宇宙中第一縷光從何而來?

2020-12-27 趣玩科普

怎樣理解「第一縷光」的意思呢?我們按照現在宇宙學的主流學說——大爆炸宇宙學來說明。大爆炸宇宙學已經成為一門相當成熟和精確的學科,它對於宇宙演化的歷史,能給出言之有據的描述。宇宙從一次大爆炸開始到今天已經有了138.2億年的歷史。對於宇宙最初一剎那的大爆炸,我們經常能看到一些想像圖,巨焰萬丈,光芒四射。但是,這不是我們說的第一縷光。

普朗克衛星探測到的宇宙微波背景輻射極化圖像

宇宙在大爆炸之初,溫度高達1032K,必須用大統一理論來描述當時的物理狀態。這時的宇宙是以輻射為主的。在這種極端高溫下,輻射的含義不僅包括高能光子,也包括熱運動速度接近光速的重子(主要是質子和中子)。隨著宇宙膨脹,溫度不斷降低。期間經過暴脹,暴脹之後的宇宙其膨脹速率和溫度隨即恢復到之前的水平。

當宇宙年齡到10-6s時,溫度下降到1013K,夸克被全部結合到強子中去了。夸克是構成強子的基本粒子,現在已經發現了6種。強子是參與強相互作用的基本粒子,包括重子和π介子等其他介子。

當宇宙年齡到1s時,溫度下降到1010K,從此以後中微子與物質的作用變得極其微弱,稱為中微子與物質退耦。這些中微子現在應遍布於宇宙各處,正像宇宙背景輻射。有人估計,如果我們現在能夠探測到中微子退耦留下的痕跡,那麼現在這些中微子的有效溫度大約為2K。這種低能量的中微子的探測極度困難,然而它們的數量大得驚人。

當宇宙年齡到達3分鐘時,溫度下降到109K。雖然在此之前質子與中子也可結合成氘核,但氘核卻會在熱碰撞中被光分裂,因此氘核的大量合成,須等到溫度繼續下降到某一特徵溫度,使分裂作用失效。這個溫度正是109K。從這時起宇宙才有大量的原子核。首先是氘核開始大量形成,而後繼的核過程也會很快跟上,合成了氦-3和氦-4。氦-4則作為穩定的氦同位素大量累積起來。後續的核合成過程能產生極少的鋰-7。在上述核合成過程中,宇宙依然在膨脹,溫度依然在下降,所以核合成過程不會長久持續。

實際上到宇宙年齡約半小時,溫度下降到約108K時,宇宙早期的核合成就完全結束了。當時的宇宙並不是像我們當前擁有的由中性原子組成,十分穩定,而是一個稠密而翻騰不已的超高溫等離子體海洋,即熾熱的荷電氣體,恰似太陽。確實,宇宙就像巨型恆星。粒子的所有這些活動意味著光線不能傳播得很遠。有那麼多的粒子和自由電子到處橫衝直撞,光子不斷地受阻擋、被吸收和被反射。宇宙以輻射為主的時期持續了大約38萬年。

宇宙年齡到達38萬年時,溫度下降到3000K。宇宙進入歷史上標誌性的一點——複合時期。這時它已充分地冷卻,足以使氫和氦的荷電粒子橫掃一切自由電子,把它們「鎖定」在十分穩定的軌道裡。

光子與實物失去了有效的碰撞,這就是光子的退耦。於是發生了根本性的改變:光從它們早期的等離子體牢籠中釋放出來。由於穩定的原子已經產生,光線首次能夠在宇宙裡自由穿行。宇宙中有了第一縷光。

在這之後大約138億年,這第一縷光在地球上被射電望遠鏡探測到,天文學家把它稱為宇宙微波背景輻射。由於這縷光是從整個宇宙裡幾乎在瞬間釋放,它為嬰兒期的宇宙留下了一張完美的快照,這能讓我們描繪出宇宙年齡38萬年時的結構。

這以後宇宙達到為以物質為主的時期。各種天體都是在這之後陸續形成的。

但是,就在穩定的原子從超熱的等離子體雲裡產生,第一縷光向宇宙擴散之際,宇宙又重新一下子沉淪進黑暗之中。烈焰滾滾的等離子云已經熄滅,可是還沒有恆星向天空放射新的光芒,這個天文學家稱為「黑暗時期」的時代開始了。宇宙將停留在寒冷、黑暗和死氣沉沉中,經歷隨後的數億年。

