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第一节 物质出现之前

1、从无限小到无限大

宇宙的诞生以及演化进程并不仅仅是天文学家的研究课题，在现代物理学日新月异的今天，粒子物理学这一个重要分支领域早已深入到微观世界，一直在用无限小的粒子，努力去探索宇宙初生的终极秘密。

宇宙是怎么诞生的？

奇点中有些什么物质？

大爆炸发生的一瞬间，我们的宇宙里包含了什么东西？

这都是宇宙天文学需要弄明白的问题，而要想搞明白这些问题，我们很有必要知道浩瀚宇宙中物质究竟是由什么东西组成的？是否存在一种基本的物质构成成分？

看来，我们还是要对微观世界和粒子物理学进行一些简单必要的了解。

微观世界，无处不在。

世界上所有的一切，包括矿石和树木，海洋和大气层，你和我，有生命和无生命的一切，甚至宇宙中的恒星和星系，这所有一切物质的组成部分，都包括在我们找到的92种基本化学元素之内。

有时候，某种化学元素也常常被叫做某原子，但是，元素的范围要比原子大的多，因为一种元素有可能包含几种不同的原子，比如氢元素，就包括氕、氘、氚三种结构不同的原子，它们都是氢元素的同位素，区别仅仅是原子核中的粒子数目不同，这三种同位素在宇宙的历史中有着很重要的地位，我们仔细看下其构成，将会对以后的讲述有所帮助：

氕，发音为‘piē'，氢的最主要同位素，原子核内有1个质子；

氘，发音为‘dāo'，又叫做重氢，原子核内有1个质子和1个中子；

氚，发音为‘chuān’又叫做超重氢，原子核内有1个质子和2个中子。

这三种同位素的原子核外都有一个电子围绕，是宇宙诞生之初的基本元素，以后我们还要在很多地方碰到它们去详细了解其性质。现在，我们来接着了解原子的一个含义：宇宙所有的一切都是由原子构成，是原子构成了一切。

我们通过实验可以知道，各种各样的原子可以结合成稍大一点的分子。比如水分子，我们将水不断分离下去，直至不破坏水的特性，这时出现的最小单元是一个水分子，其中含有两个氢原子和一个氧原子（HO）。当然也可以用电解法或其他方法把这个水分子再一次分解为两个氢原子和一个氧原子，但这时它的特性已和水完全不同了。

分子中包含的原子种类和原子数量都没有什么规律，可以为一个、几个、十几个、几十个乃至成千上万个。也正是这种原因导致了大自然中有着各种各样的物质：有的分子只由一个原子构成，称单原子分子，如氦和氩就属于此类既是原子又是分子的物质；有的分子是由两个原子构成的，叫做双原子分子，例如氧分子(O)和一氧化碳分子(CO)；两个以上的原子组成的分子统称多原子分子。例如一个二氧化碳分子(CO)由一个碳原子和两个氧原子构成、一个苯分子包含六个碳原子和六个氢原子(CH)、一个猪胰岛素分子包含几百个原子，其分子式为CHONS……。

所以，从本质上来说，原子构成了不同特性的分子，进而形成世间万物，而分子会变，原子不会变，物质的最小单位是由原子构成的。

四下里望望，原子无处不在，不但桌子、电脑、台灯这样的固体物质是由原子构成，就连杯子里的水、到处弥漫着的空气也都由原子构成。

这些原子的数量多的简直无法想象，就拿空气来说吧，1立方厘米（大约一块方糖）这么大的空气中所含的分子数量多达4500亿亿个，而周围的空间中能放下多少个方糖？窗外的世界上又有多少个立方厘米？然后，又要多少个这样的空间才能构成整个宇宙？所以不得不说，原子的数量是很多很多的。

那么，这么多的原子到底是什么东西？它还能不能继续分解开呢？

在我们的实验室里可以知道，原子完全存在于一种肉眼看不见的微小尺度上，它们自己本身也是由其他更小的粒子所组成，而且构成原子的成分只有三种更小粒子，它们分别是：带正电的质子，带负电的电子，以及不带电的中子。质子和中子装在原子核里，而电子在外面似乎是在活动。

质子的数量决定了一个原子是什么原子，比如一个质子的原子是氢原子、两个质子的原子是氦原子、三个质子的原子则是锂原子……如此往上类推，每增加一个质子数就得到一种新元素（由于原子里的质子数量总是与电子数一样，因此我们有时也会用电子的数量来表示一种元素，但是不管用哪个做标准，最后的结果都是一样：质子决定一个原子的身份，电子决定一个原子的性情，中子不影响原子的身份，但却增加了它的质量数）。

一般来说，中子数量与质子数量大致相等，但也可以稍稍多一点或少一点。增加或减少一两个中子，就得到了原子的各种同位素。

原子核体积很小，只占整个原子体积的万亿分之一，但这个原子核很重，几乎占到了整个原子重量的百分之百，电子的质量和它比起来可以忽略不计。

看到这里，恐怕每个人的脑海里都浮现出一幅原子结构图——即一两个电子绕着原子核飞速转动，就像行星绕着太阳转动一样。这个形象和1904年日本物理学家长冈半太郎的图示完全一样，是一种聪明的凭空想像。甚至欧洲核子研究中心也把长冈半太郎的原子结构图像作为它网站的标记。

但是我们不得不说，这个印象是错的，虽然它很有生命力。

说它错误是因为电子根本不像在轨道上运行的行星，反倒更像是电扇旋转着的叶片，似乎是同时填满了轨道上的每一个空间。（但有个重要的不同之处，那就是，电扇的叶片只是好像填满了每个地方，而电子却真的是同时占据了每个地方，有点费解，往下细看。）

怎么说呢？电子并不像行星绕着太阳转动那样在绕着原子核飞速转动，而更像是一朵没有固定形状的云。原子的"壳"并不是某种坚硬而光滑的外皮，而只是这种绒毛状的电子云的最外层。实质上，边缘本身存在与否也只是个概率问题，它仅能表示电子极少越过这个范围，而不是一个囚禁原子核和电子的“囚笼”。因此，原子更像是个毛茸茸的网球，而不是个光滑坚硬的玻璃球。（其实，二者都不大像，也不可能像我们见过的任何东西。毕竟，我们在这里讨论的世界，跟我们身边的世界是非常不同的，在以后讲到量子力学的章节时，我们还要面对这个问题去仔细讨论。）

问题来了，原子核的重量如此之大，为什么没有把微小的电子吸进原子核里？

1913年，尼尔斯·玻尔从量子论的角度出发，认为电子只能留在某些明确界定的轨道上，不会被吸入原子核里。

根据玻尔的解释，在原子核之外的电子会在一个轨道消失后立即在另一个轨道出现，而又不通过中间的空间去移动。这就是著名的"量子跃迁"理论——当然是极其奇特的一种理论，而又实在让人不能不信。因为它不但说明了电子不会灾难性地盘旋着飞进原子核，而且解释了氢的令人费解的波长。这个了不起的见解，让玻尔获得了1922年的诺贝尔物理学奖（爱因斯坦获得该奖的次年）。

另一位科学家卢瑟福从另一个角度出发，认为原子核里带正电的质子旁边，一定有某种不带电的粒子去中和它的电性，他把这种粒子叫做中子，有了中子，带负电的电子才没有被质子吸过来。

