科學史 宇宙中的物質，是從哪來的？

1794年5月8日 巴黎革命廣場的斷頭臺 一位50歲的學者被押上刑場 罪名跟科學毫不相干 只因他替舊王朝收過稅 革命法庭要清算的正是這筆賬 從定罪到刑刑 前後不到24小時 消息傳開 數學家拉格朗日探出一句話 被後人記到今天 砍掉這顆腦袋只要一瞬 再長出這樣一顆腦袋 一百年恐怕都不夠 這顆腦袋的主人叫拉瓦西 就在被處決的五年前 他出版《化學基礎綱要》 書裏最要緊的結論只有一句 化學反應前後 物質的總質量分毫不差 鍊金術士燒掉一根木頭 灰比木頭輕 人人都覺得物質憑空少了一截 拉瓦西偏要把木頭冒出的煙 一滴不剩地捉回來稱重 結果分毫不少 質量守恆定律就此立注 此後一百年 全世界學化學的孩子 都在背同一句話 物質不會憑空產生 也不會憑空消失 這條定律太合直覺 很快就從實驗室走進常識 成了我們看世界的出場設置 於是纔有今天這個問題 既然物質不能憑空產生 宇宙裏這滿天星斗 山川湖海 最初到底是從哪來的 1905年 瑞士博爾尼專利局 一個三級技術員利用業餘時間 寫出幾篇論文 其中一篇只有短短三頁 推出了一個公式 E等於mc的平方 技術員名叫愛因斯坦 這個公式翻譯成大白話 質量是能量的一種存款形式 一克質量裏存着九萬億膠耳 拉瓦西的天平從此失靈 物質和能量之間開了一扇兌換窗口 兩邊可以互相轉化 頭頂的太陽 每秒鐘燒掉四百多萬噸質量 全部兌換成光 反過來 能量足夠集中時 純能量也能當場凝成粒子 1933年 英國物理學家布萊克特 在雲室裏親眼看到 一個高能光子憑空變成一對正負電子 能量變成物質 實驗室實拍 無可抵賴 布萊克特後來憑這項工作拿了諾貝爾獎 物質能從能量裏變出來 那麼今天這個問題就得改兩個字 不該問宇宙最初的物質從哪來 該問宇宙最初的能量從哪來 接下來的故事會告訴我們 連這個改過的問題本身都站不穩 1915年 哥廷根大學 希爾伯特把一位女數學家請來 幫忙處理廣義相對論理 一個關於能量守恆的麻煩 這位數學家叫艾米·諾特 學問極好 處境卻極尷尬 當時的德國不許女性擔任正式交職 她開課只能掛在希爾伯特名下 還沒有工資 有教授抗議女人進講堂 希爾伯特當場回對 我看不出性別跟授課資格有什麼關係 這裏畢竟是大學 又不是澡堂子 諾特沒跟這些人糾纏 埋頭三年 1918年扔出一條定理 後世稱之爲理論物理學的定海神針 每一條守恆定律背後 都站着一條對稱性 能量守恆對應的那條 叫時間平移對稱 物理定律不隨時間改變 今天的實驗和100年前的同一個實驗 結果一模一樣 能量這才守恆 請注意這個前提 能量守恆成立 要求物理定律在時間上保持不動 可我們的宇宙偏偏不滿足這一條 宇宙在膨脹 今天的宇宙和138億年前的宇宙 完完全全是兩個模樣 時間平移 對稱性在宇宙學尺度上碎成一地 對稱性一碎 守恆跟着失效 也就是說 在整個宇宙的尺度上 能量本來就不守恆 宇宙微波背景輻射 一束從138億年前出發的光 出發時能量極高 一路飛到今天 宇宙空間膨脹了一千多倍 光的波長被拉長一千多倍 每個光子的能量跟着縮水一千多倍 光子總數沒動 總能量卻蒸發掉一大截 這些能量去哪了 沒人知道 也無賬可查 在膨脹宇宙的賬本上 這筆賬天然就記不平 暗能量更是不講道理 觀測表明 暗能量的密度不隨膨脹稀釋 空間每膨脹一份 暗能量的總量便跟着多出一份 能量明目張膽地憑空冒出來 天天如此 所以 物質不能憑空產生這句話 在實驗室成立 在廚房成立 放到宇宙學尺度上並不成立 宇宙既允許能量憑空消失 也允許能量憑空出現 