奇点后一秒钟时期的宇宙

电弱时期（Electroweak Era）

这个时期的跨度在奇点后的10^-32秒和10^-12秒之间。宇宙刚刚经历了暴涨时期，和大统一时期相比，已经变得非常庞大了；宇宙的温度大概为10¹⁵K，标度因子约为 2.2 × 10^-17（或紧致程度，简单理解为相对于现在宇宙的尺度比例）。

暴涨开始后的宇宙空间急速膨胀，温度也急剧降低，但暴涨仅仅经历了10^-33秒，然后这个时代便结束了。由于空间膨胀的速度迅速变慢，驱动膨胀的能量被释放出来，这造成暴涨时降低的宇宙温度又重新恢复到了极高的状态。所以，科学家们也将宇宙的这个时期称为“再加热阶段”。当再加热时期结束后，宇宙的整体温度不会再有大的起伏了，宇宙会越来越冷。直到138亿年后的今天，宇宙平均温度降低到只有2.72548 K，这和电弱时期的宇宙相比已经非常接近绝对零度了。

再加热时期的能量让大部分基本粒子得以形成，并且将已经膨胀的低温、均匀物质转变成温度超高且成分复杂的“能量汤”（对这一时期的宇宙，我们并没有太多的技术手段去形容）。在宇宙这锅能量汤里，各种粒子和反粒子被不断创造出来并很块湮灭，正反粒子的数量是相等的。科学家估计，在10¹⁵K高温的宇宙中，弥漫着热夸克和胶子的混合体，并且在这种能量状态下，电磁力和弱力依然没有独立作用的环境。

这一时期的粒子相互作用力足够强，可以创造W⁺、W^-、Z⁰粒子（传递弱力的介质粒子），以及希格斯玻色子（Higgs boson，希格斯场减慢了粒子的速度并赋予它们质量，使得完全由辐射组成的宇宙能够支持具有质量的物质），对此科学家们现在已经有了可信的实验证据。在大爆炸后大约10^-12秒，当宇宙进一步膨胀并冷却时，W⁺、W^-、Z⁰粒子的生成停了下来，已生成的粒子迅速衰变，弱相互作用变成了短程力，于是电弱相互作用力分离为电磁相互作用和弱相互作用，即电磁力和弱力。这个时期的粒子还没有质量。

夸克-胶子时期（Quark Era）

电弱时期在宇宙纪元10^-12秒时结束。这时，自然界的四大基本力都已独立，取得了各自的特性，宇宙也进入了一个过渡时期，即夸克-胶子时期，它的时间跨度在奇点后的10^-12秒和10^-6秒之间。

因为在这个时期，宇宙温度仍然非常高，让夸克无法结合成强子（质子和中子），因为高能光子会破坏夸克之间的连接，使胶子无法通过强核力将夸克粘连在一起。这就像在飓风中，无论你多爱一个人，你们都无法拉住手。强子的形成需要等到宇宙温度下降到10¹⁰K时，当光子能量降到足够低后才能满足条件。因此，这个位于电弱时期和强子时期之间的过渡时代，便因此而得名。

另外，从夸克-胶子时期开始，我们所讲述的故事中，猜测和想象的成分会显著减少，这是因为粒子的能量已经降低到现代高能物理实验所能企及的范围内了，满足实验验证的条件也越来越多。物理学家已经可以通过粒子加速器制造高于一万亿度的超高温环境，在这样的环境下，夸克禁闭现象可以被打破，夸克胶子之间的强力被解除而无法结合为质子和中子。当重子被“熔化”成等离子体形式的“夸克汤”时，我们便得以在一定程度上复现太初一秒钟之内的宇宙环境，从而更好地预测隐藏在这个极早期宇宙之中的秘密。

强子时期（Hadron Era）

这是宇宙中强子形成的时期，跨度在奇点后的10^-6秒和 1 秒之间，宇宙温度已经减低到10¹⁰K，即100亿开尔文；宇宙标度因子约为 10^-12。强子是构成可见物质的基本成分，分为重子和介子，其中常见的重子包括组成普通物质原子核的质子和中子，质子和中子都是由三个夸克组成的。

