大爆炸论认为，整个宇宙是在大约二百亿年前的一次巨大爆炸中产生的。这次爆炸的巨大程度虽难以理解，但是，提出下列问题问问自己，似乎也很自然：“大爆炸时的情况如何？”“大爆炸前又是怎样？”要是我们能够追溯时间作一次短暂的旅行，那么，我们首先就会看到，我们的太阳是在大约五十亿年前，或大爆炸一百五十亿年后形成的。当着我们沿着时间的长河往回走的时候，我们还会看到，第一批星系是在宇宙从爆炸中诞生后五十亿年左右形成的。若再上溯得远些，那么，大爆炸后七十万年时的宇宙，就是充满着辐射的，这辐射，使一切物质都处在4000°K的高温下。正因如此，宇宙中便一点黑暗也没有——空中无处不闪耀着太阳似的光辉。没有恒星，没有行星，甚至也没有尘粒——有的只是由电子、质子和氦核等组成的炽热而稠密的等离子体。

仅仅在大爆炸后三分钟时，我们才看到了在近十亿度高温的沸腾宇宙中氢原子聚合成氦的情况。这时，宇宙中的物质平均密度就像铅一样。超过一秒钟的界限，超过轻子（如电子和中微子一类粒子）时代的始点，宇宙才有了固定的核粒子比，即中子：质子=1：5。这就是夸克时代，整个宇宙，现在的温度是五十亿度。我们是在大爆炸后大约0.001（10-3）秒的时候进入这个时代的；大爆炸火球的辐射温度上升到了难以置信的一万亿度。这是宇宙中的夸克粒子可以三三两两结合成中子、质子和其他类型重粒子的第一个时期。这时的宇宙挤满物质的情况，犹如原子核一般——埃非尔士（即珠穆朗玛）峰的质量可以压入不比高尔夫球大的容积里。到大爆炸后十亿分之一秒时——温度为一千万亿度——我们便会看到，大自然的两个最基本的力，即电磁相互作用力和弱核相互作用力，合二为一了。宇宙的稠密度达到了可使整个地球的质量纳入一个针箍的程度。夸克和反夸克不再囿于像中子和质子一类的粒子内，而是作为自由粒子的一种过热等离子体的一部分了。

现在，随着宇宙开始的情况展现在我们的面前，以及我们越来越趋近大爆炸那一瞬间的时候，我们通过了那个似乎并没有任何真正新东西发生的“漫长”时期。接着，在大爆炸后10-35秒时，我们将亲眼目睹宇宙在大小方面的一场惊人变化。这个时期只有通过现代物理学的大统一理论才得以理解——大统一理论时代（参阅本刊1983年11月号《假真空的蜕变》一文）。另一种基本力——强核相互作用力——又与合二为一的电磁和弱核力结合起来了。正是这个合力导致了宇宙大小的急剧变化。温度令人难以置信——1028度；物质密度扶摇直上——接近水密度的10 75倍，这个数字大得连我们的想象也几乎无法理解。在这种密度下，整个银河系可以轻而易举地塞进不比单个氢原子大的容积里！电子和夸克，连同它们的反粒子成了物质的主要成分。一些很有质量的粒子，即被叫做微夸克（LEPTOQUARK）玻色子的粒子，使夸克蜕变成了电子，或反向蜕变。

大统一理论时代代表了空间真空经历的一个从高能状态向低能状态“转相”的时期。这就好比一只球，从山坡上滚下来，滚到最低的山谷里停住了。随着宇宙“滚下山来”，它开始了一个短暂而巨大的膨胀阶段。宇宙几乎毫不费时地膨胀了它原来的几十亿倍。此外，这时的物质似乎略多于反物质，因为另一种称为X希格斯（HIGGS）玻色子的有质量的粒子蜕变了。随着宇宙年龄的增长，粒子和反粒子开始了互相残杀，并终于在巨大的能量猝发中同归于尽。从这次能量的突然爆发中，产生了我们现在仍可观察到的辐射——宇宙的3°K“背景噪声”。

大统一理论时代是我们穿越时间进行想象旅行的最后一站。如若我们试图继续往回走以便发现大统一理论时代以前的情况的话，那么，我们便会立即陷入空旷辽阔的无人之境——指导我们的无可争议的事实，现在是寥寥无几。然而，有一点似乎是清楚的，那就是，当我们探索着通往大爆炸的时候，宇宙中最微弱的力——重力——将变得愈益重要起来。事实上，重力终应成为粒子间的主力，即便在微观水平上也如此。

