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1979年诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格的畅销书《*初三分钟：关于宇宙起源的现代观点》是一本介绍早期宇宙的状态、构成及演化的相关知识，特别是大爆炸后数秒至几分钟的宇宙形态及其变化过程的科普读物。书中深入浅出地讲解了宇宙的大尺度结构、漩涡星云的性质、遥远星系的红移、宇宙微波背景辐射、科学家们提出的各种宇宙模型以及宇宙的未来前景等问题。该书被评为“改变世界的25本科普书之一”。

前  言

1 导论：巨人和牛

2 宇宙的膨胀

3 宇宙微波背景辐射

4 炽热宇宙的配方

5 初三分钟

6 历史的题外话

7 初百分之一秒

8 尾声：未来前景

附  录

词汇表

数学注释

后  记

参考文献

史蒂文·温伯格（Steven Weinberg），美国国家科学院院士、伦敦皇家学会外籍会员、美国哲学和科学史学会会员，美国理论物理学家，1979年诺贝尔物理学奖得主，曾获得美国国家科学奖章、“刘易斯·托马斯奖”（诗人科学家奖）等多项殊荣。温伯格出版了多部极具影响力的理论物理教材。在专业领域之外，他致力于将科学理念与人文知识相结合，所著的《初三分钟》《仰望苍穹》等书畅销全球。

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我们看到，要在光子的碰撞中产生m质量的物质粒子，光子的特征能量就必须至少与静止粒子的能量mc^2相等。由于光子的特征能量是温度乘以玻尔兹曼常数，因此辐射的温度必须至少为静止能量mc^2除以玻尔兹曼常数。也就说，对每种类型的物质粒子来说，在这类粒子能够从辐射能量中创造出来之前，都有一个用静止能量mc^2除以玻尔兹曼常数确定的“阈值温度”，必须达到。

两个光子要在直接碰撞中产生一个电子和一个正电子，那每个光子的能量就必须大于一个电子或一个正电子质量中的“静止能量”mc^2。这一能量是51.1003万电子伏。为了找到使光子有相当大的机会获得这一能量的阈值温度，我们将这一能量除以玻尔兹曼常数(每开氏度0.00008617电子伏)，得出的阈值温度为60亿开氏度(6×10^9°K)。在任何更高的温度上，电子和正电子都会在光子的相互碰撞中自由地创造出来，因此它们的存在数量极大。

类似的观点适用于各种类型的粒子。对自然界中每种类型的粒子来说，都有一个相对应的“反粒子”，它们的质量和自旋完全相同，而电荷却相反，这是现代物理学的一个基本规则。唯一的例外是某些纯中性粒子，如光子本身，可以认为，它们自己就是自己的反粒子。粒子和反粒子的关系是互反的：正电子是电子的反粒子，而电子又是正电子的反粒子。给它们有足够的能量，在一对光子的碰撞中创造出任何类型的粒子-反粒子对都永远是可能的。

这的确是一个非凡的结论。为了了解它的意义，让我们想一想过去温度高于10万亿度(10^13°K)，即中子和光子的阈值温度的一个时期。当时，宇宙中有着大量的核粒子和反粒子，其数量与光子不相上下。但重子数是核粒子数和反粒子数之间的差。如果这一差数比光子数小10亿倍，从而也比核粒子总数小约10亿倍，那么核粒子数就会仅仅比反粒子数多10亿分之一。按照这一看法，当宇宙冷却到核粒子的阈值温度以下时，反粒子与相应的粒子全都湮灭了，残留下的是稍稍多出反粒子的那部分粒子，这部分粒子最终变成了我们所知道的世界。

......in the 1950s, the study of the early universe was widely regarded as not the sort of thing to which a respectable scientist would devote his time. No***as this judgment unreasonable. Throughout most of the history of modern physics and astronomy, there simply has not existed an adequate observational and theoretical foundation on which to build a history of the early universe.

it matters hardly at all in the early universe whether space is finite or infinite.

