《最初三分钟》|曹天元解
读
。《最初三分钟》|曹天元解读明
关于作者
史蒂文.温伯格(StevenWeinberg),美
国国家科学院院士、伦敦皇家学会外籍会
员、美国哲学和科学史学会会员,美国理论
物理学家,1979年诺贝尔物理学奖得主,曾
获得美国国家科学奖章、“刘易斯-托马斯
奖“(诗人科学家奖)等多项殊荣,温伯格出
版了多部极具影响力的理论物理教材。在专
业领域之外,他致力于将科学理念与人文知
识相结合,所著的《最初三分钟》《仰望苍
穹》等书畅销全球。
关于本书
该书是1979年诺贝尔物理学奖获得者史蒂
文-温伯格关于宇宙起源早期状态的经典
代表作品,被评为“改变世界的25本科普
浩“河
核心内容
第一,我们的宇宙由什么构成?为什么说它
的配方“是在最初的3分46秒里决定的?
第二,为什么这3分46秒不但可以解释宇
宙,同时也是对大爆炸理论本身最有力的支
寺?
[|史葛芬「温伯格,物理学家,′阮
建立“蒙电统一理论。褐型
.子组合形‖
质于#p中子厂*|化成质子厂“成稳定的‖
,“丨人氧原孔根巾
三]
iDHEmL_CGLmm.CGCzimD-.CL:
1
|E0l.」一熹
公务员培训课前三分钟前言
你好,欢迎每天听本书。想必很多人都知
道,我们的宇宙是从大爆炸中诞生的,一切
构质、星系、生命都在其中孕育。但是,宇
宙具体是什么样子?它的“配方“是怎么组成
的?但凡你真正想过「宇宙是什么?“这个问
题,你一定想认识的更具体一点。本期音频
要为你解读的,就是这本叫做《最初三分
钟》的书,它要跟你的探讨的正是这个话
题,关于早期宇宙的问题。
你也许想象不到,宇宙之所以是今天这样,
这一切都决定于大爆炸的最初三分钟。正是
这短短的三分钟,为之后138亿年的宇宙历
史打下了基本的底色,也决定了我们每一个
人的终极命运。
这本书的作者是物理学家史蒂芬.温伯格。
对普通人来说,他可能不如霍金有名,但要
论起在物理界的学术地位,其实他可比霍金
高得多了。甚至可以说,温伯格是当代最
伟大的几个物理学家之一。他是诺贝尔物理
学奖的获得者,因为他建立了一个很厉害的
模型,但在学界看来,这个模型的意义其实
要远远超过诺贝尔奖本身。为什么这么说?
我们知道,现代物理有一个终极目标,就是
统一自然界的四种基本力,也就是引力、电
磁力、强核力和弱核力。在向这个终极目标
前进的道路上,温伯格可以说是走出了公务员培训课前三分钟第
步,他建立的模型叫做“弱电统一理论“,也
就是证明了弱核力和电磁力实际上是同
个东西。这也是他获得诺奖的原因。那么在
温伯格之后,现在我们正在尝试把强核力也
包括进来,证明它和弱核力、电磁力同样是
一个东西,不过这个理论还没有最终完成。
当然了,如果将来有人能够把引力也包括进
来,达成所有四种力的大统一,那这个人就
完成了物理学界的最终目标,到时候,他的
历史地位肯定将会媳美牛顿和爱因斯坦。
现在你知道了,温伯格在物理学界的地位是
非常高的,那么我们今天讲的这本书《最初
三分钟》,就是他写的一本著名的科普书。
所以说,如果你想体验当代最好的物理学家
为你讲解宇宙的诞生,这本书无疑就是你的
122o
这本书最早出版于1977年,而就在那之前
的十几年里,人类对宇宙的认识发生了一次
巨大的飞跃。一种新的理论,也就是今天我
们熟知的“大爆炸理论“登上舞台,成为公认
的关于宇宙起源的科学解释。本书其实就是
对这个新兴理论进行的一次全面总结,它的
内容大致可以分成两部分:其一是对大爆炸
理论发展的历史回顾,关于这部分内
容,每天听本书“栏目有另外一本书《大爆
炸简史》的讲解,你可以去收听,我公务员培训课前三分钟在这
就不重复介绍了。
人
今天要给你讲的是这本书的精华部分,其
从书名就可以看出来,就是宇宙诞生之后
分钟内所发生的故事。在这本书里,温伯格
体现出了他深厚的功力,通过理论计算,他
就像放电影那样,准确地给我们描绘了宇宙
诞生之后三分钟,或者更准确地说,3分46
秒这段时间里发生的一切。所以这本书严格
来说,其实应该叫做《最初的3分46秒》。不
过温伯格自己说了,如果书名取成这样,大
概会吓跑一大半读者,所以我们也不必在名
字上过多纠结。当然,你肯定很好奇,为仗
么是3分46秒?这个数字到底有什么重要意
义?不要着急,接下来,就让我们跟随温f
格的脚步,一起去这场关于“宇宙创
世“的电影,去了解一下在最初的3分46秒
到底发生了什么神奇的故
接下来,我将分成两部分为你解读。
第一,我们的宇宙由什么构成?为什么说它
的配方“是在最初的3分46秒里决定的?
