宇宙演義·第三回

光物等密度輻射退位 環境電中性光子脫身

上回書說到，宇宙諸子陸續從虛空中誕生，最初是夸克和膠子的王朝，它們坐下來開了個會，合計說這樣不行啊眼見得天兒越來越冷啦，咱們該抱團抱團該破產破產啊。于是夸克和膠子首先結了個婚，質子和中子就是這么形成的，它們是構成原子核的基本成分，合稱“核子”。接下來宇宙繼續一邊膨脹，一邊降溫，這種“子”那種“子”開著圓桌會議輪流坐莊，強子和輕子先后當上宇宙大統領。到了輕子王朝的末尾，實在冷得連質子和中子也繃不住了，紛紛抱到一起，這就是開啟輻射王朝序幕的“太初核合成”。

充滿“光”的黑暗期

太初核合成登臺的時候，宇宙芳齡約為三分鐘，整個合成的階段又花了它大約三分鐘，三分鐘又三分鐘過去，宇宙還是個單純明朗的小小少年。所謂單純，指的是它的物質組成，除了一大堆原子核和其他基本粒子之外啥也沒有，粒子們各玩兒各的，就連電子現在也還不是原子核的親密小伙伴呢，不像后面宇宙冷了，粒子們就不得不各種拉幫結派，搞出無比復雜的種種現象，其中最復雜的一種就是生命。所謂明朗呢，指的是宇宙現在還被輻射主宰著，空間中每一個角落都塞滿了光子，那叫一個輝煌燦爛，根本就是一個巨大而徹底的光球，放眼望去那是一點兒黑暗也瞧不見。

宇宙對此很不滿意！

書中在此暗表，其實后世宇宙學家對此也很不滿意。為啥呢？因為雖然這會兒的宇宙一片光輝燦爛，但是每一個光子都陷在周圍的高能粒子包圍里，一步都跑不動。也就是說，這會兒的光子，沒有一個能最后抵達我們的望遠鏡，宇宙看起來是黑暗的，我們啥也看不到！宇宙學家還特別給這個時期起了個名字，叫“黑暗時代”。

不過滿意也好、不滿意也好，能做的事兒都只有一樣：繼續默默地膨脹啊膨脹，同時變冷啊變冷。在接下來的10萬年里，都是輻射在當家做主，物質只是宇宙里的小卒子。但隨著溫度的降低，輻射密度下降得比物質密度要快，這架輻射與物質的蹺蹺板一直在慢慢地朝平衡點轉變。終于，當宇宙年齡達到10萬歲，溫度降到10000K的時候，duang！這架蹺蹺板來到了平衡點，物質的那一頭即將壓下去，而輻射的這一頭終于翹起來。

這就是宇宙早年的“等密度期”，它標志著宇宙的早期即將結束。對宇宙來說，這是一個“喜大普奔”的歷史性時刻。物質終于翻身做主人啦！引力即將大顯神通變成全宇宙的共主！對我們來說，這也是一個同樣“喜大普奔”的時刻，給各種高能粒子搞普查上戶口的日子終于到頭啦！下一個目標是光子的解放戰爭，然后多姿多彩的宇宙景觀就在前方！有分教：

宇宙漸趨高冷，諸子各起王朝。

引力揚鞭策馬，光暗分道揚鑣。

光子的解放

前面也說了，宇宙這時候好一片燦爛輝煌，可是光子舉步維艱，沒法脫離帶電粒子——也就是自由電子和質子的海洋。光子只要走過一點兒距離就一定會撞上一個帶電粒子，被它散射，沒法沿著原本的路線一直走下去，最后只能在一大堆電子和質子中間稀里糊涂地打轉。這就跟在霧霾里的能見度一定很低是同樣的道理，不過宇宙早期的這片“霧霾”非常明亮。宇宙想要解放光子，讓它們自由自在地在宇宙里穿梭，就得干掉這些到處都是的帶電粒子。

