第7章　最初的几分钟

第70夜：水处理机

第70天是维护日。在地面每天早上发上来的日程表里，努尔的主要任务有一个朴素的名字：更换水回收系统里的一个过滤器。在空间站上，水太珍贵了，不能浪费。从地球上把水送上来很重，所以空间站会收集它能收集到的几乎每一滴水，一遍又一遍地净化。乘组呼出的水汽和皮肤上蒸发出的汗水会从空气中被提取出来。洗漱用过的水会被收集起来。就连尿液也会被收集、净化，再变回饮用水。

努尔在地面上曾经用这台机器的复制品为这项工作训练过许多次。在空间站上，它花掉了她大半个上午。她按照正确的顺序关闭阀门，检查压力读数，打开一块面板，把旧过滤器滑出来。每一个松散的部件都要系好或装进袋子里。阿德拿着检查清单飘在旁边，在她做每一步之前大声念出来，努尔再把这一步向他复述一遍。在地面上，这也许显得很慢。在轨道上，这就是避免出错的办法。

新过滤器装好后，机器开始自检。一排小灯一盏接一盏地变成了绿色。地面团队在他们的屏幕上看着同样的读数，确认一切看起来正常。努尔把时间记进日志，把旧过滤器装进一个袋子，以后会装进一艘货运飞船运走。

午饭时，她从空间站的供水系统给自己的饮水袋灌满水，举起来对着光看。水完全清澈。它尝起来什么味道都没有，而这正是好水应该有的味道。托马斯举起自己的饮水袋，就像每次有人修好水处理机时那样说，昨天的咖啡变成了今天的咖啡。阿德说，这可不是他吃饭时想去琢磨的一句话。

那天晚上，萨米写道，他整夜都在一家超市卸一箱箱的瓶装水，很庆幸没有人让他把水喝两遍。努尔告诉他，从某种意义上说，地球上的每个人喝的都是以前被用过的水，几十亿年来被云、河流、植物和动物用过。然后她想得更远，想到了水本身是从哪里来的。一个水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。氧有它自己的故事，我们会在后面的某个夜晚听到。但每一滴水里的氢要古老得多。它来自宇宙最初的几分钟。

最小的构件

在前一个夜晚，我们认识了最古老的光，它是在宇宙大约380,000岁时被释放出来的。今晚我们要回溯到更早得多的时候，回到宇宙只有几分钟大的时候。要理解那时发生了什么，我们需要稍微了解一下原子是由什么组成的。这些词也许是新的，但道理很简单，就像在修理一台机器之前先认识它的各个部件。

每个原子都有一个叫作原子核的微小中心。围绕着原子核的，是更加微小的叫作电子的粒子。原子核本身由两种粒子组成。质子带正电荷。中子完全不带电荷，它的名字正是由此而来。质子和中子的重量几乎相同，两者都比电子重得多。

原子核有多小，很难想象。老师们常用这样一个比喻：如果把一整个原子放大到一座大型体育场那么大，它的原子核就大约是球场中央的一颗小豌豆。电子则在远处看台上的某个地方。原子几乎全部的重量，都集中在中心那颗小小的豌豆里。

原子核里质子的数目，决定了它是哪一种原子。有一个质子的原子是氢。有两个质子的原子是氦。有六个质子的原子是碳，有八个质子的原子是氧。这些基本种类的原子，每一种都叫作一种元素。中子会增加重量，并帮助原子核维持在一起，但它们不会改变原子核属于哪种元素。

最简单的原子核，就是单独的一个质子。那就是普通氢的原子核。氦原子核要复杂一些。它由两个质子和两个中子紧紧挤在一起组成。要造出一个氦原子核，你需要让质子和中子彼此靠得非常近，近到原子核内部一种非常强大的力能把它们抓住。在普通的条件下，这几乎永远不会发生，因为质子会用它们的电荷互相排斥。要把它们压到一起，需要巨大的热量和压力。

在宇宙最初的那些时刻，还没有原子，也没有原子核。只有一锅由自由的质子、自由的中子、电子、光和其他微小粒子组成的炽热混合物，它们都运动得非常快。那时实在太热了，任何东西都无法粘在一起。每当一个质子和一个中子结合，高温几乎立刻就会再把它们撞开。宇宙就像一间热得面团永远发不起来的厨房，因为任何东西一混合好就被烤焦了。

一个短暂的建造窗口

随着宇宙膨胀，它冷却了下来。几分钟之后，它达到了一个温度，在这个温度下，质子和中子终于能够结合在一起了。那个温度仍然比今天太阳的中心要热得多，但已经不再太热了。在一小段时间里，整个宇宙变成了一个可以建造轻原子核的地方。质子和中子两两结合，这些成对的粒子再结合成氦原子核，还造出了极少量的一种稍重一些的元素，锂。

