基本信息

書名：初三分鍾——關於宇宙起源的現代觀點

定價：36.0元

作者：史蒂文·溫伯格（StevenWeinberg）

齣版社：重慶大學齣版社

齣版日期：2015-09-11

ISBN：9787562489597

字數：133000

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：32開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

這本科普讀物為1979年諾貝爾物理奬得主，美國物理學傢史蒂文·溫伯格在1977年寫的一本暢銷書。此書被公認為科普讀物的裏程碑。也是*早關於探討宇宙起源的代錶作品。

　　《“微百科”係列》是由國外引進的一套在國際上非常受歡迎的百科讀物，內容涵蓋曆史、物理、政治、經濟等各個學科領域，作者均是當前若乾學科領域學術代錶人，主要宗旨是打造一套讓廣大讀者*快瞭解各個新學科的短小精悍的科普讀物。這是你增長各科知識的。

內容提要

宇宙在初0.01秒、1秒、1分鍾或初一年，是什麼樣子？早期宇宙在某時刻的溫度、密度和化學成分如何？《初三分鍾》將揭秘宇宙爆炸的形態，詳細描述瞭一幅完全令人信服的宇宙起源圖，包括在大爆炸之後僅僅數秒或幾分鍾內齣現的詳細過程。

目錄

作者介紹

史蒂文·溫伯格

1979年諾貝爾物理學奬獲得者。美國理論物理學傢，得剋薩斯大學物理學和天文學教授。1954年畢業於康奈爾大學，後赴丹麥哥本哈根大學理論物理研究所當研究生，1957年獲普林斯頓大學哲學博士學位。美國科學院院士。

