关于宇宙的最终理论（科学解释宇宙第一缕光）

• 图注：从银河系的平面看，遥远的宇宙由恒星和星系以及不透明的气体和尘埃组成。但在宇宙中最后一颗恒星之外，还有更多的光。

今天，当我们看着宇宙时，在浩瀚的、空旷的天空中，突出的是光点：恒星、星系、星云等。然而，在遥远的过去，有一段时间，在那些东西形成之前，就在大爆炸之后，宇宙仍然充满了光。如果我们观察光谱中的微波部分，今天我们可以发现宇宙微波背景（CMB）形式的这种光的残余。但即便是宇宙微波背景（CMB）也相对较晚：我们看到的是大爆炸后38万年的曙光。就我们所知，光甚至在那之前就存在了。经过几个世纪对宇宙起源的研究，科学终于发现了太空中“让光”发生的物理过程。

• 图注：阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊在位于新泽西州霍姆德尔的天线所在地首次发现了宇宙微波背景。

让我们先来看看宇宙微波背景（CMB），它是从哪里来的。1965年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊两人在新泽西州霍尔姆德尔的贝尔实验室工作，试图校准一种新的天线，以便与头顶卫星进行雷达通信。但不管他们在天空中怎么移动天线位置，他们都能看到这种电子干扰讯号。它与太阳、任何恒星或行星，甚至银河系的平面都没有关联。它日以继夜地存在，似乎在各个方向上都是一样的大小。

阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊对这种干扰是什么感到特别困惑，有人向他们指点迷津，告诉他们，在普林斯顿48公里以外的一组研究人员，曾预言这种辐射的存在，这些辐射干扰信号不是来自我们的行星、太阳系或星系本身的任何地方，而是起源于宇宙早期的一个热、致密的状态：来自大爆炸。

• 图注：根据彭齐亚斯和威尔逊的原始观测，银河系的平面放射出一些天体物理辐射源（中心），但在上面和下面，剩下的只是一个近乎完美、均匀的辐射背景。

几十年过去了，我们测量辐射的精度越来越高，发现它不是在绝对零度以上3度，而是2.7K，然后是2.73K，然后是2.725K。在与余辉相关的最伟大成就中，我们测量了它的光谱，发现它是一个完美的黑体，与大爆炸的想法一致，而与其他解释不一致，如反射星光或疲劳光场景。

• 图注：太阳的实际光（黄色曲线，左）与一个完美的黑体（灰色）的对比表明，由于光球的厚度，太阳更多的是一系列的黑体；在左是由COBE卫星测量的CMB的实际完美黑体。

最近，我们甚至从透过且与气体云间相互作用的光线中测量到，这种辐射在我们观察的时间（和红移）越远的地方，温度就越高。当宇宙随着时间的推移而膨胀时，它会变冷，因此当我们回首过去时，我们看到的是更小、更密集、更热的宇宙。

• 图注：如果CMB具有非宇宙学起源，则不应观察到温度随红移（1 z）而升高。

那么，宇宙中的第一缕光，这一缕光是从哪里来的呢？它不是来自恒星，因为它早于恒星。它不是由原子发射的，因为它早于宇宙中中性原子的形成。如果我们继续向后推演到越来越高的能量，我们会发现一些奇怪的事情：由于爱因斯坦的E=mc²，这些光量子可以相互作用，自发地产生物质和反物质的粒子-反粒子对！

• 图注：高能粒子碰撞可以产生物质反物质对或光子，而物质反物质对湮灭也可以产生光子。

它们不是物质和反物质的虚拟对，而是真实的粒子。就像两个质子在大型强子对撞会产生过多的新粒子和反粒子一样（因为它们有足够的能量），早期宇宙中的两个光子可以产生任何它们有足够能量产生的东西。通过从我们现在所拥有的宇宙知识向后推算，我们可以得出这样的结论：在大爆炸后不久的可观测宇宙中，当时有10^89个粒子对。

对于那些想知道我们今天是如何拥有一个充满物质（而不是反物质）的宇宙的人来说，一定有某个过程，从最初的对称状态中，产生比反粒子略多的粒子（约合1,000万分之一），从最初的对称状态，导致我们可观测的宇宙有大约10^80个物质粒子和10^89个光子。

