大爆炸-宇宙通史-第4部分
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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。
大爆炸的回声
电子捕获进程对于宇宙的温度相当敏感，一旦温度降低到上述临界值之下，捕获过程就以惊人的速度发生。由于暴胀的原因，宇宙温度在整个空间范围内几乎完全一样，这意味着这一过程几乎在整个宇宙内同时发生，其结果是光线可以不受阻碍地穿越宇宙，使我们在134亿年后仍然能够看到这幅我们宇宙演化的特殊时刻的快照。这种观察过去某个特定时刻的景象的能力是天文学所独有的。通常当我们试图观察比较遥远的宇宙区域时，视线会被邻近的星系所遮挡，它们发出的光线还是比较近期的。宇宙变得透明这个不可思议的事件现在可以不受遮挡地观测到，我们称之为宇宙微波背景，或CMB。
无论有意无意，我们的很多读者都曾亲身感受过这种伴随大爆炸的“大火球”熄灭时的微弱回声。把电视天线拔掉或者调谐到没有频道的地方，你会看到黑白的天电干扰。这种干扰中的1％来自宇宙微波背景。在它最初发出134亿年后，仍能干扰你的电视图像。
现在，这种微波辐射的频率等效为一个平均温度仅比绝对零度高2。7K的发射机。如果这个辐射真是大爆炸自己的回声，那为什么会如此之冷？其原因是很直接的。这些辐射在发出时，宇宙的温度是3000度，在它传向我们的过程中，它所穿过的空间一直在膨胀，使得光的波长越来越长，于是表观温度越来越低。这是我们首次遇到这种叫做红移的现象，它具有极端的重要性。
宇宙微波背景的发现为大爆炸理论的若干预言提供了强有力的支持。例如，发出的辐射与一个黑体的特征相符合。黑体是一个假设能吸收所有进入它的辐射的物体，如果被加热，则它的辐射能谱中任意频率上的强度只取决于它的温度。在实际应用中，我们可以据此得知发射体的性质。例如，它应该与外界的影响相隔绝。在大爆炸和30万年后的透明期之间的那个炽热、高密度和不透明的宇宙正是这样的一个发射体。理论和观测结果之间符合得是如此之好，在大多数数据曲线上，表示预测值的线宽要大于测量的不确定量。这在科学上是很少见的情况，在观测天文学中更是独一无二。
最初，辐射似乎是绝对均匀的，与方向无关。即使把我们自己的星系所发出的微波辐射造成的前景辉光减去，在宇宙微波背景上较亮的天区看上去也和其他部分几无二致。但我们今日看到的宇宙却是明显“结块”的。星系组成星系团，星系团又构成超星系团，而它们之间隔着巨大的距离。这些地方正由诸如英澳2度视场巡天计划和斯隆（Sloan）巡天计划进行详尽的检查，而且已经延伸到距离地球10亿光年之遥的地方。无论从这些观测结果中我们绘制出怎样的宇宙画像，毋庸置疑的是它绝不是均匀的，所以很清楚有什么地方搞错了。在看上去均匀的早期宇宙里，一定隐藏着生成我们今天看到的不均匀结构的原因。
宇宙背景辐射是当今天体物理学最集中研究的对象，它还能告诉我们很多东西。它标志着宇宙中最早结构的景象。最近对于宇宙微波背景更为细致的研究揭示出小于万分之一度的温度起伏。这个差异很微小，但正是形成我们今天看到的周围结构的起因。通过温度来测量物质密度差异的想法听上去有些奇怪，却有充分的理由。就像宇宙背景探测（COBE）卫星显示的那样，在发出宇宙微波背景时的物质密度不是绝对均匀的。在比平均值更为密集的区域内，引力会吸引更多的物质，这种挤压会把这个区域略微地加热，这就是我们去探测并测量到的温度起伏。
