宇宙的起源：“大统一”时期与“暴涨”时期

大统一时期（GUT Era）

宇宙诞生后的第二个阶段被称为“大统一时期”，它的跨度在10^-43秒和10^-36秒之间，结束时宇宙温度约为10²⁸K。

此前，在普朗克时期结束时，引力已经从超力中分离出来，成为了独立的能量形式；但是宇宙中的其他力仍然没有分离。根据现代物理学的认知，这些力包括强力、弱力和电磁力。因此，所谓的大统一指的就是这三种基本力的统一（也可以理解为当时的宇宙环境下不存在这三种力，就好像战争环境下“人性”难以存在一样）。

因为这三种力仅仅在极端高温的环境下才会统一为“大统一超力”，随着宇宙温度的下降，它们会像引力一样分别以强力、弱力和电磁力的形式单独作用出来。等到宇宙温度再次下降一个数量级后，强力也会作为独立的能量形式出现，它会与电磁力和弱力分手，这时大统一时期结束，这个时间点对应于大爆炸后10^-35秒。

事实上，所谓的大统一仅仅是物理学家们所做的一种预言，并且这些预言是建立在量子力学基础之上的。由于假设了宇宙中还不存在这些基本力，那么科学家便认为一些依赖于这些力的基本物理特性，如质量、电荷、味荷和色荷等粒子特征都还没有实际意义。

理论猜想和验证不能离开实践。现在，科学家通过大型强子对撞机，尽可能地采用人为模拟方式来复现大爆炸初期的极端环境。尽管这种模拟的程度还远远无法和大爆炸本身相比，但是在实验中，科学家们已经发现了承载三种基本力的粒子存在的迹象：即传递强力的胶子、传递弱力的W玻色子和Z玻色子，以及传递电磁力的光子。

自然界中的四种基本力

地球为什么会围绕太阳轨道运行？光是如何传播的？基本元素为什么如此稳定？放射性物质是怎样的原理？动物的奔跑和人类的思考，背后是如何驱动的？摩擦力、张力、阻力、磁力等等，这些物理现象更深层的本质是什么？

几个世纪以来，从行星到粒子，从宇宙的最大尺度到最小尺度的世界中，科学家们一直在试图描述统治万物相互作用的力。现在他们知道有四种基本力：引力、电磁力，强核力和弱核力，这四种基本力塑造了我们所处的宇宙；以上那些令人困扰的问题，也都可以被归结为这四种基本力的其中之一。

引力

根据广义相对论，引力可以被理解为时空本身的弯转和扭曲；引力影响着星系、恒星、行星和甚至光线的运动。任何具有质量的物体都会在时空中形成凹痕，引起物体之间的相互吸引。

引力是一种向心力，让具有质量的物体永远相互吸引，它将两个物体拉向一起。其作用强度随两个物体的质量增加而增加，但随它们之间距离的平方而减小。这意味着，如果月球距离地球是当前距离的两倍，它们之间的引力牵引将会弱化到仅为现在的四分之一。不过，尽管是最弱的力，引力却可以跨越无限远的距离，因此，引力塑造了宇宙的大尺度结构，任何有质量的存在都无法逃脱引力的束缚。

爱因斯坦的广义相对论就是关于引力性质的理论。而传递引力的媒介粒子则是一种目前（2023）还处于遐想状态的所谓“引力子”，两个物体之间的引力可以归结为：构成这两个物体的粒子之间的引力子交换。引力以波的形式从辐射源向外传播，在2016年2月11日，科学家宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。

电磁力

正如其名称所示，电磁力包括电力和磁力两种力。它们是相互交织的——移动的电场产生磁场，反之亦然。与引力类似，电磁力的强度随着物体之间距离的平方而降低，并在无限距离范围内起作用。然而，电磁力只针对带电物体（引力则针对任何有质量的物体），它是吸引还是排斥取决于每个物体的电荷性质。两个相同电荷的物体互相排斥，而一个正电荷和一个负电荷则互相吸引。

另外，电磁力比引力大得多，例如两个相邻质子之间的电力可达到102N，是引力的10³⁶倍。虽然电磁力比万有引力更强，但是宇宙中的大型物体通常表现为电中性，因为这些物体大多是由正负电荷数量相等的原子所组成的。我们的地球就是这样的一个实例，尽管地球由于其内部液态铁的流动而具有磁场，但地球本身是电中性的。

