雖然還有這么多謎題待解，并且我們可用的工具和技巧也是前所未有地豐富，因而我們可以豁達(dá)地相信胡珀在書中的話：科學(xué)史上以前出現(xiàn)過許多同樣令人吃驚的謎題，但它們最終都被解決了——解決問題并不是碰巧現(xiàn)象，而是常態(tài)。
文|鞠強(qiáng)，中國科學(xué)技術(shù)出版社科學(xué)人文分社副社長，副編審，副研究館員，資深科學(xué)編輯
待評書目|AttheEdgeofTime：theofOur‘sFirst（歲月之刃：探求宇宙最初時(shí)刻的謎題）
在當(dāng)代科學(xué)研究中，有三個(gè)事關(guān)“起源”的問題搶占著重要的位置，分別是宇宙起源、物質(zhì)起源和生命起源。“三大起源”不僅是千百年來人類上下求索的問題，也指引著科學(xué)未來的發(fā)展方向。在追問這種問題的過程中，人類的世界觀也在被不斷重構(gòu)。
在這三個(gè)問題中，解決前兩個(gè)問題是數(shù)學(xué)學(xué)家的分內(nèi)之事。而且，經(jīng)過近來一個(gè)世紀(jì)的探求，她們其實(shí)逐步建立起宇宙138億年的歷史，可始終未能確切回答這兩個(gè)問題。不過，既然是事關(guān)起源的問題，她們已然曉得去哪兒找尋答案——宇宙最開始的時(shí)刻。
一百年來,化學(xué)學(xué)家回溯宇宙歷史直至最初時(shí)刻的探求之旅，是一段驚心動魄的歷程，期間飽含了發(fā)覺的喜悅、失敗的失望以及觀點(diǎn)的對決。有好多圖書對這百年的故事進(jìn)行了精彩的介紹，讓我們得以展現(xiàn)其中興奮人心的部份。
值得注意的是，這是一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域，各類新研究、新觀點(diǎn)層出不窮。丹·胡珀（Dan）在2019年出版的AttheEdgeofTime：theofour‘sfirst（以下簡稱《時(shí)光之刃》，本書已于2021年4月推出平裝版）在述說歷史的同時(shí)，呈現(xiàn)了最新的研究進(jìn)展，帶給讀者認(rèn)識宇宙起源和物質(zhì)起源問題的前沿視角，使我們能否一瞥科學(xué)家對大爆燃發(fā)生以后最初幾秒以及更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了哪些有多少了解。
胡珀是烏克蘭費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室理論天體化學(xué)中心的科學(xué)家，也是日本華盛頓學(xué)院的天文學(xué)與天體化學(xué)學(xué)院士，有豐富的天體化學(xué)學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)，此前曾出版過’s（《自然的新藍(lán)圖》）和Dark（《暗宇宙》）等科普書。不過，假如一位熟悉天文學(xué)的讀者翻完這本正文的前兩頁，恐怕會認(rèn)為內(nèi)容平平無奇，都是在其他好多天文科普書中常常看到的東西，胡珀似乎只是把這種內(nèi)容又復(fù)述了一遍而已。但讀者只要再保留一點(diǎn)耐心，能夠看見在這一點(diǎn)預(yù)備知識以后，我們就步入了題外話。
宇宙的歷史
胡珀強(qiáng)調(diào)，我們對于宇宙在大爆燃以后幾十萬年至現(xiàn)今的這段時(shí)間里的大部份情況都很有掌握。并且，在此之前的事情，科學(xué)家則沒有爆棚的掌握。越往后，我們的掌握越小，推測的成份越大。正是由于這一點(diǎn)，盡管幾六年來科學(xué)家在宇宙學(xué)研究中取得了重要進(jìn)展，描述了宇宙演變的圖景，也就是這本書最開始的內(nèi)容，并且依然還有好多謎題困惑著科學(xué)家天體物理學(xué)需要哪些預(yù)備知識，包括正反物質(zhì)不對稱的緣由、暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)以及暴脹的真相，那些正是這本書討論的主要問題。