这就好比一位推销员出发去旅行，在旅途中，他要每周定期寄出一封家书一样。当他离开家的时候，每封信的路程都比上一封稍远，因此他的信的到达时间也会相差一周多一点；当他返回家的时候，每封信的路程都比上一封稍近，因此它们到达的频率比每周一封要多。

弗里德曼模型包括两种截然不同的类型。如果宇宙物质的平均密度小于或等于某个临界值，那宇宙必定是无穷的。在这种情况下，当前的宇宙膨胀会一直持续下去。但如果宇宙物质的密度大于这个临界值，那物质产生的引力场就会使宇宙弯曲并回到自身；尽管它无边无际，但却是有穷的，就像球面那样（也就是说，如果我们沿直线前行不会到达宇宙的任何边缘，而最终只会回到起点）。在这种情况下，引力场会最终强大到一定程度，阻止宇宙继续膨胀，并最终塌缩，重新形成无限大的密度。临界密度与哈勃常数的平方成正比；如果按照当前流行的数值，即15千米·秒-1/百万秒差距，临界密度等于5×10负30克/立方厘米，或大约每千升空间3个氢原子。

编辑推荐

*初三分钟》一书被公认为是物理学科普读物的里程碑作品，其写作范式成为后来许多作品所遵循的参考标准，它也是温伯格探讨大爆炸之后早期宇宙面貌的代表性作品。

在宇宙的早期，特别是在*初百分之一秒的时候，基本粒子理论的问题和宇宙学的问题融合在了一起。……能够说出在*初一秒钟、*初一分钟或*初一年，宇宙是什么样子，早期宇宙在某个时刻的温度、密度和化学成分是怎样的，那真是一件非常了不起的事情。……温伯格带领我们追溯宇宙*初时期的状况，采用了电影似的处理方法：即一格一格地观察宇宙如何膨胀、如何冷却、如何形成。

对于我们所置身其中的这个宇宙，也许，我们真正的问题并不在于理解宇宙的初始，甚至不是确定宇宙是否的确存在一个起点，我们真正的问题在于在时空没有任何意义的情况下去认识自然。

《*初三分钟：关于宇宙起源的现代观点》详细、全面地介绍了早期宇宙的状态、构成及演化的相关知识，特别是大爆炸后数秒至几分钟的宇宙形态及其变化过程，涉及了宇宙的大尺度结构、漩涡星云的性质、星系红移以及科学家提出的各种宇宙模型等问题。该书被评为“改变世界的25本科普书之一”。《*初三分钟》也获评为重庆市优秀科普图书。

书摘插图

  宇宙会一直膨胀下去，且会持续一段时间。关于它以后的命运，标准模型作出了含糊的预测：它完全取决于宇宙密度是否小于某个临界值或大于某个临界值。正如我们在第2章中看到的，如果宇宙密度小于临界密度，那宇宙就是无穷的，将永远膨胀下去。我们的后代，如果那时我们还有后代的话，将看到所有恒星上的热核反应会逐渐结束，仅残留下各种熔渣：黑矮星、中子星，或许还有黑洞。行星也许会继续沿轨道运行，当它们发射引力波时，速度会稍稍降低，但永远不会在任何一个有穷的时间内进入静止状态。宇宙背景辐射和中微子温度将继续下降，下降幅度与宇宙规模成反比，但这些都无法逃脱出我们的眼睛；即便现在，也还很难探测到3?K的微波背景辐射。

另外，如果宇宙密度大于临界值，那宇宙就是有穷的，终会停止膨胀，取而代之的则是宇宙加速收缩。例如，如果宇宙密度是其临界值的两倍，如果当前通用的哈勃常数是正确的，那现在宇宙就有100亿岁了；它会再继续膨胀500亿年，之后开始收缩。收缩只不过是倒退的膨胀而已：500亿年过后，宇宙将重新回到现在的规模，再过100亿年，它将接近奇特的无穷密度状态。

至少在收缩阶段初期，天文学家（如果还有的话）将能够观测到红移和蓝移。如果宇宙比观测到光的时候大，那来自邻近星系的光就会发射出来，因此，当观测到光的发射时，这种光似乎朝着光谱的短波端，即蓝端偏移。另外，如果宇宙仍处于膨胀初期，那来自极远物体的光就会发射出来，那时宇宙甚至比观测到光的时候还小，因此，当观测到光的发射时，这种光似乎朝着光谱的长波端，即红端偏移。