卢瑟福的想法很简单却不容易证明，他的同事詹姆斯·查德威克整整忙碌了11个年头去寻找原子核内的中子，终于在1932年找到了预言的中子并因此获得诺贝尔物理学奖。

说一句题外话，较晚发现中子或许是一件幸事，因为发展原子弹必须掌握中子理论。由于中子不带电荷，因此可以像小鱼雷那样被射进原子核启动核裂变，最终导致原子弹这个大杀器出现在人类舞台，这可不是一件幸事。

总之，原子那个小天地里在发生的事，和宏观世界的物质规律很不一样，它非常的特殊。最简单的原子结构是原子序数排在第一的氢原子，它的原子核中只有一个质子，外面有一个电子在不停的运动；原子序数第二的氦原子核是由两个质子和两个中子所组成，外面则是有两个电子在运动；组成我们身体的碳元素就稍微复杂一点，它有6个质子和中子，外边还有6个电子围绕着运动。

图：原子模型的早期示意图，其中的电子形态已经被证明是错误的，此处仅仅示意而已。

质子和中子的质量大致相同，相对于微观世界中的其他轻粒子而言，算是很重的重粒子了，比方说，把一万亿个质子放到天平上去称，它们的总重量大约是一克的一万亿分之一！而电子的质量还要小，大约是质子的两千分之一。

接下来又产生一个新的疑问：质子、中子和电子还能再分吗？还有没有更小的组成部分吗？

答案是有！

19世纪接近尾声的时候，玛丽·居里打开了原子的大门，证明原子不是物质的最小粒子，很快科学家就发现了两种比原子还要小的粒子：电子和质子。

1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，让当时的很多科学家都以为人类终于发现了物质的最小粒子，最后却却发现中子和质子一样，仅仅是原子的一个组成部分。

20世纪50年代起，粒子加速器和“气泡室”被应用在物理实验中，让科学家们能够把质子和中子打碎成更小的核子，去观察里面有没有更小的粒子，结果发现质子分裂为一群陌生的新粒子，这些粒子移动时留下一个极其微小的气泡轨迹，多种多样，数量众多，每一条轨迹都表明一个前所未知的新粒子曾经短暂存在过。虽然科学家无法直接看到这些粒子本身，却可以看到这些气泡的轨迹，但是仅凭这些气泡轨迹依然无法判断这些更小的粒子究竟是什么。

揭开这个谜底的是美国科学家默里·盖尔曼。

默里·盖尔曼，1929年出生于美国曼哈顿，是个名副其实的神童，3岁时就能心算大数字乘法。他从耶鲁大学毕业后又在麻省理工学院和芝加哥大学工作过，1964年，他在普林斯顿大学决定集中精力研究气泡室图像里的奇怪粒子痕迹。

通过气泡室图像，默里·盖尔曼发现质子和中子应当是由更小的粒子构成，他将之命名为“夸克”， 并因此获得诺贝尔物理学奖。但是，依然没有科学家能够拿出令人信服的可观测实验来亲眼看到夸克的存在。就算是1968年的第十四届国际高能物理会上，也仅仅是承认了核子点状结构有一定可能会存在。

1969年，欧洲核子研究中心为了寻找夸克做出深入实验，结果显示出夸克和夸克之间的相互作用，从侧面证明了夸克的真实存在。不久又有科学家发现了“胶子”，可以把夸克胶合在一起构成质子等基本粒子，这些微小粒子都是小到无法直接观测，只能去观测相互作用或者运行轨迹才加以确定。

最终，截至目前的研究成果表明，夸克是物质构成的最终成分，现有技术和理论都无法继续细分下去。

确实不可思议，但却是真的，就是这么微小到无限小的粒子，最后构成了无限大的宇宙！

图：原子构成

2、大爆炸终于开始了：普朗克时代

物质都是由很小很小的基本粒子构成的，那么在大爆炸的一瞬间，我们的宇宙中有些什么东西存在，是不是就是这些最小的物质组成单位，比如夸克？

如果充斥宇宙中的就是这些最基本的粒子，它们又都在干些什么？怎么就突然爆炸了呢？

让时光回溯到那个奇妙的时刻，让我们回到最开始的宇宙去试着演绎一下宇宙的诞生过程。

在那个爆炸的一瞬间，宇宙进入第一个时代：普朗克时代。

普朗克时代是指宇宙大爆炸开始、时空诞生后的10秒到10秒之间的一个瞬间（其实比一个瞬间还要短暂的多），当时的宇宙是高温高密的，密度高达10千克/立方米，温度高达10度。

宇宙最开始的结构也是极其简单而对称，除了时间、空间和无数的量子之外，一无所有。

严格来讲，从宇宙的历史中划分出一个普朗克时代并没有什么实际意义，它仅仅只是存在于理论中，是一个虚拟的分界线。

“普朗克时代”这个命名方式来自于德国物理学家马克斯·普朗克所发现的宇宙最小单位。

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克在研究热辐射的规律时，认识到能量可以分为不可再分割的最小单位，并将其命名为“量子”，这一发现标志着量子力学的诞生。（注：普朗克计算证明每一份能量等于 H 和 V 的乘积，其中 V 是辐射电磁波的频率，H 是一个常量=6.63×10焦秒，这被叫做普朗克常数。受他的启发，爱因斯坦于1905年提出光子说，并证明光子的能量E跟光的频率V成正比，即E=HV。这个学说以后就叫光量子假说。）

图：马克斯·普朗克，现代量子力学的奠基人

量子一词来自拉丁语（quantus），原意为“多少”，在物理学中特指一个不可分割的基本个体，因为在微观领域中，有很多物理量的变化并非连续不断，而是以最小的单位做跳跃式运动，这个最小的不能被分割的基本单位就被叫做量子，量子力学颠覆牛顿力学的奥秘也就是因为这个发现——光不是连续不断的而是分成了普朗克单位的一份份向前传递。

普朗克对科学发展起的作用完全超出普朗克本人的想像，例如把普朗克常数同光速和其他常数结合在一起，就可以得出空间和时间方面不可分割的最小单位：一个普朗克长度为10厘米，一个普朗克时间为10秒，这也就是人类目前所能确定的最短距离单位和最小时间单位。其中的原理我们在以后还要继续细究，此处暂时忽略。

没错，普朗克单位就是我们所认可的最小单位，以目前的科技与理论水平，科学家们没有办法超越这一数值，所以，在我们研究宇宙的历史时，最早的时间就只能从10秒这一个最小时间单位开始，用文字语言描述的话就是一秒的一千亿亿亿亿分之一：1秒的1亿分之1的1亿分之1、再1亿分之1的1亿分之1、再1亿分之1的1万分之1……我们也可以把它理解为光通过普朗克长度10厘米所需要的时间（这里不必计较多少存在的一点点误差）。在这个时间点之前不存在更接近大爆炸的时间，换句话说，我们不可能追溯到大爆炸的真正开始时刻。

那么，普朗克时代的宇宙是什么样子？

很遗憾，没有人可以准确的知道这个问题的答案。我们所讲述的也仅仅是科学理论推断出来的状况，无法用实践去验证。

《道德经》第四十章中提到：“天下万物生于有，有生于无。”或许，这句话正是宇宙形成的最形象描述。换成现代科技的理论说法就是：量子起伏和量子涨落导致了一切的发生。

我们知道，最初的物质是由能量转化而来，世间万物所有的一切都是从“无”中来，包括最初的能量，那些形成物质粒子的能量，也都是从“无”中来。

那么，这个“无”又是什么？

最先，在古人看来，“无”就是空空荡荡无一物，后来人们知道了看不见的空气中存在不计其数的分子和原子，所以，“无”应该指抽去了空气的真空。再后来，人们觉得各种“场”，从引力场到电磁场，也应该排除在“无”的概念之外，这个“无”仅仅应该指空间本身，是一个“真真空”。

