宇宙的最初三分钟Word下载.docx
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根据本书所用的数学程度，这些注释可为物理学或数学本科专业的任何人所理解。
幸运的是，宇宙学的最重要运算是相当简单的：
广义相对论或核物理更精妙的观点只是偶尔才发挥作用。
相对这一论题进行更深的专业性探索的读者，可参阅书后所附的“推荐书目”中列出的一些高级论文（其中也有我自己的论文）。
我还应明确指出我想在本书探讨的主题是什么。
它当然不是一本全面探讨宇宙学的著作。
本书的主题中有一个“古典”部分，它涉及的主要是当前宇宙的大尺度机构：
关于旋涡形星云的河外性质的辩论；
遥远星系的红移的发现极其与距离的相依性；
爱因斯坦、德西特、勒梅特和弗里德曼的广义相对论宇宙学模型；
等等。
好多优秀著作已对宇宙学的这一部分作了精辟的论述，我不想在这里从头再论述一遍。
本书涉及的是早期宇宙，尤其是人们根据1965年宇宙微波辐射背景的发现，对早期宇宙提出的新认识。
当然，宇宙膨胀理论是我们当前早起宇宙观的一个基本组成部分，所以我不得不在第二章中对宇宙学更“古典的”方面作简要的介绍。
我认为这一章可为理解早期宇宙理论的新近发展（本书其余部分讲述的就是这一内容）提供一个充分的背景，即使对一点也不熟悉宇宙学的读者来说也是如此。
然而，如果读者相对更早的宇宙学有一个彻底的了解，那就得去参阅“推荐书目”中所列的那些著作了。
另一方面，由于没能找到任何条理清晰的有关宇宙学近来进展的历史记述，我不得不亲自做点挖掘工作，尤其是1965年以前为什么很长时间没有人对宇宙微波辐射背景进行搜寻这一令人着迷的问题。
（第四章对此进行了讨论。
）这并不是说我认为本书是对这些进展的权威性记述——我对人们在科学史工作研究中所付出的努力和对他们对各种事件所做的关注是非常尊敬的，不会在这方面有任何幻想。
相反，假使某个真正的科学史学家要用本书作为起点，撰写一部真正关于过去30年的宇宙学研究的话，我会很高兴的。
我非常感谢欧文·
格莱克斯和法雷尔·
菲利普斯，他们在本书作出版准备的过程中向我提出了非常宝贵的建议。
在我撰写本书时，我的物理界和天文学界的同仁们也向我提出了善意的忠告，他们的帮助是我难以用语言表达的。
我尤其想感谢拉尔夫·
阿尔弗、伯纳德·
伯克、罗伯特·
迪克、乔治·
菲尔德、加里·
范伯格、威廉姆·
福勒、罗伯特·
赫尔曼、弗雷德·
霍伊尔、吉姆·
皮布尔斯、阿诺·
彭齐亚斯、比尔·
普雷斯、埃德·
珀塞尔和罗伯特·
瓦格纳，他们不辞辛劳，分别阅读了本书的各个部分提出了建议。
我还想感谢伊萨克·
阿西莫夫、I·
伯纳德·
科恩、马撒·
利勒和菲利普·
莫里森，他们向我提供了有关各个专题的信息。
我尤其感谢奈杰尔·
考尔德，他从头到尾阅读了整个初稿，并提出了深刻的见解。
我不敢奢望本书现在已没有任何差错和晦涩之处，但我敢肯定，若非我有幸得到所有这些慷慨帮助，它是不会像现在这样清晰、易懂和准确的。
史蒂文·
温伯格
于马萨诸塞州坎布里奇大学
1976年7月
第二版平装本前言
近来天文知识的发展已经基本证实，在《宇宙最初三分钟》首次出版的1977年，人们所理解的宇宙理论的总体思想是正确的。
但在过去的16年中，各种没有把握的问题已得到解决；
新的问题也已出现；
对最初一秒之前这段时间的早期宇宙史，又提出了全新的思想。
因此，我很高兴能借这次出版新版的机会增补后记，使本书的内容得以更新。
感谢通俗读物出版社的马丁·
凯斯勒对这一新版所作的指导，感谢保罗·
夏皮罗和伊桑·
维什尼亚克对后记提出的宝贵意见。