第二,为什么这3分46秒不但可以解释宇
宙,同时也是对大爆炸理论本身最有力的支
寺?
好,首先我们来,宇宙是由什么构成
的?在经典物理学看来,世界上主要存在着
两种东西“,一种叫做物质,一种叫做能
量。后来爱因斯坦提出了相对论,我们知公务员培训课前三分钟道
他有一个著名的质能方程E=mc^2,其中E
是能量,m是质量,也就是说,能量等于质
量乘以光速的平方。所以这个方程告诉我
们,物质和能量其实是一回事,它们之间可
以相互转化,比方说原子弹爆炸,就是一小
部分质量转化成能量的结果。从某种程度上
说,你可以把物质粗略地理解成一种凝聚得
很紧密“的能量形态,质量越大,其中“凝
结“的能量也就越多。
我们知道,今天的宇宙是由“物质“主导的,
吴句话说,今天宇宙里大部分能量都以“物
贡“的形态存在。而你在中学里都学过,物
质的质量主要集中在原子的原子核当中,原
子核又质子和中子组成,其中质子带
a中子不
巳,〖巾一。
所以总而言之,在今天的引面,绝大多
数物质都由质子和中子这两种粒子组成。如
果把我们的宇宙比作一锅汤,那么,质子和
中子就是这锅汤里面最基本的两种配方,它
们构成了这锅汤的主体。另外还有很多其他
基本粒子,但是它们只相当于调料,并不是
这锅汤的主要成分。
科学家通过观测知道,在今天的宇宙里,质
子和中子的比例大概是7:1,也就是说,每七
个质子对应着一个中子。所以,这就是我们
宇宙的主要“配方“,它在很大程度上决定]
宇宙这锅汤公务员培训课前三分钟的“味道“。如果这个比例不是这
样,那么,我们的宇宙就会变成一个完全不
同的样子,银河系,太阳系,甚至我们自己
是否还会存在,那就不好说了。
但是,为什么是7:1?这个比例是怎么来的?
