个高能的入射电子，能够穿透正电荷组成的屏蔽墙，因而能感受到目标电子所产生的未被和谐的更强的排斥力①
① 实际上 A和 B周围都存在虚拟的正电荷屏蔽墙，这里是用图像化的手段表示量子场论的核心内容，真实的物理机制要比图中的更完备。——译者注
这就意味着，相互作用的强度确实取决于周围环境的能量大小。对于参与电磁相互作用的粒子来说，例如电子，由于量子真空的存在，它们感受到的等效相互作用强度会随着环境能量的增加而增强。对于参与强相互作用的粒子来说，例如夸克和胶子，量子真空产生的影响就完全在意料之外了：随着环境能量的增加，量子真空使得强相互作用的强度变弱了。这个获得了诺贝尔奖的发现叫做“渐进自由”，因为它表示说，能量最高的粒子之间就像没有什么相互作用，自由自在无拘无束。这也帮助宇宙学家们解开了旧的粒子物理理论的枷锁。突然之间，早期宇宙变得简单多了。
一统江湖
一就是一，仅此唯一，永应如此。
——《绿草如茵》＇25＇
似乎没过几年，这些理论的重大发现就改变了粒子物理学的方向。能量和温度增加时，粒子之间相互作用的等效强度会发生变化，这就为老谜题提供了新的解决方案：如果自然界中的相互作用强度各不相同，怎么会存在一种理论能将所有相互作用统一起来呢？表面上看，强相互作用和弱相互作用完全不同。不仅强度不同，连参与这两种相互作用的粒子的类型也不同。
电磁相互作用的强度较弱，如果弱的相互作用增强，同时强的相互作用减弱，就可能在很高的能量下，使亚核粒子之间的电磁、弱和强相互作用①的等效强度大小相等，三线交于一点。这种描述了三种基本相互作用的“大统一理论”（缩写为 GUT）的想法诞生于 1975年，当时霍华德·乔治和谢尔顿·格拉肖第一次找到了一个最简单的候选理论（图8。7）。＇26＇
① 强相互作用和弱相互作用分别是自然界两种基本相互作用的名称。强的相互作用和弱的相互作用分别指某种相互作用的强度有大有小。——译者注
图 8。7 如果考虑真空涨落产生的效应，那么自然界中的强、弱和电磁相互作用的等效强度就会在非常高的能量下趋于一致，那时一个自然界三种相互作用的“大统一理论”就诞生了。现在我们知道，在低能的情况下，这三种相互作用的强度大不相同
这一切改变了宇宙学家们的观念，使得宇宙学的研究朝着另一个方向进行。突然之间，我们重构宇宙历史时所遇到的问题，例如如何描述宇宙甚早期时物质和能量的演化行为，不再是困难重重令人绝望，也不再注定越追溯越糟糕了。渐进自由意味着，当我们追溯宇宙膨胀开始时应该出现的那个高温时期时，相互作用强度就会越来越弱，事情也会变得越来越简单（至少没有变难）。所以宇宙学研究也发生了相应的变化。从前，人们都在一个劲地强调宇宙的几何性质，研究不同种类的膨胀行为，检验这些模型是否会演化成今天我们所看到的宇宙，并尝试探究宇宙是如何从一个过去的奇点中诞生的。粒子物理学家有时会路过打个酱油，加入到这些问题的讨论中，但没几个人会动真格儿。一旦渐进自由简化了物质的高温行为，使相关研究变得可行，主流粒子物理学家们便蜂拥到宇宙学中来。宇宙早期的环境为他们检验自己的理论提供了便利的场所，他们可以在其中寻找相关的观测证据。
宇宙学研究的是大尺度上的物理机制，基本粒子物理学研究的是微小尺度上的物理机制，这两种物理学成功地融合到了一起。粒子物理学家想要检验自己的新理论，看看它们和天文学观测符合得好不好。宇宙学家开始研究高能物理学中粒子的反常性质，看看能否获得启发，帮助宇宙学解决一些伤脑筋的问题。太空中的不发光物质会不会是由一些未知的基本粒子构成的呢？为什么宇宙是由物质组成的，而不是由反物质组成的？
宇宙早期高温物质的研究透出一缕曙光，又把这样的问题重新照亮了起来。于是，一些物理量，如宇宙中物质和反物质之间的平衡，就不再是永恒不变的常数了。在这缕曙光的照耀下，新的思想和新的方法又会催生大量新的宇宙模型，必将使粒子物理学家和天文学家都叹为观止。
第9章
美丽新世界
想象出来的宇宙比这个粗制滥造的“真实”宇宙漂亮多了。
——G。 H。哈代（G。 H。 Hardy，1877～1947，英国数学家）
正反物质不对称的宇宙
大量时事评论员已经向这个问题倾注了大量愚昧无知之辞。如果他们继续这么搞，我们可能很快就会对这个问题一无所知了。
——马克·吐温（1835～1910）