不过到了现在，这个概念又开始混乱了。

爱因斯坦的相对论告诉我们空间本身也能扭曲变形，引力也只不过是它的弯曲形象而已，所以空间里面是不会什么都没有的，它总要有点什么东西，比如说“真真空”中就同样有“力”的存在。而海森堡提出的“测不准原理”展现出一副更加奇特、更加玄妙的场景：对一个点测量的时间越准确，得出的能量值也就越不确定！意思是说：非常非常短的一刹那，也就是时间非常确定的甚至精确到普朗克时间的一瞬间，即便在完全空无一物的“真空”中也会出现巨大的能量起伏。这种能量完全是靠着不确定性而凭空出现，它虽然违反了能量守恒定律，但是它出现的一刹那极其短暂，在人们还没有来得及发现以前，它又象一群幽灵一样神秘消失，使得能量守恒定律在整体上得以维持。

时间点越准确，可以凭空出现的能量也就越大——这就是量子起伏的基本原理——而有了能量，自然就会出现物质粒子。

可是，为什么会有“测不准”的情况出现呢？

举个例子：假定我们想测量澡盆里热水的温度，就要把一根温度计放入水中进行测量，可是温度计的温度一定要比水温低才可以测量出水的温度，那么，温度计放入水中的一瞬间，就会影响到温度计接触的水，使水的温度稍稍降低。这时，我们测到的温度只是热水温度的近似值，它决不会精确到一万亿分之一度。因为温度计已经改变了它所要测量的热水温度，而这种细微变化是温度计本身所无法测出的。

再举个例子：假定我们想测量汽车轮胎中的空气压力，就要先让轮胎逸出极少量的空气来推动测压计的刻度，但是，有空气逸出这个事实本身，就说明空气的压力已经由于我们去测量它的行为而稍稍降低了。

有没有可能发明一种非常微小、非常灵敏，而又不同所要测量的目标发生关系的测量器械呢？德国物理学家维尔纳·海森堡在1927年断言说：这是不可能做到的！一个粒子的位置和它的动量不可能被同时确定，在精确知道其中一个变量的同时，必定会更不精确地知道另外一个变量，这就是测不准原理。也正因为海森堡在量子力学方面的突出成就，他获得了1932年的诺贝尔物理学奖。

把测不准原理应用到微观领域，引入粒子世界中，我们就会发现它的巨大作用。

我们可以知道电子穿越空间所经过的路径，我们也可以知道电子在某个特定时刻的位置，但我们无法两者都知道。任何想要测定其中之一的努力，势必会干扰另外一个判断。

这不是个需要更精密的仪器来测量的简单问题，而是宇宙的一种不可改变的本质特性。结果就是我们永远也无法测量到电子在任何特定时刻的位置，只能认为它有可能在那里的概率有多大。在某种意义上，在电子被观察到之前，你只能认为电子"哪里都有，而又哪里都没有"。

例如，我们想要说出某个电子的位置，就要“看到”这个电子，怎么看？我们得让一个光子从电子上面“弹”回来进入我们的眼睛，这样一来，那个光子就会用碰撞来使电子的位置发生变化，而我们看到的电子实际上已经不在原来的位置了！当然在现实宏观世界中，一个光子碰撞而产生的极小位移，会因为过于细微而被直接忽略，也只有在微观的粒子世界中，任何两个粒子之间发生碰撞，哪怕只是一点点极其微小的变化，就足以给粒子本身带来巨大变化。

同时代，奥地利人埃尔文·薛定谔注意到这个理论，他提出了一个著名的谜题：“薛定谔的猫”——这个谜题很复杂也很有趣。

3、薛定谔的猫

量子力学的诞生已经过了一个世纪，但是量子理论引起的困惑至今还在困惑着人们。

薛定谔的猫就是诸多量子困惑中最有代表性的一个。

薛定谔（1887—1961），奥地利物理学家、量子力学的创始人之一，曾获1933年诺贝尔物理学奖（海森堡获奖的次年，两人都是因为关于量子力学的理论而获奖）。

薛定谔的猫是他当时提出的关于量子力学的一个谜题。许多年来让一批批物理学家绞尽脑汁，直到现在也是众说纷纭，莫衷一是。

首先，量子力学所揭示的微观规律与日常生活中看到的宏观规律很不一样，在量子力学中，处于所谓“叠加态”的微观粒子状态是不确定的。例如，电子可以同时位于几个不同的地点，直到被观测时，才会在某处出现。这种事如果发生在宏观世界的日常生活中，就好比：我在家中何处是不确定的，你看我一眼，我就突然现身于某处——客厅、餐厅、厨房、书房或卧室都有可能，在你看我之前，我像云雾般隐身在家中，穿墙透壁到处游荡。我的位置到处都在，取决于你看我的时间和方式。

量子力学的这种说法让物理学家薛定谔想不通。于是他设计了一个假想实验：将一只猫关在箱子里，箱内还置有一小块铀、一个盛有毒气的玻璃瓶，以及一个受检测器控制的锤子。铀衰变时放出射线触发检测器，锤子就会击碎玻璃瓶，放出毒气将猫毒死。

量子理论认为：在箱子未打开进行观测前，箱中之猫处于“死－活叠加态”——既死了又活着！要等有人打开箱子看一眼才能决定猫的生死。要么猫躺在箱子里死掉了，要么它活蹦乱跳地“喵呜”直叫。问题是，当我们没有打开箱子之前，这只猫处在什么状态？似乎唯一的可能就是，它和我们的原子一样处在叠加态——陷于一种死或者活的混合状态中，但它怎么可能同时又死又活的？这未免和常识太过冲突，同时在生物学角度来讲也是奇谈怪论。

由此引申出一个更加玄奥的理论：量子自杀。

在量子力学里，量子自杀是一个想法实验：主观来看，总会存在着一些量子效应的概率，使一个人一旦开始存在就永远不会消失，这些非常低的概率就对应于某个实际的世界！

比如，我们在一套设备里，利用原子衰变来控制一把枪的扳机，随着衰变概率的增加，枪的扳机迟早会扣动，此人迟早被打死，但对当事人本身的角度来说完全不是这样。因为对他唯一有意义的就是他所置身的世界。让我们这样来举例：假如我在草地上逮到了一只蚂蚁，就必定会发现一个事实：这只蚂蚁的祖先在1亿年前就生活在地球上了，它不可能凭空产生，必然由蚁后生产出来，而蚁后也必然由上一代孕育出来……这样一代代往上追溯，可以一直上溯到蚂蚁出现在地球上的那一天，不管这支蚂蚁的一代代祖先如何闯过火山爆发、陨石撞击、冰河时期还有来自人类的损伤，甚至恐龙和很多物种都灭绝了，这只蚂蚁的祖先也没有死亡，而是一代代平安无恙的传递下来，，这是一个非常小的概率。但假如我认定这只蚂蚁是地球上一只百年不遇的的生命奇迹时，就有些荒诞无稽了。原因很明显，只要我逮到了这只蚂蚁，那它一代代传下来的概率其实等于100%！

