宇宙里的第一縷光是如何誕生的

□文/李詔宇

宇宙暴脹示意圖

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家爭論不休。在一項新研究中，研究人員認為宇宙中的光來自強引力。

什么是強引力？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，第一縷光還未到達地球？

“光”字甲骨文

光的起源就是物質的起源

要弄清宇宙中的光從哪里來，首先需要了解光的本質。

中國科學技術大學物理學院天文學系教授蔡一夫介紹，早在遙遠的古代，人類就開始了對于光的研究。

我國古代的《墨經》中就記錄了8 條與光有關的知識，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 世紀以來，隨著科學研究的不斷拓展，對光本質的認識可以分為波動說和粒子說兩種針鋒相對的說法。1925 年，法國物理學家德布羅意提出所有物質都具有波粒二象性的理論。隨后，德國物理學家普朗克等數位科學家建立了量子物理學說，大大拓展了人類對光的認識。

“目前一般認為，光具有波粒二象性。從本質上看，光既是一種電磁波，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，“在幾何光學中，光的傳播途徑是直線；在波動光學中，光以波的形式傳播；而在量子光學中，光的能量存在則是量子化的。”

如今，隨著對光的研究不斷深入，人們對光的認識也在持續深化。

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

熱輻射指的就是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象。“一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射。溫度越高，輻射出的總能量就越大。”蔡一夫說，“當溫度較低時，熱輻射的主要形式是人肉眼不可見的紅外光；而當溫度較高時，熱輻射的主要形式就轉變為人類肉眼可見的可見光。”

真正意義上的第一縷光

根據此次的最新研究，宇宙中的光來自強引力。專家指出，新研究提出了一種引力子轉化成光子的可能理論機制和途徑。

“按照這個研究的說法，早期宇宙中的電磁波在傳播時的波速，不再是真空中的光速。當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變成一個參數共振的馬蒂厄方程。通過這樣的方式，引力波就有可能將能量傳遞給電磁波，進而使引力子轉變為光子。”蔡一夫表示，“但必須說明的是，這個研究只是提出了一種可能性，其正確性還有待進一步檢驗。”

據介紹，引力子是物理學中一種傳遞引力的假想粒子。目前，科學家尚未完全證實其是否存在。“提出引力子可以轉化為光子，應該說是一種大膽的設想。”蔡一夫表示。

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

引力子是物理學中一種傳遞引力的假想粒子

“按照相關經典理論，光子的誕生是一個復雜的過程。在宇宙暴脹結束后，由于非常劇烈的時空膨脹，宇宙內僅剩下了暴脹子場。通過重加熱過程，暴脹子場衰變成了標準模型中的各種粒子，自然也包括光子。”蔡一夫介紹，“由于那時的宇宙過于熾熱，如同一鍋煮沸了的滾湯，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，由于宇宙已經逐漸冷卻下來了，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、傳統望遠鏡、射電望遠鏡等多種方式觀測我們身處的宇宙。如果沒有光，人類也就無從認識宇宙，甚至極有可能根本無法產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變得十分微弱了，它已經變成波長非常長、肉眼完全不可見的微波了。”蔡一夫說。

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。

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

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的物體。“在可觀測宇宙范圍內，物體發出的光有足夠時間和可能性到達觀測者。”蔡一夫解釋道，“必須指出的是， ‘可觀測’指的并非現實世界中人類的技術可觀測，而是不依賴于現代技術的探測能力，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。事實上，憑借人類目前的觀測技術，我們可以實際觀測到的宇宙范圍遠小于可觀測宇宙的范圍。”

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

眾所周知，光年是指光在一年中行進的距離。從宇宙誕生以來，假使光一刻不停地跑，最多也只跑過了138 億光年的距離。然而，可觀測宇宙的范圍卻并非138億光年，這是為什么呢？

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

我們可以試想一下，假設宇宙正在膨脹，但光波還朝著地球的方向傳播，這就好比一個人在機場的直行電梯上，逆著電梯運行方向走。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，他所走過路徑其實比你看到的要長得多，而他的出發點其實也比你看到的要遠上許多。因此，如果把膨脹效應考慮進去，可觀測宇宙的范圍就是465 億光年。

事實上，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，導致其發出的光線到現在為止也未能到達地球。在未來，這些光將有可能到達地球，進而拓展可觀測宇宙的范圍。