人们在很长一段时间里都并不知道,甚至为
十么会有“中子“存在,这也曾经是一个谜
团。因为在自然界,中子是一个不稳定的东
西,如果它没有被吸纳到原子核里面,而是
独立存在的话,它就会自动放出一个电子,
从而衰变成质子,这个过程叫做“Beta衰
变“所以,最初的中子从哪里来?它又是如
何被保存到原子核里去的?质子和中子为什
么会保持7:1的比例,而不是所有的中子都
彻底衰变成质子?这些问题都关系到我们
宙最根本的秘密。在这本书里,温伯格告诉
你,原来一切的答案就取决于宇宙诞生之后
的最初3分46秒。
在这3分46秒里面究竟发生了什么?温伯格
内出,其实道理很简单,只要假设我们的宇
宙是从一个非常高温高密度的状态膨胀而
来,我们就可以回答前面提出的所有问题,
还可以详细地描绘出这个过程中的每
一个步骤。接下来,就让我们像放电影那
样,来宇宙是如何慢慢进化的。
在宇宙诞生的极早期,它局限在一个非常小
的空间里面公务员培训课前三分钟,就像是一个小点。这时候,整
个守宙都处在一个极度高温高密度的状态。
比方说,在大爆炸之后的0.01秒,宇宙的温
度可能高达1000亿度,这是什么概念?我们
知道太阳表面的温度只有6000度,1000亿
度是太阳表面温度的1600万倍,是一个难
以想象的高温。
,的“物质“和今天很不
样。首先,原子核根本无法稳定存在。匹
为在极度高温之下,宇宙里充满了各种高能
口SR
为在极度高温之下,宇
充满了各种高能
粒子,哪怕质子和中
它也会马上遭到冲击,
子偶然结合成原子核,
新分裂成硼片。所
以,质子和中子这个
时候都是“自由“的,它
们只能以单个的形式存在,没有办法稳定结
合在一起。
不过,虽然没办法结
变来变去。具体地说
过来也一样。在大爆
足够能量的电子撞到,它就会变成中子,反
合,但1000亿度的高温
却足以让质子和中子不断转化,也就是互相
,如果质子被一个带有
炸的最初,宇宙
充满
享地进行冲击,所以
转化,你变成我,我
了高能电子,它们对所有的质子和中子都不
,两者也就不停地相互
变成你。理论上讲,1
这
时候谁变成谁的可能性都差不多,所以两者
的数量应该是一半对一半,这就是我们公务员培训课前三分钟宇
最初的配方“,也是最初中子的由来。
伯,你注意啊,在最
始的时候,质子和中
子的数量是一半对
半,那为什么,它后来
变成了今天的比例,也就是7:1呢?
这就是大爆炸带来的结果。关键在于,
[
度也随之不断降低。宇
宇宙的膨胀,它的温
承膨胀一借,温度就下降到原来的
生,温度是影响我们宇宙这锅汤
要的因素。因为温度降低,也就
意味着宇
减少,这就引发了一
粒子携带的平均能量在不断
个微妙的改变:随着宇
膨胀,质子和中子的比例不再是1:1,中了
始慢慢变少,质子开始慢慢变多。
这是为什么呢?道理其实很简单:因为中子
要比质子稍微重一点点。所以同样是受到电
子撞击,让质子变成中子需要的能量,就比
中子变成质子要高一点点。当宇宙温度非常
高的时候,这种差异可以忽略不计,因为当
时宇宙里充斥着大量的高能电子,对于这些
子来说,它们把中
[日
子转变成质子,或者
质子转变成中子,隼
度是差不多的,因为电
子的能量太高了,这
两种过程所需的能量虹
然有微小的差异,但
以,这时候中子和质子的比例是1:1。
几乎可以忽略不计,所
但随着宇宙温度的下降,电子的平均能量
始慢慢减少,哎,这时候差异就慢慢公务员培训课前三分钟体现出
来了。因为这时候,
四为能量不足,有些电
子只能让中子变成质子,而不能反过来。这
羊一来,就会导致
多的中子向质子转化,
|
于是质子的比例就
始慢慢增加。到了大爆
之后大约14秒,宇宙温度已经从1000亿
F降到30亿度,而
质子和中子的比例也已
米防翘荣
相应地变成了83:17,差不多是5:1,和原
的一半对一半已经相差很多了。
时候发生了
要的
情,就是当温度
牛
到30亿度的时候,
的电子和正电子
觉罚阮
始大规模地互相湮灭,而不再
新交
心
。在很短的时间
,书的电子减少了
,我们的质子和中子堆
99%以上,从此以后
本上就不再因为电孔
的撞击而互相转化。
这是不是意味着,质
子和中子的比例从此就
固定下来了呢?很遗憾,并没有。因为我们
前面说过,中子它卜
已/
形态之下,是一个
不稳定的东西。就算
没有电子撞击,它也会
通过beta衰变自发地变成质子,而且这是
个单向的过程,也就
&只能变过去而变不匹
来。在大爆炸的前几
秒钟里,这种效应还不
是很明显,因为每个
中子平均要过大约15分
钟才会衰变,但是现
在,这就变成了一个需
要认真对待的因素。本来3
的中子就已
公务员培训课前三分钟经没多少了,如果
任凭它们自由衰变,那
么到最后必然全部河
当失,全部变成质子。那
么,为什么还会有我们今天的宇宙呢?