幫手是現成的，而且有一大堆：太初核合成都過去十幾萬年啦，產生的那些原子核至今還單身著呢！現在是因為溫度太高，大家都飛速跑來跑去，耐不下性子來呆在一起。等到溫度一低，跑不動了，那還不馬上跟電子成雙成對？到時候不光是光子可以到處亂跑，電中性的物質也不再容易受到輻射影響，可以隨便塑造各種東西了。對，就這么辦！

我就這么說一句話的工夫，宇宙可是又花了十幾萬年來慢慢冷卻。差不多是在它年滿30萬歲的時候，溫度降到3000K，電子被原子核一一捕獲。忽然之間，輻射和物質分道揚鑣、各不相干，光子就在宇宙中橫沖直撞起來。到了宇宙年齡38萬年的時候，光子解放戰爭大獲全勝，宇宙終于變得透明啦！

對宇宙來說，這樣的結果意味著什么呢？意味著它終于可以拍照留念了！宇宙芳齡38萬歲時發出的光子，其中有很少的一些最終來到了地球人的天線中。它們經過了漫長的旅途，被宇宙這一百多億年的膨脹搞得精疲力盡，能量大大降低，對應的溫度從3000K直跌到了2.7K……

是的，“光子解放戰爭勝利留念”，這張照片放到現在，就變成了“宇宙微波背景輻射”。它們是一回事。那也是我們能看到的宇宙最早的時刻，在那之前的一切，都只能由理論和高能物理實驗來告訴我們，再大的望遠鏡都派不上用場。

在光子第一次掙脫牢籠的時候，宇宙中彌漫著的是微弱的紅光。這是3000K的溫度對應的顏色，和現在宇宙中最冷的恒星相當。它標志著宇宙嬰兒時期的結束。

宇宙嬰兒照

宇宙在搖籃邊上的這張照片是宇宙學家們的至寶。他們對這張照片的感情和熟悉程度，絕對比任何一個腦殘粉對偶像照片還要多。就更別說他們的拍照工具了，都說單反窮三代鏡頭毀一生，可哪一個攝友能有天文學家這么豪邁：他們拍個照必須朝太空中發射衛星，前后還發射了不止一個！最早的COBE12星花費幾千萬美元，接下來的WMAP衛星花了1.5億美元，最后的普朗克衛星干脆花了整整7億歐元。

不過這樣的花費確實是值得的，他們拍的可是年僅38萬年的宇宙，和如今的宇宙年齡相比，相當于一個能活100歲的人剛生下來一天的時候。宇宙在這張嬰兒期的照片上顯得像是平靜的海面，從大面積來看一片平坦，但在局部會泛起細微的漣漪。正是這點兒漣漪讓它如今變得復雜而精彩，星系團們從這些微小的種子里脫胎，恒星次第點亮，生命在無數次的嘗試后誕生，宇宙成為如今這副模樣。

幼小的宇宙怎么從當初的高度均勻變為現在的高度不均勻，就和更幼小的宇宙怎么會讓物質比反物質多一樣，還是一個未解之謎。

至于更早的、搖籃里的宇宙，因為它囚禁著所有的光子，我們無法通過光子獲得和它相關的信息。從現在望過去，在搖籃的邊上有一層看不穿的障壁，它是宇宙不透明時期和透明時期的分界面，對我們來說，這就是可觀測宇宙的邊界。只有那些比光子更早獲得自由的粒子才有可能穿過這層邊界，從那個時候的宇宙抵達我們身邊。

有沒有這樣的粒子呢？有的。中微子就比光子更早脫困，逍遙自在地到處亂跑，理論上，我們有可能獲得來自更年輕宇宙的中微子，從中探知宇宙寶寶的信息。可借也正因為中微子這份逍遙自在，要抓到它簡直太難了，中微子望遠鏡目前還只能是存在于科幻小說中的黑科技，不知道何時才能真的造出來。

不管怎么樣，宇宙朝它星辰大海的目標又近了一步。物質在宇宙中蠢蠢欲動，它們已經準備好了要上演一場好戲。真正的巨星將要在1億多年后登場，有絕對超乎你想像的巨大和明亮，照亮了當時還不大的整個宇宙。這正是：

光子脫困離障壁，初留倩影起漣漪。

且待微波翻巨浪，綻放星系有傳奇。

欲知后事如何，且聽下回分解。