第8章　在原子出现之前

第84夜：演练

第84天的警报是计划好的，但乘组并不知道确切是哪一分钟。地面只告诉他们，下午某个时候会进行一次应急演练，仅此而已。努尔在健身自行车上骑到一半时，警报声在整个空间站里响了起来，响亮而持续，紧接着是托马斯平静的声音，宣布这是一次演练。

每个人都知道该做什么，因为他们在地面上练习过许多次。努尔把鞋从自行车上松开，蹬向存放应急面罩的地方，拉过一个戴在脸上。阿德已经在那里了。托马斯念出应急程序的头几个步骤，他们每个人都回应自己负责的部分。他们检查读数，按正确的顺序关闭某些舱门，然后移动到真正发生紧急情况时要去的位置，就在那艘能送他们回家的飞船附近。

地面观察着一切，并为每一步计时。大约一小时后，演练结束了，乘组和地面简短地讨论了一下哪些地方做得好，哪些地方可以更快。有一扇舱门关闭所用的时间比应有的要长。有一页检查清单的顺序弄错了。这些小事都被记录下来，好在它们真正产生影响之前就得到解决。

努尔一直觉得，演练是任何一份工作中最平常的部分之一。地球上办公室、工厂、学校和医院里的人们，也会练习在警报响起时撤离大楼。他们走下楼梯，在停车场或院子里集合，等着有人清点人数。大多数时候，这感觉有点傻。但演练的意义在于，让正确的步骤变得如此熟悉，以至于在真正糟糕的那一天，谁都不必再去想它们。

演练很成功，却让努尔那天夜里睡不着。那并不完全是害怕，而是一种身体为一件从未到来的事做好了准备的感觉。她躺在固定于小睡眠舱墙上的睡袋里，听着风扇的嗡嗡声。她的思绪一步一步地反复回到那套程序上。然后，因为她的思绪喜欢往回走，它又走得更远，越过演练，越过这一天，一直回到她在这些夜晚里一直在思考的那些问题。

那天傍晚，萨米写来了消息。他问了一个她没法很快回答的问题：“如果你一直往回追溯时间，追到最初几分钟之前，你会找到什么？会不会有一个点，到了那里就再也没有人知道了？”这是一个适合不眠之夜的好问题。诚实的回答有两个部分。往回走，我们会发现一个比我们所知的任何世界都更奇特、也更简单的世界。而且是的，确实有一个点，到了那里就没有人知道了。

再往回走

在前一个夜晚，我们看到了最初的几分钟，那时质子和中子结合成了氦。在那之前，宇宙更热，质子和中子自由地运动。今晚我们要再往回走。我们往回走得越远，一切就变得越热、越密。随着温度升高，我们通常认为坚固而永久的东西开始分崩离析。

有一种办法可以想象这个过程。想一想锅里的冰。你加热它，它就变成水。再加热，水就变成水蒸气。同样的分子都还在，但它们在每个温度下的表现都不一样。现在想象把水蒸气加热到远远超出厨房里任何东西的程度。水分子分解成氢原子和氧原子。再加热，电子就从原子上被剥离下来。再进一步加热，就连原子核也会分裂成质子和中子。早期宇宙在膨胀、冷却的过程中，沿着相反的方向经历了所有这些步骤，从最热的阶段走到最冷的阶段。

所以，如果我们从最初的几分钟开始把影片倒着放，就会来到一个时期，那时宇宙是一锅由自由的质子、中子、电子和光组成的浓汤，所有东西都以极快的速度运动着。再往前，我们会来到一个连质子和中子都还不存在的时期。它们是由更小的碎片组成的，这些碎片叫作夸克。一个质子是由三个夸克组成的一个小团体，它们被一种非常强大的力维系在一起，强到在今天的宇宙中，夸克从来不会被单独发现。

电子则不一样。就人们所能测量的范围来说，电子根本不是由更小的碎片组成的。它似乎和夸克本身一样，是自然界真正的基本粒子之一。所以，普通物质最小构件的清单短得出人意料：组成质子和中子的两种夸克，再加上电子。

当宇宙极其年轻的时候，它热到夸克没有被锁在质子和中子里面。它们在一种炽热、致密的混合物中自由运动，和它们一起的还有在夸克之间传递强作用力的那些粒子。然后，当宇宙大约一百万分之一秒大的时候，它已经冷却到足以让夸克三个一组地聚到一起。质子和中子形成了。从那以后，它们就成了最初几分钟将要使用的构件。

一百万分之一秒，听起来简直什么都不是。它比眨一下眼要短得多。但在年轻的宇宙里，在这么短的时间内发生了大量的事情，因为一切都发生得非常快。物理学家们有时说，衡量早期宇宙不应该用普通的秒，而应该用它冷却了多少。温度每下降一级，就带来一种新的秩序，那锅浓汤就这样慢慢变成了构成我们世界的各个部分。