回到之前的假设里：只要此人坐在枪口面前，那么从他本人的角度来看，他只会听到扳机发出空空的“咔”声，但永远没有子弹射出（虽然在别的数目惊人的世界中早就尸横当场，但那些世界对他没有意义，他永远感受不到）。可是，只要他从枪口移开身子，就会听到子弹发射的“砰”声了，因为这些世界重新对他恢复了意义，让他能够活着见证：只要在枪口前，子弹就绝对不会发射，一旦移开，子弹就会随机地发射。所以，对这位测试者他自己来说，只要此人存在，那么子弹就必须100%地不发射！

但很可惜的是：对于我们这些旁观者而言，事实永远都是一样的，此人必定在若干次“咔”后被一枪打死。我们能够做的，也就是围绕在尸体旁边争论——此人到底是永远地从宇宙中消失了，还是在某个世界中活得逍遥自在。我们这些“外人”被投影到此人存活的世界概率极低，可以不考虑，但对此人来说，他存在于那个世界却是100%必须的！

困惑，这道理玄妙的让人越来越糊涂。

其实，根本不必去费心设计什么“量子自杀”实验，只要“多宇宙”解释是正确的，那么对于此人来说，他无论如何试图去自杀都不会死！要是他拿刀抹脖子，那么组成刀的一群粒子，总有一个非常非常小，但确实不为零的可能性在一刹那全体发生了量子隧道效应，让刀刃丝毫无损地穿透了脖子而此人不死！当然这个概率极小极小，此人在99.99999…99%的世界中都命丧黄泉，但从他的“主观视角”来说却一直活着！不管换什么方式都一样，跳楼也好，卧轨也好，上吊也好，总存在那么一些世界，让他还活着。而更为重要的还是如何定义在多世界中的此人究竟是个什么“东西”的问题。

总之，逻辑怪圈层出不穷，没有什么可以为实践所检验的东西，都是纯理论的佯谬。

多宇宙理论保留了矛盾的对立性（同一个宇宙的猫不会有生死叠加）却肢解了矛盾的统一性（使得矛盾双方位于两个不同的宇宙），或许你会厌烦：不就一只假想的猫吗，一枪打死就完了。可惜事情远远不是如此简单，薛定谔的猫衍生出更深刻的问题：大量原子、分子所构成的复杂生物与这些小量粒子遵从的力学规律之间有什么内在关系？

这可就不仅仅是理论问题了，而是具有了实际意义。例如，多粒子的“薛定谔猫”态系统可以作为未来高容错量子计算机的核心部件，也可以用来制造极其灵敏的传感器以及原子钟、干涉仪等精密测量装备。

不知道人类自我意识的机制是不是也和这个有关，那至今都还是未解之谜。或许人类的意识真的就与更深层次的微观规律有关。比如思维过程中的“顿悟（突然想通了）”，会不会就是“一个确定态从原先不确定的叠加态中蹦了出来”呢？有关的还有生命的起源、物种的变异、光合作用的机制……如此等等。总之，这些奥妙不知道和微观粒子之间有什么关系，但肯定有关联（所以薛定谔后来转而对生命科学很感兴趣。他在1946年写出了著名的《生命是什么》一书，提出了一些很有创见的观点。遗憾的是，在他有生之年，那可怜的箱中之猫依然生死不明）。

后来几十年的探索让物理学家终于意识到，薛定谔当年是犯了一个错误：纯观测对于实验的结果是没有影响的！如果我们不打开这个箱子，而是用红外摄像机记录箱子里面的情况，箱中猫的死活就完全由铀的衰变时间决定了——衰变前猫是活的，衰变后猫就死了，这与是否有人打开箱子进行观察毫不相干。

原来，毛病出在观测的主观性上，人们应该朝这个方向寻根问底。而物理学是一门实验科学，一切要由实验来判定，向这个方向的努力直到最近才有了成果。

2000年，美国科学家成功让6个铍离子系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态，也就是量子力学理论中的“薛定谔猫”态（好比铍离子是个幽灵，它在北京与南极同时现身，一个浸泡在实验室里，而另一个却在冰川上晒太阳）。

2010年，中国科技大学的研究小组实现了由5个光子极化状态和空间状态相干叠加形成的10个量子比特的“薛定谔猫”态，并在此基础上演示了“薛定谔猫”态在超精细位相测量方向的应用。该项研究成果发表在国际权威杂志《自然》上。

下一步是否拿一只真的猫来做实验呢？不可能！首先是无法将之与周围环境隔离——置于真空中的猫马上会死掉。其次，与接近绝对零度的超导流不同，常温下的猫根本不是宏观量子系统，何来叠加态？而且也没有必要做这样的实验。

我们期待着不久的将来，理论界对这只“猫”做出更加合理的解释。

4、无中生有

接下来，我们继续看看宇宙在最初一刹那的情况，大量物质是从哪儿制造出来的？

大爆炸前的奇点，一个看似虚无缥缈、无色无味的状态，它或许是能量的一种基态而并非无物质无时空的一个点，其中的量子场不断的振荡、运动、变化并且相互作用使各种虚粒子不断产生和消失，甚至还存在着某种粒子束缚的相干凝聚，从某种意义上来看，奇点很像是一种媒介、媒质。

这样就得出一个似是而非的最终结论：宇宙是无中生有造出来的！

现在如果我们谈论“无”，应该明确地说：没有物质，没有能量，没有各种力场，没有时间，也没有空间，这才是什么都没有，但是它根本很难想象（没人可以想象连空间都没有的地方是什么样子）。关键点来了，量子力学意识到“什么都没有”还是不能算做真正的“无”，因为空间和时间本身似乎可以通过某种机制从一无所有中被创造出来。

这种神秘的机制被认为是量子起伏和量子涨落所导致的直接后果。

曾几何时，所有的科学家都认为无中生有是绝对不可能的：物质不能被凭空制造，能量也不能被凭空制造，时空本身更加不可能被凭空创造出来。但是海森堡提出的“测不准原理”把这一切旧观念都摧枯拉朽般推下了历史舞台。

海森堡证明了我们不可能设想出任何一种办法，把任何一种物体的位置和动量两者同时精确地测量下来。因为你把位置测定得越准确，你所能测得的能量就越不准确；你测得的能量越准确，你所能测定的位置就越不准确。所以，我们的宇宙真空并不空，而是无时无刻的沸腾着，各个角落到处都有神秘的能量产生并消失，只不过在我们没有抓住之前，它们就又啸叫着消失了。

在这极小的空间和极短的时间里，能量和物质可以暂时逃脱物理定律的束缚，自由自在地出现和消失，但是，这种自由的代价就是它只能呗限定在那一段极短的时间内，当时刻一到，这些神秘的物质能量便要消失，以维护质能守恒定律在大尺度上不被破坏。

到了上世纪60年代末，科学家们渐渐意识到：引力的能量还有可能是负数叫做负引力（引力本身是相互拉扯到一起的吸力，假设无限远物体的势能为零，那么当物体靠近后因为引力做功使其势能为负值，这种势能在某种意义上就体现出一个负引力的特征），所以在短时间内凭空生出的物质，它们之间可以形成引力场，产生一个抵消自身的负能量，使得总能量仍然保持为零，不破坏守恒定律。最后，物质就这样真的从一无所有中、很短的时间中产生了。

