郎思策

我們?cè)诘厍?、太?yáng)系甚至宇宙中所看到的一切，它們?nèi)慷加上嗤臇|西組成——原子。電子和原子核相互作用并連接，形成單個(gè)原子，原子接著形成或簡(jiǎn)單、或復(fù)雜的分子，分子然后產(chǎn)生今天整個(gè)宇宙的宏觀結(jié)構(gòu)（同時(shí)還產(chǎn)生了生命）。

宇宙太熱創(chuàng)造不出原子

今天的宇宙結(jié)構(gòu)，確實(shí)令我們感到震撼。但是從大爆炸發(fā)生的那一刻起，整個(gè)宇宙中，經(jīng)過(guò)了幾十萬(wàn)年，都沒(méi)有一個(gè)原子出現(xiàn)。為了創(chuàng)造它們，宇宙耗費(fèi)了很長(zhǎng)的時(shí)間，并且經(jīng)過(guò)了復(fù)雜的演變。

宇宙誕生四分鐘后，原子核就已經(jīng)出現(xiàn)了。這時(shí)沒(méi)有自由的中子，因?yàn)樗鼈兌家呀?jīng)合并到了較重的核中。這些較重的核是：氦-4（兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子），氘（一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子），氦-3（兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子）和氫-3（一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子），鋰-7（三個(gè)質(zhì)子和四個(gè)中子）和鈹-7（四個(gè)質(zhì)子和三個(gè)中子）。

這時(shí)，宇宙中也存在著許多自由電子，它們的數(shù)量和質(zhì)子數(shù)相當(dāng)，從而使得我們的宇宙能夠保持中性（不帶電）。此時(shí)的宇宙實(shí)在太熱、能量太大了，光子源源不斷地從原子核和電子中散射出來(lái)，以至于任何東西都無(wú)法形成。

原因很簡(jiǎn)單：這些原子核沒(méi)有足夠的能量相互融合在一起形成更重的組合，而電子卻因?yàn)槟芰窟^(guò)多無(wú)法被束縛到原子核上，因而無(wú)法形成原子。

實(shí)際上，對(duì)于穩(wěn)定創(chuàng)造出中性原子來(lái)說(shuō)，當(dāng)時(shí)宇宙的能量過(guò)多了——到宇宙誕生幾分鐘時(shí)，溫度仍然是幾億度。為了使創(chuàng)造出的中性原子是穩(wěn)定的，溫度必須降到幾千度以下才行。

宇宙降溫為原子產(chǎn)生創(chuàng)造條件

當(dāng)然，宇宙正在膨脹，這意味著身處其中的光的波長(zhǎng)在被拉伸而不斷冷卻。但是要拉伸到大約10萬(wàn)倍才可以，這將需要很多時(shí)間。

隨著時(shí)間的流逝，宇宙一直在膨脹和冷卻。這時(shí)，鈹-7開(kāi)始產(chǎn)生放射性衰變。通過(guò)捕獲電子，它緩慢地轉(zhuǎn)變?yōu)殇?7。經(jīng)過(guò)一兩年后，鈹-7幾乎完全消失了（全部轉(zhuǎn)變?yōu)殇?7）。時(shí)間繼續(xù)流逝，氫-3也開(kāi)始產(chǎn)生放射性衰變（通過(guò)發(fā)射電子），最后成為氦-3。

所有這些轉(zhuǎn)型，耗費(fèi)了大約100年的時(shí)間。

然而，宇宙仍然太熱而無(wú)法形成穩(wěn)定的原子。因此，宇宙繼續(xù)膨脹，冷卻且密度在降低。

時(shí)間又經(jīng)過(guò)數(shù)百年，光子的紅移變得越來(lái)越厲害——超過(guò)其他粒子的10億倍，直到它們幾乎失去了所有能量。

幾萬(wàn)年后，輻射密度下降到物質(zhì)密度以下，這時(shí)，宇宙由被光速運(yùn)動(dòng)的輻射所控制轉(zhuǎn)變?yōu)楸宦龠\(yùn)動(dòng)的物質(zhì)所支配。基于這種變化，萬(wàn)有引力開(kāi)始將暗物質(zhì)拉成團(tuán)塊，這些團(tuán)塊越來(lái)越大，從而吸引了更多的物質(zhì)。沒(méi)有輻射可以分解、破壞這些團(tuán)塊，所以宇宙開(kāi)始形成結(jié)構(gòu)——我們的宇宙結(jié)構(gòu)的雛形就在那時(shí)出現(xiàn)了。

