哈勃发现远处的星系总是远离银河系而去,这反映了宇宙的膨胀。在这里我们需要再次强调一下宇宙膨胀的含义。这种膨胀是一种空间的膨胀,它并不使得宇宙中所有的物体都同比例膨胀。对于星系这样已经由引力束缚的稳定天体系统,宇宙的膨胀并不会使其变得更大。只有在非常大的尺度上,物体才会因为宇宙的膨胀远离彼此。为了理解这一点,我们可以重新拿出面包的比喻。让我们想象宇宙是一个葡萄干面包,当面包膨胀的时候,葡萄干彼此会相互远离。但是,每一个单独的葡萄干都是非常紧实的,它们并不会随着面包的膨胀而变得更大。星系就像是宇宙中的葡萄干,它们自己不会随着宇宙膨胀而改变大小,只会彼此远离(事实上,只有距离比较远的星系才会随着空间膨胀彼此远离,距离较近的星系之间的相互引力会帮助它们抵御宇宙膨胀)。
现在,让我们来换个角度思考一下宇宙膨胀的意义。如果宇宙空间中的物质不凭空增加,那么宇宙空间的膨胀必然导致宇宙中物质的密度减小。这也意味着昨天的宇宙会比今天的更小一点,密度更大一些。如果我们还记得上面葡萄干面包的比喻,我们就知道这意味着星系互相更靠近彼此,但每一个星系仍然保持同样的大小和结构。随着我们进一步向过去回溯,星系都会慢慢地挤在一起,这意味着星系的结构并不能永远保持。当宇宙的尺度只有今天的 1/100 的时候,宇宙的平均物质密度就会比现在高出 100 万倍,这个密度和今天太阳附近区域的物质密度差不多。我们必须承认,在这个时候,宇宙中是不存在星系的。
如果我们继续向过去追溯,宇宙的密度会更高,甚至高于恒星、行星的密度。我们在这里得出了一个并不平凡的结论:早期宇宙并不是今天宇宙的一个微缩模型,今天看到的宇宙中的各种结构实际上都是演化的产物。早期的宇宙中,物质应该主要以基本粒子的形式存在,粒子的分布应该是趋于均匀的,只有比较小的密度涨落。
另一个不太明显的推论是,宇宙过去会比今天更热一些。我们在上一章中已经讨论过,光子在宇宙膨胀的过程中发生了红移,波长变长。我们知道光子的能量完全取决于它的波长,波长更短的光子能量要高于波长较长的光子。所以在宇宙膨胀的过程中,光子事实上损失了能量。而如果我们沿着时间回溯,光子的能量就会增加,密度也会增加。在过去的某个时刻,宇宙中一定充斥着高能量的光子。我们已经讨论过,宇宙早期的物质密度是很高的。这样的情况下,光子和实物粒子会不断地发生碰撞,高频率的碰撞会使得早期的宇宙处于热平衡状态。当宇宙尺度进一步缩小的,宇宙中的温度就会继续升高。
宇宙的基本组成单元
如果想要进一步探讨宇宙早期的状态,我们需要暂时从宇宙这个宏大的对象离开,考虑一下物质世界的基本组成问题。
受过基本科学教育的人应该至少听说过原子的概念。原子这个名词来源于古希腊哲学家德谟克利特(Demokritos/Democritus),意思是「不可分割的」。我们可见的物质世界都是由原子构成的。不同的原子具有不同的质量和化学性质。人的主要构成成分是水和蛋白质。水分子由两个氢原子和一个氧原子构成,而蛋白质的组成要复杂得多,但主要成分是碳原子、氢原子和氧原子。
但从现代观点来看,原子并不是世界最基本的组成部分,也绝非不可分割。一个原子可以被分为两部分,带正电荷的原子核和带负电荷的电子。每一个电子都带有精确相同的负电荷量。只要计算原子中的电子数目,就可以算出原子所带的负电荷量,如果一个原子中有 5 个电子,那么它就带有 5 份负电荷,半份电子电量的概念在这个世界上是不存在的。原子核带的正电荷数目和电子数目精确相等,所以原子整体是中性的。
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