于德克萨斯州奥斯汀
1993年4月
目录：
前言
第一章导论：
巨人和牛
第二章宇宙的膨胀
第三章宇宙微波辐射背景
第四章炽热宇宙的配方
第五章最初三分钟
第六章历史的题外话
第七章最初百分之一秒
第八章尾声：
未来前景
图表：
表1.一些基本粒子的特性
表2.一些辐射类型的特性
词汇表
数字注释
后记：
1977年后的宇宙学
冰岛巨匠斯诺里·
斯图鲁松于1220年左右编纂的斯堪的纳维亚神话集《新埃达》对宇宙的起源作了解释。
书中说，起初，什么都没有。
“看不到大地，也看不到苍天，倒是有一个大大的缺口，但没有草。
”在空空如也的北面和南面，坐落着霜区和火区。
火区的热熔化了霜区的霜，从水滴中诞生了巨人伊美尔。
伊美尔吃什么？
似乎还有一头牛——厄伊德许姆拉。
她又吃什么？
噢，还有些盐。
我可不能触犯宗教情感，哪怕是北欧海盗的宗教情感也是如此，但我认为，要说这样描述宇宙起源不能令人满意却是公正的。
即便抛开所有那些传闻证据的异议，这个故事产生的问题也同它所提供的答案一样多，而且每个答案都使原有情况变得更为复杂。
我们不能仅对该书报以微笑，而坚决放弃所有的宇宙学推测——对宇宙史溯本求源的迫切心情是难以抑制的。
自16和17世纪现代科学诞生以来，物理学家和天文学家们就一直不断提出宇宙的起源问题。
然而，一种不体面的氛围一直笼罩着这种研究。
我记得，当我还是个学生及后来我在1950年代开展研究工作（研究的是其他问题）时，人们就普遍认为研究早期宇宙是体面的科学家不屑为之的事情。
这种论断也不无道理。
纵观整个现代物理学和天文学历史，赖以构建早期宇宙史所需的充分的观测与理论基础根本就不存在。
然而，在刚刚过去的十年中，所有这一切都发生了变化。
有一种早期宇宙理论已被人们广泛接受，以致于天文学家常常将之称为“标准模型”。
它与人们有时所说的“大爆炸”理论基本相同，只不过它对宇宙成分的认识更加具体。
这种早期宇宙理论正是本书的论题。
为了便于理解，或许应首先对当前按照标准模型所理解的早期宇宙史作一概述。
这里仅仅是一个简要说明——在以后的各章中，我还要对这一历史的详细情况以及我们相信它的理由作出解释。
起初，发生了一次爆炸。
这个爆炸不同于地球上所常见的那些爆炸，即先从一个明确的中心开始，然后向四周扩展，周围被吞噬的空间越来越多；
而是一种各个地方同时发生的爆炸，从一开始便充满了整个空间，每个物质粒子都与其他粒子迅速分离开来。
这里的“所有空间”可以指整个无穷宇宙，也可以指像球面那样蜿蜒回到自身的整个有穷宇宙。
任何一种可能性都不易为人理解，但这并无妨碍；
在宇宙形成的初期，太空是有穷的还是无穷的并不重要。
在大约百分之一秒的时间（这是我们能够自信地谈论的最早的时间）里，宇宙的温度达到大约1000亿摄氏度（10^11）。
这一温度甚至比最热的恒星的中心还热得多，事实上，它热得使寻常物质的组成部分——分子、原子、甚至是原子核——没有一个能聚集在一起。
相反，在这一爆炸中迅速分离的物质是由各种类型的所谓基本粒子组成的。
基本粒子是现代高能核物理的研究课题。
我们在本书中将多次谈到这些粒子，更详细的解释将在第三和第四章中讨论，这里仅指出早期宇宙中最多的那些就足够了。
大量存在的一类粒子是电子，即以电流形式流过电线并形成当前宇宙中所有原子和分子的外壳的带负电的粒子。
早期宇宙中数量巨大的另一类粒子是正电子，即体积与电子完全相同的带正电的粒子。
在当前的宇宙中，正电子只有在实验室中，在某类放射线和诸如宇宙射线以及超新星这样剧烈的天文现象中才能找到，但在早期宇宙中，正电子的数量与电子的数量几乎不相上下。
