宇宙如何开始？ 环球聚焦

在16.8万年前，大麦哲伦星云内的一颗恒星发生了超新星爆炸，爆炸将原子碎片以接近光速的速度抛射到星际空间中。这些碎片包括在爆炸中发射的无数中微子，它们在1987年撞击到地球上。日本的科学家们非常幸运地能够探测到其中的11个中微子。虽然这些中微子看起来微不足道，但天文学家通过这些中微子透镜看到超新星的事实，帮助开启了多信使天文学的新时代。

重力波望远镜、调整到不同电磁频率的望远镜和中微子可以一起使用来研究和理解宇宙中最极端和神秘的事件。但不仅如此，中微子还为我们提供了探测那些对光无法穿透的物体的机会。由于中微子与物质的相互作用极其微弱，它们可以穿过从星云到恒星甚至整个行星的一切。这是因为它们只与两种基本力相互作用，即弱力和引力。这种显著的穿透能力使它们成为探测宇宙早期时刻的强大工具。

在大爆炸之后约一秒钟形成物质后，早期宇宙中高能粒子和光子的极高密度使得宇宙在数十万年内完全不透明。这意味着光无法穿透宇宙早期的等离子体，我们无法通过传统的依靠光子的望远镜来观测那个时期。然而，科学家们需要一种不同的方法来研究并观察更早的宇宙时刻，而中微子就扮演了重要的角色。

【资料图】

大爆炸发生不到一秒钟后，中微子和反中微子只是炙热的宇宙汤中的一部分，它们相互碰撞和散射，并与其他物质相互作用，因为宇宙中的一切仍然非常充满能量。然而，大约在一秒钟左右，宇宙中的温度降低到100亿摄氏度，粒子相应地减速。最终，它们的速度足够慢，以至于中微子可以逃逸并找到穿过其他粒子交错的路径。它们不再与物质或光相互碰撞，因此可以自由地在宇宙中留下它们经过的痕迹。

因此，如果我们能够找到这种被科学家称为宇宙中微子背景的痕迹，那将代表宇宙在仅有一秒钟时的图像，将我们的天文观测能力向过去延伸了约380,000年。但是，如果这些来自宇宙起初的中微子存在，它们比高能中微子更加难以捉摸。与每立方厘米空间中的1000亿高能中微子相比，据认为来自宇宙起初时期的中微子只有约300个。

要直接探测到它们，我们需要建造具有比现有仪器精度高上亿倍的设备，或者以某种方式探测它们对宇宙产生的影响，因为当它们逃离时，作为首批穿越不透明宇宙的物质，这些微小的粒子预计会在它们后面留下微型音爆。这会从根本上改变物质和能量的分布。一些空间区域会变得稍微炽热，而一些区域会稍微冷却，这种干扰会在138亿年的时间内被宇宙的膨胀放大成更大尺度的结构。如果我们能够解码一些这种大尺度结构返回到今天的星系分布中，那么我们也许能够聆听到一个仅有一秒钟的宇宙的回响。这不是唯一一个可能起源于宇宙诞生1秒钟时的现代谜团。

坦618，它距离我们约182亿光年，亮度是太阳的140万亿倍，是已知宇宙中最亮的物体之一，被认为年龄接近110亿岁。尽管它的光度令人难以置信，但实际上它是宇宙中最大的黑洞之一，被认为是一个位于星系中心的超大质量黑洞，它的亮度远远超过了它周围数万亿颗恒星。

坦618的质量约为我们太阳的660亿倍，比银河系中心的黑洞“人马座A星”质量大15000倍以上。事实上，这个单个黑洞比银河系中所有恒星的总和还要重。物质以每秒超过10,000公里的速度坠入其中，引起强烈的加热，使得它的吞噬盘中的注定材料发出明亮的光芒，尽管其中心有一个吞噬光线的黑暗之心。坦618可能是我们找到的最大黑洞。

在星系中心潜伏的这些超大质量黑洞并不是唯一的巨头，它们的质量超过了太阳的十万倍，是大型星系的常见特征，被认为对星系的形成和演化有着重要影响。这些炽热的巨大黑洞本身被认为通过吞噬星际物质增长，但有关这些超大质量黑洞的出现时间似乎有些不太合理。

当天文学家观测天空时，他们发现这些巨大的黑洞出现在大爆炸之后仅几百万年的时间内，尽管根据我们的模型，早期宇宙并不具备足够的恒星数量来供养这些巨大的黑洞。我们发现的一些超大质量黑洞在宇宙形成后不到十亿年的时间里就增长到了比我们太阳的质量大十亿倍的程度，而根据恒星形成模型，这个时间段内只可能有大约10万个太阳质量的黑洞形成。

这个难题的一个潜在解决方案可以在我们意识到这些超大质量黑洞之前很多年前就找到。1971年，斯蒂芬·霍金提出了另一种黑洞形成的方式，无需任何前体恒星，而是通过早期宇宙中的密度波动形成的。他称之为原初黑洞。在宇宙仍然是充满光子和物质的高能等离子体的辐射主导时期，主要的不均匀性实际上就是物质的团块，这些团块形成于膨胀和随后的重新加热中的量子不规则性。