20世纪 70年代后期，在粒子物理学家进入宇宙学研究领域后，人们开始运用新的大统一理论去解释宇宙中正反物质不对称的问题，以及为什么光子和质子的比例是十亿比一的问题。这些理论表明，自然界中三种非引力的相互作用虽然从强度上看有天壤之别，但还是有可能统一在同一个框架内的。随着环境温度的增加，这些相互作用的等效强度也会以不同的速率和方式发生相应的变化——弱的相互作用越来越强，而强的相互作用越来越弱。于是当我们追溯到宇宙的最初10……35秒时，不同相互作用的强度在极高的能量下就殊途同归了。
这种殊途同归也为其他问题的“统一”提供了一种解决方案。现有的理论将每一种自然界的相互作用分开研究，它们不允许粒子之间进行任意的相互转换。夸克不能变成电子①，反之亦然。这像是误将基本粒子世界划分成了独立的小团体，不同团体之间连话都不说。小团体的划分依据是，粒子是否拥有特定的属性，例如电荷或“色荷”。后者是一种更复杂的属性，只有参与强相互作用的粒子才有。大统一理论预言了一类新粒子的存在，这类粒子同时携带两种荷，并且它们能在前面提到的各种粒子小团体之间扮演中间人的角色。这些中间粒子可能非常重，当环境的能量使得几种相互作用的等效强度变得一样时，这些粒子就会大量产生。它们被称为“X”粒子，在宇宙的早期阶段，它们在不同类型的基本粒子中间创造了一种真正的平等。
① 夸克参与所有四种基本相互作用；电子只参与三种，不参与强相互作用。因此在那些理论中，这是两类不可相互转化的粒子。——译者注
基本粒子之间的新型相互作用立即导致了两个后果，引起了物理学家的注意。如果带色荷的粒子，如夸克，会转化成像电子、中微子之类的粒子的话，那么质子之中的三个夸克也可能衰变。质子就应该是一种不稳定的粒子。
乍看之下，质子的平均寿命，大约是 1030年，似乎不算长。只要屏蔽了宇宙射线和其他外界影响，我们就有可能在地下深层实验室中放置的数千吨物质中观察到质子的衰变。尽管单个质子的平均寿命比宇宙的年龄（1。4×1010年）还大得多，但质量为一吨的岩石或水中就含有大约1030个质子。如果将这个质量放大一千倍，再在周围布满灵敏的探测器，我们就有很大的机会观察到质子衰变。＇1＇
印度科拉尔金矿地下实验室自1980年起投入运行后，有人声称从中观察到了质子衰变。于是人们群情激昂，但后来发现这不过是一次误报。＇2＇实验结果逐渐限制了质子平均寿命的可能取值，这要比先前的乐观估计大得多（大于6。6×1033年＇3＇）。尽管在任何大统一理论中，质子都是不稳定的，但质子的寿命极有可能特别长，使我们无法从宇宙射线产生的鱼目混珠的“假衰变”事件中检测出真正的质子衰变来。＇4＇
新型相互作用导致的第二个后果是，夸克和它们的反粒子，也就是反夸克，不会以相同的比率衰变。这个性质结合夸克会衰变成电子和中微子的性质之后，就会导致宇宙的正反物质平衡发生变化。于是，我们有可能将这个平衡算出来，而且结果也不需要依赖于宇宙开始时的初始数值。
这个平衡取决于三个因素＇5＇：宇宙中能参与夸克–反夸克衰变反应的粒子所占的比例、夸克和反夸克衰变速率的差异，以及衰变速率的大小。之所以要考虑最后一个因素，是因为衰变速率必须比宇宙膨胀的速率快，这才能阻止逆反应的发生，防止物质–反物质的平衡再回到初始的大小。
为了计算这个平衡，人们做了很多尝试，细节越来越多，模型越来越复杂。＇6＇这些计算都得出了一个相同的结论：无论宇宙的初始状态如何，我们都确实有可能解释如今正反物质不对称的事实。此外，如果夸克和反夸克之间的差异约为十亿又一个质子对十亿个反质子的话，那么当宇宙冷却到1013度时，每十亿个质子都会跟十亿个反质子湮灭成二十亿个光子，只剩下一个质子。因此，我们最终就得到了一个光子和质子的比例为二十亿比一的宇宙＇7＇，跟当前的观测非常接近。物质–反物质的平衡问题与光子原子的比例问题紧密地联系在了一起，可以被同时解释清楚。
我们不必过高地评价这些计算的重要性，并不是必须运用某种特定的大统一理论，或者某种机制来解释宇宙中正反物质的不对称性：这些计算表明，许多理论都能轻易地得出这种解释。当我们找到那个正确的大统一理论时，它很可能预言了正反物质的不对称和光子质子数目的比例。这些数字之所以现在如此，不再是因为它们过去就是那样。
问题宇宙
再也没有欣喜和充满信心的晨曦！①
——罗伯特·布朗宁（1812～1889）＇8＇
① 译文来自“天涯诗会”，作者为肥仔深。——译者注