许多科学家都相信，我们的宇宙本身就是如此产生——在什么都没有的一片虚无、一片黑暗中，幽灵一般的庞大量子群体无声无息的此起彼伏，时间越接近10秒，能量的起伏就越巨大的不可想象，在某个时刻，因为一点点的不对称，使维持量子起伏的“力”不再平衡，不平衡的“力”带来更大的量子效应，于是，一小块时空突然从虚无中产生，这就是宇宙大爆炸的来源，同样也是宇宙大爆炸后10秒那一刻所发生的事情。

宇宙就从这一无所有中开始，在完完全全什么都没有的情况下，因为少许的量子起伏，出现了最初的一小块时空，这里头容纳着宇宙间所有物质的起源，而宇宙的历史，就正式拉开了帷幕。

但是，谁也不能说，这就是完全准确的真理，毕竟在那个时间点，我们目前的所有推断都停留在理论阶段，根本无法去验证。在没有更好的证据出现之前，暂时也只能这么去认为。

5、大统一时代

普朗克时代结束后，那一小块时空无比突兀地出现后，时间来到了10秒，从这一刻开始一直到10秒（不得不说，这还是一个短暂到无法去理解的时间范围），宇宙历史进入了大统一时代，其间发生了一件不可避免的、惊天动地的大事。

在讲述这件大事之前，我们还有必要先来理解一个概念，就是宇宙的温度。

我们目前所熟悉的温度有很多种计量单位，其中最常用的是摄氏度和开氏度，而且摄氏的零度大约等于开氏273度（温度低于零摄氏度时，这两种计量单位具有根本区别），但是对于宇宙初生那一刻，我们所要理解的温度高达百万度、上亿度甚至数十万亿度，这个时候使用摄氏度和开氏度，那几百度的差异几乎没什么区别，所以接下来的讲述中，我们可以笼统的把温度单位说成是“度”。

宇宙刚刚诞生时无比炽热，温度高达10度以上（1亿度的1亿倍的1亿倍的1亿倍），它是有史以来所有物理学领域中存在过的最高温度，与它相比，核聚变或氢弹爆炸所产生的高温根本就不值一提。

那么，宇宙是否真的存在过如此极端的高温呢？

根据实际观测得知，地球中心的地核温度估计有6000度，太阳中心区域的温度则是2000万度，而超新星内核区域的温度可以达到20亿度。

2010年初，美国纽约布鲁克哈温国家实验室里，在相对重离子碰撞机（RHIC）中，科学家让带电金原子以接近光速的速度发生碰撞，结果创造出有史以来最炽热的温度，这一极端高温达到4万亿度！

人类就已经可以创造出4万亿度的高温，那么宇宙初生的数十万亿度高温是完全可能出现的。

需要说明的是，日常生活中我们所说的“温度”往往和科学上的理解有所区别，比如说，当我们泡热水澡的时候，水温达到50度就觉得烫得不行了，可蒸桑拿的时候，桑拿房的室温达到80度我们也不会被烫伤，这是因为热水的密度比蒸拿房里的气体密度高得多，所以50度的热水比80度的桑拿房要“热”得多。我们还可以找到更极端的案例，距地球50亿光年的地方有一个RXJ1347.51145星系，其内部存在温度高达3亿度的气体，但是假如我们置身其中，却根本就不会感到热！因为那里的气体密度非常低，每一立方厘米大约只有0.0001到0.01个原子(或离子)，我们身体表面同时接触到的高温粒子少的可以忽略不计。同样道理，对撞机里的高温也不会熔化管子，因为对撞机里的物质粒子是少之又少的。

宇宙就是从如此不可思议的高温开始，发生了大爆炸（也是一种大膨胀）。而我们讲述宇宙的历史时，将不可避免的多次提到温度这个概念，因为这个宇宙的温度实在太重要了，它决定了物质粒子的运动特性，决定了宇宙形成的过程。也正是因为这个温度，在宇宙大爆炸进行到10秒时，不得不发生一件惊天动地的大事。

宇宙大爆炸的10秒，凭空生出的这一小块时空温度高达10度，如此极端的高温下，宇宙中只有到处裸奔的各种夸克，被高温高压高密度逼迫的四处飞来飞去，无法聚合在一起形成质子、中子等基本粒子。自然，这时的宇宙中也不可能有物质存在，有的只是无数携带着能量的夸克——能量子。

那么，这时候的宇宙发生了一件什么惊天动地的大事儿呢？

世界上有许多科学家都在孜孜不倦的研究着宇宙，他们提出的宇宙演化理论并非只有大爆炸一种，尽管大多数科学家接受了大爆炸学说，但是，就像所有理论一样，随着研究的进一步深入，科学家们越来越接近宇宙诞生的最初一秒钟，也就越来越觉察到大爆炸学说有着难以解决的两个难题。

这两个难题似乎都发生在大爆炸的第一秒内，发生在普朗克时代结束后10秒到10秒之间，只有解决了这期间的两个难题，我们才能对当时的宇宙情况会有一个相当接近真相的推论，也就知道了那一刻发生了什么宇宙剧变。

首先碰到的一个问题是宇宙视界问题。

相对论指出任何物理信号最大的传播速度只能是光速，这个光速不可超越的定理就得出一个界限，宇宙中任意时空点都有一个边缘界限，观察者存在一个观察不到的边界，显而易见，边界内与边界外不可能有任何因果关联，光都无法传过来，自然没有什么联系了，所以观测可及的宇宙有一边界，这一个相应边界称为宇宙视界（我们实际观测到的宇宙范围远远小于推断出来的宇宙930亿光年范围，也就是这个原因）。

那么到底什么是宇宙视界问题？简单的说，就是宇宙如此辽阔，不同地点的各个角落不应该如此相似的问题。

从宇宙微波背景辐射的研究入手，很容易就碰到这个问题，因为遍布宇宙的微波辐射无处不在，它以360度的全方位笼罩着地球，但是它的强度出奇均匀，从任何方向接收到的微波，变化幅度都不超过10万分之一。这是为什么？微波辐射不应该这么均匀分布的，你从东面探测到宇宙一个方向的微波，我从西面探测到另一个相反方向传来的微波，结果却发现这两个方向传来的微波几乎完全一样！

没道理啊，打个比方来说，两杯水放在房间里的不同地方，它们的温度不可能相同到百分之一度以内，除非把这两杯水倒在一起搅拌后再放去不同位置。所以，在相距数百亿光年之外的两块遥远宇宙地段，发出的微波竟然相似的几乎一样，这就显得有些奇怪。

继续研究我们会发现，在一个如此大的宇宙尺度内，微波根本来不及从一头跑到另外一头去彼此混合搅拌，所以，宇宙一定在最开始的时候缩小到很小，以至于每个角落都能在一个视界内互通讯息，而这些辐射源就只能是宇宙开天辟地时的产物，它们向外界播放完全相同的消息，而且在各个方向上完全对称的观测结果只能解释为所有的消息均出自一处，这个观点也隐隐的告诉我们，宇宙诞生之初，确实发生过一件惊天动地的意外变化。

接下来，我们要解决的第二个问题是宇宙的平直问题，这个问题也就是宇宙空间是平坦还是褶皱的问题。

简单来说，宇宙是一个时空空间，包含在其中的物质和能量会产生重力场使空间变形。

古老的光，尤其是大爆炸发出的微光，在经过137亿年的漫长传播过程中，应会被这变形的空间弯曲，而不应是我们目前测量到以直线方式传到地球的微波。微波要想在空间中直线传播，那么空间就应该是坦坦荡荡的没那么多不平整的陷坑，物质加上能量的密度应该很接近临界密度1。相对论也揭示出只有临界密度为1的宇宙，才拥有坦荡平直，曲率为0的空间特性。