这个窗口并没有打开多久。宇宙继续膨胀、冷却。在大约最初二十分钟左右的时间里，温度和密度就已经下降得太多，建造停止了。粒子此时已经分散得太开、运动得太慢，无法以足够的力相遇。到那时为止造出来的东西，就是宇宙可以使用的全部材料。在那之后的几千万年里，直到最早的恒星开始发光，再也没有造出任何新的元素。

你也许会好奇，怎么会有人知道宇宙在几分钟大时的温度。这个推理比听起来要简单。天文学家知道宇宙今天膨胀得有多快，也知道最古老的光今天有多暖。当宇宙更小时，同样的光被挤在更小的空间里，所以它更热，而且是以一种简单、被充分理解的方式变热。物理学家们用这些规律把影片倒着放，就能推算出宇宙在每一个时刻有多热，一直回溯到最初的几分钟。

时间紧迫还有另一个原因。一个单独的中子，在原子核之外存在不了多久。平均大约一刻钟，一个自由中子就会变成一个质子。所以中子一直在慢慢消失。唯一能留存下来的中子，是那些被造进了氦原子核里的中子。你可以把这比作一家面包房，那里的酵母在慢慢失去活性。面包师必须赶快用掉它，否则它就没用了。

建造停止时，中子比质子少得多。粗略地说，每七个质子对应一个中子。这个数字决定了结果。想象有十六个粒子：两个中子和十四个质子。两个中子和其中两个质子结合，组成一个氦原子核，一共四个粒子。另外十二个质子保持单身，成为十二个氢原子核。所以按重量计算，十六份里有四份是氦，也就是四分之一。另外的四分之三是氢。

这就是对最初几分钟的预言：按质量计算，大约四分之三是氢，大约四分之一是氦，还有极微量的一种较重的氢和锂。几十万年之后，当宇宙进一步冷却、电子在这些原子核周围安顿下来时，最早的原子就形成了。那些原子组成了那片发光的雾，就是后来散开、释放出最古老的光的那片雾。

相遇的两个故事

这里有两个故事美妙地相遇了。第一个是关于预言的故事。1948年，我们在前一个夜晚认识的乔治·伽莫夫、拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼，推算出了一个炽热、致密的年轻宇宙是怎样在它最初的几分钟里建造出轻原子核的。在随后的几年里，其他物理学家利用对质子和中子行为的更好测量，改进了这些计算。他们工作中的细节花了许多年才弄准确，但主要的结果一直没有变：年轻的宇宙应该主要造出了氢，以及大约四分之一的氦。

第二个故事开始得更早，主角是一位名叫塞西莉亚·佩恩的年轻女性。20世纪20年代，她是一名在天文台工作的学生，研究恒星的光。在讲星系彼此远离的那个夜晚，我们看到，光可以被展开成光谱，也就是一条带有暗线的彩色光带。每一种元素都会留下它自己的谱线图案。在很长一段时间里，天文学家们一直认为，既然太阳的光谱显示出铁和许多其他元素的谱线，那么太阳的组成一定和地球大致相同。

佩恩运用物理学中的新思想，去理解恒星的温度会怎样改变它的谱线图案。把这一点考虑进去之后，她得出了一个惊人的结论：恒星主要是由氢和氦组成的。较重的元素也存在，但只占很少的量。她在1925年完成了这项工作。当时，这个想法看起来太不可能了，以至于一位德高望重的资深天文学家说服她写下：她的结果很可能并不真实。几年之后，其他天文学家，包括那位资深天文学家本人，通过别的途径得出了同样的结论。佩恩是对的。

值得花一点时间想一想佩恩的处境。她很年轻，她是一位女性，身处一个很少允许女性做这类工作的领域，而她的结果又与几乎所有人的看法相悖。许多处在她位置上的人可能会放弃这个想法。她没有放弃这项工作。她很细心，她发表了它，证据就摆在那里，供别人去检验。她的结果如今是天文学的基石之一。

把这两个故事放在一起，一件了不起的事就出现了。物理学家们问的是，最初的几分钟应该造出了什么。天文学家们测量的是，恒星和气体云实际上是由什么组成的。两个答案指向同一件事：一个主要由氢组成、还有大约四分之一氦的宇宙。当天文学家测量那些最古老的气体云和最古老的恒星时，它们被后来的恒星改变的时间最短，而测得的含量与预言非常吻合。

最有力的线索之一

在第一个夜晚，这本书列出了宇宙有一个炽热、致密开端的三条主要线索。第一条是星系正在彼此远离。第二条是最古老的光。第三条就是今晚的故事：最轻元素的含量。这第三条线索特别有力，因为它是一项用数字来做的检验。一个只说“曾经很热”的理论，可以符合许多种结果。而一个说“大约四分之一是氦，不是二分之一，也不是十分之一”的理论，是可以检验的，它原本也有可能失败。