宇宙背景能量的降低让粒子的平均能级降到了强子的结合能量之下，于是作为过渡期的“夸克-胶子”时期结束了。从那时起，宇宙中的夸克将不再作为自由粒子而存在。因为在降低了能量的宇宙环境下，结合起来的两个夸克会像没有拉断的橡皮筋或弹簧一样，它们相互之间的结合力会在距离拉大时变得更强。由于空间的膨胀，夸克之间的距离也会增加，这虽然会让连接夸克的胶子弹性力变得更强，但是这种强度不会一直增加，当两个夸克之间的距离大于10^-15米时，它们之间的胶子弹性力就崩溃了（相当于皮筋被拉断了），这时会在断裂处的两端各自产生一个新夸克（参与分开夸克对的能量被转换成物质），于是夸克又回到了先前的状态，只不过数量翻了一倍（这和皮筋不同，皮筋只是断为两截，总物质量不变，但夸克则是凭空增加了）。这个过程让宇宙中产生了更多的物质粒子。

随着宇宙的继续膨胀，每个夸克都找到了自己的伙伴，它们结合起来形成了强子和反强子；宇宙的高温仍然能够持续生成强子和反强子对。当宇宙进一步膨胀、温度进一步降低时，强子和反强子对便不再生成了。最终，强子时期在宇宙纪元一秒钟时宣告终结。

从时空启动开始，宇宙终于度过了最为“波澜壮阔”的一秒钟。在这个异常短暂的宇宙史中发生了太多的故事，无数的正反粒子对从纯能量中诞生出来，但随后，它们中的大多数又双双湮灭在茫茫的虚空中，没有留下一点儿痕迹。不过，因为某种我们尚未理解的原因，正粒子的数量稍微多于负粒子的数量，概率大约为每十亿对粒子中会多出一个正粒子。这些微微多出而没有找到伙伴的正粒子们，以后会构成我们宇宙中所有的可探测物质：每一个星系、太阳、知了和蒲公英，还有曾经存在过的每一个人，他的躯体、手中的玫瑰或匕首，以及他身边一切的一切。

消失的负粒子哪里去了呢？不知道，也许构成了与我们的宇宙相对应的另一个“负宇宙”，不过那都是科幻小说中的故事了。我们的世界，是因为粒子的“孤独”才得以存在的吗？

关于大爆炸宇宙学的一些问题

宇宙的均匀与各向同性

大爆炸理论现在是宇宙的标准模型，但这个模型有一个非常大的不确定因素。大爆炸模型所描述的温度、时间，膨胀尺度等内容，它们都基于这样一个假设：即宇宙是均匀的、各向同性的，或者说在极大的尺度上，宇宙中的物质和能量是均匀分布的，与我们所处的观察位置以及观察视线的方向都是无关的。这就是宇宙学原理。

更通俗的一个解释是，假设我们可以瞬间移动到宇宙中的任意地点，然后从这个地点来观察宇宙，我们会发现宇宙的景象和环境与我们在地球上看到的情况没有任何本质上的区别。无论我们现在位于宇宙何处，通过观察和计算，宇宙的年龄都会是大约138亿年。

“均匀”是指：对于所有被宇宙的普遍膨胀所携带而一起运动的观测者而言，无论这个观察者身处宇宙何处，他看到的宇宙都是一样的。“各向同性”是指：对于这样一个观测者而言，宇宙在各个方向上也都是一样的。

各向同性和均匀性并不是一回事儿，比如，在一个完美的圆形蛛网中心的蜘蛛，如果它向四面（假设它在二维空间）看去，它会发现蛛网编织成的世界是各向同性的，但是如果蜘蛛换了一个地方（不再同心圆的圆心位置），那么不同方向就不是同性的了。一个均匀但非各向同性的例子是磁场。在磁体的附近，磁场可以是均匀的，即在空间中具有相同的强度和方向。然而，磁场在不同方向上的性质并不相同，因此它不是各向同性的。

根据直接观测结果，我们得出，宇宙背景辐射在我们的周围具有极高的各向同性。根据此结论，我们可以推断出，自从辐射在大约3000 K的温度上与物质失去平衡以来，宇宙便一直具备非常高的各向同性和均匀性。但是，我们并无证据证明宇宙学原理同样适用于更早的时期。

宇宙的结构

我们需要先简单解释一下“宇宙标度因子”（Cosmological Scale Factor）。

标度因子描述了膨胀过程中的宇宙在不同时间结点上的相对大小。实际上，科学家并没有完全理解空间的本质，因此“空间膨胀”这个表述如果从根源上考虑的话，也有可能是错误的。但为了方便理解，科学家仍然根据计算给出了一个参考比例，即宇宙的“紧致”程度。比如，将一个球体的直径减小一半，那么它的紧致程度就是之前的两倍，尽管它的体积缩小为之前的1/8。反之，当宇宙的紧致程度增加一倍，也就相当于天体之间的距离缩减为原来的一半。宇宙的紧致程度也被称为“宇宙标度因子”。