早期高温的小小液滴

一段如此短暂、如此炽热的时期，怎么可能有人去研究呢？答案的一部分是，科学家们能在地球上重现它的小小液滴。在叫作粒子加速器的大型机器里，重原子的核被加速到几乎达到光速，然后让它们彼此相撞。在极短的一瞬间，在一个比一粒尘埃还小得多的空间里，这种碰撞会产生与非常年轻的宇宙相当的温度。

在这些小小的液滴中，相撞原子里的质子和中子会在一瞬间熔化成它们的夸克，形成那种炽热的混合物。然后，几乎立刻，它就冷却下来，重新变回普通的粒子，飞进碰撞点周围的探测器里。通过研究飞出来的东西，科学家们可以了解那种炽热的混合物是怎样表现的。这样一来，地球上一间正在运转的实验室，就成了一扇通往最初一百万分之一秒的小窗。

这些实验带来了一些意外。许多物理学家原以为，夸克组成的炽热混合物会表现得像一种稀薄的气体。结果它的表现却更像一种液体，而且是一种几乎毫无黏性地流动的液体，比水或地球上任何其他液体都流得更顺畅。这告诉了我们一些关于年轻宇宙的事情，是任何人单凭思考都猜不到的。它很好地提醒了我们，为什么实验如此重要。

这些机器是人类有史以来建造的最大的仪器之一。成千上万的工程师、技术员和科学家日夜轮班在这些机器上工作。有些人检查电缆。有些人编写整理测量数据的计算机程序。有些人整夜盯着屏幕，一旦发现什么不对就呼叫支援。和空间站一样，这些机器也是由许多认真做着普通工作的人来运转的，而这些工作合在一起，一直延伸到了时间的开端。

需要讲清楚的是，这意味着什么，又不意味着什么。这些机器并不会创造出一个新的宇宙，在这个意义上它们也并不危险。它们只是在一个非常小的空间里，在极短的一瞬间，创造出与早期宇宙相同的温度。因为物理定律在这里和在那里都是一样的，所以在那个小空间里发生的事情，能告诉我们早期宇宙在那个温度下是怎样表现的。我们想往回走得越远，需要的温度就越高，到了某个时候，它就会高到任何机器都永远无法达到。

往回一直到质子和中子形成的时候，甚至再早一些，科学家们对故事的大致轮廓都相当有把握，因为那些时期的温度可以用这种方法来检验。在那之前，故事就变得越来越不确定了。对于更早的时期，物理学家们仍然有一些不错的想法，而且只要那些定律还能被检验，他们就使用同样的定律。但他们离最开始越近，脚下的地面就变得越不坚实。

发现镜像粒子的人们

今晚的故事里最奇特的部分之一是反物质。它听起来像是科幻电影里的东西，但它是真实存在的，而它的发现是一个很好的例子，说明科学有时是怎样运作的。1930年前后，一位物理学家正在研究描述电子高速运动时如何表现的方程。这些方程似乎说出了一件意想不到的事。它们似乎允许电子有一个双胞胎，重量相同，但电荷相反。

起初，许多物理学家不知道该怎样理解这件事。也许它只是数学上的一个奇怪特征。然后，在1932年，一位年轻的研究者在拍摄从太空到来的粒子留下的轨迹时，看到了一条朝错误方向弯曲的轨迹。那是一个像电子一样的粒子，但带着正电荷。那个双胞胎是真实存在的。它被命名为正电子。后来，科学家们发现，每一种粒子都有这样一个镜像双胞胎。这些双胞胎合在一起，被称为反物质。

反物质并不只是物理学家的故事。今天，它在实验室里被制造出来，有些医院在每个工作日都会用到它。在一种医学扫描中，病人会接受少量经过仔细控制的特殊物质，这种物质会在体内放出正电子。当一个正电子遇到一个普通电子时，两者都会消失，变成一小道能量的闪光，而病人周围的仪器会探测到这道闪光。医生们用这样的扫描来观察身体各个部分的工作情况。今夜的某个地方，一位上夜班的护士或技术员，也许正在准备的恰恰就是这样一次扫描。

这种消失的戏法，正是今晚这个谜题的关键。当一个粒子遇到它的反物质双胞胎时，两者都会消失，只留下能量。而在炽热的年轻宇宙中，粒子和它们的双胞胎一直在由能量产生，又一直在被湮灭。如果物质和反物质的量完全相等，那么随着宇宙冷却，它们就会相遇并彻底地互相湮灭。除了光，什么也不会留下。不会有恒星，不会有行星，也不会有人。

但还是有东西留了下来。由于一些我们尚未理解的原因，物质有一个非常微小的盈余，大约每十亿对粒子中多出一个。当这场大相遇结束时，那些成对的粒子都变成了光，而那一点小小的盈余留了下来。我们今天看到的一切，每一颗恒星、每一个星系，都是由那一点微小的剩余物构成的。为什么宇宙造出的物质比反物质多了一点，是物理学的重大未解之谜之一。科学家们正在寻找答案，但目前还没有人知道。