携带电磁力的粒子是光子，而研究电磁力的理论被称为量子电动力学（quantum electrodynamics）。

强核力

强核力简称强力，是作用于强子之间的力。正如其名称所示，它是四种基本力中最强的一个，约10⁴N，是电磁力的100倍，也是引力的10⁴⁸倍。强核力的作用距离只比弱核力的作用距离长，约为10^-15米，超过这个尺度时则可忽略不计，因此强力只能作用在小于原子尺寸的微观世界内。另外，当两个强子之间的距离小于0.4×10^-15米时，强力原先表现出的吸引力则会转变为排斥力。

强核力将原子的基本组成部分聚合在一起，没有强核力原子核便无法稳定的存在。强力的作用永不停息，并在两个不同的尺度上发挥着作用。首先，在原子核的层次上，强力将形成基本化学元素的质子和中子聚合在一起。其次我们知道，组成原子核的质子和中子都是由更微观的夸克组成的，在比原子核还要小的尺度上，强力还负责将形成中子和质子的夸克束缚在一起。

负责传递强力的粒子叫作胶子，而研究强力的理论则是量子色动力学（quantum chromodynamics）。

弱核力

弱力掌管着放射性衰变（贝塔衰变）、中子衰变和中微子的相互作用。它可以将一种夸克类型转化为另一种。它的作用范围很短，小于10^-17米。质子和中子由上下两种夸克变体组成，而弱力可以将一个中子中的一个下夸克转化为一个上夸克，并将其电荷从中性变为正电荷，从而使中子被转化为质子。如果该中子位于原子核中，这种转变将使所在的原子增加一个质子，从而使该物质转变成不同类型的元素并释放出能量（中子比质子稍重）。这种反应在我们的太阳中始终不停地进行着，并让太阳不断释放出能量。此外，这种类型的行为也发生在放射性衰变中，即原子核会不断地释放能量以及亚原子，这些相应的物质就是放射性元素。

携带弱核力的粒子是W⁺、W^-，以及Z⁰玻色子，弱力的标准模型是电弱模型。

四种基本力的分化和总结

暴涨期（Inflationary Era）

宇宙纪元10^-36秒到10^-32秒，早期宇宙在一个极短的时期内极速膨胀和扩张，因此这段时期被命名为暴涨期。 在这种暴胀结束之际，当时的宇宙很可能与今天宇宙中一个星系大小相当（或相当于原先原子大小的区域暴涨成一个柚子的尺度？这里的描述可能有错误）。 暴涨理论是由阿兰·古斯（Alan Guth）提出的，修补了之前标准大爆炸模型存在的一些问题。

在上一个宇宙期，即大统一时期结束时，宇宙发生的第一次相变已经分离出了引力，导致原本的“超力”退缩为“大统一超力”；引力分离后，夸克、玻色子、轻子开始形成。到了这个阶段时，宇宙已经足够冷，可以让强力从超力中分离出来，这导致宇宙中第二次相变的发生；而剩下的两种基本力，即弱力和电磁力，仍然统一于所谓的“电弱力”。

强力出现的同时，宇宙中还可能创造出了一种大质量奇异粒子，物理学家将这种特殊物质命名为“暗物质”。这种特殊的物质与普通物质仅存在极其微弱的相互作用。现在科学家们对暗物质的了解非常有限，我们只能通过引力确定它们的存在，对它们的其它性质则一无所知。

但现在，科学家更关注的是第二次相变所引发的另外一个重要事件，也就是用来命名这个宇宙时期的“宇宙暴涨”。如此命名主要是因为，在宇宙诞生后的10^-36秒到10^-32秒这一段极短的时间内，宇宙的线性尺度却增加了10²⁶倍（注：暴涨的是宇宙本身，即时空本身，而光则是在时空内传播的，因此暴涨并未违反光速在时空内的守恒性），温度则降低了10万倍；并且，这个指数量级的膨胀仅仅持续了大约10^-33秒，然后便结束了。注意，我们千万不要站在空间之外去想象这个膨胀，不要将它看做是一个正在充气的气球，而是我们的（大尺度的）空间本身，被突然“构建”了出来。

注：也有科普材料将暴涨倍数标记为2¹⁰⁰倍，或10⁴³倍，还有其他数值，另外暴涨后宇宙的尺度也有不同的预估，相差极大；因此，读者如果对这些数字特别感兴趣的话，恐怕需要去查看古斯的论文以及其他一些对暴涨理论的修正文献了。