回答完這個問題 我們才能心平氣和地講那段真正的歷史 人類到底怎麼一步步摸到這個答案 事情從一個比利時神父講起 1927年 喬治·勒梅特白天在教堂主持彌撒 晚上推算廣義相對論 從愛因斯坦的方程裏解出一個結論 宇宙在膨脹 他拿着結果去見愛因斯坦 愛因斯坦看完 客氣地回了一句載入史冊的差評 你的計算是對的 可你的物理一塌糊塗 這也難怪 愛因斯坦先前爲了讓宇宙靜止不動 特意往方程裏塞過一個宇宙常數 讓他承認宇宙在膨脹 等於讓他承認自己多此一舉 兩年後 1929年 威爾遜山天文臺 哈伯用當時全世界最大的望遠鏡測出一批星系的光譜 發現幾乎所有星系的光都朝紅端偏移 越遠的星系偏得越狠 它們都在遠離我們 距離越遠跑得越快 宇宙真在膨脹 神父是對的 愛因斯坦徹底認栽 後來把那個宇宙常數稱作自己一生最大的錯誤 1933年 聽完勒梅特的講座 他起身鼓掌 說這是他聽過最美妙的宇宙學解釋 2018年 國際天文學聯合會乾脆投票 把哈伯定律改名叫哈伯·勒梅特定律 替這位神父補上了遲到90年的署名 宇宙既然在膨脹 把時間倒放 它必然起於一個極小極熱的開端 順着這條線索往深挖的 是個出了名愛開玩笑的物理學家 從蘇聯一路跑路到美國的加莫夫 1948年 他和學生阿爾法算出一個預言大爆炸的餘溫 至今應該還剩5K上下 瀰漫在整個天空 論文寫完 加莫夫嫌署名不夠氣派 硬把毫無貢獻的核物理學家貝特拉進作者名單 只爲湊出阿爾法·貝特·伽瑪這套希臘字母三連 投稿日期還專挑4月1日 這篇愚人節論文 後來成了大爆炸理論的奠基文獻 加莫夫預言的那5K餘溫 十幾年裏沒人當真去找 1964年 新澤西州貝爾實驗室 射電天文學家彭奇亞斯和威爾遜 守着一口爲衛星通信造的喇叭型天線 被一種怎麼都消不掉的背景噪音折磨的發瘋 天線裏住着一窩鴿子 兩人認定噪音出自鴿子糞 於是擦天線 鏟鳥糞 把鴿子裝上卡車送到遠處放生 兩天後 鴿子飛了回來 噪音紋絲不動 他們又折騰整整一年才弄明白 這段噪音溫度約3K 來自天空的每一個方向 它就是加莫夫預言的大爆炸餘溫 宇宙微波背景輻射 138億年前 那場開天闢地流到今天的餘暉 同一時期 普林斯頓的狄克團隊正造好儀器準備去尋它 聽到消息 狄克放下電話對同事說 夥計們 我們被搶先了 1978年 彭齊亞斯和威爾遜領了諾貝爾獎 鴿子沒有 順帶交代一樁公案大爆炸 這個名字本身就是對手的嘲諷 上世紀四五十年代 英國天文學家霍耶爾力挺穩恆態宇宙 認定宇宙沒有開端 物質在膨脹途中持續憑空滲出 剛好補上被稀釋的密度 1949年 他在廣播節目裏譏諷對立理論 照你們的說法 宇宙是從一次大爆炸開始的咯 誰知這個嘲諷詞太生動 反手被對方減去當了正式名稱 等到那3K噪音一公佈 穩恆態理論當場出局 宇宙有個滾燙的開端 鐵證掛在天上 霍耶爾至死不肯認輸 到此 大爆炸從一個笑話升格爲標準理論 而他留下的作業 正是標題那個問題 這場大爆炸究竟怎麼把物質造出來 時間回到138億年前 最初的宇宙沒有物質 只有能量 一鍋滾燙到難以想象的能量湯 溫度高到一定程度 能量便按E等於mc的平方 不斷凝成夸克 膠子 電子這類基本粒子 粒子撞成一鍋等離子體濃湯 這時候的宇宙沒有原子 連一個質子都找不着 大爆炸後10萬分之一秒 溫度跌破2萬億度 夸克再也跑不動了 開始三個三個抱成一團 質子和中子就此出場 大爆炸後三分鐘 溫度降到10億度 質子和中子開始組裝原子核 這裏有個關鍵細節 中子落單便活不長 十幾分鍾就會衰變 質子與中子的數量比 從起初的1比1一路跌到7比1 