哎,关键还是在于温度。因为我们刚才说
了,中子的Beta衰变有一个前提,也就是必
须在自由“的形态下,不过,如果它能够跟
质子结合起来,形成
就不会衰变了。
一个原子核,这时中子
这就带来了一线希望。如果想要保住剩下的
中子,只需要让它们
原子核里去就行了。
简单。我们前面说过,在大爆炸的早期,厂
“成家“,也就是结合到
然而,事情并没有那么
为温度很高,原子核
根本无法稳定存在。换
句话说,在高温
下,质子和中子组成
的家庭“很容易就被一个高能粒子打中,
新分裂成「单身“的模式。尤其是最简单的家
庭组合,也就是一个
质子加一个中子,这样
的原子核很不稳定,特别容易被打散。
当然,学过化学的都
知道,原子核其实有
加稳定的模式,比方
说氮的原子核,也就是
两个质子加两个中子,哎,这种“四个人“的
家庭就非常稳定,很不容易拆散。但问题
是,两个质子和两个
中子不可能一下子凑到
起,你还是得一步步来。不管怎么样,必
须要先有一个质子和一个中子,然后才能依
河挂
加上另外两公务员培训课前三分钟个人。所以说,这里存在
一个瓶颈,就是无论
让一个质子和一个q
如何,你必须要能够先
P子的最简单组合稳定
存在,然后才能进
步结成更稳定的其他家
庭模式。如果第一步
从谈起。
走不出去,后面也就无
所以总而言之,愚要
拯救剩下的中子,我们
必须期待宇宙降到
个特定的温度,使得最
简单的原子核模式,也就是一个质子加一个
中子可以稳定存在。如果宇宙能够在所有的
中子都衰变成质了
么,它就可以拯救剩
前降低到这个温度,那
下的中子,把它们都结
合到原子核里去。反
降得不够快,那么,我们就只能眼睁睁地
过来,如果宇宙的温|
着所有的中子都衰变成质子。质子我们知
道,就是氢的原子核,换句话说,如果中子
全部都衰变了,那么
除了氢之外,宇宙里的
绝大多数其他化学元素都将不复存在。
那么,这个温度是多少呢?温伯格告诉我
们,大约是9亿度。也就是说,我们必须耐心
地等到宇宙的温度降低到9亿度,这时候才
会出现稳定的原子核。而什么时候宇宙的温
度会降到9亿度?哎,
温伯格通过计算,同
人山一政宇“厂步心
给出了答案。你肯定
猜到了,这就是我们反
复提到的那个神奇数字:3分46秒。
好,现在我们就来看看公务员培训课前三分钟,在大爆炸之后3分
46秒的那一刻,究竟发生了什么?首先,这
时候的宇宙温度降低到了9亿度,从而使得
个质子和一个中子可以初步组成一个稳
定的原子核。然后,
个新的质子和一个新
的中子很快加入进来,在此基础上继续结
合,构成更加稳定的“四人“组合,也就是氮
的原子核。关键在于,我们非常幸运,因为
在3分46秒的时候,宇宙
的中子还没有来
得及全部衰变,通过计算我们可以得出结
论,这时候
一
概还剩下大概13%的中
子。
所以,在这个决定命运的3分46秒,宇宙
剩下的中子全部被结合到了原子核
大
为它们在原子核里不会衰变,所以这些中子
就得以长久保留。从
这一刻开始,宇宙里质
子和中子的比例不再发生大的变化,换句话
说,我们宇宙的“配
方“也就从此固定了下
来,在接下来的138亿年
,宇宙会以这些
物质为基础,进一步
演化,最终形成今天的
样子。从满天繁星到
j光芒,从山川河流
到帝王将相,我们今
天看到的一切,知道的
切,基本上都是由这些粒子组成的。可以
说,整个世界的命运,基本上都在这个关键
的时刻被决定了。
以上就是我们讲的
第一点,为什么宇
的“配方“是在最初的3分46秒那一刻被公务员培训课前三分钟决定
的。
接下来我们再讲讲第二点,为什么这个结论
对大爆炸理论本身非常重要?
