1979年诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格的畅销书《最初三分钟（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”。

史蒂文·温伯格，1979年诺贝尔物理学奖获得者。美国理论物理学家，得克萨斯大学物理学和天文学教授。1954年毕业于康奈尔大学，后赴丹麦哥本哈根大学理论物理研究所当研究生，1957年获普林斯顿大学哲学博士学位。美国科学院院士。

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 最初三分钟
6 历史的题外话
7 最初百分之一秒
8 尾声：未来前景
附录
词汇表
数学注释
后记
参考文献

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，特别是在最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。最重要的是，
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。
能够说出在最初一秒钟、最初一分钟或最初一年
，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绝对的把握，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。
我最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“1000亿”的写法，而不是使
用更为方便的科学记数法：1011。
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，宇宙学中最重
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，即早期宇宙理论的最新发展情况。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
。
我非常感谢基础读物出版社的欧文·格莱克斯和
法雷尔·菲利普斯在本书出版过程中提出的宝贵意见
。我还要感谢那些在我撰写这本书的过程中给予我帮
助的物理学和天文学界的同人们，他们也向我提出了
善意的忠告，对此我感激不尽。我尤其要感谢拉尔夫
·阿尔弗、伯纳德。伯克、罗伯特·迪克、乔治·菲
尔德、加里·范伯格、威廉姆·福勒、罗伯特·赫尔
曼、弗雷德·霍伊尔、吉姆·皮布尔斯、阿诺·彭齐
亚斯、比尔·普雷斯、埃德·珀塞尔和罗伯特·瓦格
纳等，他们不辞辛劳，分别阅读了本书的各个章节，
并提出了建议。另外，我还要向伊萨克·阿西莫夫、
I。伯纳德·科恩、马撒·利勒和菲利普·莫里森表
达感激之情，感谢他们向我提供了关于各个专题的信
息。我尤其想对奈杰尔·考尔德表示谢意，感谢他从
头到尾阅读了整个初稿，并提出了宝贵的意见。我不
敢奢望本书现在已经没有任何差错和晦涩难懂的地方
，但我敢肯定，若非有幸得到所有这些慷慨的帮助，
它是不会像现在这样清晰、准确的。
史蒂文·温伯格
于马萨诸塞州坎布里奇大学
1976年7月

《最初三分钟（关于宇宙起源的现代观点）》的源起是作者史蒂文·温伯格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最初的三分钟（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。”

在《最初三分钟》首次出版后的16年里，宇宙又
膨胀了亿分之十三，也可能是只膨胀了亿分之六点五
。这两个数值之间的差额反映出。我们一直无法确定
宇宙的膨胀速度。正如我们在第2章中所讨论的那样
，字宙的膨胀速度是根据宇宙学的一个关键数值指数
（即哈勃常数）来表示的，而哈勃常数是通过观测遥
远星系在距离越来越远时增速的速度来测量的。随着
时间的推移，天文学家们声称在测量哈勃常数时，准
确性越来越高，但遗憾的是，他们的测量结果仍不尽
相同，且不相同的地方比他们所称的不确定性要大。
一组测量得出的数值是，距离的增加约为326万光年
，而另一组测量得出的数值大约为163万光年。在字
宙膨胀速度方面，我们面对的是系数为2的不确定性
。
问题不在于确定遥远星系的速度——通过测量遥
远星系的光谱线向光谱的红端偏移，可以相对容易地
确定其速度。如一直以来的那样，问题在于测量遥远
星系的距离。过去，测量星系距离的方法如下，通过
观测认为具有相同内在光度的某些类物体，如一种特
定类型星系中最明亮的恒星或球状星团，或某些类超
新星——并且使用它们所观测到的视光度来推断其距
离。它们看起来越暗淡。就说明距离越远。近年来，
这些方法已越来越多地被整个星系的特性研究方法所
补充，即将特殊星系的内在光度与其所观测到的内部
特性（如星系内部的恒星和气体云的速度）联系起来
。另外，超新星的视界大小也被用来推断它们所发生
于其中的星系的距离。尽管如此，所获得的哈勃常数
的结果仍不一致。人们曾希望通过哈勃空间望远镜—
—一种大型卫星运载天文仪器所观测到的结果能够解
决这一传统问题。但遗憾的是，尽管通过这个望远镜
获得了很多有价值的东西，但它本身具有的显著问题
，如振动过大、镜面变形等，妨碍了对星系距离的最
终测量。
尽管存在这些困难，关于我们宇宙的标准“大爆
炸”理论，还是得到了越来越多的认可。一方面，现
在已有更多证据来支持宇宙学原理，在第2章中所讨
论的关键假设便为标准宇宙学理论奠定了基础。根据
这个假设，平均而言在足够远的距离内，宇宙中的物
质分布是均衡的（即均匀的和各向同性的）。曾有一
段时间，在星系分布中发现的“巨大”不均匀现象似
乎越来越多——巨大墙壁、巨大空洞、巨大吸引物等
。但现在，平均而言在足够远的距离内。即在相当于
相对速度约为40000千米／秒的距离内，宇宙中的星
系分布确实是均匀的（对326万光年的哈勃常数来说
。这个距离为500百万秒差距，或大约15亿光年）。
更多用来支持宇宙学原理的证据如下，如果高能宇宙
X射线来自比500百万秒差距更远的距离，那该射线强
度在各个方向上似乎都是相同的。
……
基本粒子物理学近来的情况也大致相同。自1977
年以来，已经有一系列伟大的实验进行完毕——最引
人注目的是，1983～1984年，科学家发现了发射弱核
力的W粒子和Z粒子。因此，人们已不再严重怀疑电磁
力以及弱核力和强核力标准模型的正确性了。特别是
现在，强相互作用的“渐近自由”理论不断取得的成
功，已使在第7章中所讨论的关于最高温度为两万亿
开尔文（2×10＾32K）的推测失去了意义。在更高的
温度下，核粒子会分解成它们的组成成分夸克，简单
地说，宇宙的物质会表现为夸克、轻子和光子的气体
。只有当温度达到两万亿开尔文时，关于物质的描述
才会变得极其困难，在这个温度下，引力变得与其他
力一样强大。理论学家一直在推测在这些温度下支配
物质的理论，但要对这些推测进行直接验证。我们还
有很长的一段路要走。
自1977年以来，科学家们所研究的最令人兴奋的
一个推测性理论是弦论。在弦论中，科学家用来描述
物质的不是粒子，而是弦——时空中微小的一维不连
续。弦可以是无数振动模式中的其中任何一种模式，
在我们看来，每种模式都是基本粒子的一个不同种类
。引力在弦论中似乎不仅是自然的，也是必然的：引
力辐射的量子是闭合弦的振动模式之一。在现代弦论
中，也许有一个最高温度，但它约为10＾32K而非10
＾12K。
遗憾的是，有成千上万种弦论，我们并不清楚如
何评估它们的结果或为何是使用这种弦论而非那种弦
论来描述宇宙。但弦论的其中一个方面对宇宙学而言
有着极其重要的潜在意义。我们所熟悉的四维时空连
续不是弦论真正的基本组成部分，而是用来近似描述
大自然的，这种描述只有在温度低于10＾32K时才有
效。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。