圖1 普朗克衛星得到的宇宙微波背景

宇宙背景探測器(COBE)、威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星探測了宇宙背景輻射,它們的觀測明確地顯示在輻射和物質退耦之前宇宙的密度分布出現微小的起伏。天文學家認為星系正是從這種起伏中生長起來的。在星系和恆星形成之前,宇宙基本上不發光,處於黑暗時期。約在宇宙4億歲時,形成第一代恆星,宇宙回到了「光明時代」。接著便是漫長的星系、恆星、行星形成和發展的時代,乃至於在某些條件合適的行星上產生了生命。

黑暗時期結束以後,由最初的恆星發出的光芒才是我們眼前這個現實宇宙的第一縷光。黑暗時期之前那「隔世」的「第一縷光」早已熄滅。要問「最終會消逝」的光,正是照耀著我們的現世之光。碩大無朋的宇宙作為一個物理實體,既然有其開始,必然也有其終結。自然,宇宙終結的時候,也就是宇宙之光最終消逝的時候。因此,光如何最終消逝與宇宙的最後結局有關。

圖2 藝術家繪製的大爆炸之後,誕生的第一代恆星。

如果只有物質,宇宙的結局將取決於其幾何結構:閉宇宙將會再次坍縮;開宇宙或平直宇宙將會永遠膨脹,區別僅在於前一種情況下膨脹無止境,而後一種情況下膨脹將無限地趨近於某個極限值。

宇宙加速膨脹和暗能量的發現使人們對宇宙結局的認識發生了改變。

當人們認識到由於暗能量的存在,宇宙正在加速膨脹時,首先想到它會永遠膨脹下去,於是,密度變得越來越稀薄,最終變成無限的虛空。先是星系,然後是恆星,接著是行星都會在這場最終的災難中被撕裂。分子進而原子將在終結前被撕裂,接著原子核和核子也將消散。這意味著宇宙最終將遭遇「大撕裂」。不過這只是宇宙的一種可能結局。人們未必如此悲觀,因為當前科學家對於暗能量的本質和特性遠遠沒有了解。

圖3 藝術家繪製的大撕裂想像圖

另一種可能性是:在宇宙以後演化的進程中,可變化的暗能量也許會消散或減弱並轉化為引力,與暗物質一起作用,把宇宙往回拉而非撕裂。這會導致「大反衝」。這個過程相當於當前大爆炸的反過程。當宇宙膨脹到達一個最大值之後,開始減速,進而收縮,以至於最後宇宙被擠壓成一個極其緻密的點,也許又回到「原始原子」的狀態。那麼,這時等待著宇宙的將是新一輪的大爆炸。

圖4 三種可能的宇宙幾何結構

也許還有第三種可能性,暗能量的轉化適與物質的引力作用平衡,於是宇宙保持既不膨脹又不收縮的一種「臨界狀態」。這種情況下宇宙的命運主要取決於物質本身的演化。

在宏觀世界,星系裡新恆星在形成,老年恆星在消亡。總會有一天,原始物質——主要是氫和其他輕元素——的庫存在無窮盡的恆星形成中消耗殆盡,星系內充斥著恆星的殘骸:白矮星、中子星和黑洞以及小行星、行星和瀰漫於其中的稀薄氣體。沒有能源的白矮星和中子星最終也將「坐吃山空」地把能量消耗殆盡而熄滅。

在微觀世界裡也在發生不可逆轉的改變。按照物理理論,各類粒子會突變為別種實體,這個過程可能通過碰撞,或通過自發衰變而發生。例如,一個質子最終會分裂為一個正電子(電子的反粒子)和一個π介子;中子也是不穩定的,它們會衰變為質子加電子。這樣,原子作為物質的基本單元,它們核裡的兩個重要組元將永遠消失。物質將最終分離為各種幾乎終極的狀態。即使金剛石也不是永恆的!那個時期的宇宙成為飄蕩著基本粒子,諸如電子、正電子、中微子和低能量光子的極度稀薄的暗黑的紗霧。

無論以何種方式,這就是我們的物理宇宙作為一個具體的物質實體可能達到的結局。但是,這將發生在很久很久以後,也許再過幾百億年。

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