除了电子和正电子外，还有数量大致相同的各类中微子，即没有任何质量或电荷的幽灵似的粒子。
最后，宇宙中还充满光线。
对此，不必与粒子分别对待——量子理论告诉我们，光线是由零质量、零电荷、被称为光子的粒子组成的。
（每当灯丝中的一个原子从高能状态转变到低能状态时，就会发射出一个光子。
灯泡中发射出的光子非常之多，因此他们看上去就像汇集成了一条连续的光束一样，但通过光电池，可一个一个地计算出单个光子的数量。
）每个光子都携带着一定数量的能量和动量，数量多少取决于光的波长。
为了概述早期宇宙中无所不在的光线，我们可以说，光子的数量和平均能量与电子、正电子或中微子大致相同。
这些粒子——电子、正电子、中微子、光子——不断地从纯能量中创造出来，短暂存在后即再次湮灭。
因此它们的数量不是早就注定的，而是由创造与湮灭过程中的平衡所决定。
根据这一平衡，我们可以推断，温度高达1000亿度的这一宇宙汤的密度约为水的40亿（4×
10^9）倍。
此外，还有少量的杂质，它们由较重的粒子、质子和中子组成，在当今世界中，它们是原子核的组分。
（质子带正点；
中子稍重且不带电。
）比例大致为每10亿个电子、正电子、中微子或光子，对一个质子和一个中子。
为了设计标准的宇宙模型，这个数值——每有一个核较子，就有10亿个光子——是必须从观测中获得的关键数值。
在第三章讨论的宇宙辐射背景的发现实际上就是对这一数值的说明。
随着爆炸的继续，温度开始下降，大约十分之一秒后下降到300亿（3×
10^10）摄氏度；
大约一秒后下降到100亿度；
大约14秒后下降到30亿度。
这一温度已低到足以使电子和正电子开始以快于它们从光子和中微子再次创造出来的速度归于湮灭。
物质的这一湮灭所释放出来的能量，暂时降低了宇宙的冷却速度，但温度继续下降，最后，在最初三分钟结束时，降到了10亿度。
这时，温度已低得足以使质子和中子开始形成复杂的核，首先形成的是重氢（或氘），它由一个质子和一个中子组成。
其密度这时仍非常高（比水的密度稍低），所以这些轻核能迅速地结合成最稳定的轻核，即氮核，它是由两个质子和两个中子组成的。
在最初三分钟结束时，宇宙的成分大多表现为光、中微子和反中微子。
仍有少量的核材料，它们现在是由大约73%的氢和27%的氮组成的，此外，还有数量相同的、从电子-正电子湮灭时代遗留下来的电子。
这种物质继续迅速分离，温度越来越低，密度越来越小。
很久之后，即几十万年后，它的温度降低到足够的程度，使电子能够与核相结合，形成氢原子和氮原子。
由此产生的气体开始在引力的作用下形成团，并最终凝聚成当今宇宙的星系和恒星。
然而，恒星形成时的成分完全是在最初三分钟的时间里所形成的那些成分。
以上简要叙述的这一标准模型，并非想象范围内的最令人满意的宇宙起温理论。
同《新埃达》一样，它对宇宙的起点，也就是对最初大约百分之一秒的说法有些笼统，让人摸不着头脑。
此外，令人为难的是，还需要明确当初的情况，尤其是当初的光子与核粒子10亿比1的比例。
如果这一理论能提出更大的逻辑必然性，那就更好了。
比如，另一个在哲学上似乎更有吸引力的理论是所谓的恒稳态模型。
在由赫尔曼·
邦迪、托马斯·
戈尔德和弗雷德·
霍伊尔（其表述方式与他们稍有不同）于1940年代末提出的这一理论中，宇宙基本上一直就是理在这个样子。
随着它的膨胀，新物质不断被创造出来，填补了星系间的空白。
从潜在可能性上讲，有关宇宙为何是目前这种状况的问题都可用这一理论来回答。
可以说，它之所以是这样，是因为这是它能够保持不变的唯一一种办法。
早期宇宙问题被排除了，因为本来就没有早期宇宙。
