大爆炸一秒鐘內(nèi)便誕生了光，宇宙卻黑了38萬(wàn)年，到底發(fā)生了什么？

在這個(gè)銀河邊角、燈紅酒綠的時(shí)代，我們?cè)缇土?xí)慣了夜空中星星點(diǎn)點(diǎn)的光亮。但別被這安靜的浪漫給騙了，早期的宇宙根本不是現(xiàn)在這個(gè)“夜里點(diǎn)燈”的樣子。相反，那是個(gè)連“點(diǎn)燈”都沒(méi)資格談的階段。

所以問(wèn)題來(lái)了：宇宙誕生的那一刻，是不是立刻就光芒萬(wàn)丈？

乍一聽(tīng)，這問(wèn)題似乎很簡(jiǎn)單。畢竟現(xiàn)在晚上抬頭看，滿天都是星星在發(fā)光。但如果你以為答案是"有"，那就錯(cuò)了。

事實(shí)上，這個(gè)問(wèn)題的答案是：沒(méi)有。至少在很長(zhǎng)一段時(shí)間里沒(méi)有。

這背后藏著一個(gè)關(guān)于光的史詩(shī)級(jí)故事，時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)138億年。

從無(wú)到有的第一秒

故事要從1929年說(shuō)起。美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）通過(guò)觀察星系運(yùn)動(dòng)的速度和方向，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)震撼人心的事實(shí)：宇宙在膨脹。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著什么？意味著往前倒推，宇宙曾經(jīng)更小。繼續(xù)倒推下去，科學(xué)家計(jì)算出大約138億年前，整個(gè)宇宙都被壓縮在一個(gè)密度無(wú)限大的點(diǎn)里，直到大爆炸發(fā)生。

俄亥俄州保齡格林州立大學(xué)物理天文系主任安德魯·雷登（Andrew Layden）解釋說(shuō)："大爆炸創(chuàng)造了空間，空間開(kāi)始膨脹，宇宙中的一切都隨之誕生。"

但這里有個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：現(xiàn)在構(gòu)成宇宙的所有物質(zhì)，怎么可能都塞在那么小的一個(gè)點(diǎn)里？

答案是：當(dāng)時(shí)它們不是物質(zhì)，而是能量。

愛(ài)因斯坦那個(gè)著名的公式E=mc2告訴我們，能量和質(zhì)量可以相互轉(zhuǎn)換。在宇宙誕生的最初時(shí)刻，一切都是純能量狀態(tài)。

隨著宇宙膨脹，能量密度降低，溫度下降，第一批粒子開(kāi)始在大爆炸后的第一秒內(nèi)形成。這些粒子包括構(gòu)成光的光子，以及構(gòu)成原子的質(zhì)子、中子和電子。

大爆炸后大約3分鐘，質(zhì)子和中子開(kāi)始聚變，形成了氦等原子核。

雷登用了一個(gè)很形象的比喻："想象一下霧和露水。高能狀態(tài)下的粒子就像霧中的水汽一樣分散，當(dāng)能量降低到足夠程度時(shí)，它們就會(huì)像露珠一樣凝結(jié)出來(lái)。"

被困住的光：38萬(wàn)年的黑暗時(shí)代

到這里，你可能會(huì)想：既然光子在第一秒就產(chǎn)生了，那不就有光了嗎？

問(wèn)題沒(méi)這么簡(jiǎn)單。

雖然光子確實(shí)在大爆炸后第一秒就存在了，但它們無(wú)法在宇宙中自由傳播。原因很簡(jiǎn)單：早期宇宙實(shí)在太熱了。

當(dāng)時(shí)的宇宙熱到什么程度？熱到電子運(yùn)動(dòng)速度太快，原子核根本抓不住它們。雷登說(shuō)："整個(gè)宇宙就是一鍋非常熱、非常稠密的湯。"

所有電子都在宇宙中自由飛奔，這意味著光根本走不了多遠(yuǎn)。"光試圖直線傳播時(shí)，總是會(huì)撞到電子，所以走不了多遠(yuǎn)。"

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的宇宙學(xué)家斯里尼瓦桑·拉古納坦（Srinivasan Raghunathan）用太陽(yáng)做了個(gè)類比。

太陽(yáng)內(nèi)部的核反應(yīng)產(chǎn)生光子，這些光子想要從太陽(yáng)中心傳播到表面。從太陽(yáng)中心到表面的距離約69.6萬(wàn)公里，按光速計(jì)算，理論上只需要2.3秒。

但實(shí)際情況是什么？由于太陽(yáng)內(nèi)部溫度極高，有大量自由電子，光無(wú)法直線傳播，需要不斷碰撞、散射，最終"走"出太陽(yáng)表面需要100萬(wàn)到200萬(wàn)年！