如果没有这些涨落来让引力发挥作用，那么从一个在产生宇宙微波背景时完全均匀的宇宙中形成现在看到的这种非均匀的、有疏有密的宇宙的历程就不可能完成。但是，空间中涨落的尺度也十分重要。对宇宙微波背景的观测得到的全天图中可以看出，每个蓝色（略冷）和红色（略热）的区域大小是很相似的，平均起来是1度宽，就是满月视角的两倍。根据以上事实经过缜密思考，宇宙学家们确定宇宙是平坦的。其理由是，我们的理论能够预言早期宇宙中涨落的实际物理尺寸，将期望值与实际值相比较，可以告诉我们光线自从源头发出后被弯折了多少，这取决于宇宙中物质的数量：物质越多，光线弯曲得越厉害。在封闭宇宙中，光线弯曲较显着，造成涨落区域看上去比预计的要大；而在开放的宇宙中，物质较少，所以涨落区看上去会小很多。事实上，将仿真结果与实际情况比较后发现宇宙恰恰含有临界数量的物质，因而是平坦的。
这种讨论既让宇宙学家们兴奋也令他们沮丧。兴奋的是，对微波背景的研究不仅能够告诉我们辐射发出的那个极早时刻的情况，还能揭示此后宇宙的整个历史。但问题是要想对早期宇宙得出确切的结论，就必须排除后期各种因素的影响，而这是很难做到的。
光的屏障
我们已经知道在微波背景辐射产生之前宇宙是不透明的，光线无法在里面传到远方。就像在地球上没法看到云层里面一样，我们也没法看到这一时刻以前的情况。这个类比不完全准确，因为云朵自身不发光。太阳是一个更好的例子。从外面看，太阳有一个确切的表面：光球，但实际上我们看到的仅仅是物质开始变得透明的那个边界。光球内，气体是如此炽热、明亮和密集，光子无法不受碰撞地穿透出去，就像紧接着大爆炸后的那段时间一样；光球之外，气体变得透明了，光子能够自由地穿越，就像宇宙刚刚变得透明的那一时刻宇宙微波背景产生的时刻。
要看透云层，我们有一个替代方案：无线电波可以轻易地穿过云层，所以可以得到云层之外或者云朵里面的信息。这种技巧在宇宙微波背景这里不起作用。30万年是对所有电磁辐射的限制，似乎是难以克服的障碍。那么我们怎么能够在前面如此自信地描述在这一时刻之前的那些情况呢？此时我们需要依靠理论。这些理论中有许多曾成功地预言了微波背景辐射是什么样子，这样我们就能够将理论和实际的宇宙微波背景作比较，得出合适的结论。
但更为理想的当然是我们希望能够越过这个障碍看到过去。为了达到这个目标出现了不少想法。比如去探测那些在微波背景辐射时代之前就幸存下来、未曾变化的高能粒子。现在已经开始寻找这种以微小的、几乎无质量的中微子或其他怪异的物质形态出现的粒子。但真正能够探测到并确定其来源的中微子望远镜，还有待建造。
在时间上回看
和化学家或者物理学家不同，宇宙学家们没法拿到他们的研究样品并送到实验室中进行分析。但他们却有一个巨大的优势，就是可以逆着时间向回看，并且观察到研究目标在几百万年前的样子。记住，只要观测离地球越来越远的天体，就可以看到离现在越来越久远的事情。这不适用于在透明时刻前发生的事件，它们隐藏在不透光的婴儿期宇宙里。从现在起我们讨论那些有可能直接观测到的事件。
这一章的内容始于宇宙变得透明的那一刻，就是最终作为宇宙微波背景回声为我们所观测到的时刻。近期的实验，例如Boomerang，Maxima和WMAP已经证实了COBE卫星探测到的背景辐射的微弱温度起伏，我们将此解释为宇宙密度在这一时间点上万分之一的变化。而我们今天看到的这种不均匀性要大得多：既有超星系团、数千个星系聚集在一起的区域，又有几乎没有任何物质的空间。
我们自己的银河系仅是数百万个旋涡星系之一。当然可以去设想，没有任何理由怀疑这些星系或星系群是随机地分布在宇宙中的。但是对星系的大尺度巡查表明，在最大尺度上存在着许多蜂窝状的结构，包括长度有3000万光年的一条巨壁。宇宙是如何从那种早期刚刚变得透明、几乎但又不完全均匀的状态演化成现在的模样呢？
引力，宇宙的力