暴涨开始前，宇宙只具有微观尺度，但是当这一时期结束时，当时的宇宙很可能和今天的一个星系大小相仿了（也有文献认为是和一个柚子大小相仿）；暴涨前宇宙还在光子的相互联系范围内，可以平滑掉所有“粗糙”的点，而当暴涨停止时，我们已经无法通过光来查看宇宙的全貌了，我们现在所能探测的天体已经在各自的“小区域”内稳定了下来。相聚遥远的宇宙不同部分之间，从此以后便不可能存在任何联系，即信息交换了。

我们并不确定暴涨的原因。它很可能是由于强力与其他基本力分离所造成的。根据部分科学家的设想，这种分离和宇宙的相变导致了真空能量密度的一个负形式（或理解为正的真空压力，导致空间向外扩张），从而引起了宇宙的对称性崩溃；相比于这一现象未发生时，宇宙得到了多得多的能量，因此具有推动它高速向外膨胀的力（反引力，Anti-gravity），这些能量也会在极短的时间内创造数量极多的粒子。不过，这样的描述实在太过抽象，更形象的比喻可以考虑处于过冷状态下的水；在平衡状态时，即便是低于零度的水也不会结冰，而是处于一种过冷状态，但是当平衡被打破时，水会急速产生相变而固化。我们可以将当时宇宙的状态也理解为一个类似的“过冷态”，当微弱平衡被打破时，宇宙突然释放出极大的能量并导致了空间本身的指数膨胀。

根据著名物理学家霍金的描述，暴涨概念还可以用来解释宇宙中为何会有如此多的物质。根据量子力学，通过粒子和反粒子对的形式，物质可以从能量中产生；而宇宙中的总能量有可能恰好为零，那么，我们很可能只是生活在宇宙能量摇摆的空隙里。

暴涨理论提供了一种简洁而统一的解释，弥补了大爆炸理论的一些缺陷，也为我们揭示了宇宙早期演化的奇妙细节。但科学家目前还无法对这个理论进行严格的验证，因此这也是一个活跃的理论物理学研究领域。一个充满了诗意想象空间的宇宙。

大爆炸理论曾经存在的问题

由于和实际观测结果吻合度非常高，大爆炸宇宙模型很好地解释了原初核合成、宇宙膨胀，宇宙背景辐射等重大问题，因此这个理论很有说服力，也被科学家们称为“标准宇宙学模型”。但它仍然存在几个较大的难题，让早期的大爆炸理论难以解释。其中主要的问题包括平坦（flatness）问题、视界（horizon）问题，以及磁单极（monopole）问题。

平坦问题

第一个问题被称为平坦问题（Flatness Problem）。我们今天拥有的最敏感的卫星，其测量结果显示宇宙是“平坦的”。这里的"平坦"不是指"纸张般的平坦"，而是指在宇宙中，平行线会永远保持平行，不会相交（非欧几里得几何，三维曲面中的平行线是可以相交的）。但根据最初的大爆炸理论，宇宙的曲率会随着时间的推移而增加，而当前的观测结果预示着早期宇宙的物质密度，一定会非常接近于临界密度，偏离程度只有10^-55量级，这是个微小到难以想象的值。为什么宇宙早期物质密度会如此接近于临界密度？为什么宇宙早期的空间性质会如此接近于平直空间？这是十分令人费解的。除非有特别的机制加以保证，否则难以想象会有如此接近的偶然性。

临界密度（critical density）是使宇宙封闭所需要的密度，简单理解，这个值决定了宇宙是否会无限膨胀下去，还是会重新收缩起来。

为什么宇宙最初的膨胀速率会如此接近临界值，从而恰好保证不会再度坍缩？如果大爆炸后一秒钟时，宇宙的膨胀速率哪怕只是小了10亿亿分之一，宇宙就会在达到它今天的大小之前再度坍缩。另一方面，要是一秒钟时的膨胀速率增加同样的微小的数值，那么宇宙就会极度膨胀，以至于现在它简直就会变得空无一物了。

一个平坦的宇宙是指，宇宙中存在的物质总量恰好足以停止其膨胀，但又不足以使其重新坍缩。这将代表着一种非常微妙的平衡状态。考虑到宇宙从微观状态膨胀到今天的尺寸，在这样的跨度里，宇宙的物质密度恰好符合平坦性的要求，这是非常难以解释的问题。

暴涨理论解释了目前宇宙的平坦疑问。随着“气球表面”（将气球表面假设为宇宙空间）的扩大，就算原先有个喜马拉雅山，它也会在足够广阔的平滑曲面上被抹平。注意，这只是一个为了方便理解的示意图，我们并不确定宇宙的真实形状。其实理解宇宙的平坦性和理解地球是圆的，都属于非常类似的问题，需要我们具备一定的抽象思维能力；事实上，直到21世纪的今天，还是有很多人无法理解地球为什么是圆形的。