在簡略介紹從古至今的時(shí)空觀和宇宙觀以后，胡珀從愛因斯坦的廣義相對論開始，述說一個(gè)世紀(jì)以來我們建立現(xiàn)代宇宙觀的歷程。
事實(shí)上，在20世紀(jì)之前天體物理學(xué)需要哪些預(yù)備知識，盡管我們?nèi)匀辉谟^測宇宙，但并沒有“宇宙學(xué)”這門學(xué)科。人類的視野不斷拓展，從太陽系到銀河系。并且受制于理論和觀測的限制，直至20世紀(jì)初天文學(xué)家還在爭辯是否存在河外星系。隨后依據(jù)一系列天文學(xué)觀測的結(jié)果，她們認(rèn)識到銀河系只是宇宙中的一個(gè)角落，其他星體正在加速遠(yuǎn)離我們，由此才開始推論和回溯宇宙的歷史。
大爆燃理論是現(xiàn)代宇宙學(xué)的基石，宇宙微波背景的發(fā)覺則是證明宇宙大爆燃理論的關(guān)鍵證據(jù)。胡珀在書中提及的科學(xué)家預(yù)言、發(fā)現(xiàn)和檢測宇宙微波背景幅射的歷史，既有我們熟悉的精典故事，也有我們可能此前知之極少的內(nèi)容。我們可能都據(jù)說過喬治·伽莫夫（Gamow）和他的中學(xué)生拉爾夫·阿爾弗（Ralph）共同撰寫的論文奠定了大爆燃理論的基礎(chǔ)，可能也聽過化學(xué)學(xué)家漢斯·貝特（HansBethe）并沒有參與這項(xiàng)研究，但只是由于伽莫夫認(rèn)為“阿爾弗、貝特、伽莫夫”聽上去像是前三個(gè)意大利字母“阿爾法、貝塔、伽馬”而被列為論文的作者之一，但可能不會想到胡珀對這篇論文的評價(jià)——“科學(xué)史上沒有哪篇論文這么重要又這么漏洞百出”。這篇論文的重要性毋庸指摘，而“漏洞百出”其實(shí)是由于伽莫夫等人的估算基于當(dāng)時(shí)并不可靠的數(shù)據(jù)以及十分粗糙的數(shù)學(xué)假定。
1948年，羅伯特·赫爾曼（）和阿爾弗在估算出宇宙微波背景幅射的氣溫為5K，而我們現(xiàn)今的檢測結(jié)果是大概2.7K。這看上去似乎有點(diǎn)差距，而且假如考慮到兩人使用的宇宙年紀(jì)、膨脹速度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并不確切，這項(xiàng)估算實(shí)則是一項(xiàng)驚人的成就。
日本天體化學(xué)學(xué)家J.理查德·戈特（J.Gott）以前說過的話就能幫助我們理解這項(xiàng)成就的意義：“預(yù)測宇宙背景的存在，之后得到的氣溫偏差在2倍以內(nèi)，如同預(yù)測一個(gè)半徑15米的飛碟將降落在白宮草皮上，實(shí)際上來了一個(gè)8米的。”
在絕大部份書里，故事到此為止。并且，胡珀還給我們講了前面的故事：過了幾年，兩人把估算值“修正”為28K（也就是離正確的結(jié)果更遠(yuǎn)）；而一開始給出50K這樣一個(gè)有些離譜的估算值的伽莫夫在1956年早已把結(jié)果“改善”為6K。胡珀其實(shí)不是要指出伽莫夫等人算錯(cuò)了，而是借此展示出科學(xué)研究本身就是一個(gè)不斷建立的過程，你永遠(yuǎn)都不會得到一個(gè)完美的答案。正是這種先驅(qū)在宇宙學(xué)草創(chuàng)時(shí)期的工作，為我們明天回溯宇宙誕生打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
胡珀接出來用一章介紹了粒子加速器非常是法國核子研究中心的小型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）。其實(shí)好多讀者可能對LHC都有所耳聞，但這章絕不是多余。
