1977年，溫伯格在美國出版了一本面向大眾的科普書《最初三分鐘》（The First Three Minutes），主要介紹宇宙在大爆炸后隨即發(fā)生的一系列場景，但也不僅限于那“三分鐘”。其引人入勝的標(biāo)題和新奇、詳實的科學(xué)內(nèi)涵吸引了大量讀者，成為影響廣泛的暢銷書。

宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)又過去了12年，大爆炸這個奇葩想法已經(jīng)在科學(xué)界得到廣泛認(rèn)可，“宇宙起源的現(xiàn)代觀點”（A Modern View of the Origin of the Universe）成為《最初三分鐘》的副標(biāo)題。它已經(jīng)不再是一個簡單抽象的猜想，而是發(fā)展為堅實的物理理論，并能夠在現(xiàn)實世界中得到驗證。。

作為“外行”，彭齊亞斯和威爾遜當(dāng)初發(fā)表他們的微波測量結(jié)果時，還曾小心翼翼地避免解釋測量數(shù)據(jù)的含義，把這個心有余悸的任務(wù)交給同時發(fā)表詮釋性論文的狄克小組。狄克他們也沒有提“大爆炸”，而是采用了普林斯頓同事惠勒（John Wheeler）提議的“原始火球”（primordial fireball）的說法。還是《紐約時報》的報道直截了當(dāng)，大標(biāo)題為：“信號暗示一個'大爆炸’宇宙”。（“Signals Imply a 'Big Bang’ Universe”）。一年之后，皮布爾斯開始采用“大爆炸”這個字眼，意味著他們也終于“歸順”了伽莫夫、阿爾弗的宇宙起源理論。

在類星體的理論主張上遭受重創(chuàng)的穩(wěn)定態(tài)模型本來已是茍延殘喘，但霍伊爾還是竭盡全力負(fù)隅頑抗。直到2000年他去世的前一年，他還出版了一本專著維護(hù)穩(wěn)定態(tài)宇宙，批駁天文學(xué)界隨大流接受大爆炸理論。然而這已是孤獨的絕響：他的老朋友古爾德、邦德也接受了大爆炸學(xué)說。

微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)是導(dǎo)致穩(wěn)定態(tài)模型破產(chǎn)、大爆炸理論勝出的決定性事件。數(shù)學(xué)家埃爾德什（Paul Erdos）曾感嘆：上帝犯了兩個錯誤：一是他用大爆炸的方式創(chuàng)造了宇宙；二是他還留下了微波輻射的證據(jù)。

溫伯格既不是天文學(xué)家也不是宇宙學(xué)家，而是一個研究基本粒子的理論物理學(xué)家。他探索的是物理學(xué)中最微觀的世界，由他來描述、解釋最宏觀的宇宙似乎有點風(fēng)馬牛不相及，然而這正是1970年代物理學(xué)所特有的一道亮麗風(fēng)景——在那最初的“三分鐘”里，宇宙其實就是一個基本粒子實驗室，高能物理學(xué)家感興趣之所在的地方。

伽莫夫年僅24歲時用量子力學(xué)的隧道效應(yīng)解釋原子核衰變，隨后又推算出把粒子加速到一定的動能可以突破原子核的壁壘。為此，他協(xié)助考克饒夫和沃爾頓發(fā)明了第一個粒子加速器。正是從那個猶如健身器械的加速器管子里出來的質(zhì)子，成功地打開了鋰、鈹?shù)仍雍恕?/span>

在實驗室產(chǎn)生的粒子沒有太高速度，需要加速才能擊碎原子核。如果換一個環(huán)境，比如太陽等恒星的內(nèi)部，因為溫度、壓力非常高，那里的粒子本身便帶有非常大的動能，可以持續(xù)核反應(yīng)。加速器就是在模擬恒星內(nèi)部的這種環(huán)境。

如果讓膨脹、冷卻的宇宙回溯到最初，那一定是一個最極端世界，其中的粒子會具備極高能量。其它環(huán)境與之相比，即使太陽中心也相形見絀。因此，那里的原子核或任何有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子都會在不斷的碰撞中解體，還原為最原始的“基本粒子”。伽莫夫當(dāng)時所設(shè)想的最初“伊倫”只能由中子組成。

考克饒夫和沃爾頓在劍橋所建的加速器能把質(zhì)子加速到了具有幾萬“電子伏”的動能（電子伏是高能物理常用的能量單位：一個電子在一個伏特的電壓中加速所獲得的動能）。這些被加速的質(zhì)子相當(dāng)于來自一個溫度高達(dá)10億度的世界，遠(yuǎn)高于太陽中心，大體相當(dāng)于大爆炸之后200秒時的宇宙。

