宇宙里的第一縷光是如何誕生的

李詔宇

漢字中的“光”，是最為古老的漢字之一。在甲骨文中，其字形為人頭頂有火，指火焰為人類帶來了光明。

然而，宇宙中的光究竟從哪里來？這一問題至今仍令科學(xué)家爭論不休。在一項新研究中，研究人員認(rèn)為，宇宙中的光來自強(qiáng)引力。

什么是強(qiáng)引力？宇宙中的第一縷光究竟來自哪里？為何自宇宙誕生已有130多億年，第一縷光還未達(dá)到地球？帶著這些問題，科技日報記者采訪了相關(guān)專家。

光的起源就是物質(zhì)的起源

要弄清宇宙中的光從哪里來，首先需要了解光的本質(zhì)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授蔡一夫向記者介紹，早在遙遠(yuǎn)的古代，人類就開始了對于光的研究。

我國古代的《墨經(jīng)》中就記錄了8條與光有關(guān)的知識，包括光的直線傳播性和針孔成像等，但尚未明確涉及光的定義。17世紀(jì)以來，隨著科學(xué)研究的不斷拓展，對光本質(zhì)的認(rèn)識可以分為波動說和粒子說兩種針鋒相對的說法。1925年，法國物理學(xué)家德布羅意提出所有物質(zhì)都具有波粒二象性的理論。隨后，德國物理學(xué)家普朗克等數(shù)位科學(xué)家建立了量子物理學(xué)說，大大拓展了人類對于光的認(rèn)識。

“目前一般認(rèn)為，光具有波粒二象性。光從本質(zhì)上看既是一種電磁波，也是一種粒子——光子。因此，光同時具有電磁波與粒子的一些特征。”蔡一夫表示，“在幾何光學(xué)中，光的傳播途徑是直線；在波動光學(xué)中，光以波的形式傳播；而在量子光學(xué)中，光的能量存在則是量子化的。”

如今，隨著對于光研究的不斷深入，人們對于光的認(rèn)識也在持續(xù)深化。

在蔡一夫看來，研究光的起源，從本質(zhì)上來說就是研究物質(zhì)的起源。“一般來說，宇宙中只要有物質(zhì)，就會存在溫度。只要存在溫度，就會產(chǎn)生熱輻射，進(jìn)而產(chǎn)生光。”蔡一夫表示。

據(jù)介紹，熱輻射指的是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。“一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射。溫度越高，輻射出的總能量就越大。”蔡一夫說，“當(dāng)溫度較低時，熱輻射的主要形式是人肉眼不可見的紅外光；而當(dāng)溫度較高時，熱輻射的主要形式則轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳祟惾庋劭梢姷目梢姽狻！?h3>真正意義上的第一縷光

根據(jù)此次最新研究，宇宙中的光來自強(qiáng)引力。專家指出，新研究提出了一種引力子轉(zhuǎn)化成光子的可能理論機(jī)制和途徑。

“按照這個研究的說法，早期宇宙中電磁波在傳播時的波速，不再是真空中的光速。當(dāng)電磁波的波速滿足特殊的形式時，彎曲時空中的電磁場方程就有可能轉(zhuǎn)變成一個參數(shù)共振的馬蒂厄方程。通過這樣的方式，引力波就有可能將能量傳遞給電磁波，進(jìn)而使引力子轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾印！辈桃环虮硎荆暗仨氄f明的是，這個研究只是提出了一種可能性，其正確性還有待進(jìn)一步檢驗。”

據(jù)介紹，引力子是物理學(xué)中一種傳遞引力的假想粒子。目前，科學(xué)家尚未完全證實(shí)其是否存在。“提出引力子可以轉(zhuǎn)化為光子，應(yīng)該說是一種大膽的設(shè)想。”蔡一夫表示。

那么，宇宙中的第一縷光究竟是如何產(chǎn)生的呢？在此前的研究中，科學(xué)家也提出了許多與宇宙中光的起源相關(guān)的假說。

“按照相關(guān)經(jīng)典理論，光子的誕生是一個復(fù)雜的過程。宇宙在暴脹結(jié)束后，由于非常劇烈的時空膨脹，宇宙內(nèi)僅僅剩下了暴脹子場。通過重加熱過程，暴脹子場衰變成了標(biāo)準(zhǔn)模型中的各種粒子，自然也包括光子。”蔡一夫介紹，“由于那時的宇宙過于熾熱，就如同一鍋煮沸了的滾湯一般，此時的光子并不是可以自由傳播的光子，而是始終處于與其他粒子豐富的相互作用之中。因此，這時候還不能說宇宙中有了真正意義上的光。”

