宇宙大爆炸后30万~7亿年(有了光)

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在暴胀这一灾变时期后的30万年里没有什么大的变化发生。支配宇宙演化的物理环境几乎保持不变。宇宙成为一个变动不那么剧烈的地方。随着温度的降低,质子和中子的速度也减慢了。但就像我们将要看到的那样,物质和辐射依然混合在一起。从我们的观点看,这一时期的宇宙和今天看到的最初的恒星宇宙间的最大差异是,在这极早期阶段,宇宙是完全不透明的。

  包括可见光在内的电磁波也可以看成是光子流。光子是一种没有质量的粒子,以每秒30万千米的速度运动。在量子力学(可能是现代科学中经过最好验证的理论)的奇妙世界中,我们不再能够明确地区分“波”和“粒子”,而要接受任何物质都会表现出介于两者之间的“波粒二象性”。就像我们传统上认为是粒子的那些实体——例如电子和质子——一样,光在某些时刻也表现得像一个粒子,叫做“光子”,而在其他时候像一个波。

  每个光子都携带一份确定的能量,能量大小由光的颜色决定,所以确实可以说电磁波是一个光子流。现在让我们追踪其中一个光子的轨迹。它可能产生于极早期宇宙中的一次质子和反质子的碰撞。在这种非常密集的环境中,这个光子走不了多远就会碰上一个电子并被吸收掉,而电子则获得了能量。其后,光子可能又被发射出去,但这时和它原来的方向已是毫无关系了。这个过程在不断地重复,其结果是光子在任何方向上都走得很慢。

  但是当宇宙在大爆炸后30万年,恰好冷却到3000度时,一个突然的变化发生了。在这个临界时刻之前,电子这种组成普通原子物质的最轻,因而也是运动最快的粒子,运动得太快,以至于较重的原子核无法将其捕获。但到了3000度的温度时,它们就再也无法逃脱原子核的捕捉了,最初的中性原子产生了。从原子的尺度上看,被捕获的电子在一个很远的距离上环绕原子核,但如果与原子间的距离相比,电子离原子核是极近的。这样,新形成的原子之间的空间变得空旷了,光子突然能够不受阻碍地运动很长的距离。换句话说,物质和辐射分离开来,在大爆炸后30万年,宇宙变得透明了。


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