宇宙演义·第三回

光物等密度辐射退位 环境电中性光子脱身

上回书说到，宇宙诸子陆续从虚空中诞生，最初是夸克和胶子的王朝，它们坐下来开了个会，合计说这样不行啊眼见得天儿越来越冷啦，咱们该抱团抱团该破产破产啊。于是夸克和胶子首先结了个婚，质子和中子就是这么形成的，它们是构成原子核的基本成分，合称“核子”。接下来宇宙继续一边膨胀，一边降温，这种“子”那种“子”开着圆桌会议轮流坐庄，强子和轻子先后当上宇宙大统领。到了轻子王朝的末尾，实在冷得连质子和中子也绷不住了，纷纷抱到一起，这就是开启辐射王朝序幕的“太初核合成”。

充满“光”的黑暗期

太初核合成登台的时候，宇宙芳龄约为三分钟，整个合成的阶段又花了它大约三分钟，三分钟又三分钟过去，宇宙还是个单纯明朗的小小少年。所谓单纯，指的是它的物质组成，除了一大堆原子核和其他基本粒子之外啥也没有，粒子们各玩儿各的，就连电子现在也还不是原子核的亲密小伙伴呢，不像后面宇宙冷了，粒子们就不得不各种拉帮结派，搞出无比复杂的种种现象，其中最复杂的一种就是生命。所谓明朗呢，指的是宇宙现在还被辐射主宰着，空间中每一个角落都塞满了光子，那叫一个辉煌灿烂，根本就是一个巨大而彻底的光球，放眼望去那是一点儿黑暗也瞧不见。

宇宙对此很不满意！

书中在此暗表，其实后世宇宙学家对此也很不满意。为啥呢？因为虽然这会儿的宇宙一片光辉灿烂，但是每一个光子都陷在周围的高能粒子包围里，一步都跑不动。也就是说，这会儿的光子，没有一个能最后抵达我们的望远镜，宇宙看起来是黑暗的，我们啥也看不到！宇宙学家还特别给这个时期起了个名字，叫“黑暗时代”。

不过满意也好、不满意也好，能做的事儿都只有一样：继续默默地膨胀啊膨胀，同时变冷啊变冷。在接下来的10万年里，都是辐射在当家做主，物质只是宇宙里的小卒子。但随着温度的降低，辐射密度下降得比物质密度要快，这架辐射与物质的跷跷板一直在慢慢地朝平衡点转变。终于，当宇宙年龄达到10万岁，温度降到10000K的时候，duang！这架跷跷板来到了平衡点，物质的那一头即将压下去，而辐射的这一头终于翘起来。

这就是宇宙早年的“等密度期”，它标志着宇宙的早期即将结束。对宇宙来说，这是一个“喜大普奔”的历史性时刻。物质终于翻身做主人啦！引力即将大显神通变成全宇宙的共主！对我们来说，这也是一个同样“喜大普奔”的时刻，给各种高能粒子搞普查上户口的日子终于到头啦！下一个目标是光子的解放战争，然后多姿多彩的宇宙景观就在前方！有分教：

宇宙渐趋高冷，诸子各起王朝。

引力扬鞭策马，光暗分道扬镳。

光子的解放

前面也说了，宇宙这时候好一片灿烂辉煌，可是光子举步维艰，没法脱离带电粒子——也就是自由电子和质子的海洋。光子只要走过一点儿距离就一定会撞上一个带电粒子，被它散射，没法沿着原本的路线一直走下去，最后只能在一大堆电子和质子中间稀里糊涂地打转。这就跟在雾霾里的能见度一定很低是同样的道理，不过宇宙早期的这片“雾霾”非常明亮。宇宙想要解放光子，让它们自由自在地在宇宙里穿梭，就得干掉这些到处都是的带电粒子。