前面我们说了,科学
,质子和中子的比例大概是7:1,但一
家们很早就知道在弛
>
知道是为什么。而大爆炸理论可以详细地告
诉我们答案。通过计算,我们已经得出结
论,宇宙必然在3分46秒左右形成氮原子
核,而当时所有的中子都会被结合到原子核
时宇宙
口。同样,我们通过计算还可以得出,当
必然还剩下大约13%左右的中子,
换句话说,还有87%左右是质子。哎,用87
除以13,比例恰好是7:1左右,这就完美地历
答了上面的问题。
不仅如此,我们还可
以回答另一个著名的问
题叫做“元素丰度“。
是丰富的丰,所谓元
素丰度,就是宇
元素的相对含量,同
样,科学家早就知道我们的宇宙基本上由氡
是这样,也一直没有
和氯组成,两者的比例大概在3:1,但为什么
答案。而在大爆炸理论
来,这只不过是质
单推论。
园
为在3分46秒的时候,质子和中
子和中子比例的一个简
子的比例是7:1,而在那一刻,几乎所有的中
子都形成了氮的原子核,这就必然导致宇宙
氢和氯的比例大概是3:1。
原子核,而不能形成
当然,你可能要问,为什么当时公务员培训课前三分钟只形成了
闯“劭|
更复杂的原子核呢?
为氮原子核是最容
寺形成的包含中子的
洁
2
子核。我们知道氮原
子核是两个质子加两个
中子的“四人家庭“,
其实更多人数的稳定家
庭在理论上是可能的,不过大自然很神奇,
四为你想要增加人数,要么往四人家庭
加一个人,要么把两
个四人家庭合并起来。
河,个国技h述炎A国技
庭都是不稳定的,所
以这种合并无法自然发
生。物理学可以证明,在最初的三分钟之
后,几乎所有的中子
最后都进入了氨核,也
就是“四人家庭“。想
要组成更大的家族,我
们只能等到很久以后,要等到恒星开始燃烧
的时代才能最终实现。
关键在于,这证明了我们的宇宙必然包括大
约75?%的氢和25%的氮,而这完美地符合观
测。你可别小看这件事,它非常重要,因为
这个结果证明:大爆
炸理论并不是空谈,而
是一种实实在在,可
以进行精确预测和检验
的科学理论。要知1
在当年,很多科学家都
对探索“宇宙诞生“表示过怀疑,觉得这是不
可能的事情。在大爆
炸理论提出的早期,甚
至有不少人认为,任何探索宇宙诞生的理论
都只是纯粹的数学游戏,注定不会有结果。
3
,去实际检验你的
四为很显然,你不可能公务员培训课前三分钟回到宇宙诞生的那
理论,所以这就跟以前
/史旦-峤HEIAnt
哲学家争论一根针尖上能站几个天使一样
基本上就是完全的空想。
丁尽旦余25伟一汇frh
口SR
本上就是完全的空愚。
但是,大爆炸理论
学
它证明,科
况。
1
的发
象,
邸怕是宇宙创
生这标
展最终改变了这种
的力量完全超越我们的想
f宏大的命题,我们
预测。
,大爆炸理
也仍然可以通过科学计算,给出非常详细的
了元素丰度之b
论还预
言了著名的“宇宙背景辐射“。它告i
我们在
已
诞
伟
口,随着温度的1
步下
降,刻
F的电子会跟原子核结合起来,形成
完整的
原子。而没有
刀
子的阻碍,光
得以第
次穿过透明的弛
留下温度为3K左右的
背景辐射。1964年,
,从而在天空中
两位美
国物理学家,一位
|
放彭奇3
〖斯,一
位叫做威尔逊
,他们吊
F偶然的情况
5
F
,儿息
中发
奖。
见了这种辐射公务员培训课前三分钟,随即获得诺贝刃
“物理学
二
背景辐射是20
世纪最
要的科学发现
,闯
5经成为
科学史上著名的传奇时
刻。这个故事最神
奇,最有
