为了解释这些现象,麻省理工学院的学者阿伦·固斯提出了"暴涨宇宙模型"。他认为,早期的宇宙不是象现在这样以递减的速率膨胀,而是存在著一个快速膨胀的时期,宇宙的加速度膨胀使其半径在远远小于1秒钟的时间里增大了100万亿亿亿(1的后面跟30个0)倍。
固斯认为,大爆炸的状态是非常热和相当紊乱的。这些高温表明宇宙中的粒子具有极高的能量。在如此的高温下,强相互作用力、弱相互作用力和电磁力都被统一成为一个力;当宇宙膨胀并变冷,力之间的对称性由于粒子能量降低而被破坏,强力、弱力和电磁力变得彼此不同。这就好像液态水在各个方向上性质都相同,而结冰形成晶体后,就变成了各向异性,水的对称性在低能态被破坏了。
当宇宙暴涨时,它所有的不规则性都被抹平,就如同吹涨一个气球时,它上面的皱折都被抹平一样。
暴涨模型还能解释为什么宇宙中存在著这么多物质。在量子理论里,粒子可以从"粒子--反粒子对"的形式从能量中创生出来。这些粒子和反粒子具有正能量,而这些粒子的质量产生的引力场具有负能量(因为靠得较近的物体比分开得较远的物体能量低),宇宙的总 能量为零,这保证了能量守恒不被破坏。零的倍数仍然为零,在暴涨时期宇宙体积急剧加倍的过程中,可以制造粒子的总能量变得非常之大,以致于我们的宇宙现在大约拥有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿(1后面跟80个零)个粒子。固斯是这样形容这件事的:"宇宙是最彻底的免费午餐!"
(十三)奇点消失了!
值得注意的是,既然粒子是以成双成对的出现,为什么我们今天看到的粒子比反粒子多得多?以致于尚未发现天然的反粒子,仅在粒子对撞实验中证实了它们的存在。
我们知道,在量子力学中有三个分别叫做C、P、T对称。C(电荷)对称的意义是,科学定律对于粒子和反粒子(与粒子的电荷相反)都是相同的。P(宇称,也称作镜象)对称的意义是,科学定律对于某一情形及其镜象(例如右手方向自旋的粒子镜象为左手方向自旋的粒子)是不变的。T(时间)对称的意义是,科学定律对于前进或后退的时间方向都是一样的,也就是说,如果我们颠倒粒子和反粒子的运动方向,系统应该回到原先的样子。
人们对这三个对称深信不疑,认为这是宇宙完美的体现。直到1956年,华裔物理学家杨振宁和李政道发现,弱相互作用力不服从P(宇称)对称,他们的同事吴健雄女士用实验证明了这一点。她将放射性元素的核在磁场中排列,使它们的自旋方向一致,然后看到电子在一个方向上比在另一个方向上发射出更多。杨振宁和李政道获得了次年的诺贝尔奖,非常有争议的是,获奖者却不包括吴健雄。杨李二人提出将奖金与吴健雄平分,但被吴谦逊地推却了。他们是我们华人的骄傲!
杨、李的发现意味著弱力使宇宙镜象的发展不同于我们宇宙!人们还发现。弱力也不服从C(电荷)对称,也就是说,由反粒子构成的宇宙和我们的宇宙不同!当时杨和李认为弱力服从CP联合对称--将所有的粒子以反粒子代替,由此构成的宇宙的镜象,其行为和我们的宇宙相同。然而1964年美国人J.W.克罗尔和瓦尔·费兹发现,在K介子的衰变中,甚至连CP联合对称也
不服从!他们也因此获得诺贝尔奖。他们进一步得出推论:由于数学定理证明了科学定律必须服从CPT联合对称,我们将不难理解:如果定律服从T对称,同时不服从CP联合对称,那么定律将无法服从CPT联合对称--而这种对称是被数学定理证明了的。我们不得不接受这个事实--定律在时间方向颠倒的情况下必须改变,也即科学定律不服从T(时间)对称!
虽然看似牢不可破的对称守恒已经终结,但我们对宇宙的疑问也得到了合理的解释。由于量子力学和相对论的不服从上述对称,在大爆炸及宇宙早期的膨胀过程中,虽然粒子成对产生,但粒子向其它种类转变时是不对称的--反电子变成夸克要比电子变成反夸克容易,于是早期宇宙产生的粒子中夸克和电子的数目就多于反夸克和反电子。当反夸克和反电子找到"同伴"并与之湮灭后,宇宙中过剩的夸克和电子就留了下来,组成了我们今天看到的宇宙以及我们自己。
在这里简单介绍一下夸克。夸克是构成质子、中子等"基本粒子"的更小粒子,它们有六种"味"--上、下、奇、魅、底、顶,每种味又具有三种"色"--红、绿、蓝。每个质子或中子由三个夸克组成,每个夸克一种颜色。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克;而一个中子包含一个上夸克和两个下夸克。奇夸克、魅夸克、底夸克、顶夸克也可以构成粒子,但这些粒子质量都较大,会很快衰变为质子或中子。
夸克之间由强相互作用力束缚在一起,这种力由一种叫做胶子的粒子携带。强力有一种叫做"色禁闭"的古怪性质,它总是将粒子结合为无色的状态。例如一个红夸克只能和一个绿夸克以及一个蓝夸克结合在一起(红+绿+蓝=白)。因此我们不能得到单独的夸克。另一种可能性是夸克和反夸克相结合在一起(红+反红=白,余类推),这种粒子被称为介子。介子是不稳定的,因为正反夸克会湮灭而产生电子和其它粒子。胶子也有颜色,因此我们只能看到由几个胶子组成的被称为胶子团的不稳定粒子。
色禁闭既然使我们不能看到单独的夸克或胶子,那么把夸克和胶子作为单独的粒子来研究就有点想象的成分了。事实上,如果在高能的状态下,强力相对来讲变得弱得多,夸克和胶子的行为就会象自由粒子那样了。科学家们也的确拍到了高能粒子碰撞后释放出来的自由夸克。
1981年在梵蒂冈举行的一次宇宙学会议上,教皇作了演讲。他宣称:"大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的,但我们不应该去过问大爆炸本身,因为那是创生的时刻,因而是上帝的事务。"
然而奇点定理的真正意义在于指出了引力场必然会强到某种程度,使我们不能再忽视量子力学的效应。当采用量子力学的观点来研究奇点理论时,以霍金为首的科学家们加入?quot;虚时间"(用
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