那我们是如何得出这一标准模型的？
它又是如何取代其他理论（如恒稳态学说）的？
这一共识的取得，不是因为哲学倾向的转变或天体物理学界名流的影响，而是从经验中得出的数据的结果，是对现代天体物理学必须具备的客观性的赞许。
下面两章将描述导致我们得出这个标准模型的两个重要线索，即对遥远星系后退的发现和对充满宇宙的微弱无线电静电的发现，它们都是从天文观测中发现的。
对科学史学家来说，这可是个内容丰富的故事：
既有错误的开端、良机的错失、理论上的先入为主，又有个性的展示。
在对观测宇宙学作了这一概述之后，我将力图将零散的数据汇总在一起，对早期宇宙的物理状况作一连贯清晰的描述。
这样，我们就能更为详细地重温一下最初三分钟了。
采用电影式的处理方法似乎很合适：
我们可以一格一格地观看宇宙膨胀、冷却和形成的过程。
我们还将力图对一个仍笼罩在神秘中的时代——最初百分之一秒及其之前——作一番小小的探索。
我们对这个标准模型真的有把握吗？
会不会有新的发现将它推翻并用其他宇宙起源学说取代当今的标准模型，甚至是复兴恒稳态学说？
或许会。
我不能否认我在描述最初三分钟时有一种虚构感，好像我们真的知道我们在谈论什么似的。
然而，即使标准模型最终被取代，它也在宇宙学的历史上发挥过巨大的重要作用。
通过标准模型环境去检测物理学或天文物理学的理论思想的微法，现已得到人们的推崇（尽管这只是近十年左右的事）。
用标准模型作为理论基础来证明天文观测计划的价值，已成为司空见惯的事。
因此，标准模型提供了一种不可或缺的共同语言，从而使理论家和观测人员能够彼此理解各自所做的工作。
假使有一天标准模型被一个更好的理论所取代，那或许也是因为人们根据标准模型获得了别的观测结果或计算结果。
在最后一章，我将简单谈一谈宇宙的未来。
它可能会永远膨胀下去，变得越来越冷，越来越空旷，越来越缺乏生机。
它也有可能再次收缩，将星系、恒星、原子和原子核分解，使之重新变成它们的组分。
那样一来，在预测最后三分钟的事态发展时，我们在理解最初三分钟时所面临的所有问题又将重新出现。
望一眼夜空，就会对它产生强烈的印象，好像宇宙一成不变。
的确，浮云掠过月亮，天空绕着北极星旋转，一段时间过后，月亮本身又出现盈缺，月亮和行星在恒星形成的背景上运动。
但我们知道，这些只不过是由我们太阳系内部的运动所造成的局部现象而已。
在行星的背后，恒星似乎静止不动。
当然，恒星是运动的，运动速度可高达每秒几百公里，因此，速度快的恒星在一年可运行100亿公里左右。
这比到最近的恒星的距离还少一千倍，所以它们在天空中的表面位置变化得非常之慢。
（比如，被称为伯纳德星的这颗恒星的运动速度相对较快，它的距离约为5600万公里；
它以每秒约89公里或每年280亿公里的速度越过视线，结果，它的表面位置在一年中要变化0.0029度。
）天文学家称天空中邻近恒星的表面位置的变化为“自行”。
较远的恒星在天空中的表面位置变化得非常之慢，它们的自行甚至用最耐心的观察方法也无法察觉。
我们在这里将会发现，这种静止不变的印象是我们产生的一种幻觉。
我们在本章将要谈论的观察结果显示，宇宙处于一种剧烈爆炸状态，称为星系的巨大宇宙岛正以接近光速的速度分离开来。
此外，我们还可从时间上往后推断这一爆炸，并认为所有星系的距离在过去同一时间肯定比现在近得多——事实上，它们是如此之近，无论星系还是恒星，甚至是原子或原子核，都不可能单独存在。
我们将这一时期称为“早期宇宙”，它正是本书的论题。
我们对宇宙膨胀的了解完全取决于这一事实，即天文学家直接沿着视线方向对发光体的运动进行测量，这种方法比从垂直于视线方向对其速度进行测量要精确得多。