宇宙固有的引力将作用于这些密度对比，将大片的气体收缩在早期宇宙的各个地方。然而，在大爆炸之后只有大约一秒的时间窗口可以发生这种情况，之后宇宙膨胀并冷却到一个大小，引力无法再有效地将物质聚集到这些黑洞中。之后，宇宙必须等待数百万年，直到恒星死亡形成新的黑洞。但是这些原初黑洞可能是我们今天探测到的无法解释的黑洞的种子。问题是，尽管这个理论似乎符合我们对早期宇宙中物质行为的理解，但是我们对它们的具体情况以及它们在那一秒钟的时间窗口内可能有多大范围的增长知之甚少。

从数学上讲，原初黑洞形成得越晚，它们就越大，因此对它们的大小的估计差异巨大，从一万分之一纸夹质量的微小颗粒到比我们的太阳重一百万倍的巨兽。那么，如果它们存在，我们如何找到并识别它们呢？在1970年代，斯蒂芬·霍金还推测，黑洞不仅仅会吞噬物质并变得越来越大，他认为它们会通过后来被称为霍金辐射的方式失去部分质量。这种质量损失在黑洞越小的情况下越快，而辐射的失控加速最终会导致黑洞爆炸，相当于一百万兆吨的氢弹爆炸。

任何质量小于1000亿千克的黑洞都可能在宇宙的年龄内逐渐消失。因此，科学家们已经开始利用空间中的费米伽玛射线望远镜等仪器寻找这些特征性的爆炸性死亡，其他寻找这些难以捉摸的原初种子的潜在方法包括寻找恒星和星系的微透镜效应和放大效应，以及试图检测被困在原初引力井中的致密恒星的毁灭。

然而，到目前为止，所有这些研究只能排除某些大小范围，留下了一个越来越小的可能性范围，即原初黑洞的大小和形成时间。

尽管天文学家们尚未放弃希望，下一代高科技望远镜将继续进行搜索，比以往任何时候都具有更广泛和更精确的范围。

激光干涉空间天线（Lisa）将在下一个十年内发射，继续在空间中寻找引力波，其中一些引力波可能直接来自自宇宙形成之初不到一秒的时间内就开始在宇宙中漫游的原始黑洞。

在2022年12月5日，加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施的腹地，人类取得了一项非凡的成就。实验室的科学家们专注于一个厚度为一厘米的金色圆柱内的192台激光，其中包含一个燃料颗粒，大小相当于胡椒粒，其中含有氘和氚两种同位素。当激光能量击中胶囊的壁面时，将其加热至约300万摄氏度，比太阳表面温度更高，导致其释放出X射线。在圆柱内部，这些强大的X射线轰击颗粒表面，并以每秒400公里的速度压缩燃料。燃料迅速崩塌，在不到十亿分之一秒的时间内达到了百亿倍大气压力。氘和氚的原子融合在一起，转化为氦，同时释放出高能中微子和其他能量。总共有2.05兆焦耳的能量进入圆柱体，而3.15兆焦耳的能量则由核聚变反应产生。

这是近70年来科学家们首次成功引发了一次具有生产力的核聚变反应。核聚变本身并不新鲜，自从20世纪50年代以来，人类一直在制造具有致命威力的聚变武器，但这次2022年的反应是我们首次创造了比投入更多能量的聚变反应，大约50倍的能量增益足以烧开约20个水壶。

这一突破对于核物理学来说是重大的，然而这个过程在宇宙的每颗恒星的核心中自然进行了数十亿年。不仅如此，宇宙的物理学在它的第一分钟内就解释了这种聚变。

人类长期以来一直对于将一种物质转变为另一种物质的神奇行为着迷，无论是从空气中产生一束花朵，还是将基本金属炼成宝贵的黄金，没有什么比从平凡之物中获得新奇事物的想法更能引起我们的兴趣。早期的宇宙充满了这样的转变，而不稳定的基本力推动了混乱的身份交换，但这样的转变在我们周围的现代宇宙中仍在继续发生，由弱力调节的放射性衰变会导致原子核破裂和变形，使元素转化为相对质量较小的同位素，遵循正常且可预测的时间尺度。

这种核裂变在各种元素中发生，从用于碳定年的碳-14到用于医学成像的锝-99，再到用作核反应堆燃料的铀-235。这种放射性衰变是由不稳定的原子核引起的，通常在最常见的环境条件下会自发发生。但是，作为另一种核转化形式，核聚变会使原子核增加其质量并向周期表上升，这更难以实现。所有原子的身份都由其核内质子和中子的数量确定。氢只有一个质子，但存在具有不同质量、具有不同中子数量的同位素变体。氢-1（普通氢）只有一个质子，氘（重氢）有一个额外的中子，使原子的相对质量加倍，而氚（氚）有两个中子，使总相对质量达到三个。

只有在添加另一个质子时，元素的身份才会改变。两个质子构成一个氦核，氦-3具有一个中子，而最稳定的氦-4具有两个中子。强核力是将所有强子结合成稳定原子核的代理，但由于质子共享轻微正电荷，它们会被另外四个基本力之一的电磁力推开，因此在强胶子能够将它们保持在一起之前，需要强烈的热量和物理压力，例如在恒星核心或放射金胶囊内所发现的条件，使质子彼此靠近到足够距离，以克服其相互排斥的电磁力和使元素融合为新物质。

要使更重的元素组合许多十个质子在一起，需要更极端的宇宙事件，如超新星或恒星合并。尽管科学家们努力在实验室中复制这个过程，但他们对恒星炉内核聚变的工作原理有着很好的理解，可以从简单的氢和氦中创建新元素，他们甚至见证并理解了这个过程的起初阶段，即所谓的失败恒星褐矮星内部。

