宇宙的最黑暗時代,人類認知的空白,宇宙歷史的斷代史

（【宇宙誕生日記】欄目內容較多，我們會以連載的方式介紹，本篇是第二期。篇幅較長，如果不能一口氣看完，建議先收藏後看，感謝你閱讀本文！）

「起初，神創造天地。地是空虛混沌，淵面黑暗，神的靈運行在水面上。神說：『要有光。』於是就有了光。」

這是《聖經·創世紀》裡的開篇，雖然來自於神學，但是依然可以啟發科學。至少神學和科學在這一點達成了共識：光是宇宙中最重要的「元素」。

尋找最早的光

一直以來，科學家們都致力於尋找宇宙中的第一道光，那道「神創造的、最早的光」。通過哈勃望遠鏡，我們已經看到了133億光年外的星系，也就是133億年前的星系，這是我們看到的最遙遠也是最早的星系。

這個133億光年的距離，是怎麼來的呢？其實我們在【科學有道理】系列欄目裡介紹過，今天再提一次，那就是天體的紅移。簡單來說，就是都卜勒效應。天體傳到地球的光，本質上是電磁波，由于波源在遠離我們，所以波長會加長，導致光譜會偏紅，這就是紅移。通過紅移值z（計算方法如下，其中λ是觀測到的波長，λ0是原波長；f是觀測到的頻率，f0是原頻率），可以推導出這些天體的距離。

很容易知道，z=0的時候，λ=λ0，也就是說，這個點就位於我們腳下，所以距離我們也是0，說白了就是地球，或者說太陽系（以至於銀河系）。通過這個紅移值，科學家計算出了那個星系的距離是133億光年。

根據科學家現在的研究，宇宙的年齡在普朗克衛星的修正之下被認為是138.2億年。也就是說，在這個星系之前，宇宙還經歷了5.2億年左右的歲月。

那麼，我們是否可以繼續發展望遠鏡的觀測技術，繼續觀測到更久以前的宇宙呢？

很困難。也許能，但是會有一個極限。也就是說，到了某一個年代，無論我們用多大口徑的望遠鏡，只要不是革命性的技術提升，就無法看到那時候的宇宙。

這個是當然的，距離越遠，看起來越困難。而且，由於宇宙在膨脹，還額外增加了觀測的難度，其亮度會以（1+z）^2 的規律衰減。對於哈勃太空望遠鏡來說，觀測紅移值為7的天體基本上已經到極限了。這個距離的天體，大約是宇宙誕生後5.2億年的天體。

比較離奇的是，儘管紅移值為7的宇宙，我們目前不可能觀測到，但是紅移值為1100的宇宙，我們還是能觀測到的。別看這個紅移值的區別好像很誇張，但其實時間間隔也是也還好。1100的紅移值，大約是宇宙大爆炸後38萬年的時候。這是由於宇宙微波背景輻射的功勞，讓我們見識到了最最原始的宇宙。

所以，這個中間的宇宙階段，也就是大爆炸後38萬年到5.2億年（也就是說z在7~1100之間）的宇宙階段，我們什麼也看不見。

這個宇宙階段，就是宇宙的黑暗時代。

宇宙黑暗時代

我們前面講過，在宇宙剛剛形成的時候，由於溫度實在太高，到處都充斥著「熱鍋上的光子」，它們根本安心不下來。隨著宇宙的膨脹，溫度不斷降低，它們終於「冷靜」了。重子開始結合，形成了氫原子（佔了約92%），其餘為氦，也有極少量的氘、鋰，沒有更重的元素了。

當所有的原子都結合完畢，這個宇宙突然「懵」了：我的人生還有啥追求？粒子都老實了，我是不是該安度晚年了？

我們知道，原子整體是不帶電的，電子安心地圍繞在原子核周圍。在氫原子的周圍，還是氫原子、氫原子、無數的和它一毛一樣（當然這個說法未必嚴謹，但是好理解）的氫原子。大家都很穩定，「井水不犯旁邊井裡的水」。

