科普驿站 第一期
难度：B1
讲师：GHOSTS
本次科普将介绍宇宙大爆炸后的第一秒的事情，主要是借助这“第一秒”来说一说四大基本自然力和暴胀理论。说到宇宙大爆炸，就目前的证据来看，应该是确有其事。但是，为何爆炸？如何爆炸？人们目前尚无准确定论。
说到宇宙大爆炸人们就想到了霍金，因为他在他的博士论文里面证明了宇宙一定是起源于某一个不可思议的小点，也就是所谓的“奇点”。既然本文说的是“第一秒”，自然不能用日常所使用的时间单位来衡量，毕竟日常中的一秒实在是“太漫长”了。在这里介绍一下普朗克时间（即普朗克秒）：普朗克秒也就是时间量子的最小间隔，大约是10的-43次方秒。
我们的宇宙在大爆炸后的这一“秒”的演化程度远超过之后的一百多亿年。现在，我们把最初的第一秒的时间完全归零，那么空间与时间都交缠在无限小的纯粹能量中。可以说，宇宙大爆炸不是发生在空间内的爆炸，而是一场形成空间的爆炸。
时间来到第一个普朗克时间，这个时间也就是科学家所谓的“大一统GUT理论时间”。大一统理论是这样描述的：“一方面，强力在高能量下变弱了；另一方面，不是渐进自由的电磁力和弱力在高能量下变强了。在某个非常高的能量下，这三种力都具有同样的强度，因此可以看作是一种力的不同方面。此时的宇宙的温度十分惊人，四种基本自然力共同组成了一种力，即所谓的‘超力’。”
在第一个普朗克时间之后，某种未知因素导致了超力的分裂。现在，宇宙中出现了两种力：引力和分裂了的超力。虽然引力对于其他三种力而言相对较弱，但是它有两个重要性质：
1.它能作用到大距离；
2.它的性质总是呈现为吸引状态。
其他三种力要么是短程的，要么是时而吸引时而排斥的。从量子力学的方面来看，引力由自旋为2，质量为0的引力子携带。
什么是粒子自旋呢？在这里简单地描述一下：根据量子场论，所有的力（如引力、电磁力等）都能用粒子来描述，这些粒子具有一种称为“自旋”的性质。作个不是特别恰当的比喻：把粒子想象成一个旋转的小陀螺或者一个箭头，那么一个自旋为0的粒子从任何方向看起来都是一样的，自旋为1的粒子要转一整圈看起来才一样，而自旋为2的粒子则是半圈。但是有的粒子转一整圈后看起来还是不一样的，我们需要再把这个粒子转一圈才看起来一样，这就是1/2自旋的粒子。但是需要注意的一点是：根据量子力学的理论，粒子并没有任何轮廓分明的轴。
我们宇宙中的粒子可以分为两组：一组是自旋为1/2的，这些粒子组成了物质，我们把这些粒子称为“费米子”；另一组是自旋为0、1、2的，这些粒子在物质之间产生力，我们把这些粒子称为“玻色子”。
说到费米子，其服从所谓的“泡利不相容原理”。这个原理是在1925年由奥地利的物理学家沃尔夫刚·泡利提出的。该原理大意为：两个类似的粒子不能存在于相同的状态之中。泡利不相容原理又与“海森堡不确定性原理”有关。在不确定性原理的限制下，两个粒子不能同时具有相同的位置和速度。这解释了为什么费米子在自旋为0、1、2的玻色子产生的力的影响下，不会坍缩成密度非常高的状态的原因：如果费米子几乎处于相同的位置，则它们必须有不同的速度，这表示它们不会长时间处于同一位置。
时间推进到了约1000个普朗克时间，这时候宇宙开始了最疯狂的发育、暴胀。在这之前，我们先说一说此时产生的另一种力：强相互作用力（简称为强力）。强力是将组成质子和中子的夸克束缚在一起的力，并且将原子核中的质子和中子束缚在一起（其实是强力的残余力束缚的）。强力由一种自旋为1的，称为“胶子”的玻色子所携带。强力的作用距离是四种基本自然力中第二短的，大约在10的-15次方到10的-10次方米之间。