它没有失败。无论天文学家在哪里观察，在古老的恒星里，在星系之间的气体里，氦的含量都大致正确。那些极微量的重氢也符合预言。而且，从这些轻元素得出的数字，与完全独立地从最古老的光的图案中得出的数字相吻合。两种截然不同的测量，用截然不同的仪器完成，讲述了关于年轻宇宙的同一个故事。

还有一项检验可以在地球上完成。轻原子核的建造，取决于在某个温度下质子和中子有多容易结合。这些速率不是猜出来的。它们是在实验室里测量出来的，在那里，机器让质子和其他粒子互相轰击，再统计产生了什么。对最初几分钟的计算，使用的就是这些测量得出的数字。从这个意义上说，地球上的一间小实验室和整个年轻的宇宙，遵循的是同样的规则。

有一个谜需要坦白地提一下。天文学家在一些非常古老的恒星里发现的锂的含量，比对最初几分钟的计算所预言的要低。科学家们仍在研究其中的原因。也许那些古老恒星内部的某种东西慢慢地破坏了它们的一部分锂。也许计算中的某些地方需要改进。这个谜还没有被完全理解。但它是一个大的吻合之中的小谜团，并不会改变关于最初几分钟的主要图景。

同样值得了解的是，最初的几分钟没有造出什么。它们几乎没有造出任何比锂更重的东西。没有碳，没有氧，没有铁，也没有金。从最初几分钟里诞生的宇宙非常简单：氢、氦、一点点它们的近亲，此外别无他物。其他每一种元素，包括你正在呼吸的氧和每一种生物体内的碳，都必须在后来才被造出来。这项工作是由恒星完成的，它们的故事属于后面的夜晚。

所以，当你端起一杯水时，你手里握着的是两段截然不同的历史。水里的氧是在开端之后很久，在恒星内部造出来的。但氢，也就是“两个氢原子和一个氧原子”里的那个“两个”，是在最初的几分钟里，大约138亿年前造出来的。那些氢曾经待在云里、恒星里、彗星里、海洋里和雨里。现在它就在你的杯子里。

入睡之前

睡觉之前，努尔从净水供应系统又灌了一袋水，在窗边慢慢地喝。下方的地球正处在白昼。她能看到一片蓝色的海洋，上面点缀着白云，还有一段海岸线的边缘。她想，那么多的水，而每一滴里都是同样古老的氢，等待了几十亿年。

她给萨米写道：“你今晚卸的水非常古老。里面的氢是在宇宙最初的二十分钟里造出来的。你的箱子比你以为的要重。”萨米回复说，他的腰早就告诉过他了，谢谢。然后他又补充说，下次看到瓶装水时，他会用稍微不同的眼光去看它。

阿德看到她在写消息，问她今晚跟弟弟说了些什么。她解释了之后，他沉默了一会儿，然后说，他把水处理机说明书的每一页都读过了，却从来没有一次想到过水是古老的。托马斯说，这就是专家的问题：他们对一样东西了解得太透彻，以至于忘了为它感到惊讶。

明天，或者今晚，在你的工作日结束时，你也许也会倒一杯水。你不必每次都去想宇宙。但也许有一次，你可以在喝之前把杯子端在手里停一会儿。你手中的，是几乎在时间开始之时就被造出来的东西，它走了非常非常远的路才来到你这里。

常见的误解

许多人以为，所有的元素都是在大爆炸中造出来的。这看起来很自然，因为大爆炸是一切的开端。但最初的几分钟只造出了最轻的元素：氢、氦和极少量的锂。碳、氧、铁和金这些较重的元素，是在很久以后，在恒星内部以及某些恒星生命终结时的剧烈事件中造出来的。宇宙开始时很简单，随着时间推移才变得丰富起来。

许多人还以为氦是一种稀有元素，因为在地球上，大多数人只是从派对气球上知道它，而且它有时还会供应短缺。事实上，氦是宇宙中第二常见的元素，仅次于氢。它在地球上稀少，是出于另一个原因。氦非常轻，而且不和其他元素结合，所以空气中的任何氦都会慢慢逃逸到太空中去。人们在地球上收集的大部分氦来自地下深处，在那里，岩石中某些种类的原子在分裂时会慢慢地产生氦。而在外面的宇宙里，氦无处不在。

最后，许多人想象，最初的几分钟纯属猜测，因为当时没有人在场看到。确实没有人目睹，关于最早那些时刻的一些问题也确实仍然悬而未决，我们会在下一个夜晚看到。但故事的这一部分，是所有部分中检验得最充分的部分之一。它使用的物理学，与在地球实验室里仔细测量过的物理学是同样的；它用数字做出了明确的预言；而这些预言与天文学家在天空中测量到的结果相符。在下一个夜晚，我们会回溯得更远，回到连质子和中子都还不存在的时候，在那里，我们脚下的地面会变得不那么坚实了。