關於宇宙的最終理論（科學解釋宇宙第一縷光）

2023-08-01 11:38:47

今天，當我們看著宇宙時，在浩瀚的、空曠的天空中，突出的是光點：恆星、星系、星雲等。然而，在遙遠的過去，有一段時間，在那些東西形成之前，就在大爆炸之後，宇宙仍然充滿了光。如果我們觀察光譜中的微波部分，今天我們可以發現宇宙微波背景（CMB）形式的這種光的殘餘。但即便是宇宙微波背景（CMB）也相對較晚：我們看到的是大爆炸後38萬年的曙光。就我們所知，光甚至在那之前就存在了。經過幾個世紀對宇宙起源的研究，科學終於發現了太空中「讓光」發生的物理過程。

讓我們先來看看宇宙微波背景（CMB），它是從哪裡來的。1965年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜兩人在新澤西州霍爾姆德爾的貝爾實驗室工作，試圖校準一種新的天線，以便與頭頂衛星進行雷達通信。但不管他們在天空中怎麼移動天線位置，他們都能看到這種電子幹擾訊號。它與太陽、任何恆星或行星，甚至銀河系的平面都沒有關聯。它日以繼夜地存在，似乎在各個方向上都是一樣的大小。

阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜對這種幹擾是什麼感到特別困惑，有人向他們指點迷津，告訴他們，在普林斯頓48公裡以外的一組研究人員，曾預言這種輻射的存在，這些輻射幹擾信號不是來自我們的行星、太陽系或星系本身的任何地方，而是起源於宇宙早期的一個熱、緻密的狀態：來自大爆炸。

幾十年過去了，我們測量輻射的精度越來越高，發現它不是在絕對零度以上3度，而是2.7K，然後是2.73K，然後是2.725K。在與餘輝相關的最偉大成就中，我們測量了它的光譜，發現它是一個完美的黑體，與大爆炸的想法一致，而與其他解釋不一致，如反射星光或疲勞光場景。

最近，我們甚至從透過且與氣體雲間相互作用的光線中測量到，這種輻射在我們觀察的時間（和紅移）越遠的地方，溫度就越高。當宇宙隨著時間的推移而膨脹時，它會變冷，因此當我們回首過去時，我們看到的是更小、更密集、更熱的宇宙。

那麼，宇宙中的第一縷光，這一縷光是從哪裡來的呢？它不是來自恆星，因為它早於恆星。它不是由原子發射的，因為它早於宇宙中中性原子的形成。如果我們繼續向後推演到越來越高的能量，我們會發現一些奇怪的事情：由於愛因斯坦的E=mc²，這些光量子可以相互作用，自發地產生物質和反物質的粒子-反粒子對！

它們不是物質和反物質的虛擬對，而是真實的粒子。就像兩個質子在大型強子對撞會產生過多的新粒子和反粒子一樣（因為它們有足夠的能量），早期宇宙中的兩個光子可以產生任何它們有足夠能量產生的東西。通過從我們現在所擁有的宇宙知識向後推算，我們可以得出這樣的結論：在大爆炸後不久的可觀測宇宙中，當時有10^89個粒子對。

對於那些想知道我們今天是如何擁有一個充滿物質（而不是反物質）的宇宙的人來說，一定有某個過程，從最初的對稱狀態中，產生比反粒子略多的粒子（約合1,000萬分之一），從最初的對稱狀態，導致我們可觀測的宇宙有大約10^80個物質粒子和10^89個光子。

但這並不能解釋宇宙中所有的初始物質、反物質和輻射到底是怎麼變化的。這是一個無序狀態測量法，簡單地說「這就是宇宙的起源」是一個難以令人信服的答案。但是，如果我們尋求一個完全不同的問題的解決方案——地平線問題和扁平度問題——這個問題的答案就浮出水面。

為大爆炸建立初始條件需要發生一些事，而這"事"就是宇宙膨脹，或者一個時期，宇宙中的能量不是由物質（或反物質）或輻射所支配，而是被空間本身所固有的能量所支配，或者早期的超強度暗能量形式所支配的時期。

膨脹使宇宙扁平化，它給宇宙提供了相同的條件，它驅散了任何預先存在的粒子或反粒子，它造成了今天宇宙中的過度密度和低密度的種子波動。但了解所有這些粒子、反粒子和輻射最初來自何處的關鍵是什麼？這來自一個簡單的事實：要獲得我們今天的宇宙，膨脹必須結束。從能量的角度來說，當慢慢降低到一個潛在能級時，就會發生膨脹，但當最終進入能級的谷底時，膨脹就結束了，將能量（從高處）轉化為物質、反物質和輻射，從而產生我們所知的熱大爆炸。

下面是形象化設想宇宙膨脹結束後，能量如何轉化為粒子。設想一下，有一個無限大的立方體表面，該立方體由無數小立方體積木組成，這個立方體由它們之間不可思議的張力所支撐。同時，一個沉重的保齡球滾過這個無限大的立方體的表面。在立方體的大多數位置，球會有順利通過，但在立方體表面一些「弱點」球會壓出一個坑，因為球在滾動過程中產生的壓力超過表面的張力。而在某個特殊的位置，球可以壓壞一個（或幾個）積木，使這些小積木下沉。當這些小積木下沉的時候，會發生什麼？這些積木的缺失，導致張力缺乏，產生了連鎖反應，整個立方體結構崩潰。

在這些下沉的積木區域遠低於其他立方體體表面，就像宇宙膨脹即將結束情景。這就是空間本身固有的能量轉化為真實粒子的地方，在膨脹期間，空間本身的能量密度如此之大，從而導致膨脹結束時產生如此多的粒子、反粒子和光子。這個膨脹結束並產生熱大爆炸的過程被稱為宇宙再加熱，當宇宙膨脹時冷卻，粒子/反粒子對湮滅，產生更多的光子，只剩下一點點物質。

當宇宙繼續膨脹和冷卻時，產生原子核、中性原子，最終形成恆星、星系、星團、重元素、行星、有機分子和生命。通過這一切，那些從大爆炸遺留下來的光子，以及開始這一切的膨脹結束後留下的遺物，流過宇宙，繼續冷卻，但從未消失。當宇宙中最後一顆恆星閃爍時，那些光子——早就轉移到了無線電中，並且已經稀釋到每立方公裡不到一個——仍將存在，其數量將與幾年前的萬億和千萬億一樣多。

在有星星之前，有物質和輻射。在有中性原子之前，有一個電離等離子體，當等離子體形成中性原子時，這些等離子體允許宇宙提供我們今天看到的最早的光。甚至在光之前，就有物質和反物質湮滅，產生了今天大部分的光子，但即使那還不是開始。起初，宇宙空間呈指數級擴張，而正是那個時代的結束——宇宙膨脹的結束——導致了物質、反物質和輻射，產生了我們在宇宙中能看到的第一縷光。