强力有两个性质，一种是被称为“禁闭”的性质，即它总是把粒子束缚成不带“颜色”的结合体。夸克是有“色荷”的，而色荷我们把它分为三种“颜色”，即：“蓝”、“绿”、“红”。一个“红色”的夸克，必须用一串胶子和一个“绿色”的和“蓝色”的夸克联结在一起，这样我们看到的就是“白色”。当然还有其他可能性，比如一个夸克和反夸克组成对，出现如“红+反红”，“绿+反绿”的情况等等。这样子结合的粒子被称为“介子”，使得所组成的粒子的色荷为“0”。那为什么会这样呢？其原因在于当夸克之间的距离增加时，强力也会增加（在有效范围内），最终使得夸克被关了“禁闭”，只能被“锁”在一个微小的范围之内。
强力还有另一种性质叫做“渐近自由”。如果说“色禁闭”描述的是夸克距离变远时的情况，那么“渐近自由”则是描述夸克距离变近时的情况。当夸克之间的距离越来越近的时候，强力就会越来越小。
接下来将提到暴胀理论。
暴胀理论是1980年由麻省理工学院的科学家阿兰•固斯（Alan Guth）提出的。固斯是这么认为的：宇宙温度可以降到临界值以下，而各种力之间的对称没有受到破坏。这种情形如果发生，那么宇宙将处于一个不稳定的状态，其能量比对称破缺时更大。这种特殊的额外的能量呈现出一种反引力效应，其所用等同于一个宇宙常数。排斥效应使得宇宙不断加速膨胀，即便在一些物质比平均数更多的区域，这一排斥作用也超过了物质间的引力的吸引作用，这种膨胀使得宇宙中的不规则性被抹平了。打个比方：吹气球的时候，气球越来越大，气球表面也就越来越光滑。但是，我们今天看到的宇宙并不是以暴胀的方式膨胀，这使得必须有一种机制来消去这一常数，使得我们的宇宙的膨胀状态从暴胀状态变成今天这样的状态。
从中可以推算出，在宇宙暴胀时，各种力之间最终会破缺，这就好比水低于零度会变成冰一样。这样使得未破缺的额外能量释放，并将宇宙重新加热到恰好低于使各种力之间对称的临界温度。
在固斯原先的设想中，就像水烧开后围绕水面的蒸汽泡泡，新的对称破缺相的“泡泡”会在原有的对称相中形成。设想一下：这些“泡泡”膨胀并且相互碰撞，直到宇宙处于一个新相。但是这个设想有一个问题：宇宙膨胀如此之快，即使“泡泡”以光速扩张，它们也要相互分离，这使得宇宙变成一种非常不均匀的状态。这显然与当前的观测不吻合。
1981年，苏联物理学家林德提出“缓慢对称破缺思想”：如果“泡泡”非常巨大，使得我们的宇宙区域被整个地包含进一个单独的泡泡，就能避免“泡泡”不能合并的尴尬情况。但这就意味着，这个“泡泡”必须比宇宙的尺度还大。并且，新的暴胀模型所预言的微波背景辐射温度变化比现在的要高得多。
之后在1983年，林德提出了一种混沌暴胀模型，这个模型里没有相变和过冷，而是通过一个自旋为0的场来代替。由于量子涨落，早期的宇宙的某些区域的场值更大。而在那些区域，场的能量起到了前文所提出的宇宙常数的作用，即具有排斥的反引力效应，从而使得这些区域加速膨胀。随着它们的膨胀，场的能量缓慢减小，直到暴胀改变到像“热大爆炸模型”中的膨胀时为止，这个模型并不取决相变。此外，它还能给出符合微波背景辐射起伏的合理温度。不单单如此，暴胀理论还能引出多重宇宙方面的内容，因为暴胀只是局部停止而不是全面停止，其他不可见区域依然在暴胀。暴胀发生的速度大概相当于在一兆兆分之一秒内，宇宙膨胀了10的九十次方倍。这个速度很惊人，但这并不违反相对论，因为这不是物质移动而是物质之间的空间距离增加了。
时间到了10的-10次方秒。这个时候，质子和中子开始形成，这也就意味着夸克的“禁闭”，此时宇宙的温度为10的15次方度。当温度进一步降低到大约两兆度时，质子和中子形成，而质子和中子的形成就涉及到了著名的质能方程。根据量子力学，粒子可以通过反粒子和粒子以粒子对的形式在能量中创造。