通常认为，在天文距离上唯一起作用的力是万有引力。对一个物体，无论是恒星、行星、一个人还是一片云，引力的强度取决于它里面包含多少物质。注意质量和重量是不同的。质量表示存在多少物质，而重量表示由于重力产生的力的大小。所以一个在地球轨道上的宇航员处于失重状态，但并没有失去质量。可以把引力定义为：使质量产生重量的力。例如，月亮是太阳大家庭中较小的一个成员，其引力小到无法保持住大气。地球质量比月球大得多，把物体吸引住的能力也强得多，所以幸运的是它保持了我们呼吸所需的大气层。类似地，早期宇宙中物质密集的区域比稀疏的区域有更大的引力，可以把周围的物质吸引过来，而这又进一步增强了它的引力。所以这一过程一直在加速，就像常说的那样：富者愈富，贫者愈贫。
在这些比较致密的区域中也存在局部的密度差异，所以有同类的过程发生。质量越大，引力越强，从周围吸引的物质聚集得越多。使用计算机能够重构当时的情景，从而建立一个比较好的模型来反映早期宇宙是如何演化成现在宇宙的大尺度结构的。
不论这种结构在哪里形成，都必须考虑两种对立的因素：从大爆炸开始的空间的膨胀和引力作用下的局部物质的收缩。一旦天体在形成过程中积累了足够的质量，它就能抵御总体的膨胀而收缩到一起。
一个星系团的始祖最开始时是很小的，其体积随着宇宙的膨胀而增加，并持续地从周围把物质吸纳过来。随着可以积累的物质的耗尽，它增长得越来越慢，直至停止扩张，这个原始的星系群达到了它最大的范围，并有能力凝聚到它最终的大小。引力随距离的增大而变弱，所以在宇宙演化的这个阶段，收缩仅可能发生在很小的尺度上。这样，还仅仅是气体团的原始星系开始形成。
昏暗时代
这种聚合是什么样子的？我们什么都看不到，因为正处在被第15任皇家天文学家马丁·里斯所称的“黑暗年代”。这个时代紧接着产生微波背景辐射的时刻，当时还没有任何恒星在宇宙中发光。
当然那里还充斥着在宇宙开始透明时产生的、还没有多久的回声。这种辐射（此时应称为宇宙电磁背景辐射，而非微波背景辐射）在3000度时开始出现，这个温度和乙炔焊焰的温度差不多。因而在此期间实际上存在着逐渐变暗、逐渐变红的弥漫的辉光。所以宇宙并未彻底黑暗过，只是昏暗而已。
随着宇宙的冷却，在愈来愈微弱的辉光中，物质的引力收缩将最终形成星系。于是一个剧烈的变化发生了，大量的恒星爆发，昏暗的宇宙忽然被照亮，宇宙中充满了耀眼的光芒。这一刻来得有多突然还有争议，但无论如何，我们已经进入了开始形成最早的恒星的新纪元。
在大爆炸中，实际上只有3种元素被创造出来：氢、氦和少量的锂，其他元素的含量可以忽略。我们已知的所有其他元素都是在恒星内部形成的。人们常说：我们是星尘，这是十分贴切的。我们太阳和太阳系的物质很可能已经经历过两次恒星形成的循环。其后可以看到，很多恒星在其火爆的生命史中将氢和氦转化成较重的元素。例如金元素的出现就清晰地表明它是来自超新星的爆炸。相比之下，第一批恒星在形成时只含有最轻的3种元素。
要形成星系，气体团必须收缩。而气体要收缩，温度必须降低。在现在的宇宙中，气团收缩释放的能量可以被碳和氧原子发出的辐射带走。但在我们描述的这个时代，除了通过氢分子外没有其他的途径进行冷却。而氢分子冷却过程的效率是很低的。其结果是，只有大团的气体才能收缩，而从中形成的恒星也特别巨大。第一批恒星的质量可能有太阳质量的数百倍。既然储存了这么多燃料，那么这些巨无霸的发光时间一定比太阳寿命长很多吧？恰恰相反，这些早期恒星来也匆匆，去也匆匆，仅能存在几百万年。相比之下，太阳的整个活跃期可达90亿年。
恒星能量的源泉
要理解这点，就要考虑恒星中心深处的情形。只有一颗恒星允许我们做近距离研究，那就是太阳。太阳，像所有普通恒星一样，是个白热的大气体球，是可以吞没100万个地球这么大的球体。它的表面温度有5600℃，而在核心产生能量的地方，温度高达1500万摄氏度。我们无法看到太阳内部较深的地方，但可以检测它的构成。我们建立的数学模型可以做到符合观测结果，所以才确信对于核心温度的预�
