光物等密度輻射退位 環(huán)境電中性光子脫身

上回書(shū)說(shuō)到，宇宙諸子陸續(xù)從虛空中誕生，最初是夸克和膠子的王朝，它們坐下來(lái)開(kāi)了個(gè)會(huì)，合計(jì)說(shuō)這樣不行啊眼見(jiàn)得天兒越來(lái)越冷啦，咱們?cè)摫F(tuán)抱團(tuán)該破產(chǎn)破產(chǎn)啊。于是夸克和膠子首先結(jié)了個(gè)婚，質(zhì)子和中子就是這么形成的，它們是構(gòu)成原子核的基本成分，合稱(chēng)“核子”。接下來(lái)宇宙繼續(xù)一邊膨脹，一邊降溫，這種“子”那種“子”開(kāi)著圓桌會(huì)議輪流坐莊，強(qiáng)子和輕子先后當(dāng)上宇宙大統(tǒng)領(lǐng)。到了輕子王朝的末尾，實(shí)在冷得連質(zhì)子和中子也繃不住了，紛紛抱到一起，這就是開(kāi)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(tái)的時(shí)候，宇宙芳齡約為三分鐘，整個(gè)合成的階段又花了它大約三分鐘，三分鐘又三分鐘過(guò)去，宇宙還是個(gè)單純明朗的小小少年。所謂單純，指的是它的物質(zhì)組成，除了一大堆原子核和其他基本粒子之外啥也沒(méi)有，粒子們各玩兒各的，就連電子現(xiàn)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(jié)派，搞出無(wú)比復(fù)雜的種種現(xiàn)象，其中最復(fù)雜的一種就是生命。所謂明朗呢，指的是宇宙現(xiàn)在還被輻射主宰著，空間中每一個(gè)角落都塞滿了光子，那叫一個(gè)輝煌燦爛，根本就是一個(gè)巨大而徹底的光球，放眼望去那是一點(diǎn)兒黑暗也瞧不見(jiàn)。

宇宙對(duì)此很不滿意！

書(shū)中在此暗表，其實(shí)后世宇宙學(xué)家對(duì)此也很不滿意。為啥呢？因?yàn)殡m然這會(huì)兒的宇宙一片光輝燦爛，但是每一個(gè)光子都陷在周?chē)母吣芰Ｗ影鼑?，一步都跑不?dòng)。也就是說(shuō)，這會(huì)兒的光子，沒(méi)有一個(gè)能最后抵達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡，宇宙看起來(lái)是黑暗的，我們啥也看不到！宇宙學(xué)家還特別給這個(gè)時(shí)期起了個(gè)名字，叫“黑暗時(shí)代”。

不過(guò)滿意也好、不滿意也好，能做的事兒都只有一樣：繼續(xù)默默地膨脹啊膨脹，同時(shí)變冷啊變冷。在接下來(lái)的10萬(wàn)年里，都是輻射在當(dāng)家做主，物質(zhì)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(zhì)密度要快，這架輻射與物質(zhì)的蹺蹺板一直在慢慢地朝平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)變。終于，當(dāng)宇宙年齡達(dá)到10萬(wàn)歲，溫度降到10000K的時(shí)候，duang！這架蹺蹺板來(lái)到了平衡點(diǎn)，物質(zhì)的那一頭即將壓下去，而輻射的這一頭終于翹起來(lái)。

這就是宇宙早年的“等密度期”，它標(biāo)志著宇宙的早期即將結(jié)束。對(duì)宇宙來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)“喜大普奔”的歷史性時(shí)刻。物質(zhì)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(duì)我們來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)同樣“喜大普奔”的時(shí)刻，給各種高能粒子搞普查上戶(hù)口的日子終于到頭啦！下一個(gè)目標(biāo)是光子的解放戰(zhàn)爭(zhēng)，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(yáng)鞭策馬，光暗分道揚(yáng)鑣。