但是暴涨理论可以解释太初宇宙所具有的这种，高的异常的精度，即10^-55。暴涨相当于通过将一个曲面扩大到巨大的尺寸来解决这个问题，那么极早期宇宙的任何弯曲或结构（即能量不平衡状态）都会因为极度膨胀，导致宇宙大小的增加而变得平滑了，甚至基本上可以被抹去了，这就解决了平坦问题。

视界问题

第二个是视界问题，视界是指宇宙诞生时发出的信号，在给定的时段中最多能走多远的极限；也可以理解为可观测宇宙的范围有多大的问题。这也是位于空间的两点之间，它们能相互影响的的最大距离，或者更理论的说法：因果关系能够有效作用的最大距离。视界与膨胀宇宙的年龄成正比。

根据标准宇宙学模型的理论计算，在大统一时期，当时宇宙的尺度要远远大于当时可观测部分的大小，这就造成在全宇宙范围内包含了10⁷⁸个无因果联系的区域（也有材料认为是10⁸³个或其他值，大家大可不必纠结这些细节，有个感性认识即可）。但是，在今天所实际观测到的视界范围内，宇宙中物质的分布却是均匀的；那么就有了一个疑问：即这么多无因果联系的区域，为什么会如此相似？这些区域是如何做到相互影响的从而“变得相同”的？这就好像相互隔绝了2万年，且位于不同世界区的人类群体之间，居然有完全相同的文化：比如哥伦布到达美洲后，发现那里的社会和欧洲完全相同，人们有相同的语言、文化和相貌，就像回到了自己的家乡热那亚一样。这将令人感到非常奇怪，这就是视界疑难。

视界疑问，A区域和B区域的视界并不重合，因此它们之间不可能发生信息交换，但是从地球观察，A与B完全相同。我们可以把这两个点换成任何相距足够远的宇宙区域，但并不改变它们的相似性。它们是如何做到在不可能存在任何信息交换的前提下，保持状态一致的？

但如果引入了暴涨模型，那么我们就可以解决这个问题，即暴涨前，这些目前没有因果关系的区域曾经是相互联系的，暴涨让它们突然分开（空间本身超过光速的膨胀），但是它们也继承了瞬间前的状态，即时空的暴涨屏蔽了因果关系。暴涨假说并不违反相对论，因为暴涨的是空间本身，而光速则是空间内光在真空中的速度，或者看做是时空中信息传递的速度极限。

磁单极问题

我们知道，电荷有正、负之分。质子带正电，电子带负电。一对电荷相隔一小段距离就可以组成一个电偶极。电偶极是电中性的，但具有电偶极矩。正负电荷分开就是电单极。就像正负电荷那样，磁极也有南北之分，但是，磁总是以偶极方式出现，两者从不单独存在。所谓磁单极就是指带有净“磁荷”的粒子，即磁北极或磁南极。

磁单极最早是由狄拉克在20世纪30年代研究电荷量子化时预言的。他说如果有了磁单极，就可以很自然地解释为什么电荷总是电子电荷的整数倍。后来，大统一理论也预言了磁单极的存在。按照大统一理论算出的磁单极的质量，比质子质量还重10¹⁵倍，约为0.02微克，这让一个微观粒子的质量达到了宏观物质的层级。

磁单极极少湮灭，磁单极密度降低是因为随着宇宙的膨胀而造成体积增大所致。理论上随着宇宙温度的降低，电磁力分化出来后会引发对称性破缺，经过一系列拓扑学变化，会产生出性质极为稳定的磁单极子，而且其密度还不低，甚至可能成为宇宙的主要成分，那么今天的磁单极密度应该约为2×10^-8/米³。如果是这样，那么磁单极应当非常容易就能找到。但事实上，却一个也没有发现。同时，考虑到磁单极的质量非常大，按此计算，磁单极对宇宙密度的贡献将高达3×10^-16克/米³。按这样高的密度来计算，今天宇宙的年龄将会年轻到十分荒谬的地步，即只有几万年！这就是磁单极疑难。

但通过暴涨理论，整个宇宙的体积在极短瞬间内增大了二十多个数量级，这足以将原来的磁单极子的密度稀释到我们的探测能力极限，所以我们发现不了磁单极这个问题也就迎刃而解了。

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