1930年代考克饒夫和沃爾頓設(shè)計的粒子加速器

愛丁頓曾經(jīng)繪聲繪色地描述他如何在想象中將宇宙的演化“倒帶”到時間的起點，卻沒有想到他眼皮底下幾個年輕人在簡陋條件下的鼓搗，便實現(xiàn)了接近宇宙爆炸后的“最初三分鐘”。

考克饒夫和沃爾頓的設(shè)計很快被美國勞倫斯（Ernest Lawrence）發(fā)明的“回旋加速器”（cyclotron）所超越。其實，勞倫斯因這方面的研究在1939年獲得諾貝爾獎，比考克饒夫和沃爾頓要早12年?；匦铀倨骶哂胁恍枰髨龅亍⒛茉淳湍艹掷m(xù)加速粒子的優(yōu)勢，在后來的幾十年中有了飛速發(fā)展。美國布魯克海文國家實驗室在1950年代所建的回旋加速器，可以把粒子加速到30億電子伏的高能，相當(dāng)于是大爆炸之后0.000000003秒，溫度為35萬億度。

1950年代美國布魯克海文國家實驗室的回旋加速器（Cosmotron）

越來越大、能量越來越高的加速器揭示出一個嶄新、神秘的微觀世界，五花八門的粒子在不同能量級的出現(xiàn)或分解，顯示出不同的碰撞及其反應(yīng)機(jī)理。這種在最小尺度上的信息數(shù)據(jù)的積累，正好為大尺度的早期宇宙提供了實在的線索：宇宙在某個時刻翻天覆地的情景應(yīng)該就是某個相應(yīng)能量級的加速器中所看到的粒子和它們的反應(yīng)過程。

1968年，也就是伽莫夫逝世的那一年，斯坦福大學(xué)的直線加速器用高能的電子轟擊氫原子核，證實質(zhì)子并不是原來想象的基本粒子，而是由更基本的“夸克”（quark）組成，中子亦然。這種更基本的“夸克”不可能是能存在于“伊倫”中的原始粒子。

1970年代，包括華裔物理學(xué)家丁肇中（Samuel Ting）在內(nèi)的眾多高能物理學(xué)家利用大型加速器一層層地揭開了微觀世界的奧秘，逐漸形成了基本粒子的“標(biāo)準(zhǔn)模型”（Standard Model）。正是在這個模型的基礎(chǔ)上，溫伯格才得以“越界”總結(jié)、描述宇宙的早期膨脹演化過程。

勒梅特曾經(jīng)把他的宇宙蛋所在的時間叫做“沒有昨天的那一天”（The Day without Yesterday）。在那一刻，愛丁頓的錄像帶已經(jīng)倒到了盡頭，不再有更早的過去。我們不知道，也不可能知道那時的宇宙到底會是什么樣子。因為廣義相對論在那一刻出現(xiàn)了數(shù)學(xué)上的“奇點”（singularity），不再具有物理意義。最多，我們只能泛泛地描述宇宙那時沒有空間尺寸，處于時間的零點，而溫度、壓力、密度都是無窮大。

“原始火球”爆炸后，一個有真實物理意義的世界才開始展開，溫伯格在他的書中將愛丁頓倒好的錄像帶一幕一幕地重放：

大爆炸發(fā)生0.01秒后，宇宙溫度高達(dá)1000億度。在那樣的“煉獄”中，基本上只存在沒有或幾乎沒有質(zhì)量的光子、中微子、電子以及它們相應(yīng)的反粒子：反中微子和正電子。這時的宇宙是一個和睦相處的大家庭，所有粒子膠合成一團(tuán)不分彼此，處于完全的熱平衡狀態(tài)。也有極少（十億分之一）的質(zhì)子和中子混在其中，它們不停地被眾多輕子轟擊而來回互變，中子甚至沒機(jī)會衰變成質(zhì)子。

0.12秒時，宇宙的溫度隨著膨脹冷卻到約300億度。那些極少量的質(zhì)子、中子被轟擊的程度稍微緩和，部分中子得以衰變成質(zhì)子。原來數(shù)目相同的質(zhì)子、中子數(shù)開始出現(xiàn)差異，其中質(zhì)子占62%，而中子只有38%。

1.1秒時，溫度冷卻到100億度。和睦大家庭第一次出現(xiàn)分裂：不愛摻和的中微子退了群（decouple），這些中微子彌漫于宇宙空間，不再與其它粒子發(fā)生作用，延續(xù)至今形成了現(xiàn)在所謂的“宇宙中微子背景”（cosmic neutrino background）。（很遺憾，這一背景的存在還只是理論預(yù)測。因為中微子背景的能量非常低，幾乎完全不與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，異乎尋常地難以探測，至今依然無法找到這個可以驗證大爆炸理論的證據(jù)。）

