宇宙是如何創造出原子的

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。為了創造它們，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，它們的數量和質子數相當，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，對于穩定創造出中性原子來說，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。為了使創造出的中性原子是穩定的，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，它緩慢地轉變為鋰-7。經過一兩年后，鈹-7幾乎完全消失了（全部轉變為鋰-7）。時間繼續流逝，氫-3也開始產生放射性衰變（通過發射電子），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定的原子。因此，宇宙繼續膨脹，冷卻且密度在降低。

時間又經過數百年，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為被慢速運動的物質所支配。基于這種變化，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，都會出現兩種情況：一是發出紫外線光子，因為原子會自然躍遷到較低能狀態（自發輻射）;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

當形成穩定的中性原子時，它本身會發射出紫外線光子。這些光子會以直線繼續前進，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，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生相互作用（沒有機會碰到下一個中性原子），那么它們將發生紅移（能量變小），這樣就不能夠再激發中性原子、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態時，它會簡單地下降到最低能量態，并發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生，即發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。它是導致宇宙變為中性的主要原因——當一個正在形成的中性原子發射兩個光子時，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，變為充滿100%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。科學家從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，我們觀察到的現象代表了我們的理論預測與宇宙遙遠的過去實際所發生的驚人的一致。宇宙花了50萬年左右最終創造出中性原子，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下一階段。