宇宙是如何創(chuàng)造出原子的

郎思策

我們在地球、太陽系甚至宇宙中所看到的一切，它們全部都由相同的東西組成——原子。電子和原子核相互作用并連接，形成單個原子，原子接著形成或簡單、或復雜的分子，分子然后產生今天整個宇宙的宏觀結構（同時還產生了生命）。

宇宙太熱創(chuàng)造不出原子

今天的宇宙結構，確實令我們感到震撼。但是從大爆炸發(fā)生的那一刻起，整個宇宙中，經過了幾十萬年，都沒有一個原子出現(xiàn)。為了創(chuàng)造它們，宇宙耗費了很長的時間，并且經過了復雜的演變。

宇宙誕生四分鐘后，原子核就已經出現(xiàn)了。這時沒有自由的中子，因為它們都已經合并到了較重的核中。這些較重的核是：氦-4（兩個質子和兩個中子），氘（一個質子和一個中子），氦-3（兩個質子和一個中子）和氫-3（一個質子和兩個中子），鋰-7（三個質子和四個中子）和鈹-7（四個質子和三個中子）。

這時，宇宙中也存在著許多自由電子，它們的數(shù)量和質子數(shù)相當，從而使得我們的宇宙能夠保持中性（不帶電）。此時的宇宙實在太熱、能量太大了，光子源源不斷地從原子核和電子中散射出來，以至于任何東西都無法形成。

原因很簡單：這些原子核沒有足夠的能量相互融合在一起形成更重的組合，而電子卻因為能量過多無法被束縛到原子核上，因而無法形成原子。

實際上，對于穩(wěn)定創(chuàng)造出中性原子來說，當時宇宙的能量過多了——到宇宙誕生幾分鐘時，溫度仍然是幾億度。為了使創(chuàng)造出的中性原子是穩(wěn)定的，溫度必須降到幾千度以下才行。

宇宙降溫為原子產生創(chuàng)造條件

當然，宇宙正在膨脹，這意味著身處其中的光的波長在被拉伸而不斷冷卻。但是要拉伸到大約10萬倍才可以，這將需要很多時間。

隨著時間的流逝，宇宙一直在膨脹和冷卻。這時，鈹-7開始產生放射性衰變。通過捕獲電子，它緩慢地轉變?yōu)殇?7。經過一兩年后，鈹-7幾乎完全消失了（全部轉變?yōu)殇?7）。時間繼續(xù)流逝，氫-3也開始產生放射性衰變（通過發(fā)射電子），最后成為氦-3。

所有這些轉型，耗費了大約100年的時間。

然而，宇宙仍然太熱而無法形成穩(wěn)定的原子。因此，宇宙繼續(xù)膨脹，冷卻且密度在降低。

時間又經過數(shù)百年，光子的紅移變得越來越厲害——超過其他粒子的10億倍，直到它們幾乎失去了所有能量。

幾萬年后，輻射密度下降到物質密度以下，這時，宇宙由被光速運動的輻射所控制轉變?yōu)楸宦龠\動的物質所支配?；谶@種變化，萬有引力開始將暗物質拉成團塊，這些團塊越來越大，從而吸引了更多的物質。沒有輻射可以分解、破壞這些團塊，所以宇宙開始形成結構——我們的宇宙結構的雛形就在那時出現(xiàn)了。

但是那時宇宙還是太熱而無法形成中性原子。每次電子成功與原子核結合時，都會出現(xiàn)兩種情況：一是發(fā)出紫外線光子，因為原子會自然躍遷到較低能狀態(tài)（自發(fā)輻射）;二是受到其他粒子的轟炸，其中之一是光子（宇宙中每個電子周圍都存在十億個左右的光子）。即使大爆炸后過了數(shù)萬年，依然有足夠的光子具有足夠的能量，一旦電子與原子核（無論是自由質子還是較重的原子核）結合，它會立即把它們炸開。

當大爆炸過后約30萬年時，情況才開始發(fā)生變化。大爆炸中留下的背景光子開始變涼，以致于能量不足以立即將電子從其核中踢出。這時，具有極高能量的光子變得很少，比宇宙中的電子要少很多，只有不到十億分之一的光子可以使中性原子產生電離。

這意味著中性原子從這時起可以開始形成了，但是它們形成后要如何保留下來是個問題。

雙光子躍遷

使宇宙獲得中性原子

當形成穩(wěn)定的中性原子時，它本身會發(fā)射出紫外線光子。這些光子會以直線繼續(xù)前進，直到遇到另一個中性原子，然后將其電離。所以，即使我們可以制造少量的中性原子，但它們無法保持這種狀態(tài)，因為很快就會遭到破壞。

您也許會認為，如果這些紫外線光子在太空中傳播足夠長的時間，并不再與中性原子發(fā)生相互作用（沒有機會碰到下一個中性原子），那么它們將發(fā)生紅移（能量變小），這樣就不能夠再激發(fā)中性原子、使其電離了。

的確，這是一種可能的情況，但這僅僅是對宇宙中最初形成的百分之幾的中性原子來說是如此。此外，還有以下這種情況——

通常，在氫原子中，當電子處在第一個激發(fā)態(tài)時，它會簡單地下降到最低能量態(tài)，并發(fā)射一個特定能量的紫外線光子——萊曼α光子。但是，在一億次躍遷中，會有一次的下降是通過不同的路徑發(fā)生，即發(fā)射兩個能量較低的光子。這被稱為雙光子衰變，或雙光子躍遷。它是導致宇宙變?yōu)橹行缘闹饕颉斠粋€正在形成的中性原子發(fā)射兩個光子時，第一個光子撞擊并電離附近的另一個中性原子后，第二個光子會將電離后的原子核和電子重新結合起來，產生新的中性原子，這時宇宙得到了一個額外的中性原子。

這就是宇宙如何創(chuàng)造出中性原子的故事。中性原子的產生這個過程很長，需要10多萬年的時間，但這就是宇宙要做的事情。這種雙光子躍遷雖然很少見，但卻是首先形成中性原子的過程。它使我們的宇宙，從充滿等離子，變?yōu)槌錆M100%的中性原子。

盡管我們說宇宙是在大爆炸之后38萬年開始形成這些原子的，但實際上，原子的形成是一個緩慢的、漸進的過程，該過程花費了大約10萬年的時間。

一旦原子是中性的，大爆炸的光就不會散開，這就是“宇宙微波背景輻射”的起源?？茖W家從1964年開始首次探測到這種光，進一步證實了“大爆炸”理論的正確，并進入了現(xiàn)代宇宙學時代。在地球上的實驗室中已經證實了雙光子躍遷，我們觀察到的現(xiàn)象代表了我們的理論預測與宇宙遙遠的過去實際所發(fā)生的驚人的一致。宇宙花了50萬年左右最終創(chuàng)造出中性原子，然后，萬有引力開始將宇宙凝聚成團，最終，我們的宇宙故事已經準備好繼續(xù)下一階段。