帮手是现成的，而且有一大堆：太初核合成都过去十几万年啦，产生的那些原子核至今还单身着呢！现在是因为温度太高，大家都飞速跑来跑去，耐不下性子来呆在一起。等到温度一低，跑不动了，那还不马上跟电子成双成对？到时候不光是光子可以到处乱跑，电中性的物质也不再容易受到辐射影响，可以随便塑造各种东西了。对，就这么办！

我就这么说一句话的工夫，宇宙可是又花了十几万年来慢慢冷却。差不多是在它年满30万岁的时候，温度降到3000K，电子被原子核一一捕获。忽然之间，辐射和物质分道扬镳、各不相干，光子就在宇宙中横冲直撞起来。到了宇宙年龄38万年的时候，光子解放战争大获全胜，宇宙终于变得透明啦！

对宇宙来说，这样的结果意味着什么呢？意味着它终于可以拍照留念了！宇宙芳龄38万岁时发出的光子，其中有很少的一些最终来到了地球人的天线中。它们经过了漫长的旅途，被宇宙这一百多亿年的膨胀搞得精疲力尽，能量大大降低，对应的温度从3000K直跌到了2.7K……

是的，“光子解放战争胜利留念”，这张照片放到现在，就变成了“宇宙微波背景辐射”。它们是一回事。那也是我们能看到的宇宙最早的时刻，在那之前的一切，都只能由理论和高能物理实验来告诉我们，再大的望远镜都派不上用场。

在光子第一次挣脱牢笼的时候，宇宙中弥漫着的是微弱的红光。这是3000K的温度对应的颜色，和现在宇宙中最冷的恒星相当。它标志着宇宙婴儿时期的结束。

宇宙婴儿照

宇宙在摇篮边上的这张照片是宇宙学家们的至宝。他们对这张照片的感情和熟悉程度，绝对比任何一个脑残粉对偶像照片还要多。就更别说他们的拍照工具了，都说单反穷三代镜头毁一生，可哪一个摄友能有天文学家这么豪迈：他们拍个照必须朝太空中发射卫星，前后还发射了不止一个！最早的COBE12星花费几千万美元，接下来的WMAP卫星花了1.5亿美元，最后的普朗克卫星干脆花了整整7亿欧元。

不过这样的花费确实是值得的，他们拍的可是年仅38万年的宇宙，和如今的宇宙年龄相比，相当于一个能活100岁的人刚生下来一天的时候。宇宙在这张婴儿期的照片上显得像是平静的海面，从大面积来看一片平坦，但在局部会泛起细微的涟漪。正是这点儿涟漪让它如今变得复杂而精彩，星系团们从这些微小的种子里脱胎，恒星次第点亮，生命在无数次的尝试后诞生，宇宙成为如今这副模样。

幼小的宇宙怎么从当初的高度均匀变为现在的高度不均匀，就和更幼小的宇宙怎么会让物质比反物质多一样，还是一个未解之谜。

至于更早的、摇篮里的宇宙，因为它囚禁着所有的光子，我们无法通过光子获得和它相关的信息。从现在望过去，在摇篮的边上有一层看不穿的障壁，它是宇宙不透明时期和透明时期的分界面，对我们来说，这就是可观测宇宙的边界。只有那些比光子更早获得自由的粒子才有可能穿过这层边界，从那个时候的宇宙抵达我们身边。

有没有这样的粒子呢？有的。中微子就比光子更早脱困，逍遥自在地到处乱跑，理论上，我们有可能获得来自更年轻宇宙的中微子，从中探知宇宙宝宝的信息。可借也正因为中微子这份逍遥自在，要抓到它简直太难了，中微子望远镜目前还只能是存在于科幻小说中的黑科技，不知道何时才能真的造出来。

不管怎么样，宇宙朝它星辰大海的目标又近了一步。物质在宇宙中蠢蠢欲动，它们已经准备好了要上演一场好戏。真正的巨星将要在1亿多年后登场，有绝对超乎你想像的巨大和明亮，照亮了当时还不大的整个宇宙。这正是：

光子脱困离障壁，初留倩影起涟漪。

且待微波翻巨浪，绽放星系有传奇。

欲知后事如何，且听下回分解。