褐矮星是由气体组成的巨大天体，比类似木星的气体巨星大，但比活跃的恒星小。在它们内部，没有足够的热量和压力可以使轻量级的普通氢聚变成氦，而是通过使用较重的重氢作为中间体来完成这一过程。然而，所有这些过程都无法解释较大的重氢和氦的原子首次从何而来。

要回答这个问题，我们需要回溯到星体形成之前、恒星核聚变之前的宇宙的第一分钟，当时宇宙的平均温度降到约1000万摄氏度左右，大爆炸之后约一微秒后，宇宙终于足够冷却以使夸克结合成质子和中子，这是所有元素的构建基块。但是，在我们看到第一颗星开始发光的前一亿年的时间间隔中，不存在这些核聚变的核心之间如何组合的问题。

直到1948年，美国的博士生拉尔夫·阿尔法（Ralph Alpha）与他的导师乔治·伽莫夫（George Gamoff）提出了一种后来被称为宇宙大爆炸核成因论的机制。这是一个大胆而富有灵感的理论，但阿尔法的工作的杰出之处在于甘莫夫坚持在他们的重要论文中加入另一位与其没有任何关系的作者。

用他的话说，只由阿尔法和甘莫夫签署的文章似乎对希腊字母来说不合适，所以在准备发表稿时插入了汉斯·贝塔博士的名字。因此，阿尔法贝塔伽莫夫论文成为了关于星体形成之前核聚变的权威论文，至今为止，为我们理解宇宙开始时的高温如何通过氘中间体将氢转化为氦提供了基础。

普通氢是最轻的氢的变种，由一个质子组成，因此，一旦夸克结合成质子，这些氢核就存在了，尽管重要的是要注意，在约10秒钟之后，中性电荷的氢原子（同时具有质子和电子）才会形成。宇宙的温度降低到足够低，以便一些由一个质子和一个中子组成的氘核形成，但在这种高温的宇宙汤中，温度和粒子能量仍然很高，以至于氘核是不稳定的，如果它们被光子击中，这在这样的密度下是不可避免的，这些第一批复合核会再次分离，物理学家称之为氘瓶颈。

直到另外300秒后，温度降低到足够使氘变得更加稳定，并形成自然元素。首先是具有一个质子和一个中子的氘能够在整个宇宙的巨大压缩力下与单个质子聚变，这是完全新的稳定元素氦3。从这点开始，下一个宇宙创造物就是更常见的氦-4，它由两个质子和两个中子组成，氦-4核是现有的最稳定的原子核，也是所有元素中最难分解的。由于这个原因以及在那最初的几百秒钟内存在的条件，早期宇宙中的大多数自由质子都被吞噬并形成氦，没有继续聚变。

即使在这个充满能量的氦元素创造之后的138亿年里，经历了无数恒星的诞生和死亡，宇宙仍然含有约23%的氦。单凭这个观察结果，就充分证实了阿尔法理论，并且在这里我们看到了宇宙初始条件的另一个巧妙微调的例子。我们已经知道，如果质子与中子的比值不同，宇宙中的大部分普通物质将会衰变成无电荷、不活跃的中子和氦。但是即使有了质子与中子的比值，如果宇宙中的物质在宇宙大爆炸核合成时更加紧密，那么会形成更多的氦。

宇宙主要由氦组成的不活跃性将意味着此后几乎不可能发生化学反应，这再次导致了一个没有恒星、没有星系和没有我们的宇宙的荒凉前景。然而，幸运的是，情况并非如此。尽管许多强子形成了稳定的氦核，但宇宙仍然充满了潜在的能量，可以用于进一步的核聚变，现在的竞赛就是看在宇宙环境能量下降得太远之前能够创造出多少新的元素。最终，在激烈的宇宙核合成持续约1200秒（相当于宇宙存在的仅仅20分钟）之后，核反应炉最终停止运转。

从人类的标准来看，它仍然极其炽热，但对于进一步形成核心来说已经太冷了，因此在这一点上，只存在四种元素：氢、氦、锂和铍。由于铍核的短暂稳定性，只有前三种能够存活足够长的时间以见证第一颗恒星的诞生，并成为创造出现代宇宙中的其他98种元素的最终燃料。在这个阶段，每个氦核周围有12个氢核，每个组合物质粒子周围有十亿个光子，但是凭借这些基本成分，其他一切都被铺设好了。即使在2022年加利福尼亚州的科学家们将氘和氚聚变在一起的过程中产生了新的成分，这些氘和氚本身也是在138亿年前新生宇宙的炽热环境中形成的。

宇宙中的生命是化学的奇迹，据我们所知，这个化学奇迹只在一个无名湿润岩石行星上的一个普通黄星边缘的银河系较小螺旋臂的内侧发生过，但是活着的事物是如何登上地球的呢？尽管健康的化石记录可以追溯到大约30亿年前，生物起源的这一刻——生命的火花——却消失在时间的迷雾中。生物学家一致认为，生物是由碳、氧和氢组成的有机分子构成的。

此外，他们还发现所有生物共享一种常见的化学指导手册，即DNA和RNA，它们本身由称为核碱基的重复单元组成。胞嘧啶、鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶提供了一种通用语言，可以编码有关如何生长叶片、鳍或毛囊的信息。但是这些分子最初是从哪里来的呢？有人想象，新形成的地球上温暖而富有潜力的化学环境为从头开始组装有机分子和核碱基提供了理想条件，但还有一种替代理论认为，生命的成分并不是在地球上创造的，而是在星际空间的深处——星际空间的深处确实发现了有关生命物质的令人信服的证据。