就像我們說的，原子不帶電，也不發光，什麼也不做，不吸收也不發射譜線。就在這樣的情況下，整個宇宙歸於沉寂。正是由於這個原因，我們看不到來自這段時期宇宙的任何光。別說可見光，就連紅外線、微波等各種電磁輻射都檢測不到。

比包大人還黑。

可能宇宙不想白過這一生，證明它不是個膚淺的宇宙。

不過，大家黑，才是真的黑。

黑暗中的微光

正所謂「是銀子總會花光的，是原子總會發光」的，這些氫原子，終究還是給我們留下了蛛絲馬跡。一頭漆黑秀髮的宇宙，終於褪去了髮際線，露出了一點「光芒」……

這就要從原子結構說起了。

我們知道，氫原子的本質，就是一個電子和一個質子。質子和電子本身都在不斷地旋轉，叫做自旋。它們的自旋有兩個方向（我們用正和反來表示），所以它們的相對狀態有兩種，要麼同向，要麼反向。

在宇宙黑暗時代，一半的氫原子是同向的質子-電子組合，另一半是反向的質子-電子組合。而這兩個粒子似乎就喜歡「對著幹」，前一種情況的電子在漫長的歲月裡會發生翻轉（實際上是一種躍遷），變成和質子自旋方向相反的狀態。在這個過程中，會有能量的釋放，釋放出光子，這個光子的波長為21釐米，因此被稱作21釐米線，又叫氫線。

對於科學家來說，這是「不幸中的萬幸」，讓那個黑暗的時代現出了一絲光明。因為這個波長的光（雖然由於宇宙膨脹帶來的都卜勒效應使一部分氫線波長被拉到2米），屬於微波的範圍，它可以很好地進入地球的大氣層，被我們檢測到。

這個躍遷的概率其實極小，只有2.9×10^ 15每秒，換算一下，就是平均每一個電子需要接近1100萬年才能發生翻轉。好在，宇宙的時間和原子數量豈是一個區區15次方就比得了的？因此，對於我們來說，依然有足夠的觀測對象，讓我們了解那個黑暗時代。

絕佳觀測地點

不過，這個氫線也不是那麼容易觀測的。我們首先要有足夠強大的設備，雖然人類構建了大量的望遠鏡，但其實每一臺都是利用不同的原理來觀測宇宙，而為了觀測宇宙的黑暗時期，我們必須要有收集微波的望遠鏡。其次，我們也要屏蔽地球磁場等各種因素帶來的幹擾，才能夠清晰地看到這些譜線。

最合適的地點，大約就是月球背面了。由於背向地球，月球背面被月球巨大的身體幾乎完美地保護了起來，避免了地球磁場的幹擾。因此，月球背面一直是天文學家們夢寐以求的觀測地。

巧了，月球背面就有一臺探測器——嫦娥四號。不過，負責探索黑暗時代的不是它本身，而是它的夥伴——中繼星鵲橋號。

鵲橋號上搭載了兩顆實驗小衛星，可以收集宇宙深處的微弱信號。同時，嫦娥四號上也攜帶了一個接收器，與鵲橋號搭配，獲得幹涉效果，來觀測宇宙黑暗時代。據中國科學院空間科學與應用研究中心主任吳季介紹，接下來我國還要在月球軌道部署一個「衛星編隊」，全面開展對宇宙黑暗時代的探索。

除了我國之外，美國自然也是有這個決心的。很早的時候，他們就開始考慮在月球背面建立一個大型觀測系統，名為是「黑暗時代月球幹涉儀」( DALI）——由數十萬天線構成的跨幅達48公裡的巨大望遠鏡。不過，目前來看，這項計劃還沒有正式開始實施的樣子。

現在我們知道，宇宙並沒有一直沉寂下去。儘管在黑暗中度過了幾億年，但宇宙還是慢慢甦醒，慢慢點亮了。那麼，宇宙究竟是怎麼「復活」的呢？在【宇宙誕生日記】第三期的文章中，我們會為大家解答這個問題。如果你感興趣，煩請點擊一下關注，第一時間閱讀下一期文章，也可以獲得更多有趣的知識，感謝支持！

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