一個質子抓一箇中子拼成刀核 刀核再疊成氦核 等宇宙冷得燒不動核反應 爐子裏出爐的配比恰好是氫佔四分之三 氦佔四分之一 外加一丁點鋰 今天 天文學家拿望遠鏡測量原始星雲的元素比例 和這三分鐘的理論計算 巖絲合縫理論算出的菜譜 同天上端出來的菜是同一桌 大爆炸後38萬年 溫度跌到3000度 電子終於被原子覈收編 第一批真正的原子誕生 此前光子被滿宇宙的自由電子撞得寸步難行 宇宙一片混沌 電子一收編 光子當場解放 沿直線衝向四面八方 那批獲得自由的光子飛到今天 就是讓彭齊亞斯和威爾遜鏟鴿子糞鏟到懷疑人生的那段噪音 再往後引力上崗 氫和氦在引力下聚攏 塌縮 點燃 第一代恆星亮起來 恆星內部儲產各種元素 氫燒成氦 氦燒成碳和氧 一路燒到鐵爲止 比鐵更重的元素 要靠恆星林中的超新星爆發 以及中子星與中子星的對撞 2017年 人類頭一回同時抓到兩顆中子星相撞的引力波和閃光 而你手上的金戒指 原料出廠自兩顆中子星的一次車禍 你身體裏的碳 呼吸的氧 血液裏的鐵 每一顆原子都在某顆恆星的爐堂裏待過 說我們是恆星燒剩的灰 那是一點都對 既然能量變成粒子時從來成對出現 一個正粒子配一個反粒子 仗坐的極平 正反粒子見面即湮滅 雙雙變回能量 照這個規矩 大爆炸造出的物質與反物質一樣多 冷卻後兩邊同歸於盡 宇宙最後該剩下一缸子光 沒有星星 沒有地球 更沒有舉着手機看視頻的你 可你偏偏就在這兒 多出來的這一口物質是從哪來的 1967年 蘇聯物理學家薩哈羅夫正經動筆研究宇宙這筆沒做平的賬 此人的履歷相當分裂 白田 他是蘇聯氫彈工程的理論核心 手裏攥着人類歷史上威力最大的殺器 業力 他琢磨宇宙爲什麼沒被湮滅抹乾淨 他給出的原因有三 其一 得有違反種子數守恆的反應 允許正反粒子數量不對稱 其二 微觀世界對粒子和反粒子的待遇必須有差別 物理上叫C對稱和CP對稱遭到破壞 其三 宇宙要偏離熱平衡 不給反應反悔重來的機會 這三個可能 前兩個當時已有眉目 1956年 楊振寧與李正道提出 弱相互作用理與稱不守恆 微觀粒子的左右兩邊並不對稱 消息一出 物理學界集體搖頭 炮利放話打賭 說他不信上帝是個左撇子 吳建雄二話不說 退掉回國探親的船票 扎進華盛頓國家標準局的低溫實驗室 把谷六時動到接近絕對零度 盯着它衰變時朝哪邊吐電子 1957年1月 結果公佈電子明顯偏愛同一個方向 與稱確實不守恆 同年 諾貝爾獎發給楊振寧和李正道 從論文發表到拿獎只用一年 創下當時最快的記錄之一 吳建雄沒能同列 成了諾貝爾獎史上最著名的遺憾之一 1964年 克羅寧和菲奇又在K介子衰變中 抓到CP破壞微觀世界對正反粒子的待遇 確實不一樣 早期宇宙每誕生10億個反粒子 對應的正粒子是10億零1個 湮滅的大火燒掉兩邊各10億個 剩下的那個1 攢到今天 聚成星系 地球 聚成你我 而湮滅燒除的光子飛了138億年 正是那段背景噪音 你和那段噪音是同一場大火的兩份遺產 它是燒掉的部分 你是沒燒掉的部分 不過 這裏面還有一個更大的缺口沒有補全 前面一直在算物質怎樣從能量裏變出來 可最初那筆能量爲什麼那麼多 而要解決這個問題 壓軸的人物就該出場了 1979年 康奈爾大學 一位叫艾倫·古斯的理論物理博士後 正站在職業生涯的懸崖邊 他在粒子物理領域熬了多年 第三期博士後做到頭 成果平平 助理教授的職位一個都沒申請到 再不出成果 就得捲鋪蓋離開學術界 同系有個華裔博士後戴自海 早幾年轉行做宇宙學 兩年裏隔三差五來勸古斯入夥 古斯一直沒搭理 1979年初 