我们在上中学时学过的平面几何告诉我们，平面上的三角形三个内角加起来等于180度，球面上的三角形内角和会大于180度，而马鞍形双曲面上的三角形内角和将会小于180度。所以，如果能在宇宙中画个上百亿光年超大的三角形，量它的三个内角之和是否等于180度，就能大致判断出我们的宇宙是平直的还是褶皱、鼓凸的。

可是，我们住在一个小小的地球上，哪能在宇宙中找到如此巨大的三角形，并且还要精确量出它的三个内角总和呢？

回答，有！这是宇宙对我们人类孜孜不倦、上下而求索的奖励。

让我们回头再来看看大爆炸发出的微波，这个微波虽然分布极为均匀，但仍有10万分之1的变化，这细微的变化是在微波出发前，宇宙的重力和当时无所不在的电浆（又称等离子体，是在极高温度下由原子碰撞产生的高温气体，类似于气体）来回角力的结果。科学家对这个声波振荡现象已完全掌握，并计算出微波不均匀的直线大小为37.6万 光年。

宇宙37.6万年时的大小约为直径9000万光年，从那时宇宙中心望过去，37.6万光年位置的张角约为1度。宇宙若是平直坦荡的，那么137亿年后，这个张角还应是没有变化的1度。

这真是一个不错的发现！于是科学家们花费巨大精力研制出卫星，并且使用绕南极一圈的高空气球探测仪，全方位仔细测量微波冷、热区的张角，结果没错，张角真的是1度。

我们的宇宙是平直的！不得不说，我们真的很幸运，生活在平直的宇宙中，环境不会大起大落，否则的话，非平直空间中的物质和能量必然来回折腾，连凝聚的时间都没有，星星、星系就只有胎死腹中，生命自然永远无法起源。

但是宇宙为什么会是个平直的空间呢？怎么会在如此大的尺度空间内还如此平直？真是有点不可思议。

两个问题提出来了，接下来就是想办法去解决，找到其中的原因所在，而找到原因之后，自然就明白宇宙大爆炸之初，发生了一件什么大事儿。

6、暴胀的天外天

艾伦·古思，美国当代物理学家，在麻省理工学院博士毕业后进入斯坦福研究所继续博士后研究，正是他对于宇宙诞生的天才发现，让我们解决了宇宙平直问题和宇宙视界问题。

1981年，艾伦·古思发表了有关宇宙大爆炸的暴胀理论，他用这个全新的理论来解释大爆炸最初期的宇宙情况。

尽管暴胀理论本身无法得到直接的观测检验，但由于这一理论解决了一批重大的悬疑问题，引申出来的科学预测又获得了随后的实测验证，因而得到了目前天文界的认可，国际天文学联合会也给古斯颁发了2004年度的格鲁伯宇宙学奖。

暴胀理论指出，大爆炸起动后来到大统一时代时，也就是10秒到10秒期间，宇宙空间曾经不可思议的高速膨胀，膨胀的速度甚至超过了光速！这就是暴胀。

驱动暴胀的能量来自古思也不清楚的某种能量（有的科学家认为这种能量来自于强相互作用也就是强核力的首次分离，还有的科学家认为这种能量就是一直在苦苦寻觅的暗能量），在这个能量驱动下，夸克的飞奔速度不再受到光速的约束和限制，而是迅速、剧烈的以远远超过光速的速度四散奔逃，直到这种能量耗尽让宇宙降温，夸克和粒子不得不按照相对论的规律发展，光速重新变的不可能再被超越，暴胀才算结束。

图：宇宙大爆炸的模拟图

现在，让我们看看暴胀理论是如何解决两大难题的。

大爆炸的10秒，整个宇宙还处在普朗克时代，也算是奇点将爆未爆的玄妙时刻，如此小的一个空间区域真是太小，只比普朗克长度（科学理论中的最短距离）略微大一点点，在强大的量子起伏作用下，空间中不可能包含不规则结构，而是搅拌均匀和各向同性的一大锅夸克“汤”，以光速传播的信号有非常充裕的时间在难以置信的微小体积内互相交叉，又因为体积小，使其中所有的一切都被搅拌均匀。

大爆炸的10秒来临后，受到巨大能量所驱动，空间突然发生了超光速迅猛暴胀，让所有粒子都来不及变的不均匀、不一致就被喷发出去，尽管彼此迅速远离，一直到超出各自的视界范围，却保持了之前被搅拌均匀的高度一致性，所以，暴胀理论很好的解释了宇宙各个角落中，到处的情况都相似的问题。如果没有暴胀，宇宙在逐渐膨胀的过程中，那各个角落的微波辐射必定有着很大的差异性，这与我们实际发现的观测数值不符。

至于宇宙空间的平直特性，以暴胀理论解释更是轻而易举。

宇宙诞生的10秒，空间在极短时间内暴胀了1050倍，这个膨胀速度远远超过了光速的传播，那些分布不均匀的物质密度在这一瞬间压根没有逃脱的可能，全被暴胀的力量抹平、拌匀，结果，物质在所有的方向上全均匀地扩展开来，而时空本身也因猛烈的膨胀而随之变得平坦，直到形成目前的平直宇宙，所以，没有暴胀的宇宙是不可想象的，那将是到处褶皱、陷阱、重叠的一个无法理解的空间。

对暴胀概念最早期的担心之一是，它也许太过完美以致难以信其为真。特别是，如果这个过程能如此高效地抹平宇宙，那么像星系、星系团等等那样大的不规则结构怎么能够产生呢？但是，当研究者更仔细考察这理论和相关的方程式后，他们认识到，在我们宇宙的直径大约是1厘米时，量子涨落必然在宇宙结构中引起过微小的“涟漪”， 造成宇宙物质分布的不均匀性，最终放大到宇宙大尺度后，一点点微小的“涟漪”才得以形成星系团等这类大尺度宇宙结构，后来，这个“涟漪”被命名为各向异性，找到它成了一件迫在眉睫的大事儿。

1989年11月，COBE 卫星升空，它探测出了微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K 的黑体辐射谱，证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度，并且它还验证，扣除掉这个速度对测量结果带来的影响，以及银河系内物质辐射的干扰，宇宙背景辐射具有高度各向同性，涨落的幅度只有大约百万分之五，这正是科学家一直在寻找的宇宙“涟漪”。

没有其他理论能比暴胀理论更好的解释宇宙总体上如此均匀，却又包含了以星系空间分布和背景辐射变化为代表的这种“涟漪”。但是从这个暴胀理论引申开去，就不可避免的发现宇宙不是唯一的，而是有着无数个的可能性。

我们宇宙外的宇宙，看不见摸不着，本是哲学范畴的话题。但是暴胀理论以严谨的科学量子场论，漂亮地解决了视界和平直两大宇宙难题，同时，也站在一个坚实的科学基础上，营造出一个比我们宇宙至少大出1023倍（近似值）的超级大宇宙，没错，就是因为暴胀才让我们隐隐觉察到这个视界之外的无穷天地。