科学家将宇宙空间现在的紧致度看做是 1，不同历史时期的宇宙空间紧致度则以这个标准来递减，那么大爆炸模型中的第一个宇宙期，即普朗克时期时，宇宙紧致度或标度因子便是 10^-17。这个标示宇宙尺度的因子，其回溯比例的取值并非是随意指定的，而是来自弗里德曼方程（Friedmann Equations）的一个参数。弗里德曼方程是苏联物理学家弗里德曼于1922年推导出的，方程基于广义相对论并假设了宇宙是均匀和各向同性的，然后以此为基础描述了宇宙的膨胀模型。

根据宇宙紧致度的定义，当它增大时，宇宙的尺度也增大，反之，当它减小时，宇宙的尺度也减小。紧致度可以理解为宇宙的线性尺度与参考尺度（通常取为某一个初始时间点的尺度）之间的比例关系。宇宙紧致度对于理解宇宙的演化和宇宙学原理非常重要，因为它与宇宙中物质和能量的分布、宇宙的结构形成，以及宇宙的几何性质等密切相关。

广义相对论是描述引力的理论，它预言了物质会使其周围的空间弯曲。例如，从太阳旁边经过的光线会发生偏转，这是因为太阳的质量弯曲了周围的空间；实际上不仅仅是光，任何物质都会因为弯曲的时空而改变原先的运动路径。这也是引力的本质：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。

既然物质可以用质量来描述，那么空间呢？我们知道，对空间的理解工具是几何，并且空间的几何性质通常是以质量换算出的曲率来加以描述的；简单理解，曲率就是空间的弯曲程度（科幻作品中的曲率引擎就是将低维空间在高维中弯曲，就好像我们将一张纸折叠起来，从而在纸的两端实现超越光速的瞬间移动效果，当然，人们并不知道如何实现它）。

根据以上的讨论，即物质的分布可以决定空间的形状和后续演化，而宇宙是均匀且各向同性的，因此通过宇宙的能量和物质密度就可以推算宇宙的几何性质和未来命运。那么，通过观测得到的宇宙中物质的密度数据，并结合相对论即可确定宇宙的形状了。如果空间的曲率为零，则空间是“平坦”的，完全平坦的宇宙有可能在遥远的未来达到一种平衡状态；如果曲率为正，则空间是球状的，宇宙可能会走向“闭合”；如果曲率为负，则空间是马鞍形弯曲的，宇宙将越来越“开放”。

因此，宇宙学又引入了一个重要的基本参数，即“临界密度”，它的物理含义是指：让宇宙终止膨胀（使宇宙闭合）所需的平均密度，而密度即宇宙中单位体积内的平均质量和能量。宇宙密度参数用 Ω 表示，它是宇宙当前的平均密度和临界密度之间的比值。我们已经说过，Ω 是可以决定宇宙形状的。

在上图中，宇宙的空间性质可以用抽象的红色三角区域来说明。即作为物理量的“密度参数”被转换成几何图形中的“曲率”；在这里，曲率的几何意义等价于（位于二维曲面空间中的）三角形内角和。当曲率值等于 1 时（即初中所学习的平面几何），三角形的内角和是标准的180°；在球面结构下，内角和大于180°，并且三角形越大内角和就越大；而在马鞍面结构下，内角和则会小于180°，在这种情况下，空间延伸得越远，那么扩张所获得的面积就越大。

有些读者可能会感到奇怪，与上图中的二维三角形不同，我们的宇宙空间至少是三维的，那么这种比较要如何进行呢？实际上，以上叙述中所描述的这种计算，是可以被扩展到更高维空间的，其结果不变。就好像我们要去计算边长为A的立方体体积（立方体不一定非要是三维的），在二维空间中（退化为正方形的面积）其体积为A²，三维空间为A³，n维空间则为Aⁿ。通过这个简单的例子可以看出，几何性质的计算属于一个纯粹的数学问题。因此，尽管我们不可能在有限的三维空间中绘制出宇宙的形状，但只要原理正确，我们也同样可以预测宇宙的几何性质和未来。

宇宙的几何形状和它未来的命运息息相关。

球面宇宙是封闭的，即虽然宇宙是没有边界的，但它仍然是有限的，它总有一天会结束膨胀，然后便静止不动了；当然，它更有可能会在膨胀的尽头发生坍塌，也许会重新回到奇点；之后，宇宙也许还会启动下一个轮回；也许这种轮回是无限循环的，这是一种我们从情感上容易接受的结果，因为轮回让宇宙也有了前世今生。

