宇宙的温度是多少 目前科学界无法回溯到源头

伤我心太深

　　按照科学家今天的能力，对宇宙历史回溯是无法达到源头的。因为当宇宙温度达到普朗克温度——大概是1032度，这个时刻被认为是经典宇宙的开始，也就是研究者所讲的宇宙大爆炸的开端——宇宙是一锅能量汤，不要说原子、分子，连已知最基础的粒子夸克也不能存在。今天我们看到的宇宙中一切的结构，都是宇宙演化的产物。

　　在大爆炸之后，宇宙空间迅速膨胀，物质密度迅速下降，温度也迅速下降。到宇宙诞生后零点几秒的时候，宇宙温度已经降到了10Mev以下(差不多几百亿度量级)，质子和中子就开始形成了。所谓氢原子核，其实就是质子。从这个意义上讲，最轻的原子核已经诞生。




　　最开始的时候，质子和中子是可以互相转化的，但是随着温度进一步降低，到1秒钟以后，质子和中子的数量比就冻结了，比例是7：1，质子多，中子少。中子这个东西很麻烦，你放着它不管，它大概10分多钟就衰变了，除非你把它结合到原子核里。那么什么时候它可以到原子核里呢?这必须要宇宙温度下降到10亿度以下，一个质子和一个中子可以形成氢的同位素——氘。这个时候宇宙的年龄是100多秒，比中子的半衰期短得多，所以中子都保全下来了。


　　氘在核反应链条上是一个中间产物，大量的氘通过不同路径最终形成了氦。到宇宙年龄3分钟的时候，几乎所有的中子都到了氦里面。如果记得我们刚才说过宇宙质子和中子的比例是7：1，那么很容易可以推算出这个时候氢和氦的质量比例是3：1，也就是宇宙中75%是氢，25%是氦。


　　核反应再往下进行就很麻烦了，因为自然界没有原子量是5和8的稳定原子。原子量是6的稳定原子有一个是锂的同位素，原子量为6的锂(6Li)，但是形成6Li的反应截面很小。所以下一个能够形成的原子实际上是7Li。但等7Li可以开始形成的时候，宇宙已经非常冷，密度也比较低了，核聚变很难继续进行。所以大爆炸核合成过程最后只形成了非常少量的7Li。

　　到宇宙年龄1小时的时候，核合成已经完全停止，宇宙中的元素丰度仍然是75%的氢，25%的氦，以及极为少量的锂。更重的元素都是在恒星演化中形成的。

　　在宇宙诞生一小时以后，原子核形成了。但这个时候，电子的能量还很高，不能和原子核结合形成原子。随着宇宙进一步冷却，到诞生后37万年的时候，宇宙温度终于降到了原子形成的温度。所有的电子一下子被原子核俘获了，这个过程被称作电子复合。


　　在电子被原子核俘获前，它们可以自由地散射光子，这使得宇宙中所有的光子都走不远，在前进很短的距离后就会被电子散射，偏离航向。直到电子被原子核俘获后，光子才能自由地在宇宙中直线穿行。观测者是通过光子观察宇宙的，这也就是说，在电子复合之前，宇宙是不透明的，在电子复合之后，宇宙才变得透明起来。



　　这个时刻被称作最后散射时刻。今天地球上的观测者是通过光线来了解宇宙的;宇宙越远处发出的光线，到达地球的时间也越长。


　　人类看到的远处天体实际上是它过去的样子。理论上我们能够看到的最远处，它发出的光走到地球刚好过去了整个宇宙时间，也就是137亿年。但在电子复合之前，宇宙是不透明的，所以最后散射时刻发出的光子，实际上成为了我们能够观测到的最远的光子。由于宇宙膨胀，这些光子在传播过程中波长会变得更长，当它们到达地球时，已经变成了微波波段的电磁波。今天我们可以观察到这些光子，它们就是大名鼎鼎的微波背景辐射。它们来自宇宙诞生后37万年，发出这些光子的地方今天距离我们470亿光年。这也就是可观测宇宙的大小。

　　当宇宙进一步冷却，宇宙中的物质会因为相互之间的引力慢慢聚集成一个个的团块。在这些团块的中心，温度、密度会再一次增大，最后形成宇宙中的第一代恒星。这大概已经到了宇宙诞生后大概10亿年。