物理学家从各个角度,用各种方法对标准模型和这些基本粒子进行了细致的研究,这个模型成功地通过了所有考验——这绝对是一个伟大的成就。

回到起点

对宇宙学的研究也在20世纪取得了令人震惊的成果。我们现在已经掌握了大量的证据来支撑大爆炸理论(Big Bang theory)。根据这一理论的描述,宇宙起始于由能量组成的高温致密混沌,并在随后的亿万年间,随着延续至今的时间和空间膨胀而逐渐冷却。尽管名字听起来很吓人,但大爆炸并不是空间中发生的爆炸,而是时间和空间的起点——或者更准确地说,是当前人类对物理学的领悟能把我们带到最接近起点的地方。

“大爆炸”这个术语常被用于指代两个概念——一是大爆炸理论,即宇宙从最初的高温致密状态下膨胀的模型;二是大爆炸事件本身,即宇宙起源的那个密度无限大且温度无限高的点[专业术语称为奇点(singularity)]。“大爆炸”一词最早是由一个英国物理学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)于1949年在英国广播公司(British Broadcasting Corporation,BBC)的一个电台节目中提出的。他本人实际倾向于一个相反的、被称为定态宇宙(steady-state universe)的理论。对于那些“认为宇宙中所有物质都是在过去某个特定时间的一次大爆炸中产生的早期理论”3,他持反对意见,并认为这些理论和当时的观测结果不符。但是,霍伊尔在学术界是少数派,而且定态宇宙理论也和目前的观测数据不符。与之相比,大爆炸理论(这个术语随后被它的拥护者所接受)则被证明和目前所有的实验结果保持着惊人的一致。

在大约137亿年前,我们今天所看到的宇宙(甚至更大的范围),都包含在一个温度极高、密度也极大的点内。那时还没有恒星或星系,只有一片由各种可能出现的粒子组成的沸腾的能量海洋。不断碰撞的粒子,在“产生—分解—湮灭—再产生”这个循环过程中不停地出现和消失。这片能量海洋的温度和密度都接近于无限——在宇宙的最早期,温度甚至高于1亿亿亿亿(1032)摄氏度。

无论是什么原因引起的大爆炸(关于这个问题有很多有趣的想法,以后我们会对这些想法进行讨论),都导致了宇宙的存在,空间也在随之而来的膨胀中逐渐冷却。在宇宙年龄达到百万分之一秒时,温度很快降低到10万亿(1013)摄氏度,并宣布了一个宇宙历史新时代的到来:粒子——包括质子和中子——开始从宇宙的原始混沌中凝聚出来。