由光子和中微子形成的宇宙背景温度将会下降，然后又随着宇宙的膨胀和随后的收缩而升高，它总是与宇宙规模成反比。如果现在宇宙密度是其临界值的两倍，那我们的计算结果说明，当宇宙膨胀到时，它比现在正好大两倍，到时的微波背景温度将只有当前值3?K的一半，或约1.5?K。因此，随着宇宙开始收缩，温度将开始升高。

刚开始，不会出现警报——在几十亿年的时间里，背景辐射的温度极低，需要付出很大努力才能检测到它。然而，当宇宙重新收缩到只有当前规模的百分之一时，背景辐射将开始在天空中占支配地位：夜空将如我们当前的白昼一样温暖（300?K）。7?000万年后，宇宙将再收缩10倍，我们的后代（如果有的话）将觉得天空亮得难以忍受。行星和恒星大气中的分子和星际空间中的分子将开始分解成原子，原子又将分解成自由电子和原子核。再过700?000年，宇宙温度将达到1?000万度；到那时，恒星和行星本身也将熔化成一种由辐射、电子和核组成的宇宙混合物。

再过22天，温度将上升至100亿度。然后，原子核开始分解成其组分，即质子和中子，从而破坏恒星和宇宙核合成。此后不久，在光子与光子的碰撞中将产生大量电子和正电子，中微子和反中微子的宇宙背景将与宇宙的其他部分重新形成热共享。

我们真的能够将这个令人沮丧的故事一直讲下去，一直讲到无穷温度和无穷密度的状态吗？当温度达到10亿度大约3分钟后，时间真的能够停止吗？显然，我们对此毫无把握。我们在第7章中探索百分之一秒时遇到的所有不确定的问题，在我们探索后百分之一秒时，将再次使我们不知所措。首先，当温度比10

32?

K高时，我们必须使用量子力学的语言来描述整个宇宙，但没有人真正了解当时到底发生了什么。另外，如果宇宙并不具备各向同性和均匀性（参见第 5 章结尾），那么，在我们面对量子宇宙之前的很长一段时间内，我们整个的讲述就有可能失去有效性。

从这些不确定性中，有些宇宙学家看到了某种希望。或许，宇宙将经历一种宇宙“反弹”，开始重新膨胀。在《新埃达》中，诸神和巨人在世界毁灭时经过一场激战之后，地球被水火摧毁，但洪水退却后，托尔的儿子们又拿着父亲的锤子，从地狱中走了出来，整个世界又重新开始。但如果宇宙真的重新膨胀，那么，它的膨胀也会再次减缓，直至停止，然后开始另一轮的收缩，并在另一次的宇宙毁灭中结束，然后又发生反弹，循环往复，永无休止。

如果这就是我们未来的样子，那按理说，这也是我们过去的样子。当前宇宙的膨胀只不过是上一次收缩和反弹后的一个阶段而已（实际上，迪克、皮布尔斯、罗尔和威尔金森在1965年撰写的关于宇宙微波背景辐射的论文中就假设，宇宙在过去一定有一个膨胀和收缩的完整阶段，他们认为，宇宙一定曾经足够地收缩过，使温度升至至少100亿度，从而分解在之前阶段形成的重要元素）。再往后看，我们可以想象一个无穷尽的膨胀和收缩循环，它一直延伸到无穷的过去，根本就没有开端。

有些宇宙学家从哲学意义上对振动模型感兴趣，尤其是因为，如同稳恒态模型，振动模型也巧妙地避开了创世纪的问题。然而，它的确也面临着一个严重的理论难题。在每次循环过程中，随着宇宙的膨胀和收缩，光子与核粒子（或更确切地说，每个核粒子的熵）之间的比率，会因一种摩擦（称为“体积黏度”）而稍有增加。据我们所知，到时，宇宙将开始一个新的循环，光子与核粒子之间的比率也会是一个新的数值，且略有提高。目前，这个比率非常大，但却不是无穷的，因此难以看出，宇宙如何在过去经历了无数次的循环。

