第二章 于是有了光 大爆炸后30萬～7億年

在暴脹這一災(zāi)變時期后的30萬年里沒有什么大的變化發(fā)生。支配宇宙演化的物理環(huán)境幾乎保持不變。宇宙成為一個變動不那么劇烈的地方。隨著溫度的降低，質(zhì)子和中子的速度也減慢了。但就像我們將要看到的那樣，物質(zhì)和輻射依然混合在一起。從我們的觀點(diǎn)看，這一時期的宇宙和今天看到的最初的恒星宇宙間的最大差異是，在這極早期階段，宇宙是完全不透明的。

包括可見光在內(nèi)的電磁波也可以看成是光子流。光子是一種沒有質(zhì)量的粒子，以每秒30萬千米的速度運(yùn)動。在量子力學(xué)（可能是現(xiàn)代科學(xué)中經(jīng)過最好驗證的理論）的奇妙世界中，我們不再能夠明確地區(qū)分“波”和“粒子”，而要接受任何物質(zhì)都會表現(xiàn)出介于兩者之間的“波粒二象性”。就像我們傳統(tǒng)上認(rèn)為是粒子的那些實(shí)體——例如電子和質(zhì)子——一樣，光在某些時刻也表現(xiàn)得像一個粒子，叫做“光子”，而在其他時候像一個波。

每個光子都攜帶一份確定的能量，能量大小由光的顏色決定，所以確實(shí)可以說電磁波是一個光子流。現(xiàn)在讓我們追蹤其中一個光子的軌跡。它可能產(chǎn)生于極早期宇宙中的一次質(zhì)子和反質(zhì)子的碰撞。在這種非常密集的環(huán)境中，這個光子走不了多遠(yuǎn)就會碰上一個電子并被吸收掉，而電子則獲得了能量。其后，光子可能又被發(fā)射出去，但這時和它原來的方向已是毫無關(guān)系了。這個過程在不斷地重復(fù)，其結(jié)果是光子在任何方向上都走得很慢。

但是當(dāng)宇宙在大爆炸后30萬年，恰好冷卻到3000度時，一個突然的變化發(fā)生了。在這個臨界時刻之前，電子這種組成普通原子物質(zhì)的最輕，因而也是運(yùn)動最快的粒子，運(yùn)動得太快，以至于較重的原子核無法將其捕獲。但到了3000度的溫度時，它們就再也無法逃脫原子核的捕捉了，最初的中性原子產(chǎn)生了。從原子的尺度上看，被捕獲的電子在一個很遠(yuǎn)的距離上環(huán)繞原子核，但如果與原子間的距離相比，電子離原子核是極近的。這樣，新形成的原子之間的空間變得空曠了，光子突然能夠不受阻礙地運(yùn)動很長的距離。換句話說，物質(zhì)和輻射分離開來，在大爆炸后30萬年，宇宙變得透明了。

大爆炸的回聲

電子捕獲進(jìn)程對于宇宙的溫度相當(dāng)敏感，一旦溫度降低到上述臨界值之下，捕獲過程就以驚人的速度發(fā)生。由于暴脹的原因，宇宙溫度在整個空間范圍內(nèi)幾乎完全一樣，這意味著這一過程幾乎在整個宇宙內(nèi)同時發(fā)生，其結(jié)果是光線可以不受阻礙地穿越宇宙，使我們在134億年后仍然能夠看到這幅我們宇宙演化的特殊時刻的快照。這種觀察過去某個特定時刻的景象的能力是天文學(xué)所獨(dú)有的。通常當(dāng)我們試圖觀察比較遙遠(yuǎn)的宇宙區(qū)域時，視線會被鄰近的星系所遮擋，它們發(fā)出的光線還是比較近期的。宇宙變得透明這個不可思議的事件現(xiàn)在可以不受遮擋地觀測到，我們稱之為宇宙微波背景，或CMB。

無論有意無意，我們的很多讀者都曾親身感受過這種伴隨大爆炸的“大火球”熄滅時的微弱回聲。把電視天線拔掉或者調(diào)諧到?jīng)]有頻道的地方，你會看到黑白的天電干擾。這種干擾中的1%來自宇宙微波背景。在它最初發(fā)出134億年后，仍能干擾你的電視圖像。

現(xiàn)在，這種微波輻射的頻率等效為一個平均溫度僅比絕對零度高2.7K的發(fā)射機(jī)。如果這個輻射真是大爆炸自己的回聲，那為什么會如此之冷？其原因是很直接的。這些輻射在發(fā)出時，宇宙的溫度是3000度，在它傳向我們的過程中，它所穿過的空間一直在膨脹，使得光的波長越來越長，于是表觀溫度越來越低。這是我們首次遇到這種叫做紅移的現(xiàn)象，它具有極端的重要性。

宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)為大爆炸理論的若干預(yù)言提供了強(qiáng)有力的支持。例如，發(fā)出的輻射與一個黑體的特征相符合。黑體是一個假設(shè)能吸收所有進(jìn)入它的輻射的物體，如果被加熱，則它的輻射能譜中任意頻率上的強(qiáng)度只取決于它的溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以據(jù)此得知發(fā)射體的性質(zhì)。例如，它應(yīng)該與外界的影響相隔絕。在大爆炸和30萬年后的透明期之間的那個熾熱、高密度和不透明的宇宙正是這樣的一個發(fā)射體。理論和觀測結(jié)果之間符合得是如此之好，在大多數(shù)數(shù)據(jù)曲線上，表示預(yù)測值的線寬要大于測量的不確定量。這在科學(xué)上是很少見的情況，在觀測天文學(xué)中更是獨(dú)一無二。