事情起了變化 粒子物理的旗手溫伯格 當年年底的諾貝爾獎得主訪問康奈爾 連講兩場用粒子物理研究宇宙學的報告 古斯一看 連溫伯格這種級別的大佬都在往宇宙學跑 這才下定決心 跟着戴自海轉行 兩人挑的課題 跟宇宙起源八竿子打不着 叫磁單極子問題 磁鐵無論怎麼切 永遠南北兩極成對出現 理論卻預言 宇宙裏應該存在只帶單極的磁單極子 而且數量管夠 現實中偏偏一個都找不着 研究剛有起色 戴自海回國參加一個爲期一個半月的學術會議 那是個沒有電子郵件的年代 兩人斷了聯繫 恰巧在分開的這段時間 古斯等來他一生最重要的夜晚 1979年12月 古斯想通了解決磁單極子問題的鑰匙 藏在一個叫假真空的概念裏 先交代背景 真空並不空 真空自帶能量 1948年 荷蘭物理學家卡西米爾預言 真空中兩片靠得極近的金屬板之間會出現吸引力 源頭正是真空自身的能量 這個卡西米爾效應 後來在實驗裏被實打實測了出來 真空既然有能量便有高低之分 能量最低的叫真真空 能量偏高的叫假真空 古斯算出來 早期宇宙若待在一片假真空裏 假真空那口能量會推着空間以指數速度膨脹 轉瞬之間 宇宙體積膨脹至少10的60次方倍 相當於一棟兩層小樓 一下子漲到整個銀河系那麼大 他把這一夜稱爲人生中最興奮的時刻 在筆記本上鄭重其事地寫下一行大字 《驚人的頓悟》 1980年1月 他在斯坦福的研討會上一鳴驚人 聘書雪片般飛來 1981年論文正式發表 這個差點離開學術界的博士後 一夜之間成了全世界大學爭搶的對象 暴漲理論一夜爆紅 靠的是一口氣解開三個死結 詞單及子爲何找不到 它存在過 只是宇宙一瞬間漲成太平洋 幾枚花瓣灑進太平洋 你撈一個試試 宇宙爲何這麼平 一隻皺皺巴巴的氣球 把體積吹大10的60次方倍 表面任何一點都平的挑不出褶子 宇宙爲何處處均勻 膨脹之前 萬物擠做一團 早就熱乎均勻了 才被這一巴掌攤開 而對今天的主題 暴漲交了一份識破天經的作業 宇宙裏的物質 絕大多數是暴漲那一下印出來的 前面講過諾特的定理 宇宙尺度上能量可以不守恆 暴漲把這條漏洞用到了極致 暴漲期間 驅動膨脹的那個場的能量密度幾乎不變 宇宙體積卻漲了10的幾十次方倍 密度不動 體積狂漲 總能量便跟着指數暴漲 順着今天的宇宙往回倒推 暴漲開始之前 全宇宙的物質摺合成質量 大約只相當於幾百個碳原子 那麼 這點種子哪來的 是成心留下的嗎 先看一下暴漲是怎樣產生物質的 在暴漲結束時 那個場把攢下的能量一口氣倒給粒子物裏 衰變成夸克 氫子 規範玻色子 後來一切物質的原材料 物理學將這一步稱爲再加熱的 宇宙從此回到我們熟悉的熱大爆炸軌道 接上前面那條流水線 最終產出今天可觀測宇宙裏10的53次方千克物質 換句話說 宇宙裏99.99%以上的物質 開頭並不存在 全是暴漲期間能量不守恆硬漲出來的 從1到100 宇宙物質的來源 科學今天能給出一套完整流水線暴漲功能 再加熱造粒子 湮滅留下十億分之一的剩餘 夸克抱團出質子 三分鐘熬出氫氦 38萬年點亮原子 恆星鍛造重元素 超新星和中子星把金銀灑向太空 最後聚成地球 聚成你 而那幾百個碳原子種的種子 究竟從哪來的 從0到1這一步 至今沒有答案 只有一個個假說 假說一 量子漲落 海森堡不確定性原理說 微觀世界的位置和動量沒法同時測準 推論之一 真空一刻也閒不住 虛粒子對隨時隨地憑空冒頭 碰面湮滅 還回真空 這可不是空想 前面說的卡西米爾效應 兩塊金屬板就是被真空裏的漲落真真切切推動的 順着往下想 宇宙本身會不會就是一次沒來得及湮滅的量子漲落 