13.83秒時，溫度冷卻到30億度。宇宙中的電子和正電子開始大規(guī)模互相碰撞而湮滅，轉(zhuǎn)化為光子。也是在這個時候，伽莫夫描述的“中子俘獲”的元素制造過程才得以開始，宇宙中第一次出現(xiàn)氫、氦原子核以及它們的幾種同位素。

3分零2秒后，溫度冷卻到10億度。電子和正電子湮滅后基本消失，宇宙這時充滿了光子和中微子，以及越來越多的氫、氦同位素。同時，因為不再有電子、正電子的持續(xù)轟擊，還未被“俘獲”的自由中子也得以大規(guī)模衰變成質(zhì)子。宇宙中質(zhì)子、中子的比例出現(xiàn)顯著差異：86%的質(zhì)子對14%的中子。自此之后，所有的中子都被俘獲、“封閉”在氫、氦原子核中（原子核內(nèi)的中子壽命非常長，基本上再不會自衰變）。

溫伯格的《最初三分鐘》除了吸引讀者眼球外，也因為他覺得宇宙的最初三分鐘是最精彩的。那之后宇宙只是慣性地膨脹、冷卻，“再沒什么有意思的事情發(fā)生了”。這個說法也許是出于他對基本粒子物理的情有獨鐘，但也未免有些夸張。

當(dāng)最初的極端高溫過去之后，宇宙依然持續(xù)地膨脹、冷卻著。大爆炸之后五萬年左右，宇宙中有質(zhì)量的粒子開始超越光子、中微子等成為主體力量，引力也開始發(fā)揮作用。幾十萬年之后，宇宙終于冷卻到“只有”幾千度的“低溫”，這時帶正電的氫、氦等原子核才能夠與帶負(fù)電的電子持久性的結(jié)合，形成穩(wěn)定的中性原子。一直與這些帶電粒子糾纏不清的光子終于得以脫身，就像那些遠(yuǎn)古的中微子一樣退了群，成為另一道與世無爭的宇宙背景。隨著宇宙持續(xù)的膨脹，這些光子的頻率不斷地紅移，最終會在微波頻段被彭齊亞斯和威爾遜意外地發(fā)現(xiàn)。

但是，在地球和地球上的貝爾實驗室出現(xiàn)之前，這些光子的頻率會先紅移到紅外線波段，整個宇宙不再有可見光，進(jìn)入所謂的“黑暗時代”（Cosmic Dark Age）。

黑暗時代一直持續(xù)到大爆炸達(dá)二億年后。這時氫原子在引力作用下形成第一代恒星。恒星內(nèi)部由壓力點燃核聚變而發(fā)光、發(fā)熱，宇宙才再度出現(xiàn)光明。在那之后的幾億年里，宇宙繼續(xù)膨脹、冷卻，恒星聚集成為類星體、星系、超星系等等。恒星內(nèi)部的核聚變逐級發(fā)生后制造出碳、氧、硅、鐵等較重的元素，然后在恒星“死亡”之前的超新星爆發(fā)中將這些元素拋灑出來，使得某些恒星坍縮成密度巨大的中子星。超新星爆發(fā)中的碰撞、合并又能制造出鉛、金、鉑等重金屬。

在大爆炸之后大約92億年，宇宙的某個角落中出現(xiàn)了太陽系。最先出現(xiàn)的是作為恒星的太陽，隨后是木星、土星、天王星和海王星，然后才有水星、金星、地球和火星。又過去40多億年后，地球上出現(xiàn)了人類。他們抬頭仰望、低頭沉思，從浪漫的想象和原始的敬畏到智慧的認(rèn)識和邏輯的推理，經(jīng)過幾百年的努力，逐漸發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹，也理清了宇宙來源的頭緒。

溫伯格等物理學(xué)家所描述的這個圖景是一個精確、定量的物理過程。它不僅能預(yù)測微波背景輻射，而且還能非常準(zhǔn)確地解釋今天宇宙中各種元素的由來和比例。

另一位也是以科普著名的物理學(xué)家克勞斯（Lawrence Krauss），他褲兜里永遠(yuǎn)地放著一張這么些數(shù)據(jù)的卡片。當(dāng)他遇到對宇宙來源于大爆炸表示懷疑的人時，便會驕傲地拿出卡片引證，說明大爆炸不是空想臆測，而是一個已經(jīng)被證實的理論。

然而，也正是在1970年代末，當(dāng)基本粒子和宇宙起源在物理學(xué)中趨近輝煌的頂峰時，一絲不茍的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們的大爆炸理論依然有著顯著的缺陷——無法解釋宇宙膨脹過程中的幾個奇詭、頑固的謎點。

來源：程鶚 的博客