1969年，美国天文学家在西弗吉尼亚州格林班克的国家射电天文台工作时，在星际空间深处探测到了含有碳、氢和氧的甲醛分子的特征振动，之后又发现了许多其他复杂的分子。科学家现在已经确定在星际云层内以及包围恒星的物质壳中存在着250多种有机分子，包括醛、醇、酸和胺，这些都是生命中更大分子的基本构建模块，它们在宇宙无生命的边缘地带潜伏着。关于外层空间具有带来生命的潜力的线索甚至可以追溯到1864年，5月14日晚上8点过后不久，一颗陨石在法国南部的奥尔日附近坠落，成块地分散着约20块，当时被称为奥尔日陨石。回收和分析奥尔日陨石的科学家报告了与地球上的有机物质非常相似的成分，这引发了关于这些有机物质是否可能具有生物起源的激烈辩论，但没有发现任何可辨认的生物结构。

虽然当时的流星经过近百年后使用更现代的仪器和技术重新分析，得出这样的结论变得不太可能，但化学家们仍然感到惊讶，因为他们发现在DNA和RNA中找到的腺嘌呤和鸟嘌呤这两种核基是完全相同的。随后对全球其他有机质丰富的陨石进行的研究也发现了地球上其他生命核基，以及几种在我们的生物组成中不存在的核基。

至于这个问题的明确答案尚未揭示，但迄今为止的观察至少指向了一个确定的事实：在没有特殊挑衅或鼓励的情况下，宇宙本身具有构建分子和进行惊人化学反应的能力。这种太空化学正是在宇宙刚刚开始不到十万年后的初期阶段发生的，大爆炸核合成过程中激烈的元素创造活动在仅仅20分钟后就停止了。随着宇宙的膨胀和冷却，周围环境的能量不再足够高以维持核聚变，但条件仍然极端。整个宇宙仍然比我们呼吸的空气密集，温度仍然过高，轻质电子无法放慢速度以被新形成的原子核捕获。宇宙中的能量仍多于物质，以热离解等离子体的形式存在，还需要数万年的冷却才能开始发生任何变化。然而，在这个混乱的过程中确实发生了一些事情。

1925年的实验室中首次创造的氦氢化物是氦与氢结合的不稳定离子，自然界中很少见。1978年，明尼苏达大学的天体化学家约翰·H·布莱克提出，在太空中可以大量发现这种离子，特别是在行星状星云中，这些星云是红巨星在晚期生命阶段的能量爆发形成的。他预测，在这种环境中，会存在一个由中性氢云周围的电离氦薄层，氦离子迫切需要电子以中和其电荷，因此它们会从唯一的可用来源中，也就是氢中窃取一个电子。

在超热的星云中，这两者之间的结合最终会导致氦氢化物离子的形成。然而，这种分子一直难以捕捉，长期的搜寻屡屡以令人沮丧的失败告终。直到2019年，一座创新的望远镜设法实现了看似不可能的事情。如今，大多数望远镜要么位于地面上，要么位于高山上。

山顶可避免最严重的光污染、天气和大气扭曲问题，或者将望远镜发射到太空中，完全摆脱这些问题，使其绕地球或太阳轨道运行。但是，索非亚天文台采取了不同的做法。它由一个2.7米宽的镜面望远镜组成，该望远镜指向一架特殊改装的波音747飞机的后门，飞行高度超过43,000英尺。

在这个高度上，与望远镜连接的仪器可以享受到太空望远镜的许多好处，因为它们会被抬升到地球大气层中大部分水分之上，从而允许它们探测到通常被水蒸气吸收的光波长，而且关键是，连接到远红外接收器的望远镜具有足够的分辨率，最终可以在深空中终于捕捉到中等氢化离子微弱的重叠信号。

最后的探测结果来自对一个被指定为NGC 7027的行星状星云进行了三天的观测，该行星状星云距离地球约3000光年，位于天鹅座的方向上。在这个炎热而富有活力的星际环境中，正如约翰·布莱克40年前预测的那样，氦氢化物能够形成并在星云的光谱上留下其特征。探测到这个信号对于近百年来实验和理论化学的突破具有重要意义，但是其在这里的发现所带来的影响更为重大，因为这个遥远星云内部的条件与宇宙最初几万年的条件非常相似。

大爆炸核合成在创建原子核方面非常有效，但是在此后的几十万年里，宇宙能量仍然过高，无法使氢、氘和氦与电子结合形成无电荷的原子。然而，当环境温度降至约4000开尔文时，这些背离正常轨道的原子核能够按照特定的顺序相互结合，由它们的电离电位决定。正是因为这个原因，氦气今天被认为是所有惰性气体中最高尚的气体。

氦是最惰性的元素，也是最不容易发生反应的，因为需要巨大能量来剥夺其一个电子，将其转化为离子。但在早期宇宙时，存在的只有带电荷的离子粒子，氦凭借其强大的吸附能力，成为第一个吸引电子并保持住它们的元素，形成了宇宙中第一个无电荷的物质。然而，这种对氦的稳定性并没有持续很久，它对于单个质子捕获电子以形成氢原子来说仍然太热了，所以质子们转向氦和它所携带的电子，寻求一种能够共享的排列方式。

最终，在这些顽固的质子的巨大压力下，氦屈服了，形成了宇宙中的第一个化学键和第一个分子，从而在这个过程中形成了非常不稳定的氦氢离子。尽管这些分子的不稳定性，它们的短暂存在为其他分子的形成以及宇宙中的化学起源铺平了道路。

