学者书评 | 在时间尽头寻找宇宙的答案
出版人周百义 1周前
以下文章来源于普林斯顿读书汇 ，作者PUP China
尽管还有那么多谜团待解，但是我们可用的工具和方法也是前所未有地丰富，因此我们可以乐观地相信胡珀在书中的话：科学史上曾经出现过许多同样令人费解的谜团，但它们最终都被解决了——解决问题并不是偶然现象，而是常态。
文 | 鞠强，中国科学技术出版社科学人文分社副社长，副编审，副研究馆员，资深科学编辑
待评书目 | At the Edge of Time：Exploring the Mysteries of Our Universe's First Seconds（时光之刃：探索宇宙最初时刻的谜团）
在当代科学研究中，有三个事关“起源”的问题占据着重要的位置，分别是宇宙起源、物质起源和生命起源。“三大起源”不仅是千百年来人类上下求索的问题，也指引着科学未来的发展方向。在追问这些问题的过程中，人类的世界观也在被不断重塑。
在这三个问题中，解决前两个问题是物理学家的分内之事。但是，经过最近一个世纪的探索，他们虽然逐渐构建起宇宙138亿年的历史，可仍然无法准确回答这两个问题。不过，既然是事关起源的问题，他们已经知道去哪里寻找答案——宇宙最开始的时刻。
一百年来,物理学家回溯宇宙历史直到最初时刻的探索之旅，是一段惊心动魄的历程，期间充满了发现的喜悦、失败的沮丧以及观点的交锋。有很多图书对这百年的故事进行了精彩的介绍，让我们得以领略其中激动人心的部分。
胡珀是美国费米国家实验室理论天体物理中心的科学家，也是美国芝加哥大学的天文学与天体物理学教授，有丰富的天体物理学研究经验，此前曾出版过Nature’s Blueprint（《自然的蓝图》）和Dark Cosmos（《暗宇宙》）等科普书。不过，如果一位熟悉天文学的读者翻完这本正文的前两页，也许会觉得内容平平无奇，都是在其他很多天文科普书中经常见到的东西，胡珀好像只是把这些内容又复述了一遍而已。但读者只要再保留一点耐心，就能看到在这一点预备知识之后，我们就进入了正题。
宇宙的历史
胡珀指出，我们对于宇宙在大爆炸之后几十万年至现在的这段时间里的大部分情况都很有把握。但是，在此之前的事情，科学家则没有十足的把握。越往前，我们的把握越小，猜测的成分越大。正是因为这一点，虽然几十年来科学家在宇宙学研究中取得了重要进展，描述了宇宙演化的图景，也就是这本书最开始的内容，但是仍然还有很多谜团困扰着科学家，包括正反物质不对称的原因、暗物质和暗能量的本质以及暴胀的真相，这些正是这本书讨论的主要问题。
在简要介绍从古至今的时空观和宇宙观之后，胡珀从爱因斯坦的广义相对论开始，讲述一个世纪以来我们构建现代宇宙观的历程。
事实上，在20世纪之前，虽然我们一直在观测宇宙，但并没有“宇宙学”这门学科。人类的视野不断拓展，从太阳系到银河系。但是受制于理论和观测的限制，直到20世纪初天文学家还在争论是否存在河外星系。此后根据一系列天文学观测的结果，他们认识到银河系只是宇宙中的一个角落，其他星系正在加速远离我们，由此才开始推断和回溯宇宙的历史。
大爆炸理论是现代宇宙学的基石，宇宙微波背景的发现则是证明宇宙大爆炸理论的关键证据。胡珀在书中提到的科学家预言、发现和测量宇宙微波背景辐射的历史，既有我们熟悉的经典故事，也有我们可能此前知之甚少的内容。我们可能都听说过乔治·伽莫夫（George Gamow）和他的学生拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）共同撰写的论文奠定了大爆炸理论的基础，可能也听过物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）并没有参与这项研究，但只是因为伽莫夫觉得“阿尔弗、贝特、伽莫夫”听起来像是前三个希腊字母“阿尔法、贝塔、伽马”而被列为论文的作者之一，但可能不会想到胡珀对这篇论文的评价——“科学史上没有哪篇论文如此重要又如此漏洞百出”。这篇论文的重要性毋庸讳言，而“漏洞百出”其实是因为伽莫夫等人的计算基于当时并不可靠的数据以及非常粗糙的物理假设。
1948年，罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）和阿尔弗在计算出宇宙微波背景辐射的温度为5K，而我们现在的测量结果是大约2.7K。这看起来好像有点差距，但是如果考虑到二人使用的宇宙年龄、膨胀速率等基础数据并不准确，这项计算实则是一项惊人的成就。
美国天体物理学家J.理查德·戈特（J. Richard Gott）曾经说过的话能够帮助我们理解这项成就的意义：“预测宇宙背景的存在，然后得到的温度误差在2倍以内，就像预测一个直径15米的飞碟将降落在白宫草坪上，实际上来了一个8米的。”
胡珀接下来用一章介绍了粒子加速器特别是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）。虽然很多读者可能对LHC都有所耳闻，但这章绝不是多余。
宇宙学研究与其他大部分科学研究的一个不同点是，宇宙只有一个，所以我们只有一个研究对象；我们也不能像对待果蝇或者小鼠那样把宇宙拿来做个实验。不过好在极大的宇宙的性质同极小的粒子息息相关，而物理学家可以对这些粒子进行研究。