重 力

根据二十世纪三十年代创造的理论，我们所谓的“力”，实际上是无数称为规范玻色子的载力粒子互相交换造成的一种共同现象。宇宙中存在着四种基本的力，每一种力都由一种特定的规范粒子负载。电磁力是由一种称为光子的规范玻色子“传输”的，它们同性相斥，异性相吸。把核束缚在一起的强力，是由一种叫做胶子的规范玻色子负载的。弱力能促使不稳定核蜕变，它是由最近才发现的中间矢性玻色子传输的。同理，物理学家们认为，称为引力子的粒子负载重力。如果重力果真具有这种量子特性，那么，一旦可以把夸克和电子间的距离挤压到10-33厘米——普朗克长度——之内时，我们便应该能够看到它的效应。要达到这一条件，夸克和电子就必须以1019千兆电子伏的能量（相当于它们在温度为1033°K的气体中的动能）相撞。体现今天技术水准的直线粒子加速器，必须有银河系那么大，才能把粒子推到具有这样不可思议的能量；幸运的是，人类觉得不可能办到的事，大自然并不感到怎么困难。在宇宙到达10-43秒年龄以前，物质以如此大的能量碰撞，完全是司空见惯的事。这个紧接着大爆炸之后的短暂阶段，就是我们所说的普朗克时代。

通过镜子，模糊一片

由于我们的技术无法使我们重现这些远古时代的确实情况，因此，我们必须应用我们关于物质运动变化的数学理论，探索早期的宇宙。我们知道，10-43秒之前的宇宙面貌，只有修改大爆炸论才能充分描述出来，因为大爆炸论是以爱因斯坦的广义相对论为基础的。广义相对论告诉我们，重力是怎样在行星、恒星和星系等宏观尺度上起作用的。在普朗克尺度上，我们必须把广义相对论加以扩展，使之不仅包括重力的宏观性质，也包含它的微观性质、虽然这个“量子重力”论还远不完善，但物理学家们却一致同意，起码，量子重力论必须把现代物理学两大主要理论广义相对论和量子力学的基本原理结合起来。

按广义相对论，重力就是物质和能量的存在引起空间变形的结果。重力也就是三维空间中曲率度的别称，量子重力论则认为，重力是由无质量的引力子产生的——重力子代表的，就是以光速运动着的弯曲空间的各个“整体”。

无数引力子的产生和湮没使空间几何形状呈现波浪起伏和变化不定的状态。普林斯顿大学物理学家约翰A. 惠勒（John A. Wheeler）认为，这种空间几何形状是一种泡沫状的亚结构，在这种结构里，空间几何形状被扭曲和弄歪了——宇宙的那些被甩得远远的区域，可能会突然发现，自己是由在10-43秒内时现时隐的“条虫状气孔”连接着的。即便在你阅读本文的时候，这个微观领域——比原子核小1026倍——也正在经历着狂乱的活动。试比较，原子和引力子范围的大小差异，按比例就如同太阳和原子的差异一样。量子重力效应在今天的原子和核子尺度上是完全测不出来的。然而，在普朗克时代，宏观世界和微观世界是合二而一的——微观世界的量子重力说成了宏观世界的量子宇宙学。

量子宇宙学

普朗克时代发生了什么情况？让我们再沿着时间往回走吧。当我们接近普朗克时代终点即大约大爆炸后10-43秒时，无数引力子的不规则产生和湮没最终将迫使我们放弃按照三维空间确立的特定“形状”这个概念。相反，在某一给定瞬间的几何形状必须被认为是三维空间各种可能几何形状的平均形状。其理由是，粒子紧密地挤在一起的程度，现在可以使我们看到各引力子把它们之间的空间弯曲的结果。

今天我们说，两夸克间的空间是扁平的，重力是各基本相互作用力中最弱的力。我们之所以这么说是因为，两夸克间的距离与普朗克长度厘米相比，简直太大；两夸克间的重力吸引现在已毫无意义，因为它们之间的空间实在太大。然而，在普朗克时代，物质聚得如此之紧，因此，各单个引力子的影响已可以觉察出来。

更为糟糕的是，量子重力不仅妨碍我们解出正确的三维空间几何值，而且也使我们无法在普朗克尺度上同时知道空间的确切几何形状以及其随着时间的推移而发生的变化。这就是说，我们可能永远也不能确实无疑地查清自开始至10-43秒之间精确无误的宇宙史来。今天，大尺度的空间几何形状属于下列三种可能形状之一：扁平而无限，负曲（马鞍形）而无限，正曲（球形）而有限。在普朗克时代，条虫状气孔歪曲了大尺度的空间几何形状，因而具有无限数量的种类是可能的。探索普朗克时代的宇宙史，就犹如在地球上可能有某个人是你的祖先的情况下，你想寻找出自己祖先的根来一样。那么，就请你试着追溯几代家谱吧；你追溯得愈远，遇到的可能是你祖先的数目就愈大。物理学家必将研究出一个崭新的“宇宙史”概念来。即便是我们现在的时空概念，也必将在普朗克时代的时空量子波动面前接受全面的重新评价。