这一技术利用的是为人熟知的任何类型的波运动所共有的一个特性，称为多普勒效应。
当我们观察来自处于静止状态的波源的声波或光波时，各波峰到达我们的仪器的时间，同各波峰离开波源的时间，是相同的。
另一方面，如果波源正在远离我们，那各连续波峰到达之间的时间，就会在它们离开波源之间的这段时间里，不断增加，因为每个波峰在到达我们这里时，需要走得路程都比上一个稍远。
各波峰到达间的时间恰好是波长除以波速，因此，正在远离的波源所发出的波的波长，似乎比波源处于静止状态时要长。
（具体地讲，波长的分数增加值，是由波源的速度与波本身的速度间的波率决定的，如书后数学注释所示。
）同样，如果波源正向我们靠近，那各波峰达到间的时间就会不断缩短，因为每个连续波峰需要走的路也在缩短，而波的波长也似乎越来越短。
这就好像旅行推销员在旅途中要每周定期发一封家书一样：
离开家的途中，每封信的路程都比上一封稍远，因此他的信到达的时间也相差一周多一点；
回家的途中，每封信的路程都比上一封要近，所以它们到达的频率要多于每周一封。
目前，观察声波上的多普勒效应是很容易的事——站在高速公路的边上就可以了，你会发现高速行驶的汽车的发动机在驶来时的声音比驶离时高（即波长短）。
多普勒效应的理论显然是由布拉格的数学教授约翰·
克里斯蒂安·
多普勒就光波和声波于1842年首次提出的。
荷兰气象学家克里斯托弗·
迪特里希·
白贝罗在1845年通过一个可爱的试验，对多普勒声波效应进行了测试——他用一个站在火车敞篷车厢里的小号乐队作运动声源，从荷兰乌德勒支附近的乡村疾驶而过。
多普勒认为他的理论或许说明了恒星有不同颜色的原因。
假设有一颗正在远离地球的恒星的光将向较长的波长转变，由于红光的波长比可见光的平均波长长，所以，这颗恒星可能看上去比一般的恒星更红。
同样，假设正在向地球移动的恒星的光将向较短的波长转变，这颗恒星可能看上去更蓝。
白贝罗和其他人很快指出，多普勒效应实质上与恒星的颜色毫无关系——正在远去的恒星的光的确会向红色转变，但与此同时，该恒星通常不可见的紫外光也会转变成可见光谱，所以整个颜色几乎是不变的。
恒星的颜色不同，主要是因为它们的表面温度不同。
然而，当多普勒效应于1868年被应用于个体光谱线的研究时，它的确开始对天文学产生巨大作用。
若干年前，慕尼黑光学家约瑟夫·
夫琅和费就已在1814-1815年发现，当阳光通过一个狭缝，然后再通过一个玻璃菱镜时，由此而形成的色谱上就会穿插着数百条黑线，每条黑线都是狭缝的映像。
（甚至在更早的时候，威廉姆·
海德·
沃拉斯通就已在1802年发现了其中一些黑线，但当时并未进行认真研究。
）黑线总是存在于同样的颜色中，每条线都与一个具体的光波相对应。
夫琅和费还在月亮和较亮的恒星的光谱的同一位置发现了同样的黑色光谱线。
他很快认识到，这些黑线是对某些特定波长的光的选择性吸收而产生的，因为光是通过恒星外围较凉爽的空气从其表面发射过来的。
每条线都是由于一个化学元素对光的吸收而造成的，所以可以确定，太阳上的元素，如钠、铁、镁、钙和铬，同地球上发现的那些元素是一样的。
（我们现在知道，黑线的波长是该波长的光子恰好通过适当能量将原子从低量态提升到激发态的波长。
）
1868年，威廉姆·
哈金斯爵士指出，一些较亮的恒星的光谱中的黑线正从它们在太阳光谱中的通常位置向红或蓝的方向作轻微的偏移。
他恰当地称之为多普勒偏移，因为恒星正在远离或靠近地球。
比如，五车二星的光谱中的每条黑线的波长，比太阳光谱中相对应的黑线的波长长0.01%；
这种向红色的偏移，说明五车二星正以0.01%的光速或每秒30公里的速度远离我们。