然而，所有这些问题都有可能被解决，不管哪个宇宙模型被证明是正确的，都不会给人多大慰藉。人类几乎不可避免地会认为，我们与宇宙之间存在某种特殊关系，人类的生活不仅仅是始于初三分钟一系列事件所带来的具有喜剧色彩的产物，而且，我们在宇宙初始时就已在某种程度上将自己置于宇宙中了。当写至此处时，我正巧坐在一架飞行在30?000英尺高空的飞机上，当时，我正从旧金山返回到波士顿的家中，飞机飞行在怀俄明的上空。往下看，地球看起来非常柔软、舒适——绒毛似的云朵随处可见，积雪在落日的映照下变成粉红色，公路从一个城镇到另一个城镇，笔直地延伸在大地上。很难想象，所有这些都只不过是充满敌意的宇宙中一个微不足道的部分而已。

更难想象的是，当前这个宇宙是从人类完全陌生的早期环境中演化而来的，而且在将来有可能毁灭，进入无休止的寒冷或无法容忍的酷热状态，宇宙越是看似容易理解，越是让人不可捉摸。但即使我们的研究成果没有令人宽慰的东西，那至少研究本身也称得上是某种宽慰。人们不满足于用神和巨人的传说来宽慰自己，也不愿将自己的全部精力放在日常琐事上；他们还***了望远镜、卫星和加速器，整日坐在办公桌前，研究所收集资料的价值和意义。努力去理解宇宙，这是使人类生活减少一些喜剧色彩、增加某些悲剧色彩的少数事情之一。

……

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媒体评论

我是先看了格林的科普片《宇宙的结构》，然后才来看这本书的。书的内容很丰富，知识点深入浅出，作者很是考虑了没什么物理基础者的知识水平，让我这样的外行人也能了解一二。                                                             ——当当网读者

此书的源起是作者1973年在Harvard Science Center落成典礼上的一次演讲。它比较详细地描述了宇宙*初的三分钟（准确地说，是三分四十六秒）的六幅画面（限于成书时间，没有涉及暴胀理论）。书中也解释了为何直到1965年才发现宇宙3K各向同性的微波背景辐射。它提到了在科学中，“被误导是多么容易，而随时知道下一步怎么做又多么难”，并指出：“重要的不是摆脱理论偏见，而是要有正确的理论偏见。对任何理论看法的检验，都要看其产生的结果。”                                                       ——豆瓣网读者

本书其实从动机上来讲，很简单：人类对于宇宙的来源有着永恒的好奇心。人们观察到一些现象，推导出一些原理，便忍不住要去想象世界的源头。实则是根据现在的世界逆推而得，见到的风景不同，逆推得到的风景也不同。而这本书，其实也是根据人类的观察所得，逆推得到的对世界来源的猜想。                                   ——豆瓣网读者

前言

本书缘于 1973年11月我在哈佛大学本科生科学中心落成典礼上所做的一次演讲。基础读物出版社的社长兼发行人欧文·格莱克斯从我们一个共同的朋友——丹尼尔·贝尔那里听说了这次演讲的内容，于是劝我将其整理成书。

起初，我对这个主意并不热心。尽管我也一直在作一些关于宇宙学方面的研究，但我主要涉及的领域还是基本粒子理论，即极小物质的物理学。另外，关于基本粒子物理学的研究在过去几年中甚为活跃，而我却把过多的时间用在了别处——为各种杂志撰写非专业性文章。因此，我迫切希望将注意力重新转移到本应属于我的专业领域——《物理学评论》。但我发现我无法停止思考：撰写一本关于早期宇宙的书。有什么能比创世纪的问题更有趣呢？而且，在宇宙的早期，特别是在初百分之一秒的时候，基本粒子理论的问题和宇宙学的问题融合在了一起。重要的是，现在是写一些关于早期宇宙内容的大好时机。因为，在过去的几十年中，一种关于早期宇宙事件发展过程的详细理论，作为一种“标准模型”，已得到了广泛的认可。

能够说出在初一秒钟、初一分钟或初一年，宇宙是什么样子，那真是一件非常了不起的事情。对于一个物理学家来说，令人兴奋的是能够量化地把情况弄清楚，能够说出某个时刻宇宙的温度、密度和化学成分是这样的或那样的数值。的确，到目前为止，我们对这些数值的准确性还都没有的把握，但起码我们现在在谈论这些事情的时候能够有一点自信，这就足以让人兴奋不已了。我想向读者表达的也正是这种兴奋。