从大爆炸后的约100,000年开始，星际化学的领域得到了很好的发展，研究我们可以在宇宙中找到哪些分子以及它们是如何形成的。地球上存在的许多原子结构在整个宇宙中也很常见，包括水和氨等物质，但还有一些更为奇特的分子，例如二氢单氯离子或过氧化氢根离子。尽管还有很多尚未被发现的分子，无论它们是什么，它们的存在最终都要归功于在宇宙诞生的前100,000年里产生和消失的氦氢离子。

你可能认为你对周围世界有很好的掌握能力，我们的大脑似乎通过专门感知光、声音、物质的实体触感以及分子的化学细微差异而适应了感知宇宙所能提供的所有刺激。但这并不是真的，现实远比眼睛、耳朵或指尖所感知到的要丰富得多。以光为例，我们大多数人能够以辉煌锐利的鲜艳色彩看到世界，但可见光只是更广阔电磁光谱的微小部分，其波浪不断而又不可察觉地洗涤着我们的生活。高能量的伽玛射线和X射线由我们食用的食物、构成我们家园的砖块，甚至我们自己的身体发出。我们所认为我们可以感知的来自太阳的辐射能量中，约有10%是能够穿透并对我们的皮肤和眼睛造成损害的紫外线。

在低于可见光的能量中，阳光由约50%的红外线组成，我们中的一些经历到它作为热量的感觉。甚至在更低的能量下，红外线技术如动作传感器和电视遥控器通过微波辐射频率来发送和接收信号，而我们的模拟收音机和电视则使用了最长波长的电磁辐射——无线电波。如果我们能看到所有的辐射，我们将变得失明。

总而言之，尽管我们表面上有知觉，但我们对宇宙中发生的至少99%的事情毫不知情。也许这是好事，因为很难想象我们的大脑如何适应处理所有可能的刺激。夜空的相对宁静将会变成五光十色、声音喧嚣的焰火，有来自无数源头的光点和歌声，并且在这一切的背后，到处都是微弱的背光辐射，那是宇宙中第一束光的残留辐射。

在宇宙存在的最初几百万年里，宇宙是完全不透明的，尽管充满了光。对于我们来说，这样的概念很难想象。从大爆炸后的万分之一秒开始，承载着宇宙大部分能量的光子陷入了一个自身构建的迷宫中，物质和能量占据了同一枚硬币的两面。新生宇宙的冷却使得纯能量转化为物质，洪荒之力涌入宇宙，充斥着亚原子粒子，它们的密度和强烈的振动能量使光子根本无法穿透这一群体。直到原子最终形成，任何事物才会有所改变。

在现代宇宙中，无电荷的原子而不是带电离子是构成我们周围一切的基石。由于它们体积小，需要大量这样的原子才能构建任何物质。每个人体内大约有7千万亿个原子，这是一个后面跟着27个零的数字。如果按照人类和地球上其他生物的数量来计算，再考虑到地球本身，并乘以宇宙中的所有行星和恒星，整个宇宙中的原子数量是无法想象的。

制造一个原子的真正关键在于首先捕获电子，这一发现始于19世纪末。这些带负电的轻子比质子轻2000倍，可以被看作没有形状或内部结构的一个点，而且在如此微小的尺度上，它们的行为由量子物理学来控制，量子不确定性规定我们无法知道它们的速度和位置，我们永远无法确定单个电子的位置，相反，它们可以被认为同时占据它们能够到达的每一个可能的位置，只要物理法则允许。

一旦在宇宙大爆炸核合成期间形成了带正电的原子核，电磁力帮助捕获带负电的电子，从而形成一个电中性的原子。氢核捕获一个电子，氦核捕获两个电子，但是这并不是一个快速的过程，电磁力约比将强子和核聚合在一起的强力弱100倍，因此宇宙的环境条件必须要低能量得多，才能希望使电磁力使电子变得超充电并将它们引入集体。

最终，需要经过约380,000年的宇宙膨胀，温度降低到约3000开尔文，电子才能最终加入其中，形成第一个稳定的原子。当它们这样做时，整个宇宙发生了转变，电磁吸引将电子吸附在原子核周围的稳定轨道上，在它们曾经自由漫游宇宙的地方，电子现在与它们带正电的伴侣紧密结合。

这首次开放了自创造物质以来的空间，光子被困在迷宫中数十万年，突然找到了逃离的道路，它们可以直线行进而不会立即撞击到其他粒子，它们是第一束真正穿透宇宙的光线。曾经是不透明的东西现在变得透明，曾经是等离子体的东西现在变成气体，曾经是破碎的东西现在变得完整。整个宇宙的历史上，我们终于有机会看到发生了什么。

在科学中，很少有发现是偶然的，更不用说能够获得诺贝尔奖的那种发现了。科学进展通常是通过多年的投入和逐步研究和投资来获得的，但是在1978年，诺贝尔委员会违背惯例，将那年的物理学奖授予了两位偶然发现的人，这是一种突发事件。这是在1960年代初在新泽西州霍姆德尔的一个小镇上，为最幸运的发现铺平了道路，因为贝尔实验室在那里建造了一个20英尺长的喇叭形天线。几年后，一个新的卫星系统取代了原来的系统，使得这个设备变得过时，但贝尔实验室并没有浪费他们庞大的听觉设备，相反，他们将其开放给研究人员阿诺·彭兹斯和罗伯特·威尔逊，他们计划收听并分析来自星系间空间的无线电信号。