黑夜的星空，一眼望去，宇宙似乎一成不变。的确，浮云掠过月亮，天空绕着北极星旋转，天长日久，月亮盈亏，与行星一道，在恒星组成的背景上运动。但我们清楚，这些只不过是太阳系内部的运动所产生的局部现象而已。在行星背后，恒星似乎静止不动。
事实上，恒星是运动的，运动速度高达每秒钟几百千米。因此，速度快的恒星一年内可运行约100亿千米。这比到最近的恒星的距离还少1000倍，所以它们在天空中的表面位置变化非常缓慢（例如，被称为伯纳德星的这颗恒星的运动速度较快，它的距离约为5600万千米：伯纳德星以89千米／秒或280亿千米／年的速度穿越视线，即使是以这样的速度运行，它的表面位置在一年内也仅改变0.0029°）。天文学家称天空中临近恒星的表面位置变化为“自行”。较远的恒星在天空中的表面位置变化得非常缓慢，即使是用最耐心的观测法也无法检测到它们的目行。
在这里，通常会发现那种静止不变的印象只是我们的幻觉。接下来在本章中将要讨论的观测结果显示。宇宙实际上处于一种剧烈的爆炸状态，被称为星系的巨大字宙岛正以接近光速的速度分离开来。另外，我们还可以从时间上往后推断这个爆炸，并认为所有星系的距离在过去同一时间一定比现在接近得多。事实上，它们是如此接近，无论是星系还是恒星，甚至是原子或原子核都无法单独存在。这就是被我们称为“早期字宙”的时期，也是本书所要讨论的论题。
我们对字宙膨胀的了解完全取决于这一事实。即天文学家能够直接沿视线方向测量发光体的运动，使用这种方法所得出的测量结果比从垂直于视线方向测量所得出的结果要准确得多。这一技术使用了大家所熟悉的一种特性，即多普勒效应，这是任何类型的波运动所共有的一种特性。当人们观察处于静止状态的波源的声波或光波时，各个波峰到达观测仪器的时间与它们离开波源的时间是相同的。如果波源正远离我们，那在连续波峰离开波源的这段时间里，它的到达时间会不断增加，因为每个波峰在到达这里之前，其路程都要比上一个波峰稍远。我们用波长除以波速，即可得出各个波峰到达时的时间，因此，由正在远离的波源所发出的波长，似乎比波源处于静止状态时要长（具体来讲，波长的分数增加值是由波源速度与波速本身之间的比率决定的，参见书后数学注释1）。同样。如果波源正向我们靠近，那各个波峰到达时的时间则会缩短，因为每个连续波峰需要走的路程也在缩短，波长似乎也越来越短。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。
目前，观测作用于声波上的多普勒效应并非难事。站在高速路边上，你会发现高速行驶的汽车在驶来时的声音比驶离时的声音要高（即波长短）。多普勒效应是由奥地利数学教授约翰·克里斯蒂安·多普勒于1842年在布拉格实科学校首次提出的，其内容是关于光波和声波的状况。1845年，荷兰气象学家克里斯托弗·迪特里希·白贝罗通过一个有趣的实验检验了多普勒声波效应，他使用一个小号乐队作为运动声源。这个小号乐队站在火车敞篷车厢里面，火车从荷兰乌德勒支附近的乡村疾驰而过。
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