意思的地方就在
于,这么
要的发现,
然纯粹是误打误
2
做出的。
大
为两人
敏的天线,根本就没有
始只是想做一根很灵
愚到
PP
诞生之初留下的
口
所以事后,很多人就觉得奇怪,
早就对此做出了预言。在差不多10年的时|
,任何人只
按照
理论预言,稍微
然会发现宇宙
大
为大爆
认真
[
去找一找这种辐射,这个荣誉就是他的,i
贝尔奖自然也
手可得,但就是从来没有
E
所以为什么呢?为什么这么多人
石
人
都
把机会
放过,而最终留给了两个误打
误
撞的幸运儿,这i
【人
7
白思不得j
t解。
在这本书
,温伯格也发表
他认为,恐怕身
i连提出大爆炸
了他的看法。
理论的物理学
家自己都低估]
′`
科学的力量。
也们万万没有
想到,
一个纯粹建立在数学上
的理论,一个
纯粹f
纸相
上推导出来的
然真的能
够实实在在地描述我f
门
目还和观
的可
以通过纯粹的理论计算
测符合得很好!就像你也很难相
,我们
红
也还原出
,认
宇宙卜
最初三分钟
演
演化的样
子,甚至能够
精确
地预言组成今天弛
的物质配方,这真
的是一件太不可思议的事情!
或许,这是这本
s心个
书给我们
仍然是可
只要从几
的另一个启示:不
-去多么宏大,多么遥不可及,它
以通过科学方公务员培训课前三分钟法去理
个简单的假设出发,我f
解和预测的。
门就可以通
一
地计算出弛
诞生的
全部经过。
过物理理论,非常i
当然,我们
说了,《最初三分钟》最早出
于1977年,也就是40多一
F前。所以,这本书
版
为我们描述的只是所谓的
炸
和起源又
有了更)
捉
3
“标准大爆
“模型。而到了今天,我们对
0深入的认识。
二
顶
守宙的本
我们发现在
,普通物质原来只是
小部分,除此
加s福根河
们意识到在标}
神
秘的暗物
经历过更加猛烈
M理论、希格劾
i机制、对称,
质和暗能
的大爆炸阶段之前,宇宙还
的暴涨“阶段。我们提出了
生破缺等等更
/
一
oJ
[
高深的理论,
然可能对=
些名词犹如天书,根本不知
在将来的某一天,这些理论同样
F普通人来说
所云,但说
,这
E
E
>
会被证明。
到时候,我们对弛
推进。所以,还是i
的理解又将大大地往前
【我们
记伯
『那句话:干万
不
24
总结
好了,最
后让我们
来简
低估科学的力量。
单地总结一下今天的
频内容。我们的宇宙公务员培训课前三分钟
水沥招仁
来的?它为什
e
现在我们知道,
尿李
在很大的程度上,这都取决于大爆炸之
后3
分46秒内发生
的一切。在这个极其
的时
E
间点,组成宇
物质的
本配方“,也就
质子和中子的
【例最终确定
了下来,从币
决定了氡和
演化方向。
白格订
的数量,并最终决定了宇
『明,通过大爆
f理i
b才
我们可以详一
绘
H这个过程!
的雌
巳
个步骤,并相当}
『确地预言出配方比例,
1
这一切只需要建立在几个简单的假设上面。
所以,在标种程
度上,《最初三分钟》不仅
叶我们展示了弛
创始之初
展示了科学本
导的意义。从
的景象,也
温伯格的j
白
9公务员培训课前三分钟样
述
,我们
的神
F仅能够领略到引
奇,更不禁感慨人类智
的壮美,自然
慧的伟大。凭借
科学的力
,我们
然能一
多在138亿年
芝
上,光用
的页
)浩8
E
司|
和笔
后,能够在银河系边缘一颗不起
就得以窥探宇宙创始之初
貌,还有什么能比这更加不可思议呢?
作
R的小小行
〈′/@
