摘要：光在大爆炸后并没有不受约束地出现。在这里，我们看到了从大约 138 亿年前的大爆炸（左上）到现在（右下）的阶段。 （图片来源：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images）

大爆炸后是黑暗的，还是光线立即闪耀？

光在大爆炸后并没有不受约束地出现。在这里，我们看到了从大约 138 亿年前的大爆炸（左上）到现在（右下）的阶段。 （图片来源：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images）

如今，黑夜与星光交织。但是在星星诞生之前，光在宇宙的起点闪耀过吗？

简短的回答是“不”。但长长的答案揭示了 Light 的非凡旅程。起初，早期宇宙的光是被 “困住的” ，花了几十万年的时间才逃脱。然后，恒星大约需要 1 亿年才能形成。

通过研究星系移动的速度和方向，天文学家埃德温·哈勃 （Edwin Hubble） 发现宇宙正在膨胀。1929 年的这一发现表明宇宙曾经更小，科学家最终计算出整个宇宙在大约 138 亿年前集中成一个无限密集的点，直到大爆炸发生。

“随着宇宙大爆炸，太空与宇宙中的万物一起被创造和扩展，”俄亥俄州鲍灵格林州立大学物理学和天文学主席安德鲁·莱登 （Andrew Layden）

莱登说，现在构成宇宙的所有物质能够容纳在一个小点上的唯一方式是“如果当时是能量”。爱因斯坦的著名方程E=mc2揭示了能量和质量可以互换，Layden 解释说。

随着宇宙的膨胀，它的能量密度降低，它冷却了。然后，根据 Las Cumbres 天文台的数据，第一批粒子在大爆炸后的第一秒内开始形成。这些包括构成光的光子，以及构成原子的质子、中子和电子。据美国宇航局称，到宇宙大爆炸后大约三分钟，质子和中子可以聚变在一起，形成氦等原子核。

“想想雾和露水，”莱登说。“处于高能状态的粒子像雾中的水一样分散，当能量变得足够低时，它们会像露珠一样凝结出来。”

然而，尽管光子从大爆炸后的第一秒就存在，但它们还不能照亮宇宙。这是因为早期宇宙非常热，以至于“电子移动得太快了，原子核无法将它们保持在围绕它们的轨道上，”莱登说。“宇宙就是这股非常热、浓稠的汤。”

在早期宇宙中，所有的电子都自由地移动，这意味着光不能移动太多。“由于光在这段时间内试图沿直线传播，它总是会撞到电子，所以它不会走得很远，”Layden 说。

宇宙大爆炸后宇宙事件的视觉时间线。（图片来源：JPL/NASA）

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois， Urbana-Champaign）的宇宙学家斯里尼瓦桑·拉古纳森（Srinivasan Raghunathan），在太阳中也发现了类似的情况。“你可以想象太阳中心的核反应产生的光子试图射出太阳表面，”他说。“太阳的中心非常热，因此存在很多自由电子。这意味着光不能直线传播。

从太阳中心到其表面的距离约为 432,450 英里（696,000 公里）。Raghunathan 说，真空中的光速约为每秒 186,000 英里（300,000 公里/秒），但在太阳中，“光从太阳中心逸出到太阳表面大约需要 100 万到 200 万年。

然而，在大爆炸大约 380,000 年后，宇宙的膨胀使宇宙冷却到足以让原子核凝固到电子上。“当这种情况发生时，所有这些电子都不再自由，”Layden 说。“这发生在大约 3,000 开尔文 [4,940 华氏度，或 2,725 摄氏度] 时，这是一颗冷红色恒星的表面温度。”

Layden 说，在短短几年内，“一切都从热乎乎的浓汤变成了一个光可以自由传播的清澈宇宙”。“在那一刻，宇宙中的第一批光子可以逃逸。”

Layden 指出，当宇宙约为 3,000 开尔文时，宇宙的典型光波长为近红外到可见光。然而，随着宇宙在 130 多亿年的时间里膨胀并冷却到约 2.73 开尔文（零下 455 华氏度，或零下 270 摄氏度）的平均温度，宇宙的第一束光延伸到更长的微波波长。

天文学家于 1964 年首次探测到大爆炸遗留下来的辐射，称为宇宙微波背景。

分析这些微波产生了许多见解。例如，星系的引力会扭曲光线——这种现象称为引力透镜。Raghunathan 说，检查宇宙微波背景在天空中不同点所经历的扭曲程度可以帮助科学家重建宇宙的大尺度结构——星系的排列以及它们之间在宇宙中的巨大空隙。

大爆炸的光被释放后，宇宙经历了一个被称为宇宙黑暗时代的时期。最终，数百万年后，气体云的引力导致这些物质团块自行坍缩。

“这创造了第一代恒星，宇宙在大爆炸后大约 10 亿年就有了充满恒星的星系，开始了宇宙的黎明，”莱登说。

来源：小夏的科学世界