这些能量从何而来？由于粒子具有正能量，引力具有负能量，这使得宇宙的总能量为零。在空间上大体一致的宇宙情形中，可证明引力能刚好抵消物质所代表的正能量。即便宇宙同时加倍负能量与正的物质能，也不违反能量守恒。而暴胀使得宇宙尺度增加了一个极大的倍数，使得可以制造粒子的总能量变得非常大。
但是，当物质在宇宙中四处生成时并没有质量，而没有质量的粒子只能以光速到处乱窜。那么质量是从何而来的呢？
1960年代，由彼得•希格斯提出的“希格斯场”给出了这个问题的答案，大致意思为：不同的基本粒子会以不同的方式与希格斯场相互作用。正常物质粒子通过希格斯场，会与希格斯玻色子产生交互作用，而交互作用越强，质量越大。无形的希格斯场延伸到整个宇宙，证明希格斯玻色子存在就能证明希格斯场的存在。2013年3月14日，欧洲核子研究组织宣布通过大型强子对撞机检测到的新粒子是希格斯玻色子。同时，科学家认为希格斯玻色子或许是引起超力的分裂的原因，因为其打破了超力的对称性。
在10的-10次方秒之后，超力分裂出了最后两大基本自然力：那就是电磁力和弱相互作用力（简称弱力）。
电磁力作用于带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，但不和不带电荷的粒子相互作用，例如引力子、中微子等。宇宙中存在两种电荷，正电荷或负电荷。电磁力的强度是引力的100亿亿亿亿亿倍，在原子和分子的尺度下起主要作用。
人们将电磁相互作用力的媒介子叫做光子，即无静止质量，自旋为1的玻色子。根据量子力学，当电子从一个允许“轨道”变轨到另一个离原子核更远的允许“轨道”时，会释放能量并发射出光子。如果光的波长合适，就可以作为可见光被观察到。同理，如果一个光子和原子相互碰撞，可以将电子从离核较近的允许“轨道”移动到较远的允许“轨道”，这就意味着光子的能量被吸收了。
恒星的核聚变产生的是能量最高的伽玛射线，然后通过不断的被吸收、被发射，能量逐渐减少，进而变成能量更低的X射线、紫外线、可见光等。
而弱力主要负责放射性现象，并且只作用于自旋为1/2的费米子。对于诸如光子、引力子等自旋为0、 1 、2的玻色子则不起作用。在1967年前，弱力理解起来十分困难。在阿博达斯·萨拉姆和史蒂芬·温伯格提出的弱作用力和电磁力统一后，弱力才被人们更好地理解了。弱作用力和电磁力统一的影响力相当于麦克斯韦统一电力和磁力。
大致可以这么理解：除了光子，还存在三个自旋为1的重矢量玻色子，它们携带弱力，称作W+、W-和Z0。这三种粒子每一种具有大约100GeV的能量（1GeV等于10亿eV）。温伯格-萨拉姆理论展现了叫做“自发破缺”的性质：在低能量下，一些看起来完全不同的粒子，事实上只是同一粒子的不同状态而已。打个比方：在我们日常生活中用抽奖转盘来抽奖，当转盘快速转动时，指针指向所有可能位置；而当转盘停下，指针则指向单一位置。让我们把转速类比成能量，则在低能量下，我们看到的指针的指向有好几种结果。
回到理论中来。在温伯格-萨拉姆理论中，当能量远远超过100吉电子伏时，这三种新粒子和光子都有相似的行为。但是，在大部分情况下，粒子能量是远低于这个能量值的，这让得粒子之间的对称性被破坏，从而使W+、W-和Z0 三种粒子得到了大质量，使其携带的力非常短程。1983年，CERN欧洲核子研究中心发现了这三种粒子，该理论被证实了。
【本文为耀星会的原创作品，未经允许，禁止盗用、转载、篡改文章，否则耀星会将追究版权责任。】
更多科普资源和答疑，请加入耀星会科普官方QQ群：433646418
即日起耀星会将逐期发布新修订版的“科普驿站”栏目文章，暂定每周2-3更。欢迎各位科学爱好者们前来围观、评论！