文摘

關於宇宙的起源，冰島巨匠斯諾裏·斯托裏森在1220年編纂的斯堪的納維亞神話集《新埃達》裏寫道：“初是一無所有的。既沒有地，也沒有天，隻有一個裂口，也沒有草原。而在這混沌虛無的北方和南方，則是冰雪的區域尼夫爾翰和火的區域木斯皮爾翰。木斯皮爾翰的火融化瞭尼夫爾翰的冰，在融化的水中産生瞭巨人伊默，伊默吃什麼呢？好像還有一頭牛阿豪姆拉，那牛又吃什麼？哦，好像還有一些鹽，故事就這樣一直繼續下去。
　　我可不想觸犯宗教感情，哪怕是北歐海盜的宗教感情也不行。但我得承認這樣描述宇宙的起源是不能令人滿意的。即使不說對那些無稽之談的非議，就故事本身而言，這個故事所産生的問題與它所提供的答案一樣多，而且每個答案都使初始狀態變得更為復雜。
　　我們不能僅對此書一笑瞭之，並且堅決放棄所有的宇宙學推測——追溯宇宙的曆史起源，這種念頭是不可抗拒的。自16世紀和17世紀現代科學誕生以來，物理學傢和天文學傢就在不斷地研究宇宙起源的問題。但這些研究一直籠罩在一種不體麵的氛圍下。我記得，當我還是個學生以及後來在20世紀50年展研究工作（當時研究的是其他問題）時，人們就普遍認為，研究早期宇宙是體麵的科學傢不屑為之的事情。這種觀點也不無道理。縱觀整個現代物理學和天文學曆史，用來構建早期宇宙史的觀測和理論基礎壓根就不存在。
　　然而，在過去的10年中，所有這一切都發生瞭變化。人們普遍接受瞭一種早期宇宙理論，天文學傢們將這種理論稱為“標準模型”。它與我們所說的“大爆炸”理論基本相同，隻不過它對宇宙成分的認識更加具體，而這種早期宇宙理論正是本書所關注的論題。為瞭便於理解，或許應該首先根據當前標準模型所理解的早期宇宙的曆史作一概述。但這裏僅僅是一個簡要說明，我們會在接下來的章節中對這一曆史及相信它的理由作齣詳細解釋。起初，發生瞭一次爆炸。這個爆炸不同於我們所熟悉的地球上的那些爆炸，即先從一個明確的中心開始，然後嚮四周擴散，周圍被吞噬的空氣越來越多。這個爆炸是在各個地方同時發生的，從一開始便充滿瞭整個空間，每個物質粒子都與其他粒子迅速分離開來。這裏的“所有空間”可以指整個無窮宇宙，也可以指像球麵那樣蜿蜒麯迴的有窮宇宙。無論哪種情況都不易被理解，但這並無大礙。空間到底是有窮的還是無窮的，這對早期宇宙的研究來說並不重要。
　　在爆炸後大約0.01s的時間，即我們能夠自信地談論的早時間裏，宇宙的溫度大約是1000億（1011）攝氏度。這一溫度甚至比熱的恒星中心的溫度還要高。在這種高溫條件下，普通物質的組成成分，包括分子、原子，甚至是原子核都無法聚集在一起;相反，在這一爆炸過程中迅速分離的物質是由各種所謂的基本粒子組成的，而基本粒子正是現代高能核物理所研究的課題。
　　在這本書中，將會反復提到這些粒子——在這裏，僅指齣早期宇宙中數量多的那些粒子就已足矣，更詳細的解釋將會在第3章和第4章中進行討論。大量存在的一種粒子是電子，即帶負電的粒子，它以電流形式通過電綫，並形成當前宇宙中所有原子和分子的外殼。早期宇宙中大量存在的另一種粒子是正電子，即帶正電的粒子，與電子質量完全相同。在當前宇宙中，隻有在高能實驗室、某些放射現象、某些劇烈的天文學現象，如宇宙射綫和超新星現象中纔能發現正電子。但在早期宇宙中，正電子的數量與電子的數量不相上下。除電子和正電子之外，還有數量大緻相同的各種中微子，即，沒有質量或電荷的粒子，仿若虛無縹緲的幽靈一般。後，宇宙中還充滿光。對此，不必與粒子區彆對待，量子理論告訴我們，光是由零質量、零電荷的粒子——光子組成的（每當燈絲中的一個原子從高能狀態轉變為低能狀態時，都會釋放齣一個光子。從燈泡中釋放齣來的光子非常多，看上去它們就像匯集成瞭一條連續的光束，但通過光電池，可以準確計算齣光子的數量）。每個光子都攜帶著數量的能量和動量，其數量大小取決於光的波長。為瞭描述充斥在早期宇宙中的光綫，一般可以這樣認為，光子的數量和平均能量與電子、正電子或中微子的大緻相同。這些粒子（電子、正電子、中微子和光子）不斷地從純能量中産生齣來，短暫存在後又湮滅瞭。因此，它們的數量不是早就注定的，而是由産生與湮滅過程的平衡所決定的。根據這一平衡，我們可以推斷齣，在溫度高達1000億度的條件下，宇宙的密度約為水的40億（4×109）倍。此外，宇宙場內還摻有少量雜質，它們由較重的粒子：質子和中子組成，是原子核的組成成分（質子帶正電；中子稍重且不帶電）。其比例大約為每10億個電子（或正電子、中微子或電子）對一個質子和中子。為瞭設計宇宙的標準模型，這個數值的設置，即每一個核粒子中就有10億個光子是必須從觀測中獲得的關鍵數值。在第3章中討論的宇宙輻射背景的發現實際上就是對這一數值的檢測。隨著爆炸的繼續，溫度開始下降，約十分之一秒後下降到300億（3×1010）度；約一秒後下降到100億度；約14s後下降到30億度。這一溫度已經非常低瞭，在這種低溫條件下，電子和正電子開始湮滅，湮滅速度比它們從光子和中微子中被重新産生齣來的速度還要快。物質在湮滅過程中所釋放齣來的能量暫時減慢瞭宇宙冷卻的速度，但溫度仍在持續下降，終在初三分鍾結束時降到瞭10億度。這種溫度非常低，能使中子和質子開始組閤成復閤的原子核。首先形成的是重氫（或氘）核，它是由一個質子和一個中子組成。由於這時，它的密度仍然非常高（比水的密度稍低），因此，這些輕核能迅速組閤成穩定的輕核，即氮核，它由兩個質子和兩個中子組成。
　　在初三分鍾結束時，宇宙的組成主要是光、中微子和微子。仍有少量的核物質，由73%的氫和27%的氦組成。此外，還有從電子—正電子湮滅時代遺留下來的少量電子，數量與核物質相同。這些物質繼續迅速分離，溫度變得越來越低，密度變得越來越小。幾十萬年之後，溫度降到足夠低。在這樣的溫度條件下，電子能夠與核相結閤，形成氫原子和氦原子。由此産生的氣體在地心引力作用下開始形成氣團，並終凝聚形成當今宇宙的星係和恒星。然而，恒星在形成時期所包含的成分正是在初三分鍾裏所産生的那些成分。上述標準模型並非想象範圍內關於宇宙起源的佳理論。正如《新埃達》一樣，它對宇宙的起點，或者大約初百分之一秒的說法總是有些模糊不清，讓人難以理解。另外，還需要確定起始條件，特彆是光子和核粒子的初比例是否為10億比1，這是令人異常頭痛的一件事情。如果這個理論能夠提齣更為準確的邏輯必然性，那就好不過。比如，從哲學角度來看，另一個更有吸引力的理論是所謂的“恒穩態模型”。20世紀40年代末，赫爾曼·邦迪、托馬斯·戈爾德和弗雷德·霍伊爾（其錶述方式與其他人稍有不同）提齣瞭這一理論。根據這個理論，宇宙基本上就一直是現在這個樣子。隨著它的膨脹，新物質不斷被創造齣來，填補瞭星係間的空隙。從潛在可能性上講，有關宇宙為何是目前這種狀況的問題都可用這一理論來迴答。可以說，它之所以是這樣，是因為這是它能夠保持不變的一種方法。宇宙起源問題被排除瞭，因為根本就不存在早期宇宙。
　　那我們是如何得齣“標準模型”的呢？它又是如何取代其他理論，如恒穩態模型的呢？這個共識的取得不是因為哲學傾嚮的轉變，也不是因為受天體物理學界名流的影響，而是從經驗中得到的數據結果，是對現代天體物理學的客觀性的贊美。
　　接下來的兩章將說明讓我們得齣標準模型的兩個重要綫索，即發現遙遠星係後退和發現充斥在宇宙中的微弱無綫電靜電，它們都是從天文觀測中發現的。對科學史學傢來說，這是一個內容豐富的故事：既有錯誤的開端，錯失的良機，又有理論上的先入為主和個性的展示。
　　綜述完觀測到的宇宙學現象之後，我試圖將零散的數據匯總在一起，刻畫齣一幅連貫清晰的早期宇宙物理狀況圖。這樣，我們就能追溯到更為詳細的宇宙初三分鍾的狀況瞭。在追溯過程中，可以采用電影似的處理方法：即一格一格地觀察宇宙如何膨脹、如何冷卻、如何形成。另外，我們還試圖窺探對我們來說仍是謎一般的時代——初百分之一秒以及之前的那段時間。
　　我們對這個標準模型真的有把握嗎？會不會有新的發現推翻它，並使用其他宇宙起源學說取代當前的標準模型？甚至會不會復興恒穩態模型？我無法否認在描述初三分鍾時，總有一種不真實感，我們是否真的知道自己在談論什麼。

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序言