光子的解放

前面也說(shuō)了，宇宙這時(shí)候好一片燦爛輝煌，可是光子舉步維艱，沒(méi)法脫離帶電粒子——也就是自由電子和質(zhì)子的海洋。光子只要走過(guò)一點(diǎn)兒距離就一定會(huì)撞上一個(gè)帶電粒子，被它散射，沒(méi)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(zhì)子中間稀里糊涂地打轉(zhuǎn)。這就跟在霧霾里的能見(jiàn)度一定很低是同樣的道理，不過(guò)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(xiàn)成的，而且有一大堆：太初核合成都過(guò)去十幾萬(wàn)年啦，產(chǎn)生的那些原子核至今還單身著呢！現(xiàn)在是因?yàn)闇囟忍撸蠹叶硷w速跑來(lái)跑去，耐不下性子來(lái)呆在一起。等到溫度一低，跑不動(dòng)了，那還不馬上跟電子成雙成對(duì)？到時(shí)候不光是光子可以到處亂跑，電中性的物質(zhì)也不再容易受到輻射影響，可以隨便塑造各種東西了。對(duì)，就這么辦！

我就這么說(shuō)一句話的工夫，宇宙可是又花了十幾萬(wàn)年來(lái)慢慢冷卻。差不多是在它年滿30萬(wàn)歲的時(shí)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(zhì)分道揚(yáng)鑣、各不相干，光子就在宇宙中橫沖直撞起來(lái)。到了宇宙年齡38萬(wàn)年的時(shí)候，光子解放戰(zhàn)爭(zhēng)大獲全勝，宇宙終于變得透明啦！

對(duì)宇宙來(lái)說(shuō)，這樣的結(jié)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(wàn)歲時(shí)發(fā)出的光子，其中有很少的一些最終來(lái)到了地球人的天線中。它們經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的溫度從3000K直跌到了2.7K……

是的，“光子解放戰(zhàn)爭(zhēng)勝利留念”，這張照片放到現(xiàn)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(shí)刻，在那之前的一切，都只能由理論和高能物理實(shí)驗(yàn)來(lái)告訴我們，再大的望遠(yuǎn)鏡都派不上用場(chǎng)。

在光子第一次掙脫牢籠的時(shí)候，宇宙中彌漫著的是微弱的紅光。這是3000K的溫度對(duì)應(yīng)的顏色，和現(xiàn)在宇宙中最冷的恒星相當(dāng)。它標(biāo)志著宇宙嬰兒時(shí)期的結(jié)束。

宇宙嬰兒照

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

不過(guò)這樣的花費(fèi)確實(shí)是值得的，他們拍的可是年僅38萬(wàn)年的宇宙，和如今的宇宙年齡相比，相當(dāng)于一個(gè)能活100歲的人剛生下來(lái)一天的時(shí)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(lái)看一片平坦，但在局部會(huì)泛起細(xì)微的漣漪。正是這點(diǎn)兒漣漪讓它如今變得復(fù)雜而精彩，星系團(tuán)們從這些微小的種子里脫胎，恒星次第點(diǎn)亮，生命在無(wú)數(shù)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(dāng)初的高度均勻變?yōu)楝F(xiàn)在的高度不均勻，就和更幼小的宇宙怎么會(huì)讓物質(zhì)比反物質(zhì)多一樣，還是一個(gè)未解之謎。

至于更早的、搖籃里的宇宙，因?yàn)樗艚械墓庾?，我們無(wú)法通過(guò)光子獲得和它相關(guān)的信息。從現(xiàn)在望過(guò)去，在搖籃的邊上有一層看不穿的障壁，它是宇宙不透明時(shí)期和透明時(shí)期的分界面，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這就是可觀測(cè)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(guò)這層邊界，從那個(gè)時(shí)候的宇宙抵達(dá)我們身邊。

有沒(méi)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(lái)自更年輕宇宙的中微子，從中探知宇宙寶寶的信息?？山枰舱?yàn)橹形⒆舆@份逍遙自在，要抓到它簡(jiǎn)直太難了，中微子望遠(yuǎn)鏡目前還只能是存在于科幻小說(shuō)中的黑科技，不知道何時(shí)才能真的造出來(lái)。

不管怎么樣，宇宙朝它星辰大海的目標(biāo)又近了一步。物質(zhì)在宇宙中蠢蠢欲動(dòng)，它們已經(jīng)準(zhǔn)備好了要上演一場(chǎng)好戲。真正的巨星將要在1億多年后登場(chǎng)，有絕對(duì)超乎你想像的巨大和明亮，照亮了當(dāng)時(shí)還不大的整個(gè)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(tīng)下回分解。