解读138亿年前的宇宙大爆炸，最初的3分钟到底发生了什么？

布衣小贩2017

自古以来，人类对于宇宙起源的好奇心如火如荼，无国界，无时代隔阂。这一疑问不仅启发了远古的传说，同样让今日的宇宙研究者陷入沉思。人类对于宇宙何以存在，它如何演变成今日的模样，以及它的演化历程均充满了无尽的渴望。

现如今，普遍接受的宇宙理论——大爆炸模型，暗示宇宙在初生之际经历了极端条件：超高能量、极高温度以及极大密度。科学家们普遍认为，我们的宇宙诞生于138亿年前的那场大爆炸。然而，事实真的如此吗？
大爆炸理论的诞生要追溯至爱因斯坦提出广义相对论15年后。俄罗斯科学家弗里德曼揭示了宇宙从无限压缩状态爆炸而来，并至今仍处于膨胀状态。五年后，哈勃望远镜通过观察遥远星系，证实了宇宙的膨胀仍在继续。
让我们简化回顾大爆炸过程：

在10的负43次方秒，即普朗克时间的起点，宇宙的三维空间形成，其余的维度被压缩至普朗克尺度。
接下来，宇宙急速膨胀、温度下降，仅过十万分之一秒，夸克结成三胞胎，形成质子和中子。
随后百分之一秒，最轻元素的核从冷却的宇宙尘埃中凝结而出。
接下来的3分钟，宇宙温度降至10亿开尔文，氢、氦以及少量锂成为主导，这便是原始核合成时期。

数十万年过去，宇宙中并未发生更多显著事件。宇宙继续膨胀，温度逐渐下降。当温度降至数千开尔文时，电子开始向原子核靠拢，并被其捕获，形成了中性的原子。这一瞬间，宇宙变得透明。
大约10亿年过去，宇宙从沸腾的爆炸状态逐渐平息，星系、恒星和行星开始逐一在原初元素的引力作用下形成。
在大爆炸之后的138亿年，我们人类出现，既惊叹于宇宙的壮丽，又对我们自身如何从微小构建起一个合理且经得起实验检验的宇宙起源理论感到惊奇。
大爆炸理论虽然看似严密，却仍有一些问题尚未解决。例如，为何宇宙空间温度会如此均匀？相隔遥远的区域没有足够时间进行能量交换，却为何温度相同？物理学家将此问题称为视界问题。视界问题的核心在于，为了让宇宙中任意两个遥远区域相互靠近，我们必须追溯至时间的起点。此外，现代物理学家发现，宇宙正处于膨胀阶段，由此形成了膨胀宇宙学模型。

暴胀宇宙学理论认为，宇宙在极年幼时，经过了暴胀阶段。各处温度不同。但若仅考虑宇宙初期极小区域，则可认为该区域具有均一温度。若该区域在尚未非均匀化之前即急剧膨胀，那么宇宙中的温度自然而然地变得均匀。
无论是标准大爆炸理论还是暴胀宇宙学理论，我们都无法解释万物的起始，也不清楚我们的宇宙学理论是否完全正确。关于弦理论和M理论，我们的认识仍然有限，无法确定一个“包罗万象”的理论，因此也无法将其提升至物理学定律的高度。我们仍需不断探索宇宙的终极理论。
关于宇宙的统一理论，我们无法确定百年后超弦理论或M理论会发展成什么样子。未来可能会出现更多前所未见的思想和概念。
我们以前述及，第二次超弦革命给整个物理学界带来了巨大的震动。但大多数弦理论家认为，我们仍需经历更多的理论革命，才能完全释放弦理论的潜力，确立其作为最终理论的地位。
在过去的一个世纪里，我们明白了一个基本原理，那就是物理学定律总是与对称性相联系。狭义相对论基于相对性原理赋予的对称性——即恒定速度运动的观察者之间的对称性。广义相对论则基于等效原理——相对性原理向所有观察者（无论其运动状态如何）的推广。此外，强力、弱力和电磁力的基础是更抽象的规范对称性。
等效原理带来了广义相对论的独立性，规范对称性则引出了除引力外的其他三种基本力。那么，弦理论本身是否存在更基本的原理呢？当我们展望弦理论的下一阶段时，我们的目标是寻找那个“不可避免地带来一切”的原理，整个理论都必然从它那里诞生。

时间和空间的本质是什么？
我们在前面大量使用了时间和空间的概念，并提出宇宙是10维空间加上1维时间的11维结构。空间和时间是不可分割的，它们为何会紧密结合？因为物体在空间中的运动会影响其时间历程。牛顿认为时间和空间是构成宇宙的永恒不变的元素。然而，一些科学家对此表示质疑，他们认为，空间和时间仅是为了方便概括宇宙中物体与事件间关系的记录工具而已。爱因斯坦的广义相对论抛弃了绝对时间和空间的概念。弦理论提出，引力子——最小的引力单元——是一种特殊的弦振动模式。如同无数光子构成电磁场一样，引力场由无数引力子构成。引力场还被束缚在弯曲的时空结构中，因此，我们自然会将时空结构本身与大量经历着相同序列的引力子振动模式的弦等同起来。简言之，弦编织了宇宙的时间和空间结构。
在我们先前讨论的弦理论特征中，以下三个可能是最重要且最值得铭记的。
首先，引力和量子力学是描述宇宙行为的核心，任何可能的统一理论都必须包含它们。弦理论实现了这一点。
其次，通过物理学家在过去一个世纪的研究，揭示了许多重要思想——许多已被实验证实——它们对我们理解宇宙起着关键作用。例如，自旋、物质粒子的族结构、信使粒子、规范对称、等效原理、对称破缺和超对称性等概念都自然出现在弦理论中。
第三，在标准模型等传统理论中，有19个可调参数以确保理论与实验测量的一致性。弦理论则不然，它没有可调参数。从原则上讲，它所包含的一切都是完全确定的——它们应该提供明确无误的检验，以确定理论的正确与否。
在未来的10年里，我们可以乐观地期待，在日内瓦巨型量子对撞机启动之前，弦理论的理解将取得巨大发展，并可能在超对称伙伴粒子被发现之前做出一些具体预测。证实这些预测将是科学史上的辉煌篇章。
我们能否解释宇宙的所有规律？

爱因斯坦曾说过，宇宙最不可理解的事情在于它竟然是可以理解的。
在飞速发展的时代中，引人注目的发现往往让我们盲目信任自己对宇宙的理解力。但理解力或许有其极限，也许我们终将发现，尽管我们达到了宇宙最深层次的科学认知，但仍有一些无法解释的事物存在。也许，那个解释宇宙的终极理论永远不会出现。