今天的物理学止步之处

现在我们来到萨米问题的第二部分。会不会有一个点，到了那里就再也没有人知道了？是的，有。如果我们继续把影片倒着放，越过最初的一百万分之一秒，宇宙就会变得越来越热、越来越密，没有任何我们所知道的极限。到了某个时候，它会热到、密到让我们对自然的两种最好的描述再也无法彼此契合。

这两种描述中的第一种，是爱因斯坦的引力理论，它解释了行星、恒星和星系这些大东西是怎样运动的，以及空间本身怎样能够伸展。第二种是解释非常小的东西，比如原子和夸克的世界的理论，物理学家把它叫作量子理论。每一种理论在自己的领域里都极其有效，每一种都被检验过许多次。但在最初的那一刻，当整个宇宙既在距离上极其微小、又充满了极其巨大的能量时，就需要同时用到这两种理论。而到目前为止，还没有人找到一种办法，把它们结合成一个在那里也能成立的理论。

你可以这样来想象这个问题。想象有两张非常好的地图。一张显示整个国家，有山脉和河流，但没有比一座城镇更小的细节。另一张显示一条街道，一栋房子一栋房子地画出来，但街道之外什么都没有。每张地图都非常适合自己的用途。但如果你需要穿过一个既极其巨大、又充满微小细节的地方，单靠哪一张都不够，而把它们结合起来的那张地图，还没有人画出来。

所以在最初的那一刻，今天的物理学就失效了。那一刻短到没有任何普通的词语可以形容。它比一百万分之一秒还要短得多，比任何时钟所能测量的都要短。那时发生了什么，甚至“那时”这个词是否还有意义，都还不知道。有些科学家正在研究也许有一天能描述它的新理论。他们的一些想法很有意思，但还没有一个得到证据的证实。

把这一点讲清楚很重要，因为它常常被说错。大爆炸理论并不描述最初的那一刻。它描述的是那一刻之后发生的事：一个炽热、致密的年轻宇宙怎样膨胀和冷却，怎样造出它最早的元素，怎样释放出它最古老的光，后来又怎样形成恒星和星系。故事的这一部分得到了许多种证据的支持。而最初那一刻本身，以及在那之前有什么的任何问题，仍然超出了我们所知道的范围。

这并没有什么可羞愧的。一张好地图会诚实地标出它在哪里结束。古代水手的地图有时会在他们还没有探索过的地方留下空白。那些空白并不是失败，而是邀请。同样，宇宙最开始的那片空白，是整个科学中最有意思的地方之一，许多人正在耐心地工作，想把其中的一小部分填上。

给萨米的消息

在一片漆黑的海洋上空的某个地方，努尔终于感到睡意袭来。在睡着之前，她伸手拿过平板电脑，给萨米写消息，这时他应该正在休息：“你问会不会有一个点，到了那里就没有人知道了。有的。在最初的一百万分之一秒之前，你往回走得越远，事情就越不确定，而到了最初的那一刻，就完全没有人知道了。连最优秀的科学家也不知道。不知道也没关系。”

过了一会儿，萨米回了消息。他说，他的经理也并非什么都知道，却装作知道，所以他更喜欢那些科学家。努尔在睡眠舱的黑暗中笑了。然后她关掉平板电脑，让风扇的嗡嗡声带着她进入梦乡。

有些下班后的夜晚，你自己的思绪也许也会停不下来，反复回顾已经结束的一天。在那样的夜晚，记起连宇宙都有一个没有人完全理解的开端，会给人一种奇妙的安慰。并不是每个问题都需要在天亮前找到答案。有些问题可以轻轻地带在身边，带上一辈子，仍然是很好的陪伴。

常见的误解

许多人以为，科学家确切地知道在“零时刻”，也就是宇宙的最初一瞬间发生了什么。他们并不知道。正如我们今晚所看到的，我们最好的理论在最初的那一刻就失效了，而且还没有人找到在那里也能成立的理论。科学家们能有把握地描述从极其短暂的一瞬之后开始发生的事情，而且时间越往后，他们就越有把握。但最初那一瞬间本身仍然是未知的，诚实的科学家会这样说。

许多人还以为，反物质只是科幻小说的虚构。它是真实存在的。科学家们在实验室里制造出少量的反物质，反物质粒子会自然地从太空到来，有些医院的扫描每天都在使用它。真实的情况是，反物质在今天的宇宙中非常稀少，因为它几乎全部在很久以前就遇到物质并消失了。这就是为什么我们在日常生活中从来遇不到反物质，也是为什么物质那一点小小的盈余会是一个如此重要的谜。

最后，许多人想象，“宇宙曾经非常小”的意思是，它是一个小小的物体，像一个发光的球，待在一个更大的、空旷的空间里。科学家们并不是这个意思。并没有一个外部空间可以让宇宙待在里面。当科学家们说宇宙曾经很小时，他们的意思是，其中所有东西之间的距离都比今天短得多，一切都挤得非常紧密，而且非常热。宇宙并不是膨胀到空间里去。是空间本身在伸展。在下一个夜晚，我们会再次向前走，来到最古老的光之后一个安静而黑暗的时期，那时宇宙正在等待它最早的恒星。