宇宙的诞生

那么，普朗克时代究竟发生了什么情况？它们对宇宙学究竟有何重要意义？这里就是根据我们关于量子重力理论的大致轮廓勾划出来的画面。当着我们沿时间上溯逐渐趋近普朗克时代的时候，夸克和电子也正在以越来越高的能量和越来越大的数量交换着引力子。待到我们于10-43秒到达普朗克时代的终点时，引力子开始和其他载力粒子（如胶子、质子和中间矢性玻色子）带有同样多的能量。比这更早一些的时候，全部自然力就都统一起来了——也就是说，四种基本的相互作用力变得互相不能区分了。在那个宇宙里，只存在一种力，那就是重力；主导这个时期活动的也只有一种粒子，即引力子。

二十世纪七十年代初，苏联科学院的物理学家雅 · 捷尔多维奇（Ya. Zel'dovitch）和阿 · 斯塔罗宾斯基（A. Starobinski）就提出，普朗克时代变化不定的空间几何形状实际上可能已经创造了目前业已存在的全部物质、反物质和辐射。在他们的创造画面上，迅速变化着的空间几何形状创造了有质量的粒子和反粒子。物质和反物质的产生消除了空间几何形状中巨大波动形成的能量，并且在普朗克时代行将结束之前成功地把它们统统消灭殆尽。他们的计算还表明，粒子的创造速度是随着越来越多粒子的产生而加快的。

亨特大学的爱德华 · 特赖恩（Edward Tryon），布鲁塞尔大学的R · 布劳特（R. Brout）、F · 恩格勒特（F. Englert）和E · 贡切希（E. Gonzig）以及洛克菲勒大学的戴维 · 阿特卡茨（David Atkatz）和海因兹 · 佩吉尔斯（Heinz Pagels）等物理学家最近进行的一些研究进一步揭示了大爆炸的奥秘。要是你能想象的话，那就请想一想什么也没有吧——那就是宇宙的原始真空状态。这里，完全是一片漆黑，什么光也没有。空间有几维？可能不是我们习以为常的三维，也许高达十一维；在这无限的空间中，空间几何形状里的无规波动微微地改变着各个不同点上真空的能量。终于，有一个波动达到了临界能量，开始成长起来。随着它的成长，有质量的微夸克粒子和反微夸克粒子产生了。膨胀在加速，更多的微夸克粒子产生了。这个热闹非凡的循环持续不息，终于，这些微夸克粒子蜕变成了夸克粒子、轻子（诸如电子、μ介子等粒子），以及它们的反粒子。就这样，宇宙从普朗克时代，即它诞生（估指大爆炸——译注）后的10-43秒起形成了。一旦空间几何形状中的波动消失，粒子也就不再产生。

因此，在我们的脑海里留下的，就是这样一种值得注意的可能性：开始，是什么也不存在，我们现在所看到的几乎所有物质和辐射都是从那个什么也不存在中涌现出来的。加利福尼亚大学的物理学家弗兰克 · 威尔切克（Frank Wilczyk）是这样来描写这个过程的，“不是没有什么，而是有什么，其理由，”他说，“就是，‘没有’是不稳定的。”位于陡峭山巅的球，只需稍稍一弹就能使它动起来。显然，空间里的无规波动就是释放（原始）真空里令人难以置信的潜能所需要的一切，而且，正是从这虚无之中产生出了物质和能量，以及膨胀的宇宙。

宇宙并不是在一瞬间形成的，而是一点一滴逐步创造出来的。一旦这个什么也没有的真空的量子波动产生出几个粒子后，再产生几个也就比较容易了，如此而已。宇宙正是在一个迅疾加速的过程中，从虚无中涌现出来的。这个过程有多长？在那个促使产生我们宇宙的波动发生之前，原始真空可能就已经永恒地存在着了。或者如物理学家爱德华 · 特赖恩所说，“我们的宇宙，不过是不时产生的那些东西中的一个东西罢了。”

量子重力论的原理可能最终迫使我们重新考虑这样一个问题，即“大爆炸以前如何？”也许，量子重力的完整理论会告诉我们如何正确设问的吧。

[Astronomy，1984年3月]