我好对本书所面向的读者作一说明。我是根据这样一些读者的情况来撰写本书的：他们愿意对一些详细的论证进行思考，但对数学和物理又不在行。尽管我必须介绍一些较为复杂的科学思想，但在本书正文中却没有使用超出算术范围的数学，也不需要读者事先具备多少物理或天文学知识。对于初次用到的科学术语，我都小心地给出了定义。此外，我还提供了一份物理学和天文学术语词汇表。在可能的情况下，我还对数字采取了诸如“1?000 亿”的写法，而不是使用更为方便的科学记数法：10

11

。

然而，这并不意味着我要写一本简易读物。当一个律师面向普通公众写东西时，他会假设他们不了解法律专用术语，也不懂“禁止永久拥有房产”的规定，但他并不会把事情想得更糟，也不会摆出一副屈尊俯就的模样。我想把这一句恭维话反过来使用：我心目中的读者是一些精明的资深律师，虽然他们讲的不是我的语言，但却想先听一听某些令人信服的论点，然后再拿主意。

如果有些读者确实想了解作为本书论据基础的运算，那么，针对这部分读者，我编写了“数学注释”，附在本书正文之后。关于本书内容所涉及的数学知识，如果是物理学或数学专业毕业的本科生，那么，他一定能够理解这些注释。幸运的是，宇宙学中重要的运算其实是很简单的；诸如广义相对论或核物理那些更精妙的观点只是偶尔才发挥作用。如果有些读者想针对这一论题进行更深入的专业性探索，可参考“参考文献”中所列的那些高级论文（也包括我写的论文）。

另外，我还要明确指出本书将要探讨的主题。它并不是一本全面探讨宇宙的鸿篇大作。本书的主题中有一个“古典”部分，即关于当前宇宙大规模结构的部分：关于旋涡星云银河系系外性质的辩论；关于遥远星系红移的发现及其与距离的依赖性；关于爱因斯坦、德西特、勒梅特和弗里德曼的广义相对论宇宙模型等。很多著作都已经对宇宙学的这部分内容作了精辟的论述，因此，我并不想在本书中再大费口舌地重新论述一遍。我所撰写的这本书更多关注的是早期宇宙的情况，特别是人们在1965年根据宇宙微波背景辐射的发现所提出的关于早期宇宙的新认识。

当然，宇宙膨胀理论是我们当前关于早期宇宙认识的一个基本组成部分，因此，我不得不在第 2 章中简单介绍一些宇宙学的“古典”内容。我认为这一章为读者（包括那些完全不了解宇宙学的读者）提供了充分的背景知识，以便帮助他们了解本书其余章节所论述的内容，即早期宇宙理论的发展情况。但如果有些读者想彻底了解关于宇宙学的更详尽的内容，则需参阅“参考文献”中所列的那些著作。

另外，由于没能找到条理清晰的关于宇宙学近期发展的历史论述，我不得不自己做些挖掘工作，特别是关于为何在1965年之前的很长一段时间内没有人研究宇宙微波背景辐射这一令人着迷的问题（第4章对本问题进行了探讨）。但这并不意味着本书纯粹只是记录这些进展的情况——我非常尊重人们在科学史研究工作中所做的努力以及他们对此所给予的关注，因此，我不会在这方面有任何幻想；相反，如果某个真正的科学家、史学家愿意把本书当作起点，去撰写过去30多年关于宇宙学研究的历史的话，我会非常高兴。……

书籍介绍

本书描述了大爆炸后数秒至几分钟乃至一年的宇宙形态及其变化过程，主要涉及当前宇宙的大尺度结构、关于漩涡形星云的性质、遥远星系的红移的发现及其与距离的相依性，并讨论了爱因斯坦、德西特、勒梅特和弗里德曼的广义相对论宇宙模型等问题。该书是1979年诺贝尔物理学奖获得者史蒂文？温伯格关于宇宙起源早期状态的经典代表作品；被评为“改变世界的25本科普书”之一。本书为原著的修订版翻译本。