胡珀讲了一个很有意思的故事来说明对撞机对于物理研究的意义：想象一个热带海岛，居民们从来没有见过冰。但是那里的科学家推算出，海岛的温度一直在缓慢而稳定地上升，那么在很遥远的过去，海岛的温度一定很低，只是没人知道过去寒冷的日子是什么样的。
如果居民们想知道寒冷是什么样子，他们可以扬帆远航，在远方寻找一个寒冷的地方，也可以发明一种制冷技术，复原海岛遥远过去的条件。当他们使用这种技术的时候，他们会发现从没有见过的冰——此前他们从来都不知道有冰，更别提想象过冰的样子。与此相似，当科学家拥有对撞机特别是LHC这样强大的机器后，他们也能够获得相当高的能量，从而获得追溯宇宙早期历史的能力。
但是，早到什么时候，却取决于对撞机的能量。胡珀在这一章的最后提到，虽然LHC帮助我们极大地加深了对于物质的认识，但是对于本书所要讨论的问题，它的能量还远远不够，因此并不能帮助我们追溯到更靠近大爆炸的时刻，我们也不能通过它找到正反物质不对称、暗物质、暗能量和暴胀等问题的答案。
未知的探索
在接下来的几章里，胡珀就像是一位称职的导游一样，开始为我们逐个介绍这几个尚没有答案的问题。第6章介绍了正反物质的问题，第7章至第9章介绍了暗物质，第10章介绍了暴胀，而第11章介绍了暗能量。这些问题涵盖了当今宇宙学中最重大的问题，使我们这趟探索之旅没有错过重要的“景点”。
正是因为正反物质的量存在极为微小的差异，我们的世界才得以存在。胡珀在书中介绍的苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）是一位可能大部分读者都没听过的名字，但正是他奠定了正反物质研究的基础。萨哈罗夫的一项突出成就是把粒子物理学和宇宙学联系起来，在这一点上，胡珀与萨哈罗夫有些相似，他的研究兴趣也是粒子物理学和宇宙学的交集。
科学家创作科普图书有一个独特的优势，就是可以在书中加入自己的研究，将研究的经过娓娓道来，还可以讲述很多背后不为人知的有趣故事。胡珀就在本书第8章介绍了自己使用费米望远镜通过研究脉冲星、伽马射线进而研究暗物质的工作。不过，他虽然写了研究的内容和自己的思考，最后却没有给出结论，因为正如他自己所说，他还无法解释观测到的信号，研究工作还未完待续。
著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主史蒂夫·温伯格（Steven Weinberg）曾经写过一本很有名的科普书叫The First Three Minutes：A Modern View of the Origin of the Universe（《最初三分钟：关于宇宙起源的现代观点》），讨论的也是宇宙最初时刻的故事。如果我们把两本书放在一起比较，是一件很有意思的事情。
温伯格这本书的第一版于1977年出版。那时科学家已经认识到宇宙微波背景辐射的重要意义，两位发现者阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）于次年获得了诺贝尔奖。但是，当时宇宙学家的词汇表里还没有“暗物质”“暗能量”和“暴胀”。
温伯格在1993年出版了该书的第二版，通过增补后记的形式更新了这16年间人类对宇宙早期历史的新想法。在这个时候，薇拉·鲁宾（Vera Rubin）的观测已经给出暗物质存在的证据，艾伦·古斯（Alan Guth）等人也提出了暴胀理论的不同版本，但宇宙学家根据宇宙加速膨胀这一现象提出暗能量却还要再等上几年。
从温伯格出版《最初三分钟》第二版到胡珀出版《时光之刃》过去了26年时间。在这么长的一段时间里，我们探索以上这些谜题的过程可谓是惊喜和失望并存：物理学家发现了希格斯玻色子，探测到了引力波；但是胡珀曾经打赌在2008-2015年间科学家能够发现暗物质粒子，结果显然没有（很多物理学家都不擅长打赌，比如霍金），而且在这期间又冒出了暗能量这样的新问题。新发现接踵而至，新问题应接不暇，这就是研究宇宙早期历史的现状。
是终点也是起点
这本书的第12章也就是最后一章的标题是“触碰时间的边缘”，我们这趟旅程的终点正是宇宙的起点。
一个世纪以前，当一场人类认识宇宙的革命以爱因斯坦提出广义相对论为标志出现时，没人能提前预料到。现在，当我们面对宇宙学中这些令人如此困惑的问题时，我们也不知道究竟什么时候能够解决它们。不过，尽管还有那么多谜团待解，但是我们可用的工具和方法也是前所未有地丰富，因此我们可以乐观地相信胡珀在书中的话：科学史上曾经出现过许多同样令人费解的谜团，但它们最终都被解决了——解决问题并不是偶然现象，而是常态。
人类这样一个有数百万年演化历史的物种，用百余年的时间去探索138亿年前宇宙在诞生之初几分钟、几秒钟甚至更短时间内究竟发生了什么。这是一个宏大的故事，胡珀的《时光之刃》只是记录了其中一个很小的片段，但这个记录以及这个片段本身已足够精彩。胡珀的研究未完待续，书中介绍的很多研究未完待续，这个故事同样未完待续……
近几十年来，科学家们对我们的宇宙在过去 138 亿年中如何演化取得了重要发现，但我们对大爆炸后最初几秒钟发生的事情仍然知之甚少。本书专注于我们目前所知的东西，并努力了解宇宙历史伊始时的这个神秘时期。Dan Hooper 深入研究宇宙学科学，描述了科学家对我们世界的起源和本质提出的许多非凡问题。他研究了大型强子对撞机以及其他实验如何重塑大爆炸的条件，我们如何发现宇宙最初时刻暗物质的形成方式，以及我们如何使用新的望远镜揭开大爆炸的面纱。