没过多久，一个深奥的宇宙学问题就露出了丑恶的嘴脸，威胁着物理学大统一理论的安危。＇9＇如果宇宙刚诞生不久时，弱、强和电磁相互作用在极高的能量下变成同一种相互作用，那么就必然会产生一个不必要的副产品。电磁相互作用在早期宇宙中出现时，就会大量产生一种非常重的新粒子，叫做磁单极子，这种粒子首先是由狄拉克在1931年时提出的。＇10＇它就像一个非常重的电子（比电子重1020倍），只不过不携带电荷，而是携带一种新型的“磁荷”，就像条形磁铁的一个磁极。这些自然界中的磁荷是守恒的，就像电荷一样有正有负，除掉磁单极子的唯一方法就是让正反磁单极子碰在一起，发生湮灭。可惜，一旦形成，磁单极子就不太有机会碰到反磁单极子，于是就在宇宙中保留了下来，而且数量非常多。
这就完蛋了。今天的宇宙应该早已被磁单极子占领了。这些磁单极子为宇宙贡献的能量密度是所有恒星和星系的1026倍。在这样的宇宙中，不会存在恒星和星系，也就不会有“我们”在为此操心了。这就是“磁单极子问题”。＇11＇
将高能物理学嫁接到重构宇宙甚早期历史的尝试，在这个拦路虎的干扰下停住了脚步。＇12＇说来奇怪，破天荒头一回，不是新的天文观测结果，也不是爱因斯坦方程组的新解，而是粒子物理学为宇宙学研究的发展指明了方向。
暴胀的宇宙
可以大致看到未来事物演变的雏形。
——莎士比亚＇13＇
磁单极子的问题造成了某种僵局，但这些问题又吸引了人们的注意力，使他们主要将宇宙看作广袤的粒子物理学实验室，而不是看作恒星和星系所处的膨胀背景。粒子物理学家只对最简单的膨胀宇宙模型感兴趣：一个宇宙拥有平滑的各向同性的空间，没有转动，也没有其他不同寻常的属性。＇14＇
1980年，突然之间，一份新的打印稿出现在物理系的邮箱里。这篇文章内容充实，出自斯坦福直线加速器中心的一位年轻粒子物理学家之手。当时美国的学术市场非常低迷，他还没什么名气，已经做了好几期博士后这样的临时工作。＇15＇阿兰·古斯发现，有一种宇宙模型可以同时解决困扰了宇宙学家二十年的好几个问题。不过他的最初动机并不在此，他只是想要解决磁单极子的问题。
物理学家和宇宙学家很快发现，古斯想法的实质非常简单。它假设，在宇宙的甚早期，恰好在磁单极子的出现和正反物质的平衡建立起来之前，宇宙经历了一次短暂而突然的加速，或者按照古斯的叫法，是一次暴胀（图9。1）——这是为了讽刺当时害得人找不到稳定工作的经济大环境①。
① 通货膨胀和暴胀的英文都是inflation。——译者注
这个想法可不简单。我们已经见过一些加速膨胀的宇宙，例如德希特宇宙和稳态宇宙模型。这些宇宙永远在加速——从过去到永远。但是我们也见过像勒梅特那样的宇宙，一开始是减速膨胀的，当宇宙学常数的排斥作用超过普通的引力时，这种宇宙就转而开始加速膨胀。一旦开始加速，就永远不会再停下来。
图9。1 一个简单的暴胀宇宙模型中，尺寸随时间变化的图。暴胀是说在一段有限的时间内宇宙发生了加速膨胀。暴胀导致宇宙膨胀得更遥远，也使得后来的膨胀速率更接近临界值
没有人见过加速以后还能再次减速的膨胀宇宙模型。古斯找到了一种办法，定义了一种暂时起排斥作用的引力①，在一段很短的时期内，这种排斥力就像爱因斯坦那个臭名昭著的宇宙学常数一样。
① 这种力仍然属于引力相互作用，只不过表现形式与万有引力相反，是相互排斥的。——译者注
这个新理论能够统一地描述物质的高温行为，其中包含了一种新型粒子，后来被称为“标量场”。＇16＇能量的这种形式能够缓慢地变化，比宇宙膨胀的速度慢得多，这样它们就会产生排斥性的引力，而不是相互吸引。在这种极端而又最常见的情况下，这种标量场简直就是爱因斯坦宇宙学常数的翻版。这种标量场的压强是负的，但和正宗的宇宙学常数的区别在于，它们的生命如白驹过隙：这种标量场或快或慢会发生衰变，转化成普通的辐射物质或基本粒子，于是压强变成正的，排斥力变成引力。图9。2是暴胀宇宙的温度和尺寸的总体演化图。
图 9。2 暴胀使得宇宙的膨胀突然加速，同时宇宙的温度急剧下降。暴胀停止时，驱动暴胀的粒子会发生衰变，在一瞬间产生了大量的能量。这导致宇宙被重新加热。然后宇宙又开始冷却，而且冷却的速度跟暴胀之前冷却的速度一样
粒子物理学的新进展为这个问题提供了一些线索。用粒子物理学家的语言来说，宇宙学常数只不过体现了宇宙的“真空能”——宇宙能够携带的最低能量。真空能也可以理解为一种局部上的最低能量状态，就像一个碗的碗底，如果你把玻璃珠扔进去，它就会滚到那个位置上。大量基本粒子都分别占据着这样的临时位置，每个位置都对应一定的能量。在宇宙冷却的过程中，粒子间�
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