宇宙學(xué)研究與其他大部份科學(xué)研究的一個(gè)不同點(diǎn)是，宇宙只有一個(gè)，所以我們只有一個(gè)研究對象；我們也不能像對待果蠅或則大鼠那樣把宇宙用來做個(gè)實(shí)驗(yàn)。不過好在極大的宇宙的性質(zhì)同極小的粒子息息相關(guān)，而化學(xué)學(xué)家可以對那些粒子進(jìn)行研究。
胡珀講了一個(gè)很有意思的故事來說明對撞機(jī)對于化學(xué)研究的意義：想像一個(gè)溫帶海島，村民們從來沒有見過冰。而且那兒的科學(xué)家推測出，海島的氣溫仍然在平緩而穩(wěn)定地上升，這么在很遙遠(yuǎn)的過去，海島的氣溫一定很低，只是沒人曉得過去嚴(yán)寒的日子是哪些樣的。
假如村民們想曉得嚴(yán)寒是哪些樣子，她們可以揚(yáng)帆遠(yuǎn)航，在遠(yuǎn)方找尋一個(gè)陰冷的地方，也可以發(fā)明一種制熱技術(shù)，復(fù)原海島遙遠(yuǎn)過去的條件。當(dāng)她們使用這些技術(shù)的時(shí)侯，她們會發(fā)覺從沒有見過的冰——此前她們從來都不曉得有冰，更別提想像過冰的樣子。與此相像，當(dāng)科學(xué)家擁有對撞機(jī)非常是LHC這樣強(qiáng)悍的機(jī)器后，她們也就能獲得相當(dāng)高的能量，因而獲得溯源宇宙初期歷史的能力。
然而，早到哪些時(shí)侯，卻取決于對撞機(jī)的能量。胡珀在這一章的最后提及，盡管LHC幫助我們極大地加深了對于物質(zhì)的認(rèn)識，而且對于本書所要討論的問題，它的能量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因而并不能幫助我們溯源到更緊靠大爆燃的時(shí)刻，我們也不能通過它找到正反物質(zhì)不對稱、暗物質(zhì)、暗能量和暴脹等問題的答案。
未知的探求
在接出來的幾章里，胡珀如同是一位稱職的導(dǎo)游一樣，開始為我們挨個(gè)介紹這幾個(gè)尚沒有答案的問題。第6章介紹了正反物質(zhì)的問題，第7章至第9章介紹了暗物質(zhì)，第10章介紹了暴脹，而第11章介紹了暗能量。這種問題囊括了現(xiàn)今宇宙學(xué)中最重大的問題，使我們這趟探求之旅沒有錯(cuò)過重要的“景點(diǎn)”。
正是由于正反物質(zhì)的量存在極為微小的差別，我們的世界才得以存在。胡珀在書中介紹的南斯拉夫化學(xué)學(xué)家安德烈·薩哈羅夫（）是一位可能大部份讀者都沒聽過的名子，但正是他奠定了正反物質(zhì)研究的基礎(chǔ)。薩哈羅夫的一項(xiàng)突出成就是把粒子化學(xué)學(xué)和宇宙學(xué)聯(lián)系上去，在這一點(diǎn)上，胡珀與薩哈羅夫有些相像，他的研究興趣也是粒子化學(xué)學(xué)和宇宙學(xué)的交集。
科學(xué)家創(chuàng)作科普圖書有一個(gè)奇特的優(yōu)勢，就是可以在書中加入自己的研究，將研究的經(jīng)過娓娓道來，還可以述說好多背后不為人知的有趣故事。胡珀就在本書第8章介紹了自己使用費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡通過研究脈沖星、伽馬射線從而研究暗物質(zhì)的工作。不過，他似乎寫了研究的內(nèi)容和自己的思索，最后卻沒有給出推論，由于正如他自己所說，他還未能解釋觀測到的訊號，研究工作還未完待續(xù)。
知名化學(xué)學(xué)家、諾貝爾化學(xué)學(xué)獎得主史蒂夫·溫伯格（）以前寫過一本很有名的科普書叫TheFirstThree：AViewoftheofthe（《最初一分鐘：關(guān)于宇宙起源的現(xiàn)代觀點(diǎn)》），討論的也是宇宙最初時(shí)刻的故事。假如我們把兩本書放到一起比較，是一件很有意思的事情。