然而，当他们开始观测时，这两位天文学家在低但持续的无线电噪音中很难分辨出信号。他们检查了噪音不是来自附近的纽约市或当地的军事设施，他们确认它不是来自银河系的任何特定部分或者银河系之外，而是似乎来自整个天空。因此，为了使这种噪音如此一致和全方位出现，研究人员得出结论，这一定是仪器内部的某种错误造成的。的确，当他们检查天线时，他们发现有一些鸽子在天线上栖息，也许是它们的粪便，他们所描述的白色介电材料正在散发热量，从而产生噪音。

在多次试图人道地重新安置这些鸟类失败后，研究人员采取了更极端的措施，最终清理了天线上的鸽子和鸽粪，但是噪音仍然存在。彭兹斯和威尔逊在他们的仪器中排除了所有可能的误差来源，所以作为最后的手段，他们开始考虑这个无线电噪音实际上可能来自整个天空。他们向普林斯顿大学的天文学家罗伯特·迪基求助，寻求建议。正是迪基以最大的方式解决了这个谜团，他一直在发展关于早期宇宙中原子形成的理论，他相信宇宙大爆炸是周期性的，前一个宇宙的所有原子在火球的压缩和重组中被撕裂。

当宇宙再次膨胀和冷却时，这种所谓的复合会使宇宙变得透明，并首次释放光线，这在这个宇宙的时间线上被称为光宇宙的可见部分，如黄橙色的发光，在宇宙内的很大距离上仍然可以检测到。随后，宇宙的扩张将使早期时空延伸，直到发光变为红移，超出我们眼睛的感知范围，并进入微波波长。

迪基计划自己寻找这个发光，但彭齐斯和威尔逊无意中击败了他，因此十年后，这两位贝尔实验室的研究人员获得了诺贝尔奖，以表彰他们对所谓的宇宙微波背景的发现。无论是谁被认为是发现或解释宇宙微波背景的功劳，尽管迪基的周期性火球模型后来被排除，但其检测结果代表了我们对宇宙大爆炸的理解的重要转折点。

发现这种红移的火球发光现在被拉伸到仅为绝对零度以上2.7度，这是确凿的证据，表明宇宙实际上是从一个炽热致密的状态开始的，即使它是在宇宙学创造的那一刻之后的约380,000年。这为我们对在这一时期中事物如何发展的理论提供了证明。我们拥有的最早的观测证据是早期宇宙的炽热、高能量和紧凑结构，甚至在其中还包含了宇宙将如何展开的线索。

由于彭齐斯和威尔逊发现微波嗡嗡声在整个夜空中非常一致，后来设计用于研究宇宙背景辐射的仪器发现了非常微小的变化，即微弱的热度或冷度差异，只有几十万分之几度。对宇宙背景辐射的映射成为像宇宙背景探测器、威尔金森微波各向异性探测器和普朗克望远镜这样的项目的重点，产生了对380,000年前宇宙中能量和密度变化的极为详细的图像。

正是这些密度变化为今天的大尺度结构提供了种子，因为它们包含更多物质，然后吸引更多物质，变得更密集，进而吸引更多物质。在1亿年内，这些超过密度的区域已经变得足够庞大，以触发第一颗恒星和星系的形成。这些变化似乎主要是随机的，正如预期的那样，是子原子量子涨落通过宇宙大爆炸之后的第一秒内的膨胀而被放大到巨大的尺度。

然而，更近一步的分析还揭示了宇宙背景辐射中隐藏的另一个奇特模式，这个模式也在今天的大尺度结构中得到了映射。在原子形成之前，当宇宙仍然充满不透明的等离子体时，它足够密集，使得声波能够穿过，就像今天的声音穿过空气一样。这些波动起源于骚动的能量汤中相互作用的吸引力和斥力。当重力将物质吸引到更密集区域的中心时，光子被困在崩溃的迷宫中，但由于被过于紧密地压缩，这些光子反击并对物质施加向外的压力，因此这些光子向外推开物质，以三个维度扩散，形成了复杂的同心涟漪图案，就像池塘中的许多雨滴一样。从某种意义上说，这些压缩波是声波，因此被宇宙学家称为重子声学振荡。然而，这种现象在原子复合之后就不复存在，一旦宇宙达到临界点。

陷入那个正在崩溃的迷宫中，反抗并施加向外的压力，因为被过于紧密地打包，于是这些光子推回并携带一些物质与它们一起扩散在三个维度上，形成了复杂的同心波纹图案，就像池塘上许多雨滴一样。从某种意义上说，这些压缩波是声波，因此宇宙学家称之为重子声学振荡。然而，一旦宇宙达到了临界温度3000开尔文，即原子复合反应后，这种现象就不复存在了。此时，电子被俘获并形成原子，向外传递物质的光子可以自由逃脱，重子声学振荡突然停止了。它们无法再前进，而其球面边缘上的物质被困在那里，就像光子离开它们一样。

现在，大约130亿年后，宇宙已经扩展了，但这些停留下来的冻结波纹的图案仍然可以在星系团和超星系的整体结构中辨认出来。宇宙学家在现代宇宙中发现了重子声学振荡，现在它们大约跨越150兆秒差距，即将近5亿光年。对于观测宇宙内更远距离和时间的重子声学振荡的尺寸测量为天文学家提供了一个所谓的标准标尺，他们可以用它来测量空间的膨胀。

