32、天与地

972年发射的先驱者10号”成为第一个计划飞离太阳系的人造物，并确实于1983年飞离了太阳系。在最初的兴奋之情过后，人们认为实际的登陆行动不是非做不可，美国人和苏联人都转而将精力投入到远距离轨道飞行的研究上，以便科学家开展太空实验：1973年，美国宇航员在太空实验室里待了84天。太空时代的第一阶段可以说是在1980年左右走向成熟。那一年发射了“国际通信卫星5号”，它可以接通数千个电话、转播两个电视频道。第二年，又发射了第一台可重复使用的航天飞机“哥伦比亚号”。仅仅十年的时间，太空旅行已经从非比寻常走向平淡无奇。

太空竞赛很自然地激发了大众对天空的兴趣，这是一桩令人愉快的巧合。在20世纪60年代，人们对宇宙的了解取得了重要的进展，而且还是在没有卫星技术提供便利的不利情况下。20世纪上半叶，除了原子弹和相对论的发展，物理学的主要成就在于物理学与化学的融合（如莱纳斯· 鲍林在其著作中描述的一样）。战后，基本粒子（特别是夸克）的发现使物理学和天文学发生了同样的融合。这种融合的结果是人类得以更全面地解释天空（宇宙）的形成和演变。对那些认为无关亵渎神灵的人来说，这种解释简直是又一种“创世记”。

我们知道，夸克的概念最初由默里· 盖尔曼和乔治· 茨威格于1962年几乎同时提出。值得注意的是，夸克在自然界（至少在地球上）并不独立存在，但是，夸克（以及20世纪60年代和70年代发现的其他粒子，不过在此无须加以说明）的意义在于，它有助于解释大爆炸之后最初时刻的宇宙状态。多数物理学家都接受宇宙最初始于某一有限时刻的观点，但是自从1929年哈勃发现红移以后，20世纪60年代，人们开始重新关注这个话题，部分原因是盖尔曼的夸克理论，还有部分原因是1965年新泽西州贝尔电话实验室的一个偶然发现。

1964年以来，贝尔实验室拥有了一种新型望远镜。它借助安装在汉姆戴尔镇克劳福德山上的一条天线，通过“回波”卫星与太空发生联系，这意味着在没有大气层的干扰下，望远镜可以“观测”更为广阔的太空。主管望远镜的科学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在第一次实验中就决定研究我们所在的星系发射出来的无线电波。这实际上是一项基础研究，其设想是，一旦了解了星系发射无线电波的模式，再去研究其他地方的类似电波就简单多了。可惜事情没有那么简单。无论向天空的哪个方向观测，彭齐亚斯和威尔逊都会发现一个持续的干扰源——就像静电干扰。起初他们以为是仪器出了问题。有两只鸽子在天线上筑巢，可以想象，到处都是鸟粪。他们捉了鸟，把它们安置到贝尔实验室的其他地方。但是它们又飞了回来。这次，按照史蒂文· 温伯格后来发表的著作中的说法，他们采取了“更加果断的解决办法”。[2542]他们清理了天线，“静电”减少了，但只减少了一点点，仍然在各个方向出现。彭齐亚斯与麻省理工学院的另一位无线电天文学家伯纳德·伯克（Bernard Burke）谈起了这一谜团。伯克想起他的一名同行、卡耐基理工学院的肯· 特纳曾经提起，他在巴尔的摩的约翰霍普金斯大学听过普林斯顿大学的年轻理论学家P.J.E.皮布尔斯（P. J. E. Peebles）的讲话，其内容也许能解开“静电”谜团。皮布尔斯的专业是早期宇宙研究。这是一门相对新的学科，还处于猜想阶段。在第29章，我们已经看到，20世纪40年代的一位乌克兰移民乔治· 伽莫夫开始思考将新的粒子物理学应用于大爆炸时必定存在过的情况。他着眼于“原始的氢”，认为这种氢可能已经部分转化成氦，不过其数量应该取决于大爆炸的温度。他还说，随着宇宙的膨胀，巨大的火球释放的热辐射已经减弱、冷却了。他进而提出，这种辐射“应该仍然存在，就像无线电波一样，以高度‘红移’的形式存在”。[2543]这种“残存辐射”（relict radiation）观点已经为人们所接受，并且有人计算出这种辐射现在的温度是5K（即绝对零度以上5摄氏度）。有意思的是，随着物理学和天文学越走越近，似乎没有哪位物理学家意识到，当时的射电无线电天文学就足以回答这个问题了，这个实验一直没人做。当普林斯顿大学的射电天文学家在罗伯特·迪克（Robert Dicke）的指导下开始研究天空辐射时，他们从未探究过这种温度最低的辐射，也不了解其意义。这是一个右手不知道左手在做什么的经典案例。20世纪50年代，温尼伯市的加拿大人皮布尔斯来到普林斯顿大学攻读博士学位，师从罗伯特· 迪克。伽莫夫的理论已经被人遗忘，但是更糟的是，迪克本人似乎也忘记了自己的早期研究。[2544]结果，皮布尔斯不知不觉地重做了他人已经做过的所有的实验和推理，并得出了相同的结论，认为目前的宇宙充满了温度只有几K的“大量背景辐射”。迪克本人要么还是没有想起自己的早期实验，要么还没有意识到它们的重大意义。他对皮布尔斯的推理表示赞赏，并建议他建造一台小型射电望远镜，寻找背景辐射。

就在普林斯顿大学准备着手实验的时候，彭齐亚斯致电皮布尔斯和迪克，进行了物理学界闻名遐迩的交流。在比较了迪克和皮布尔斯对背景辐射演变所掌握的情况和彭齐亚斯和威尔逊的观测结果之后，这两个研究团队决定先后发表两篇论文，其中彭齐亚斯和威尔逊将描述他们的观测结果，而迪克和皮布尔斯则给出宇宙学的解释——这确实是大爆炸残留的辐射。这在科学界引起了轰动，就像当初大爆炸理论获得证实一样。[2545]正是发表在《天文物理学杂志》上的这两篇论文使多数科学家最终接受了大爆炸理论——就像“埃尔塔宁号”的太平洋—南极洋海岭航行发生之后“漂移”学说才广为接受一样。[2546]1978年，彭齐亚斯和威尔逊因此获得诺贝尔奖。

此前很久，科学界就出现了一种综合的倾向，科学家把基本粒子活动、核反应和爱因斯坦的相对论结合起来，形成了有关宇宙起源和演变的详细理论。关于这些复杂观点的综合，最著名的要数史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）于1977年发表的《最初三分钟》，我的阐述主要基于这部著作。首先，“奇点”，物理学家们称之为“时间零点”，从技术上打破了所有的物理定律。因此，我们不能确切地知道大爆炸那一刻究竟发生了什么，只能试图弄清大爆炸发生几毫微秒之后（一毫微秒是一百万分之一秒）的事情。史蒂文· 温伯格给出了下列时间表，为了方便没有背景知识的普通读者理解，现将此表列举如下。

在0.0001（10—4）秒之后：

这最初的“天地万物的创造时刻”发生在150亿年前。在这一接近原初的时刻，宇宙温度为1012K，或10 000亿摄氏度（写出来就是1 000 000 000 000摄氏度）。此时的宇宙密度是每立方厘米1014克，即100 000 000 000 000克（水的密度是每立方厘米1克）。此时，光子和粒子可以互换。

在0.01（10—2）秒之后：

温度是1000亿K。

在0.1秒之后：

温度是300亿K。

在13.8秒之后：

温度是30亿K，氘原子核形成。它由一个质子和