溫伯格這本書的第一版于1977年出版。那時(shí)科學(xué)家早已認(rèn)識到宇宙微波背景幅射的重要意義，兩位發(fā)覺者阿諾·彭齊亞斯（Arno）和羅伯特·威爾遜（）于次年獲得了諾貝爾獎。并且，當(dāng)時(shí)宇宙學(xué)家的詞匯表里還沒有“暗物質(zhì)”“暗能量”和“暴脹”。
溫伯格在1993年出版了該書的第二版，通過增補(bǔ)雜記的方式更新了這16年間人類對宇宙初期歷史的新看法。在這個(gè)時(shí)侯，薇拉·魯賓（VeraRubin）的觀測早已給出暗物質(zhì)存在的證據(jù)，艾倫·古斯（AlanGuth）等人也提出了暴脹理論的不同版本，但宇宙學(xué)家依據(jù)宇宙加速膨脹這一現(xiàn)象提出暗能量卻還要再等上幾年。
從溫伯格出版《最初一分鐘》第二版到胡珀出版《時(shí)光之刃》過去了26年時(shí)間。在如此長的一段時(shí)間里，我們探求以上這種謎團(tuán)的過程堪稱是驚喜和沮喪并存：化學(xué)學(xué)家發(fā)覺了希格斯玻骰子，偵測到了引力波；并且胡珀以前打賭在2008-2015年間科學(xué)家才能發(fā)覺暗物質(zhì)粒子，結(jié)果似乎沒有（好多化學(xué)學(xué)家都不擅長打賭，例如霍金），但是在這期間又冒出了暗能量這樣的新問題。新發(fā)覺蜂擁而來，新問題應(yīng)接不暇，這就是研究宇宙初期歷史的現(xiàn)況。
是終點(diǎn)也是起點(diǎn)
這本書的第12章也就是最后一章的標(biāo)題是“觸碰時(shí)間的邊沿”，我們這趟旅程的終點(diǎn)正是宇宙的起點(diǎn)。
一個(gè)世紀(jì)曾經(jīng)，當(dāng)一場人類認(rèn)識宇宙的革命以愛因斯坦提出廣義相對論為標(biāo)志出現(xiàn)時(shí)，沒人能提早意料到。如今，當(dāng)我們面對宇宙學(xué)中那些令人這么困擾的問題時(shí)，我們也不曉得到底哪些時(shí)侯才能解決它們。不過，雖然還有這么多謎題待解，并且我們可用的工具和技巧也是前所未有地豐富，因而我們可以豁達(dá)地相信胡珀在書中的話：科學(xué)史上以前出現(xiàn)過許多同樣令人吃驚的謎題，但它們最終都被解決了——解決問題并不是碰巧現(xiàn)象，而是常態(tài)。
人類這樣一個(gè)有數(shù)百萬年演變歷史的物種，用百余年的時(shí)間去探求138億年前宇宙在誕生之初幾分鐘、幾秒鐘甚至更短時(shí)間內(nèi)到底發(fā)生了哪些。這是一個(gè)宏大的故事，胡珀的《時(shí)光之刃》只是記錄了其中一個(gè)很小的片斷，但這個(gè)記錄以及這個(gè)片斷本身已足夠精彩。胡珀的研究未完待續(xù)，書中介紹的好多研究未完待續(xù)，這個(gè)故事同樣未完待續(xù)……
PUP內(nèi)容速遞
近幾六年來，科學(xué)家們對我們的宇宙在過去138億年中怎樣演變?nèi)〉昧酥匾l(fā)覺，但我們對大爆燃后最初幾秒鐘發(fā)生的事情依舊知之頗多。本書專注于我們目前所知的東西，并努力了解宇宙歷史伊始時(shí)的這個(gè)神秘時(shí)期。Dan深入研究宇宙學(xué)科學(xué)，描述了科學(xué)家對我們世界的起源和本質(zhì)提出的許多非凡問題。他研究了小型強(qiáng)子對撞機(jī)以及其他實(shí)驗(yàn)怎么塑造大爆燃的條件，我們怎么發(fā)覺宇宙最初時(shí)刻暗物質(zhì)的產(chǎn)生方法，以及我們怎樣使用新的望遠(yuǎn)鏡揭露大爆燃的面紗。
-END-
自1905年起，耶魯學(xué)院出版社(Press)已成為全球頂級學(xué)術(shù)成果與思想的傳播者。關(guān)注我們，獲取最新英文書摘，領(lǐng)軍學(xué)者采訪，作者講堂活動。