早期宇宙的情況類似，光被困在這鍋"粒子湯"里，無(wú)法逃脫。

宇宙的第一縷曙光

這種狀況持續(xù)了多久？

大約38萬(wàn)年。

大爆炸后38萬(wàn)年，宇宙膨脹讓溫度繼續(xù)下降，降到了約3000開(kāi)爾文（相當(dāng)于2725攝氏度），這是一顆偏冷的紅星的表面溫度。

在這個(gè)溫度下，原子核終于能夠抓住電子，形成完整的原子。雷登說(shuō)："當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，所有電子都不再自由飛奔。"

這個(gè)過(guò)程發(fā)生得很快。"在短短幾年內(nèi)，一切都從熱稠密的湯變成了光可以自由傳播的透明宇宙。就在那一刻，宇宙中的第一批光子終于能夠逃脫。"

這就是宇宙歷史上的第一縷曙光。

當(dāng)時(shí)的光主要是近紅外到可見(jiàn)光波段。但是，隨著宇宙在130多億年里持續(xù)膨脹和冷卻，平均溫度降到了約2.73開(kāi)爾文（零下270攝氏度），這些最初的光被拉長(zhǎng)到了微波波段。

1964年，天文學(xué)家首次探測(cè)到了這種來(lái)自大爆炸的殘留輻射，稱為宇宙微波背景輻射。

從微波輻射到星光滿天

分析這些微波輻射給了我們很多關(guān)于宇宙的信息。

比如，星系的引力可以扭曲光線——引力透鏡效應(yīng)。通過(guò)研究宇宙微波背景輻射在天空不同位置受到的扭曲程度，科學(xué)家可以重建宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，了解星系和巨大空洞在宇宙中的分布。

第一縷光被釋放后，宇宙進(jìn)入了一個(gè)叫"宇宙黑暗時(shí)代"的時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，雖然光可以自由傳播，但還沒(méi)有恒星產(chǎn)生新的光。

這種狀況又持續(xù)了很久。

經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年，氣體云在引力作用下開(kāi)始坍縮，形成了第一代恒星。大爆炸后大約10億年，宇宙中出現(xiàn)了充滿恒星的星系，開(kāi)啟了"宇宙黎明"時(shí)代。

雷登說(shuō)："這標(biāo)志著第一代恒星的誕生，宇宙開(kāi)始有了滿天星斗。"

一個(gè)關(guān)于光的深刻思考

這個(gè)故事告訴我們什么？

當(dāng)你晚上抬頭看星空時(shí)，你看到的不僅僅是星光，而是宇宙歷史的見(jiàn)證。那些星光中的每一個(gè)光子，都承載著從宇宙誕生到現(xiàn)在的漫長(zhǎng)旅程。

而我們現(xiàn)在還能探測(cè)到的宇宙微波背景輻射，更是宇宙"嬰兒時(shí)期"的直接證據(jù)，它們從38萬(wàn)年前開(kāi)始旅行，直到今天才到達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡。

從某種意義上說(shuō)，我們每次觀測(cè)宇宙微波背景輻射，都是在直接"看到"宇宙誕生后38萬(wàn)年時(shí)的樣子。這可能是人類能夠獲得的最古老的"照片"了。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)的連鎖反應(yīng)

這個(gè)關(guān)于光的故事還展現(xiàn)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的連鎖效應(yīng)。

哈勃在1929年發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹，為大爆炸理論奠定了基礎(chǔ)。1964年宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，為大爆炸理論提供了決定性證據(jù)。愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程為我們理解早期宇宙的能量-物質(zhì)轉(zhuǎn)換提供了理論框架。

每一個(gè)發(fā)現(xiàn)都建立在前人工作的基礎(chǔ)上，每一個(gè)新認(rèn)識(shí)都為后續(xù)研究開(kāi)辟了新方向。

現(xiàn)在，通過(guò)分析宇宙微波背景輻射的細(xì)微變化，科學(xué)家們正在重建宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，探索暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)，甚至試圖理解宇宙的最終命運(yùn)。

仰望星空的意義

所以，當(dāng)有人問(wèn)"宇宙誕生時(shí)有光嗎？"這個(gè)問(wèn)題時(shí)，我們的答案是：

沒(méi)有，至少在很長(zhǎng)時(shí)間里沒(méi)有。光在誕生后的前38萬(wàn)年里被困住了，然后經(jīng)歷了數(shù)億年的黑暗時(shí)代，直到第一代恒星點(diǎn)亮宇宙。

但這個(gè)簡(jiǎn)單的"沒(méi)有"背后，隱藏著關(guān)于時(shí)間、空間、物質(zhì)、能量的深刻故事，連接著宇宙的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。

每當(dāng)我們仰望星空時(shí)，我們看到的不僅是美麗的夜景，更是這個(gè)宇宙138億年演化歷程的壯麗見(jiàn)證。

而我們自己，作為由星塵組成的生命體，既是這個(gè)故事的觀察者，也是故事本身的一部分。

參考來(lái)源：

• Charles Q. Choi, "Did light exist at the beginning of the universe?" Live Science