这个天外还有天外天的巨大理论宇宙，我们有希望能惊鸿一瞥，侦测到它的存在吗？或许真的有那么一丝蛛丝马迹存在遥远的地方，能让被我们观测到？它毕竟存在我们的视界之外。

科学家们一直在想办法，他们最终想到了震波，一种重力引起的波动。

瀑布飞流直下，砸进水潭中激起浪花四溅；

地壳活动和海底火山，都能引发地震波和剧烈的海啸；

超音速飞机撕破音速，轰鸣声让许多人掩耳不迭；

核弹爆炸，震波可以环球绕行数圈。

…… ……。

所以，只要有能量释放，就有震波产生并且散播出去，因果清晰。

宇宙暴胀，是超高能量释放的大动作，不可避免地会在宇宙空间留下阵阵波动。

这个波动以重力波为主体，在暴胀时以超过光速的速度向视界外宇宙散播出去。或许，象我们宇宙拥有微波背景辐射一样，这个重力波也扩散到整个视界内和视界外宇宙，形成无处不在的重力波背景辐射，在更巨大的宇宙格局中传播荡漾。它公平对待各个孤立存在的宇宙，不论临界密度数值，曲直不分，一视同仁。

其实相对论早就预测了重力波存在——超新星爆炸、黑洞诞生和星系间碰撞等，都能爆发重力波。但暴胀理论更上一层楼，大胆预测我们的小小宇宙（不是现在直接观测到的宇宙范围），和那个1023倍的巨大宇宙共享一个相同的重力波背景辐射。所以，视界外大宇宙如果存在，人类一定可以测量到这个重力波。再说了，只要取得这项观测数据，就算无法完全证明天外还有天外天，但也肯定无法否认它的存在。

可惜的是，测量到重力波并不容易。

美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作，正在研究制造激光干涉空间天线LISA，计划于2015年发射运行，这将是人类第一座太空中的重力波天文台，其目的在于探测重力波、黑洞合并等宇宙学基本问题，现在还无法确知这将会给我们带来什么样的惊喜。

总的来说，暴胀起因于真空性质的变化，这种变化是由量子起伏所引起的。艾伦·古思以暴胀理论，成功解释了我们宇宙中视界和平直两大难题，但也拉出来一个天外还有天外天的巨大宇宙。

现在，我们可以对这个阶段的宇宙情况做出一个合理的预测了。

理论上的普朗克时代之后的阶段，之所以被命名为大统一时代，是因为这极其短暂的一刹那中，宇宙就象一锅浓汤，所有的一切物质和能量都统一在一起。暴胀初期，宇宙中只存在着密度非常大的能量，随着宇宙空间的暴胀，这些密集的能量也随之急剧膨胀，等到暴胀结束时，宇宙的直径增加到1000万公里——大约30光秒，该尺度比现在的月地距离稍大一点，但是我们知道，体积增大必然导致温度下降，所以在暴胀结束时，宇宙的温度已经降到了10度，那些巨大的能量随即转化为数量繁多、数目惊人的夸克和胶子，它们到处乱窜，横冲直撞，其余则是少量的电子、光子和部分较轻的基本粒子给这锅“浓汤”配上了调料。

构成此时宇宙的粒子包括夸克、胶子等离子体、光子、质子反质子、中子反中子、正负电子等基本粒子。这些粒子在高温下做着高速随机运动，不断的创生和湮灭，直到其后的某个时刻，一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现，它使夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量——超出范围大约在三千万分之一的量级上，这一过程被称作重子数产生，结果就是造成宇宙中产生的重子（主要是质子和中子）略多于反重子。

温度继续下降，夸克和胶子的速度进一步减慢，逐渐被它们之间的强作用力捆绑在一起，夸克被永久地囚禁在质子、中子和其他强相互作用粒子之中，物理学家将它们统称为“强子”。

需要注意的是，夸克被关了“禁闭”之后，宇宙占据多数地位的是电子、正电子和光子，少数的是强子（质子、中子等）就象一碗很稀很稀的米粥，稀的是电子那一类，稠的米粒是其他强子。

宇宙随之进入一个新的时代——强子时代。

7、强子时代

强子时代，维持的时间非常短暂，短暂到和普朗克时代、大统一时代一样，连一秒钟都没有维持住，仅仅从10秒开始持续到0.01秒。

强子时代，顾名思义，当时宇宙中占据主导地位的是各种强子，而强子则是一种微小粒子的总称，用来统称那些接受强核力支配的质子、中子和其他粒子。

强子时代，宇宙从此开始真正意义上的空间膨胀，其中拥挤着大量的质子、中子、反质子、反中子和光子，彼此相互之间的湮灭过程自始至终都在不断发生。

强子是个集体名词，具体包括：6种夸克、6种轻子、5种已知的玻色子和1种假设的玻色子(即希格斯玻色子，以苏格兰科学家彼得·希格斯的名字命名，也许存在，也许不存在，是为了赋予粒子质量而发明出来的）。这些粒子和其他粒子的本质区别在于它们参与强相互作用，既包含有内部结构的质子和中子（质子和中子又被叫做重子，是指粒子本身的质量相对较重），也包含没有内部结构的介子、玻色子、费米子等等一些稀奇古怪的微小粒子。

但是强相互作用是什么？着实有些令人费解。

我们还是先来搞清楚这个宇宙中存在的四种本源之力，而且是仅有的四种力。

力，无处不在，我们每个人随时随刻都接触到，很普通很常见，还起着非常关键的作用，哪怕是在宇宙诞生之初，没有“力”的参与，就不可能有接下来的一切事情。

简单的说，“力”只不过是一种彼此间的相互作用，只是因为发生在不同的对象之间才有了许多种分类和表现形式。如果没有相互作用，我们就不可能认识任何对象。

撇开这种哲学的、转弯抹角的说法，干脆痛快地说来就是：没有相互作用就不存在世间万物，宇宙一开始就有基本粒子等同于宇宙一开始就存在着相互作用——“力”。

我们也许会觉得，因为存在着粒子，所以才有粒子间的相互作用，这样理解似乎更自然些。但是，反过来去考虑——正因为有了相互作用，粒子的存在才得以承认——才应该是正确的思路。

还是有些绕口，但也只有这样才能准确说出力和粒子之间的本质联系。

关于相互作用，我们没有必要去深入研究现代的尖端粒子理论，那是一个比较专业比较复杂的领域，就算是我也觉得研究起来非常艰深，所以我们只需要知道科学家们研究出来的最终成果，让我们在理解宇宙万物时有所帮助即可。

研究表明，宇宙中包罗万象的“力”， 一共只有4种，按由强到弱的顺序排列出来就是：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力。前三种存在于微观世界，只有引力体现在宏观世界。

强相互作用是一种核力，可以把质子与中子紧密的结合成原子核，因为它发生在粒子中最基本的一个层面上，所以又可以理解为夸克之间的彼此作用力（研究强相互作用，最终导致了核电站和核弹的产生，它是最强大的一种力，恒星内部的爆炸也是这种力的释放）。

电磁相互作用是我们身边最常见、最普通，也是最容易被忽视和不被谈及的一种力，它是发生在带电粒子（比如电子）之间的作用力，是对我们最重要的一种力。

可以说没有电磁力，就不可能有我们的存在。

这么来理解吧，物质之所以能够存在是由于原子内的电子被结合到了原子核周围，而相邻原子之间的电子也被这种力结合在一起形成更大的分子结构，而人的身体之所以长成这个样子，也是因为这种力才得以组成了有机大分子，有机大分子又在更多电子的作用力下组合成手、足和躯干。所以，生物之所以能保持生物的形态并具有生物的机能，全得归功于原子核周围的电子。

