宇宙的诞生是如何被科学计算出来的？晨星读最初三分钟

　　你知道宇宙是怎么诞生的？这一切其实都决定于大爆炸的最初三分钟。正是这短短的三分钟，为之后138亿年的宇宙历史打下了基本的底色，也决定了我们每一个人的终极命运。《最初三分钟》这本书跟你探讨的正是关于早期宇宙的问题。本书的作者是物理学家史蒂芬·温伯格，他也一位是诺贝尔物理学奖的获得者。
　　更准确地说，本书描绘的是宇宙大爆炸的最初3分46秒这段时间里发生的一切。
　　1.宇宙是由什么构成的？为什么说它的＂配方＂是在最初的3分46秒里决定的？
　　科学家通过观测知道，在今天的宇宙里，质子和中子的比例大概是7:1。这就是我们宇宙的主要＂配方＂，它在很大程度上决定了宇宙这锅汤的＂味道＂。如果这个比例不是这样，那么，我们的宇宙就会变成一个完全不同的样子，银河系，太阳系，甚至我们自己是否还会存在，那就不好说了。
　　为什么是7:1？一切的答案就取决于宇宙诞生之后的最初3分46秒。在宇宙诞生的极早期，它局限在一个非常小的空间里面，就像是一个小点。这时候，整个宇宙都处在一个极度高温高密度的状态。这种条件下，宇宙里的＂物质＂和今天很不一样。
　　首先，原子核根本无法稳定存在。因为在极度高温之下，宇宙里充满了各种高能粒子，哪怕质子和中子偶然结合成原子核，它也会马上遭到冲击，重新分裂成碎片。所以，质子和中子这个时候都是＂自由＂的，它们只能以单个的形式存在，没有办法稳定结合在一起。这时候两者的数量应该是一半对一半，这就是我们宇宙最初的＂配方＂，也是最初中子的由来。
　　随着宇宙的膨胀，它的温度也随之不断降低。宇宙的半径每膨胀一倍，温度就下降到原来的一半，要记住，温度是影响我们宇宙这锅汤料配方最重要的因素。因为温度降低，也就意味着宇宙里粒子携带的平均能量在不断减少，也就是说：随着宇宙膨胀，质子和中子的比例不再是1:1，中子开始慢慢变少，质子开始慢慢变多。
　　但随着宇宙温度的下降，电子的平均能量开始慢慢减少，这时差异就慢慢体现出来了。因为能量不足，有些电子只能让中子变成质子，而不能反过来。这样一来，就会导致更多的中子向质子转化，于是质子的比例就开始慢慢增加。到了大爆炸之后大约14秒，宇宙温度已经从1000亿度下降到30亿度，而质子和中子的比例也已经相应地变成了83:17，差不多是5:1，和原来的一半对一半已经相差很多了。
　　当温度降到30亿度的时候，宇宙里的电子和正电子对开始大规模地互相湮灭，而不再重新产生。在很短的时间里，宇宙里的电子减少了99%以上，于是我们的质子和中子基本上就不再因为电子的撞击而互相转化。但是质子和中子的比例并没有固定下来。因为中子在自由形态之下，是一个不稳定的东西。就算没有电子撞击，它也会通过beta衰变自发地变成质子，而且这是一个单向的过程，也就是只能变过去而变不回来。
　　想要拯救剩下的中子，我们就必须期待宇宙降到一个特定的温度，使得最简单的原子核模式，也就是一个质子加一个中子可以稳定存在。如果宇宙能够在所有的中子都衰变成质子之前降低到这个温度，那么就可以拯救剩下的中子，把它们都结合到原子核里去。反过来，如果宇宙的温度降得不够快，那么，我们就只能眼睁睁地看着所有的中子都衰变成质子。质子我们知道，就是氢的原子核，换句话说，如果中子全部都衰变了，那么除了氢之外，宇宙里的绝大多数其他化学元素都将不复存在。
　　这个温度是多少呢？大约是9亿度，这时候才会出现稳定的原子核。而什么时候宇宙的温度会降到9亿度？就是我们反复提到的那个神奇数字：3分46秒。
　　好，现在我们就来看看，在大爆炸之后3分46秒的那一刻，究竟发生了什么？首先，这时候的宇宙温度降低到了9亿度，从而使得一个质子和一个中子可以初步组成一个稳定的原子核。然后，一个新的质子和一个新的中子很快加入进来，在此基础上继续结合，构成更加稳定的＂四人＂组合，也就是氦的原子核。非常幸运的是，在3分46秒的时候，宇宙里的中子还没有来得及全部衰变，通过计算我们可以得出结论，这时候宇宙里大概还剩下大概13%的中子。
　　所以，在这个决定命运的3分46秒，宇宙里剩下的中子全部被结合到了原子核里面，因为它们在原子核里不会衰变，所以这些中子就得以长久保留。从这一刻开始，宇宙里质子和中子的比例不再发生大的变化，于是乎，我们宇宙的＂配方＂也就从此固定了下来。在接下来的138亿年里，宇宙就以这些物质为基础，进一步演化，最终形成今天的样子。从满天繁星到日月光芒，从山川河流到帝王将相，我们今天看到的一切，知道的一切，基本上都是由这些粒子组成的。可以说，整个世界的命运，基本上都在这个关键的时刻被决定了。
　　2.为什么这个结论对大爆炸理论本身非常重要？
　　大爆炸理论的发展证明，科学的力量完全超越我们的想象，哪怕是宇宙创生这样宏大的命题，我们也仍然可以通过科学计算，给出非常详细的预测。除了元素丰度之外，大爆炸理论还预言了著名的＂宇宙背景辐射＂。它告诉我们在宇宙诞生38万年之后，随着温度的进一步下降，剩下的电子会跟原子核结合起来，形成完整的原子。而没有了自由电子的阻碍，光得以第一次穿过透明的宇宙，从而在天空中留下温度为3K左右的背景辐射。
　　不管宇宙看上去多么宏大，多么遥不可及，它仍然是可以通过科学方法去理解和预测的。只要从几个简单的假设出发，我们就可以通过物理理论，非常详细地计算出宇宙诞生的全部经过。
　　这本书里为我们描述的只是所谓的＂标准大爆炸＂模型。而到了今天，我们对宇宙的本质和起源又有了更加深入的认识。我们发现在宇宙里，普通物质原来只是一小部分，除此之外，还存在着神秘的暗物质和暗能量。我们意识到在标准的大爆炸阶段之前，宇宙还经历过更加猛烈的＂暴涨＂阶段。我们提出了M理论、希格斯机制、对称性破缺等等更加高深的理论，未来我们对宇宙的理解还将大大地往前推进。所以，千万不要低估科学的力量。