根据这些信息，在一个对我们的仪器最终可见的宇宙中，我们可以模拟事物是如何展开的，并预测未来的发展。宇宙最初的光的痕迹可能已经被拉伸和减弱成了其原貌的影子，但在它从我们的视野中完全消失之前，还要经过数万亿年的时间，给未来的宇宙学家足够的时间来解读它的奥秘。

太空黑暗中闪烁着一点亮光，先是一颗，然后又一颗，接着一连串的点亮，一个星团膨胀增大，并逐渐亮起更多年轻恒星的光芒。几十亿年后，它变得足够庞大和质量足够大，开始自转，并给予足够的动量，使其在赤道处被拉伸扁平，形成一个每秒旋转超过200公里的盘状结构，每250万年完成一次完整的旋转。当这个年轻的螺旋星系穿越银河系之外的空间时，它会捕获和吸收沿途的较小星团，与其他自转星系的正面碰撞导致合并，为最初的螺旋星系注入新物质，引发狂热的恒星形成。

大约100亿年前，我们的银河系正处于其生命的全盛时期，在银河系涟漪状的螺旋臂内，巨大的恒星燃烧，猛烈地燃烧并戏剧性地死亡，将其消耗的核聚变燃料倒回星系云中进行循环利用。这些气体富含在恒星核聚变期间形成的较重元素，为全新一代的恒星提供了基础，并首次形成行星系统，它们迟到了星际形成派对。

在距离银河系中心25000光年的一个分裂的螺旋臂上，大约46亿年前，一颗恒星出现了，并像银河系本身一样在较小的尺度上呈镜像状，围绕它旋转的是尘埃和气体，形成一个扁平的盘状结构，尘埃变成了小石子，小石子变成了巨石，最终巨石变成了完整的岩石世界，这些岩石世界相互竞争稳定的位置围绕着黄色的恒星，并经过一些灾难性的碰撞最终安定在将来的45亿年中将占据的轨道上。

在距离太阳第三颗岩石世界上，随着其猛烈形成过程的热量逐渐消散，水凝结形成了海洋和大气层，板块构造开始缓慢地在行星表面进行岩石再循环，在海洋的某个地方，不知何故，一束生命的火花点燃了，找到了立足之地，并适应和演化，填满了这个独特的世界，带来了一种全新的创造，化学变成了生物，无数的生命形式在海洋、陆地和天空中蜂拥而至，然后，仿佛从无处而来，一种有感知的思维出现了，思考着自己在宇宙中的位置。

尽管我们知道形成银河系、太阳、地球、生命和我们自身的广泛事件序列，但我们对我们的创造的宇宙学理解仍然存在一些空白。在大爆炸后几十亿年的某个时候，那些在原子复合和宇宙微波背景形成时已经存在的物质和能量如何演化成了这一切？所有这一切是否不可避免，或者宇宙是否可以走上不同的道路？通过获取我们在原子复合和宇宙微波背景形成时所了解的物质和能量，并模拟随后的宇宙演化，我们得到的宇宙与我们所处的宇宙有微妙但显著的不同。其中星系更少，恒星形成更为活跃，行星形成延迟。在这些模拟中，生命可能会滞后甚至完全不存在。这显然缺少了一些东西，这是一幅拼图中的最后一块，但宇宙学家们无法看到这个缺失的部分。大约在大爆炸后38万年，光终于逃离了物质的囚禁，光子可以自由地穿越膨胀的宇宙，但随着宇宙的扩大，光子会失去能量。宇宙也许不再是不透明的，但它是黑暗的，形成的强烈能量已经衰减，还需要数百万年才能再次出现新的核聚变过程来集中能量。

这是宇宙的黑暗时代，也许几乎没有什么可以看到，但这并不意味着什么都没有发生。事实上，科学家们相信在这段时间内，即宇宙历史的头百万年及以后的时间里，暗物质成为塑造宇宙未来的力量。暗物质的存在首次在1933年被瑞士天文学家弗里茨·齐基考虑到，当他研究距离地球320光年的座头鲸星系团时，这些星系似乎移动得太快，无法保持团簇的形态。基于可见星体的质量估计给出的数值比让这些星系以如此快的速度移动所需的质量少了约10倍。为了解释这两种测量质量方法之间的明显差异，齐基提出实际上在星星、气体和可见物质之间可能存在着大量看不见的质量，他称之为德语中的“Dunkel Materie”，即暗物质。

20世纪70年代末，开创性的天文学家维拉·鲁宾在研究最接近我们的螺旋星系仙女座星系的旋转时注意到了一个不符合预期的现象。当时，她和同事们通过仪器读取加密的穿孔卡片结果进行研究，但对于这位经验丰富的天文学家来说，问题是昭然若揭的。人们预期星系在靠近中心时旋转得更快，而边缘的星星则会以更稳定的速度前进，但穿孔卡片的结果却讲述了一个不同的故事。

仙女座星系外边缘的星星似乎和中央的球状体一样快速移动，其螺旋臂的尖端以不可思议的速度旋转。解释这种运动的唯一办法，而不违反宇宙基本运动定律，就是星星本身只是整个星系质量的一部分。鲁宾计算出可见物质必须只占实际存在的质量的15％，而仙女座星系必须被一个比星星可见范围大得多的暗物质光环所包围。随后的观测揭示了大多数星系都是这样的情况，包括我们自己的银河系。