强相互作用和电磁相互作用的强度根本不同，例如：我们使用火力发电依靠的是煤炭石油中的电磁相互作用，而利用核能发电则依靠的是原子核的强相互作用，两者相差十分悬殊。这是因为在化学反应中，每个原子或分子上的能量只有大约1个电子伏特；而原子核的破碎或聚合的能量动辄需要用百万电子伏特来表示。

第三种力是弱相互作用，它广泛存在于基本粒子的衰变转化过程中，强度是电磁相互作用的10万分之1、强相互作用的1千万分之1。虽然在我们的日常生活中不容易找到它的踪影，但是在物理教科书里讲述放射性元素时会经常提到它。

最后一种力是引力，也就是我们本来以为最强大的万有引力，却想不到是四种力中最弱小的一个。我们日常生活中口头所说的‘力’几乎都是指的引力。这种我们最熟悉的力与其他三种力相比，难道真的那么不一样吗？

确实……真的在本质上就不一样。

当两个质子接近时，会出现电荷的斥力，这是电磁相互作用的力，同时在两个质子之间还存在万有引力，但是这个引力只有在一方为地球那样的大质量物体时，另一方才有轻重之感。所以，基本粒子那微不足道的质量所引起的引力实在小的可怜，和电磁的力相比，几乎不值一提可以忽略掉。

总结四种力来说，弱相互作用体现在元素的放射性方面，强相互作用则体现在原子核的裂变与聚变上，我们日常接触到的除了万有引力之外都是电磁力（最近出现了第五种力的说法，认为存在于暗物质和暗能量中的是万有斥力，但是这种万有斥力并未得到科学界的证实，所以我们遵循普遍认可的结论，目前只考虑四种本源之力）。

那么，能不能把四种力统一到一种上呢？

相对论出色地解释了行星为什么绕太阳转动，星系又为什么容易聚集在一起，而在微观粒子的层面上却不起作用。

强核力将质子关在原子核里，再把原子捆在一起，比万有引力要强1亿亿倍，但它的影响只能传到原子直径的大约十万分之一的地方。

结果，科学界出现了两套规律来解释宇宙表现：用来解释微观世界的量子理论和用来解释宏观世界的相对论。爱因斯坦不喜欢这种状况，在他的余生里一直潜心寻找一种"大统一理论"来把量子力学和相对论统一成量子相对论，但最后以失败告终。后来的许多科学家也按照这一思路从各个角度研究四种力，试图把它们归结为同一种力在不同情况下的表现，如今，电磁力已经和弱相互作用率先统一起来，被叫做电弱力，至于其余两种力，实在没有好的办法去认识其本质，科学界目前并无大的进展。

现在，对于“力”的本质，我们已经知道了很多，也就对于强子时代有了更好的理解。

按照目前的理论来说，力和温度有着很大关系。

宇宙大爆炸后的普朗克时代，温度高达10度，四种力结合在一起，直到引力首先被分离出来，也就是因为这个最弱小的力，引起了奇点的不平衡，最终导致大爆炸的发生，让宇宙进入了大统一时代。

大统一时代（暴胀时代），温度依然高达10度，强相互作用被分离出来（有的理论认为正是强力的分离导致了暴胀的发生），无数夸克短暂的结合成粒子和反粒子，互相碰撞、湮灭，宇宙是一锅搅拌均匀的“汤”。

强子时代末期，温度下降到10万亿度，弱力和电磁力也被分离出来，至此，宇宙的四种基本力都被分离出来，所以不得不说，贯穿全宇宙的“力”，仅仅形成于说时迟那时快的短短一瞬间。

强子时代，就是四种本源之力相互分离出来的一个重要阶段。夸克被胶子结合成了诸如质子和中子的重子族，直到夸克的数量略高于反夸克，重子的数量略高于反重子才停止下来。

当温度降到1000亿度时，宇宙的历史进入了轻子时代，无数质子反质子、中子反中子还有光子等等粒子形成的宇宙汤，将会因为温度的降低而发生新的变化。

6、轻子时代

轻子时代，存在于0.01秒到1秒之间，是一个粒子通过碰撞发生相互转化的时代。在这个时代，我们的科学界进行猜测和有分歧的地方进一步减少，因为此时的粒子能量已经降低了许多，低到在先进的高能物理实验室里可以做出一些模拟试验去验证预测。

强子参与强相互作用，而轻子（lepton），是不参与强相互作用的，它们参与剩下的弱相互作用、电磁作用和引力作用。

最早发现的轻子是电子（电子就是以电流形式流过电线并形成原子和分子外壳的那些负电粒子），其后又发现了中微子、反中微子等轻子。

进入轻子时代的宇宙状况发生了不小的变化。

此时的宇宙一直在降温，却依然炽热到1000亿度，这一温度甚至比最热的恒星的中心还热得多，但是1000亿度比起宇宙初生的数千万亿度要低的多，低的不足以产生新的质子和反质子对（类似地，也不能产生新的中子和反中子对），从而加速了粒子和反粒子之间的质量湮灭，这使得原有的质子和中子仅有十亿分之一的正粒子保留下来，并且中子也在不断的衰变为质子和电子，遗留下中微子，所以，描述此时的宇宙，比以后任何时候都更简单、更容易。它充满了一种无差别的物质和辐射“汤”，有着数量众多的电子和正电子，以及无质量的光子、中微子和反中微子，还有非常少量的质子和中子，它们都极为迅速地互相碰撞转化，保持着一种近乎完美的热平衡状态。

此时，宇宙中占统治地位的是正负电子、中微子和光子，次要地位的是少量质子和中子，两者之间的比例大致为每10亿个电子、正电子、中微子或光子，对应一个质子或中子（质子和中子的确很少，却是以后形成物质元素的根本所在）。

宇宙在此时的密度非常大，相当于每升38亿公斤的质量密度，或正常地球条件下水的密度的38亿倍。如此高的密度下，就连能够在铅块中运行数年而不散射的中微子，也通过与电子、正电子和光子以及它们自己之间的迅速碰撞，与电子、正电子和光子保持着热平衡。

说起中微子，我们不得不说这些小家伙是一种极为奇特的怪异粒子，它没有任何质量或电荷，象个幽灵一样，本身不带电，质量还小于电子的百万分之一，不过它最突出的特征是“懒惰”， 几乎不与任何物质发生作用，所以又被戏称为宇宙间的“隐身人”，它在此时高温高压高密度环境下的最大贡献就是和宇宙其他粒子共同保持着热平衡。除此之外，还没发现有什么用处。

当然，此时的宇宙中还充满光子：一种零质量、零电荷的粒子。每个光子都携带着一定数量的能量和动量，数量多少取决于光的波长。

为了概述早期宇宙中无所不在的光线（这些光线都还被束缚着不能自由运动，整个宇宙一直是漆黑无比），我们可以说，光子的数量和能量与电子、正电子或中微子大致相同。

随着膨胀的继续，宇宙温度继续下降，大约0.11秒后降到了300亿度。从本质上讲，此时的宇宙没有发生任何变化——成分仍以电子、正电子、中微子、反中微子和光子为主，数量很小的质子和中子仍未集结成核，它们都处于热平衡状态。

大爆炸后1秒，质子和中子比例出现显著变化