在随后的几十年中，多普勒效应被应用于日珥、双星以及土星环的速度研究。
通过观察多普勒偏移来测量速度，是一种具有内在精确性的技术，因为光谱线的波长可非常精确地测量出来；
用长达八位有效数字来表示波长的情况并不少见。
此外，只要夜空的辐射背景下存在选取光谱线的足够光线，无论光源有多远，这一技术都能保障其精确性。
通过多普勒效应的应用，我们了解到本章开头所提及的星球速度的典型数值。
多普勒效应还在邻近恒星的距离方面为我们提供了有关线索；
如果我们对一个恒星的运动方向作个假设，那多普勒偏移就可告诉我们它跨过我们的视线和沿我们的视线运动时的速度，因此通过对恒星穿越天球的自行的测量，可得知它的距离。
但只有当天文学家开始研究比可见恒星远得多的物体的光谱时，多普勒效应才开始产生具有重大宇宙学意义的结果。
我只好先略微谈一下那些物体的发现，然后再回过头来讨论多普勒效应。
（机械波的多普勒公式:
设观察者与波源沿同一直线运动，它们相对于媒介的速度分别为v和u，波的传播速度为V，波源发出的频率为f，而观察者接收到的频率为f'
，则：
f'
=f*（1+v/V）/（1-u/V），式中v>
0或v<
0分别表示观察者趋近或背离波源，而u>
0或u<
0分别表示波源趋近或背离观察者。
光波的多普勒效应公式（即考虑络纶兹变化）为f=（（c-v）/（c+v））^（1/2）*f'
在本章的开头，我们首先讲到了夜空。
除了月亮、行星、恒星外，还有两个具有重大的宇宙学意义的可见物体，我或许已提到过它们。
其中一个非常显眼，非常明亮，有时通过灰蒙蒙的城市夜空都能看到。
它是以巨大的圆圈横跨天球的光带，自古以来被称为银河。
1750年，英国仪器制造商托马斯·
赖特出版了一本引人注目的书，名为《关于宇宙的独创理论或新假设》。
他在书中提出，恒星位于一个平坦、厚度有限的厚板即“磨石”之中，但却沿着厚板平圈的所有方向绵延很长的距离。
太阳系就位于这个厚板内，所以，我们在地球上沿厚板平面观察时，理所当然地比在任何其他方向观察时所看到的光都多得多。
这就是我们所看到的银河。
赖特的理论久已得到证实。
人们现在认为，银河系有一个由恒星组成的平坦的盘，其直径为8万光年，厚度为6千光年。
它还有一个球形晕，直径近10万光年。
总质量通常估计为太阳质量的1千亿倍左右。
但有些天文学家认为，在延伸的晕中，可能还有更大的质量。
太阳系离盘的中心约3万光年，位于盘中心平面稍微偏“北”的地方。
盘以高达每秒250公里左右的速度旋转，并呈现着巨大的旋臂。
总体而论，景象非常壮观，如果我们能从外部看到它的话！
整个系统现在通常被称为银河系，或从更大的角度上说，“我们的星系”。
夜空还有另一个具有宇宙学意义的特征，但没有银河系明显。
在仙女星座中，有一个朦朦胧胧的块，平时不易看到，但如果知道在哪儿寻找的话，它在晴朗的夜晚还是清晰可见的。
第一次用文字提到这一天体的似乎是《恒星录》中的一个名单，它是公元964年由波斯天文学家阿卜杜勒-拉赫曼·
苏菲编纂的。
他将其描述为“小片云”。
有了望远镜后，越来越多的这类延伸物体被发现，17和18世纪的天文学家发现，这些物体妨碍了人们搜索真正令人感兴趣的东西——彗星。
为了提供一个便利的、在搜索彗星时不需要观察的物体的清单，查尔斯·
梅西耶在1781年出版了一个著名的天体目录——《星云和星团》。
天文学家仍按梅西耶编号称呼这个目录中的103个天体，比如，仙女星云是M31，蟹状星云为M1，等等。
即使在梅
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