实际上，目前的估计表明，银河系的暗物质光环可能是可见星星范围的15倍大。因此，天文学家现在确信暗物质在塑造现代宇宙中的重要性，尽管我们仍然无法探测到它。大规模的研究表明，暗物质的质量比正常物质多六倍，而且可能一直如此。但它到底是什么，尽管进行了几十年的研究，仍然是一个谜。

一种可能性是宇宙中的暗物质由普通的由夸克和轻子组成的普通物质构成，但我们目前的技术很难探测到它们。这类对象被称为大质量致密晕（massive compact Halo objects，简称machos），更常被称为“黑洞”，它们可以是各种尺寸的小但密度和质量极高的黑洞，巨大恒星在生命周期结束时崩塌形成的质量极大的中子星，或者包含的质量几乎与恒星相当但不足以点燃聚变的大量棕矮星。

然而，随着我们的望远镜和仪器的改进，我们能够越来越详细地探测星际空间的深处，足够数量的这些对象继续逃脱我们的注意力的机会越来越小。鉴于这种持续缺乏观测证据，宇宙学家目前更倾向于另一种可能性，即大多数暗物质存在于一种被称为弱相互作用的大质量粒子中，因此被昵称为“wimps”。

这将是一种全新的粒子类型，它将位于我们今天理解的标准模型之外，但我们迄今为止未能探测到它们。它们不会通过任何已知的基本力与普通物质相互作用，除了重力，但是它们可能具有很大的质量，或者以足够的数量存在，以弥补宇宙85％缺失的质量。目前，在粒子加速器和宇宙中，人们正在寻找这些重量级wimps的任何线索。但是由于可靠的线索太少，我们可能还有很长的路要走。

无论暗物质是macho、wimp还是其他什么，它很可能一直存在于有形物质的阴影中，自宇宙的最初几秒钟的创造以来，正是在大爆炸后的宇宙黑暗时代的约一百万年后，它开始塑造宇宙的整体结构。宇宙微波背景辐射表明，在原子复合时刻，物质和能量的分布并不均匀，因此我们可以预期暗物质也随之而来。

但在这些黑暗的千年中，所有的质量都发挥了作用，引力将暗物质聚集在一起，比我们预期的普通物质自身坍塌得更快、更密。然后，正常物质按照暗物质的模板运动，并被吸入不可见的引力井，从而创造出贯穿宇宙的纤维、星系团和气体团，它们将成为第一颗恒星和星系的孕育地。

从这一点开始，我们今天所看到的宇宙的演化已经变得不可避免，所有迄今为止发生的一切为接下来数十亿年的天体物理创造奠定了基础。宇宙已经达到一个整体物理上可理解的阶段，四种力已经稳定并成为独立的力，决定了所有基本的相互作用，而物质的性质和数量也已经稳定下来，为星星和星系的世代、化学元素的起源和生命的最终创造提供了原料。但这还不是全部，80亿年来，宇宙中的事件正如我们所预期的那样发展，具备了这些基本成分。

然而，在大约50亿至60亿年前，就在我们太阳系形成、位于银河系之内的不久之前，发生了某种变化，而在25年前发现这一变化后，我们清楚地意识到我们对宇宙的平衡仍然不够理解。这种宇宙演化中的变化首次在1998年被认识到，当时天文学家们正在研究不同时空点的超新星。某种尺寸的超新星有时被称为“标准蜡烛”，因为它们以已知且可预测的亮度和光度爆发。

因此，它们已经成为测量宇宙膨胀的有价值的工具，因为它们的光线会随着它们和我们之间的空间膨胀而被拉伸成更红的波长。然而，天文学家注意到，

在过去的大约50亿年中，超新星的红移比预期要大，所以它们离我们的距离比预期更远。这种模式在测量重子声学振荡和星系团中也可以观察到。不仅如此，加速膨胀本身似乎正在加速。对于宇宙最近这个相变的外来解释是暗能量。

因此，我们的太阳系整个历史上，我们一直生活在一个暗能量主导的时代。就像暗物质一样，宇宙学家对于暗能量的真实性没有一个很好的想法。当爱因斯坦制定广义相对论时，他引入了宇宙学常数的概念，代表了空间的固有能量。随着空间的扩张，这种能量实际上会增加，从而推动进一步的膨胀。

最终，广义相对论并不需要这个修改常数，但是这个想法在解释暗能量方面找到了新的生命。然而，问题仍然存在，即我们不理解为什么这种固有能量应该存在。如果在宇宙尺度上找不到解释，也许微观物理学提供了一个线索。量子理论预测了一种被称为真空能的现象，即由于随机的量子涨落而自发地产生和消失的虚拟粒子施加压力从而引起膨胀。这是一个有希望的想法，但是将这种真空能应用于更大尺度的计算结果要远高于我们观察到的膨胀，无法很好地解释。

一些宇宙学家考虑了一种完全不同的东西，一种被称为第五元素的新型能量场，它与正常物质和正常能量的行为相反，可以是引力的或斥力的，并且随着时间的推移可以改变其行为。然而，由于没有能够轻松探测该力量或甚至证实其存在的实验或观察，我们被困在黑暗中。

随着时间的推移，我们周围的空间扩张，无论它是什么，我们留下的是一个大约由68%的暗能量、27%的暗物质和少于5%的正常物质组成的宇宙。正是这些成分构成了我们的宇宙在138亿年中的生长和发展，遵循着在宇宙最初时刻显现出的规则和常数。在宇宙大爆炸之后的前10亿亿亿分之一秒里，您一直在观看宇宙的整个历史。