而平坦宇宙和双曲面宇宙则是开放的，一个开放的宇宙也许将永远膨胀下去，其半径也会随着时间的推移而不断增加；那样的话，天上的星星会越来越稀疏，也许有一天，就连星系都会被无限的空间撕裂，从而留下一个个外部引力作用可以被忽略的孤独恒星；也许有一天，我们现在能看到的天体——恒星、行星和尘埃等等，也会被撕裂成原子；甚至还可能有一天，也许就连原子都会被撕裂，直到物质形式的存在永远消失在“虚空”中，宇宙万物的命运就像一滴被融化到大海里的眼泪。不过这些都只是“也许”。

从刚刚讨论的三种宇宙模型可知，通过测量位于二维表面上的三角形内角和，我们可以判断它的整体几何结构，该方法同样适用于在第四个空间维度上发生弯曲的三维空间。想要弄清宇宙三维空间的几何结构，只需构造一个三角形路径，计算其内角和即可。实际上，我们在地球附近就可以找到这样的计算参数，比如可以在太阳、月球、地球之间作一个（通过密度分布情况所确定的）三角形并计算其内角和。不过这个三角形相对宇宙来说实在是太小了，就好像要依靠细胞大小的皮肤面积去评估一只大象的体型，或者在一个井盖大小的范围内通过曲率来考察地球的形状。因此，我们需要扩大三角形的范围，比如依据宇宙背景辐射就可以帮助我们在宇宙尺度上实现这一设想。具体细节就不再展开了，但基本原理则是根据宇宙背景辐射计算出热（冷）区的平均物理尺寸以及平均角度，然后结合描述空间加速速率的哈勃常数等，即可通过基础的三角函数计算出宇宙的几何形状。

根据测量和计算结论，我们宇宙的空间曲率非常接近于零，即在可观测宇宙范围的尺度内，通过能量密度构造的三角形，其内角和刚好是180°。也就是说，天文学家们现在（2023）认为，宇宙大概率是一个“平坦的”几何结构。如果宇宙真的是平坦的，那么它很可能会一直膨胀下去，直到几千亿、几万亿年后，当人类望向外太空时，他们将不会看到一丝星光。我们现在不会知道那时的人类，如果还存在的话，会在宇宙的哪个位置观察星空，但肯定不会在太阳系内，因为太阳只有不到50亿年的寿命了。

当然，目前（2023）的观察和计算结论很可能有缺陷，因此也并不意味着我们的宇宙真的就是平坦的。很多因素都会否定现在的结论：比如，宇宙可能并不是各向同性且均匀的（目前看不太可能）；宇宙中也许还有我们不了解的机制或能量作用形式，如宇宙中暗物质或暗能量等所占的比值也许会阻止宇宙的膨胀；观测误差和模型的不确定性也并不能被排除等等。最后，就算宇宙会永远膨胀下去，作为人类其实也不用担心，因为人类还有很多更紧迫的事务要面对，比如，如何将文明延续到下一个千年。

如果宇宙是平坦的，那么这个“平坦的”宇宙到底有多大呢？实际上对宇宙形状的计算和对宇宙大小的计算是相互关联的。通过宇宙背景辐射所获得的热区尺寸，可以推算出在退耦时期（即大爆炸后约38万年）宇宙的直径大约为90万光年。之后宇宙又膨胀了大约1100倍。根据普朗克卫星和WMAP的测量结果，其对应的角度约为1.2°。如此一来（计算过程还是非常复杂的，不在作者的能力范围内），便可以算出我们距退耦面（即背景辐射产生时的宇宙时空）的距离大约为460亿光年，这个数字就是可观测宇宙的半径。

如果宇宙几何结构呈封闭状，那我们测得的热区/冷区角度会更大一些；如果宇宙几何结构呈开放状，那我们测得的热区/冷区角度会更小一些。一切都严丝合缝。总而言之，宇宙的几何结构计算和我们中学时学到的几何知识差不多，是整个几何学中最为简单的一种模型。对于不了解爱因斯坦和黎曼的初学者来说，首先能想到的就是这种相当基础的几何结构。更重要的是，这种几何结构已经被科学探测确定，且用其他不同的方案予以复核过了。

如果可观测宇宙的半径是460亿光年，那么宇宙总体会有多大？宇宙是无限的吗？很遗憾，目前没有人知道答案。不过从目前的观测结果可以看出，一个无限的、各处性质都跟银河系周边环境差不多的宇宙，与各种数据最为贴合，也是最简约的一种描述。

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