• 图注：随着宇宙的膨胀和冷却，不稳定粒子和反粒子会衰变，而物质反物质对会湮灭和分离，光子再也无法以足够高的能量碰撞产生新粒子。

但这并不能解释宇宙中所有的初始物质、反物质和辐射到底是怎么变化的。这是一个无序状态测量法，简单地说“这就是宇宙的起源”是一个难以令人信服的答案。但是，如果我们寻求一个完全不同的问题的解决方案——地平线问题和扁平度问题——这个问题的答案就浮出水面。

• 图注：当时空被空间本身固有的物质、辐射或能量所支配时，它是如何膨胀的。

为大爆炸建立初始条件需要发生一些事，而这"事"就是宇宙膨胀，或者一个时期，宇宙中的能量不是由物质（或反物质）或辐射所支配，而是被空间本身所固有的能量所支配，或者早期的超强度暗能量形式所支配的时期。

膨胀使宇宙扁平化，它给宇宙提供了相同的条件，它驱散了任何预先存在的粒子或反粒子，它造成了今天宇宙中的过度密度和低密度的种子波动。但了解所有这些粒子、反粒子和辐射最初来自何处的关键是什么？这来自一个简单的事实：要获得我们今天的宇宙，膨胀必须结束。从能量的角度来说，当慢慢降低到一个潜在能级时，就会发生膨胀，但当最终进入能级的谷底时，膨胀就结束了，将能量（从高处）转化为物质、反物质和辐射，从而产生我们所知的热大爆炸。

• 图注：当宇宙膨胀发生时，宇宙中固有的能量是巨大的，就像它在图中峰顶一样。当球滚入图谷底，能量转化为粒子。

下面是形象化设想宇宙膨胀结束后，能量如何转化为粒子。设想一下，有一个无限大的立方体表面，该立方体由无数小立方体积木组成，这个立方体由它们之间不可思议的张力所支撑。同时，一个沉重的保龄球滚过这个无限大的立方体的表面。在立方体的大多数位置，球会有顺利通过，但在立方体表面一些“弱点”球会压出一个坑，因为球在滚动过程中产生的压力超过表面的张力。而在某个特殊的位置，球可以压坏一个（或几个）积木，使这些小积木下沉。当这些小积木下沉的时候，会发生什么？这些积木的缺失，导致张力缺乏，产生了连锁反应，整个立方体结构崩溃。

• 图注：当膨胀持续时，类似于球在表面上滑动，而结构破碎并释放能量则代表能量转化为粒子。

在这些下沉的积木区域远低于其他立方体体表面，就像宇宙膨胀即将结束情景。这就是空间本身固有的能量转化为真实粒子的地方，在膨胀期间，空间本身的能量密度如此之大，从而导致膨胀结束时产生如此多的粒子、反粒子和光子。这个膨胀结束并产生热大爆炸的过程被称为宇宙再加热，当宇宙膨胀时冷却，粒子/反粒子对湮灭，产生更多的光子，只剩下一点点物质。

• 图注：整个已知宇宙的宇宙史表明，我们把宇宙中所有物质的起源，以及所有的光，归根结底都归功于膨胀的结束和大爆炸的开始。

当宇宙继续膨胀和冷却时，产生原子核、中性原子，最终形成恒星、星系、星团、重元素、行星、有机分子和生命。通过这一切，那些从大爆炸遗留下来的光子，以及开始这一切的膨胀结束后留下的遗物，流过宇宙，继续冷却，但从未消失。当宇宙中最后一颗恒星闪烁时，那些光子——早就转移到了无线电中，并且已经稀释到每立方公里不到一个——仍将存在，其数量将与几年前的万亿和千万亿一样多。

在有星星之前，有物质和辐射。在有中性原子之前，有一个电离等离子体，当等离子体形成中性原子时，这些等离子体允许宇宙提供我们今天看到的最早的光。甚至在光之前，就有物质和反物质湮灭，产生了今天大部分的光子，但即使那还不是开始。起初，宇宙空间呈指数级扩张，而正是那个时代的结束——宇宙膨胀的结束——导致了物质、反物质和辐射，产生了我们在宇宙中能看到的第一缕光。