科學家發現了宇宙「第一道光」的來源

當我們仰望天空時，難免會被由星星、星系、星雲等等發射出來的點點星光所吸引。不過，科學家們發現在宇宙起源之初，這些星體還未出現之前，茫茫太空中就有光的存在。

那麼「照進」宇宙的第一道光到底從何而來？近來，以天文學家 Ethan Siegel 為代表的科學家似乎找到了答案。

發現了 CMB 的存在

在此之前，不得不提的是，新澤西洲貝爾實驗室研究人員 Arno Penzias 和 Robert Wilson 於 1965 年的發現。當時他們在校準雷達通信天線時，發現了一種無法尋找到源頭的「噪音」。這些無跡可尋的電磁波輻射不僅與太陽、任何行星，甚至是銀河系都沒有相關聯繫，且呈現出各方向強度相同的現象。

Arno Penzias 和 Robert Wilson

經過多年的研究，普林斯頓 30 英里開外的一支科學家團隊預測，「噪音」是宇宙大爆炸遺留下來的能量，並認為這些後來被命名為宇宙微波背景（CMB）的輻射是宇宙誕生時的「第一道光」。隨後數十年的研究中，科學家們已經能夠較精確地測量這些輻射的溫度——2.735K，並且通過計算證明了 CMB 與宇宙大爆炸存在聯繫。

均勻的微波輻射背景（圖片源自：NASA）

找到了CMB的來源

就像上面說的，這些微波輻射與星體無關，因為它出現得更早；當然也不是原子發射出來的，因為當時中性原子還未存在。不過，近來科學家們從愛因斯坦的經典質能等價公式E=mc^2中找到了答案。

通過這個公式，愛因斯坦告訴了我們物質與能量之間量的關係。從爆炸開始，宇宙原來的巨大純能量生成了大量的粒子。並且，就像 LHC（歐洲核子研究所的大型強子對撞機）中進行的實驗一樣，粒子通過碰撞釋放出光能和熱能，併產生大量的新粒子以及反粒子；其中生成的反粒子又通過相互抵消產生光能。

在這個時候由於粒子的不斷碰撞，宇宙中存在著大約 10^89 對粒子-反粒子，並通過相互作用產生大量的光能，這也就是我們上面說的「第一道光」的出現。

而後隨著宇宙的不斷膨脹和冷卻，不穩定的粒子和反粒子對逐漸衰變、抵消，粒子間不能再以高能碰撞來產生新粒子。不過，由於碰撞時產生的粒子比反物質要多那麼一點點（好比說十億分之一），經過億萬年的發展宇宙從原來的純能量體發展為現在的物質世界，而當時的釋放出的光能則變成了太空中「背景」——穩定且均勻存在的微波輻射（CMB）。

物質、輻射、宇宙的膨脹示意圖

當然，這些都還只是「紙上談兵」，從當今的科學水平來看，我們還未能模擬出在極端環境下發生的質能轉化現象。不過，為了探索宇宙起源的種種問題，科學家們已經做出了不少嘗試，上面提到的大型強子對撞機就是其中之一。

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