“直到暴脹結(jié)束后約38萬年，也就是所謂的‘宇宙微波背景輻射形成時，由于宇宙已經(jīng)逐漸冷卻了下來，光子才開始在整個宇宙中近乎自由地傳播。宇宙中第一縷真正意義上的光隨之誕生。”蔡一夫說。

隨著第一縷光的誕生，宇宙仿佛拍了屬于自己的第一張“自拍”。正是因為光的存在，人類才可以通過包括肉眼、傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡等多種方式觀測我們身處的宇宙。如果沒有光，人類也就無從認(rèn)識宇宙，甚至極有可能根本無法產(chǎn)生人類乃至一切地球生命。

宇宙中的第一縷光，如今又在哪里？

“如今，宇宙中的第一縷光已經(jīng)變得十分微弱了，它已經(jīng)變成波長非常長、肉眼完全不可見的微波了。”蔡一夫說，“當(dāng)我們使用老式電視的時候，電視因為接收不到頻道而閃爍的雪花噪聲光點(diǎn)之中，就有來自那時的光子。”

不久前上映的科幻電影《宇宙探索編輯部》中，就包含了來自宇宙第一縷光的雪花噪聲光點(diǎn)的相關(guān)情節(jié)。

光速限定的可觀測宇宙

可以說，光既讓人類可以探索宇宙的奧妙，也限制了人類的“視野”，讓我們只能看到宇宙的一部分，這就是可觀測宇宙。

相關(guān)研究表明，目前可觀測宇宙半徑約為465億光年，也就是說，從地球望向宇宙的人類，只能觀測到465億光年以內(nèi)的宇宙，這與光的傳播速度密切相關(guān)。

蔡一夫介紹，可觀測宇宙，也被稱為哈勃體積，指的是一個以觀測者作為中心的球體空間。這個球體空間的體積可以讓觀測者采取任何可行的方式觀測到該范圍內(nèi)的物體。“在可觀測宇宙范圍內(nèi)，物體發(fā)出的光有足夠時間和可能性到達(dá)觀測者。”蔡一夫解釋道，“必須指出的是，可觀測宇宙中‘可觀測這個名詞指的并非是現(xiàn)實(shí)世界中人類的技術(shù)可觀測。而是不依賴于現(xiàn)代技術(shù)的探測能力，僅僅代表著理論上光線或是其他信號從物體傳播到觀測者的可能。事實(shí)上，憑借著人類目前的觀測技術(shù)，我們可以實(shí)際觀測到的宇宙范圍遠(yuǎn)小于可觀測宇宙的范圍。”

眾所周知，光年是光一年行進(jìn)的距離。在宇宙誕生以來，假使光一刻不停地跑，也最多只跑過了138億光年的距離。然而，可觀測宇宙的范圍卻并非是138億光年，這是為什么呢？

“可觀測宇宙的范圍是有限的。這歸根結(jié)底是因為光速是有限的，同時目前宇宙的年齡也并非是無限的。”蔡一夫指出，因此光只能在有限的時間里，傳播有限的距離，進(jìn)而造就了范圍有限的可觀測宇宙。

眾所周知，光年是光一年行進(jìn)的距離。在宇宙誕生以來，假使光一刻不停地跑，也最多只跑過了138億光年的距離。然而，可觀測宇宙的范圍卻并非是138億光年，這是為什么呢？

“在宇宙大爆炸的早期，宇宙很可能經(jīng)歷過暴脹過程，在暴脹時整個宇宙時空以指數(shù)爆炸的形式不斷增倍膨脹。在極短的時間內(nèi)宇宙就產(chǎn)生了非常巨大的體積。”蔡一夫說。

我們可以試想一下，假設(shè)宇宙正在膨脹，但光波還朝著地球的方向傳播，這就好比一個人在機(jī)場的直行電梯上，逆著電梯運(yùn)行方向走。這個電梯就好比膨脹的宇宙空間，這個人就好比光波。所以，即使這個人走到了你面前，他所走過路徑其實(shí)比你看到的要長得多，而他的出發(fā)點(diǎn)其實(shí)也比你看到的要遠(yuǎn)上許多。因此，如果把膨脹效應(yīng)考慮進(jìn)去，則可觀測宇宙的范圍就是465億光年。

事實(shí)上，可觀測宇宙的半徑并非一成不變的。蔡一夫指出，正因為光速是宇宙中最快的速度，在宇宙大爆炸之后，部分宇宙中的天體因為距離地球太遠(yuǎn)，導(dǎo)致了其發(fā)出光線到現(xiàn)在為止也未能到達(dá)地球。在未來，這些光將有可能到達(dá)地球，進(jìn)而拓展可觀測宇宙的范圍。

◎ 來源|科技日報