但是那時(shí)宇宙還是太熱而無(wú)法形成中性原子。每次電子成功與原子核結(jié)合時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是發(fā)出紫外線光子，因?yàn)樵訒?huì)自然躍遷到較低能狀態(tài)（自發(fā)輻射）;二是受到其他粒子的轟炸，其中之一是光子（宇宙中每個(gè)電子周?chē)即嬖谑畠|個(gè)左右的光子）。即使大爆炸后過(guò)了數(shù)萬(wàn)年，依然有足夠的光子具有足夠的能量，一旦電子與原子核（無(wú)論是自由質(zhì)子還是較重的原子核）結(jié)合，它會(huì)立即把它們炸開(kāi)。

當(dāng)大爆炸過(guò)后約30萬(wàn)年時(shí)，情況才開(kāi)始發(fā)生變化。大爆炸中留下的背景光子開(kāi)始變涼，以致于能量不足以立即將電子從其核中踢出。這時(shí)，具有極高能量的光子變得很少，比宇宙中的電子要少很多，只有不到十億分之一的光子可以使中性原子產(chǎn)生電離。

這意味著中性原子從這時(shí)起可以開(kāi)始形成了，但是它們形成后要如何保留下來(lái)是個(gè)問(wèn)題。

雙光子躍遷

使宇宙獲得中性原子

當(dāng)形成穩(wěn)定的中性原子時(shí)，它本身會(huì)發(fā)射出紫外線光子。這些光子會(huì)以直線繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到另一個(gè)中性原子，然后將其電離。所以，即使我們可以制造少量的中性原子，但它們無(wú)法保持這種狀態(tài)，因?yàn)楹芸炀蜁?huì)遭到破壞。

您也許會(huì)認(rèn)為，如果這些紫外線光子在太空中傳播足夠長(zhǎng)的時(shí)間，并不再與中性原子發(fā)生相互作用（沒(méi)有機(jī)會(huì)碰到下一個(gè)中性原子），那么它們將發(fā)生紅移（能量變小），這樣就不能夠再激發(fā)中性原子、使其電離了。

的確，這是一種可能的情況，但這僅僅是對(duì)宇宙中最初形成的百分之幾的中性原子來(lái)說(shuō)是如此。此外，還有以下這種情況——

通常，在氫原子中，當(dāng)電子處在第一個(gè)激發(fā)態(tài)時(shí)，它會(huì)簡(jiǎn)單地下降到最低能量態(tài)，并發(fā)射一個(gè)特定能量的紫外線光子——萊曼α光子。但是，在一億次躍遷中，會(huì)有一次的下降是通過(guò)不同的路徑發(fā)生，即發(fā)射兩個(gè)能量較低的光子。這被稱(chēng)為雙光子衰變，或雙光子躍遷。它是導(dǎo)致宇宙變?yōu)橹行缘闹饕颉?dāng)一個(gè)正在形成的中性原子發(fā)射兩個(gè)光子時(shí)，第一個(gè)光子撞擊并電離附近的另一個(gè)中性原子后，第二個(gè)光子會(huì)將電離后的原子核和電子重新結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生新的中性原子，這時(shí)宇宙得到了一個(gè)額外的中性原子。

這就是宇宙如何創(chuàng)造出中性原子的故事。中性原子的產(chǎn)生這個(gè)過(guò)程很長(zhǎng)，需要10多萬(wàn)年的時(shí)間，但這就是宇宙要做的事情。這種雙光子躍遷雖然很少見(jiàn)，但卻是首先形成中性原子的過(guò)程。它使我們的宇宙，從充滿等離子，變?yōu)槌錆M100%的中性原子。

盡管我們說(shuō)宇宙是在大爆炸之后38萬(wàn)年開(kāi)始形成這些原子的，但實(shí)際上，原子的形成是一個(gè)緩慢的、漸進(jìn)的過(guò)程，該過(guò)程花費(fèi)了大約10萬(wàn)年的時(shí)間。

一旦原子是中性的，大爆炸的光就不會(huì)散開(kāi)，這就是“宇宙微波背景輻射”的起源?？茖W(xué)家從1964年開(kāi)始首次探測(cè)到這種光，進(jìn)一步證實(shí)了“大爆炸”理論的正確，并進(jìn)入了現(xiàn)代宇宙學(xué)時(shí)代。在地球上的實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)證實(shí)了雙光子躍遷，我們觀察到的現(xiàn)象代表了我們的理論預(yù)測(cè)與宇宙遙遠(yuǎn)的過(guò)去實(shí)際所發(fā)生的驚人的一致。宇宙花了50萬(wàn)年左右最終創(chuàng)造出中性原子，然后，萬(wàn)有引力開(kāi)始將宇宙凝聚成團(tuán)，最終，我們的宇宙故事已經(jīng)準(zhǔn)備好繼續(xù)下一階段。