大爆炸

宇宙如何从炽热致密的开端，在 138 亿年间长成一张星系之网

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今天的宇宙

星系沿着环绕空旷空洞的纤维之网排列：这是大爆炸 138 亿年后的宇宙。空间本身仍在伸展，带着星系彼此远离。

图中区域宽约 8 亿光年。其中的星系聚集成墙和纤维，环绕着宽达一亿光年甚至更宽的空洞；这正是绘制了数百万个星系的巡天所揭示的图案。这里的网是用一个简单模型画出来的，而不是测绘所得，所以它看起来像真实的网，却并不是它。

遥远的星系离我们越远，远离的速度就越快：每远 326 万光年，就快约 67 公里/秒。它们并不是在空间中飞行，而是它们之间的空间在增长。把时钟倒拨，一切必定曾经紧紧挤在一起。

把时钟倒拨

让时间倒流，星系会挤到一起，融入均匀的气体，然后消失在越来越热的光中。没有中心：无论从哪里看，一切都以同样的方式靠拢。

大爆炸不是发生在空间中某一点的爆炸。空间本身在各处同时更小，今天宇宙的每一部分都参与其中。任选一个星系：倒放时，其他所有星系都向它靠拢，就像它们向我们的星系靠拢一样。

我们今天能看到的一切，如今宽 930 亿光年，在大爆炸后一秒时装在一个宽约 18 光年的区域里。最初的那一刻发生了什么，或者是否存在“之前”，至今无人知晓：我们的物理学只能把宇宙追溯到它诞生后已经过了极短一瞬的时候。

第一秒

百万分之一秒时，空间充满了温度达数万亿度的夸克、胶子和光。大约十万分之一秒后，夸克聚集成质子和中子。

今天没有任何东西有这么热，连恒星的核心也没有。整个宇宙是一锅由最小粒子组成的浓汤，粒子碰撞得太频繁，什么都无法结合在一起。随着空间增长，它逐渐冷却，在大约两万亿度时，夸克三个一组聚在一起：成为质子和中子。

起初中子和质子一样多。中子稍重一些，所以随着冷却变得越来越少，直到一秒多一点时，两者不再相互转化：每六个质子对应一个中子。那时中微子已经溜走了；它们今天仍充满空间。

最初几分钟

大约在第三到第二十分钟之间，质子和中子聚变成氦，直到所有普通物质的四分之一变成氦。之后宇宙太冷，无法再造更多。

质子和中子先结合成氘，但在几分钟里，光仍然热得足以把这些组合打散。一旦冷却到大约十亿度以下，这些组合就能存活，并很快结合成氦。几乎每个中子最后都进了氦原子核。

结果按质量算，大约四分之三是氢、四分之一是氦，外加微量的氘和锂，这正是天文学家在最古老的气体和恒星中发现的。这是大爆炸确实发生过的最有力证据之一，而这一切发生在宇宙最初的二十分钟里。

发光的雾

在接下来的 37 万年里，宇宙是一片由原子核、电子和光组成的发光的雾。光走不了多远就会被电子弹开，所以透过它什么也看不见。

这就像身处恒星内部，只是随着空间增长越来越稀薄、越来越冷。物质和光互相推拉，声波在雾中回荡。它们留下的涟漪极其微小，约为十万分之一；这里画得强了数千倍。

雾慢慢地从数亿度冷却到几千度，它的光芒像一颗冷却中的恒星那样变色：从蓝白色变成黄色，再变成橙色。每个质子或中子对应约 16 亿个光子。

雾散了

在大约 3000 度、大爆炸后约 37 万年时，电子落到原子核上，雾变得透明。那时被释放的光至今仍从四面八方到达我们：宇宙微波背景辐射。

电子一旦被束缚进氢原子和氦原子，光就能在它们之间自由穿行。那束光从那时起一直在旅行。它被不断增长的宇宙拉伸到波长长了一千倍，今天以微波的形式到达，比绝对零度高 2.7 度。

它细小的涟漪，天空中直径约一度的斑点，是所有星系的种子。从 COBE 到 WMAP 和普朗克，卫星已经详细绘制了它们的图；真实的地图就在照片里。它们的图案告诉我们宇宙的年龄以及宇宙由什么组成。

黑暗时代

随着空间继续增长，余晖变红、变暗。几百万年后，再没有任何可见光，只有黑暗，而引力悄悄地把物质聚进涟漪里。

在几百万年里，天空仍像余烬一样发出暗红的光。随后它的光滑入红外，宇宙陷入黑暗。那时还没有恒星，只有逐渐冷却的氢和氦气体。

在黑暗中，既不发光也不挡光、质量是普通物质五倍的暗物质，聚集到涟漪使它稍稍更密的地方，气体也随之而来。这里用蓝色画出；实际上它是看不见的。

第一缕光

一亿到两亿年后，第一批恒星在网中最密的结点里点燃，第一批星系开始聚集。它们的光慢慢清除周围的气体。

第一批恒星可能巨大、炽热且短命，只由氢和氦构成；至今一颗也没有找到。詹姆斯·韦布空间望远镜已经看到在大爆炸后不到 3 亿年就在发光的星系。

年轻星系的紫外光把周围的氢原子再次打散，到大约十亿年时，星系之间的气体变得透明。它们的恒星还锻造出了最早的较重元素，从碳到铁，后来的恒星和行星就是用它们造成的。

网在生长

在数十亿年里，星系沿着网生长、合并。太阳在大爆炸 92 亿年后形成，而在过去 60 亿年里，空间一直在越来越快地增长。

大多数恒星诞生于宇宙 20 亿到 60 亿岁时；此后恒星诞生的速度已放慢到约十分之一。我们的太阳和地球约在 46 亿年前，由早已被前几代恒星丰富过的气体形成。

1998 年，天文学家发现遥远的爆炸恒星比预期的暗：膨胀正在加速。驱动它的东西被称为暗能量，今天约占宇宙的 68%。它究竟是什么，仍是物理学中最大的未解问题之一。

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