恰好被暴漲接住留下暗底 假設二 一本神奇的賬 廣義相對論裏 物質的能量爲正 引力場的能量爲負 有人算過 全宇宙物質的正能量與引力場的負能量 很可能恰好抵消 總賬爲零 宇宙沒有從無理借走任何東西 它只是把零拆成一正一負兩比 既然總賬是零 從哪來這個問題當場消解 零不需要來源 物理學家維連金還給配了個量子碎穿機制 宇宙可以從一個連時空都沒有的無理碎穿出來 合法合規 假設三 霍金和哈特爾1983年提出的無邊界設想宇宙的邊界條件 就是沒有邊界 時間的起點附近 時間維度平滑地轉成空間維度 沒有起點 也沒有之前 問大爆炸之前有什麼 等於問北極點的北邊有什麼 問題本身不成立 當然也有其他假說 比如圈量子引力的大反彈 宇宙收縮到極致再彈回來 根本就沒有開端 彭羅斯的共行循環宇宙 一個宇宙的遙遠未來就是下一個宇宙的開端 永恆爆炸的口袋宇宙 爆炸永不徹底收工 我們的宇宙只是無數次停漲裏的一次 再往後 便是徹底放飛的一派 我們的宇宙也許是更高維世界的產物 這個腦洞在民間極有市場 有種想象把宇宙當成一隻氣球 起點是氣嘴 有東西從外面把氣打進來 黑洞是氣球上的漏氣孔 哪天漏狠了宇宙就貶回去 拿電腦套娃打個比方 虛擬機裏裝虛擬機 虛擬機裏的程序知不知道自己活在虛擬機裏 這些假說有個共同的死穴 無論把起點推給誰 量子廠母宇宙吹氣球的程序員 下一個問題永遠在門口排隊 量子漲落哪來的 規則誰定的 母宇宙哪來的 程序員哪來的 這套無限追問早被網友壓縮成一段對話 答得極其精闢 量子哪來的 量子他媽生的 量子他媽哪來的 量子他外婆 箭頭沒有盡頭 套娃沒有底座 2000多年前道德經說 道生一 一生二 二生三 三生萬物 網友們也是人才 敘的還挺公正 三生派大興 玄學並非不行 它只是永遠停在一這個字上 這個一是什麼性質 如何定量 怎樣演化一概不答 科學與玄學的分界就在這 一個窮究到底 然後承認不知道 一個含混到底 卻自稱全知道 那麼科學的誠實答案是什麼 不知道 大方承認不知道 大膽提出假說 在玩命去做驗證 這三步缺一不可 2014年 BICP2團隊宣佈抓到原初引力波 號稱爆炸的直接證據 舉世轟動 一年後 更精細的數據證明 那段信號來自銀河系的塵埃 烏龍一場 卻沒人有資格嘲笑他們 把假說壓到觀測的槍口下 對的留下 錯的畢掉 這種自我糾錯 正是科學最硬的底氣 別忘了 人類連腳底下這顆行星 前40億年的事都沒研究透 面對138億年的宇宙 知道一些是一些 能驗證一條是一條 沒資格傲慢 也沒必要自卑 視頻的最後 讓我們回到巴黎那座斷頭臺 關於拉瓦西 有個流傳很廣的說法 行刑之前 他跟劊子手約好做人生最後一個實驗 腦袋落地後 他會盡量眨眼 以此驗證人的意識在投身分家後還能撐多久 據說 那顆腦袋落地後 足足眨了11下 這個故事 查無實據 多半是後人附會 可我每次講完宇宙的起源 都願意把它留在結尾 拉瓦西這輩子立下的那條定律 後來被愛因斯坦 被諾特 被暴脹理論一錘一錘敲出裂縫 物質可以憑空來 能量可以不守恆 宇宙的總賬甚至可以永遠是零 唯一守恆下來的 是另一樣東西 人從篝火邊到望遠鏡前 從斷頭臺到對撞機 那股打破砂鍋問到底的勁頭 從沒少過一刻 138億年前 一鍋能量湯凝出夸克 夸克爆成質子 質子熬出氫和氦 氫聚成恆星 恆星燒出碳與氧 碳與氧聚成地球 聚成水 聚成正在看這段視頻的你 你喝下去的每一口水裏 氫原子的年紀是太陽系的三倍 宇宙用138億年 造出一種會回頭追問宇宙從哪來的物質 這個追問本身 也許纔是宇宙裏真正憑空墮出來的東西