爱因斯坦庄子与爱因斯坦的渊源：浅谈宇宙论( 三 ) 科学家|银河系|物理学家

科学家这才恍然大悟：原来这个把所有可以言说的，都包括进来的宇宙，竟然不会因庞大而复杂，反而如庄子所预见，其实非常简单，而可以理解。在这个时间点、宇宙存在的状态，就称为大霹雳。听众千万不要误会，大霹雳是有一个外在的引燃者。我们的宇宙已经把所有都包括进来了，在科学的考虑中，已经没有宇宙之外的东西了。
大霹雳之后，宇宙持续膨胀，温度则会因此而下降。从一个非常简单的状态出发，科学家就可以用已知的物理定律，对于宇宙随时间的演化，作非常清楚而且精确的计算。大霹雳后多长时间，宇宙的温度有多高，哪些物质开始进行何种反应，都可以算，早期的宇宙根本就是一个试管中的化学实验。

宇宙到了第三分钟，温度大约是十亿度

温伯格写了一本很有名的科普杰作：最初三分钟，就是在描述这个过程。让我们举个例子，宇宙到了第三分钟，温度大约是十亿度，原本自由的、汤状的质子与中子，开始形成原子核。首先中子与质子形成氢同位素氘的原子核，氘原子核彼此撞击，很快就可以合成一个氦的原子核。物理学家作了一个计算，可以得出如此生成的氦原子核数量，这个数量接下来的变化很小，因此就决定了现在宇宙中，氦元素与为数最多的氢元素之间的比例。
换言之，现在的氦元素就是在宇宙诞生第三分钟生成，而一直遗留到现在的原始遗迹！作者伽莫夫就俏皮地模仿达尔文的划时代著作《物种源始》，将这篇论文的标题取为「化学元素源始」。
当然，到这里还多少是物理学家的玄想。 1960年所意外看到的宇宙背景辐射，提供大霹雳理论一个直接的观察证据。话说，早期宇宙还有一个很重要的成份，那就是光，更精确一点说应该称为辐射电磁波，早期宇宙的物质都带电，运动时会放出，也会吸收电磁波。于是两者的作用不断发生，彼此也会达到热平衡。这样的辐射电磁波，具有非常独特的性质，尤其是强度与波长的关系，就特别被称为黑体辐射。这样命名是因为在日常自然，这是黑色物体所放出的热辐射所近似具有的特征。所以早期宇宙，可以想像成物质泡在黑体幅射的热汤之中，两者的温度会是一样的。

弥漫在宇宙中，如海一样的背景微波

随着宇宙持续膨胀，辐射电磁波会随之冷却，温度愈来越低。但因为宇宙是等比例均匀膨胀，原来是完美黑体的辐射，就会一直维持黑体辐射的特征，直到现在。 1960年代，美国贝尔实验室有一个20英尺的微波天线，研究穿越大气层的通讯。这个先进的天线，据说一直收到一个杂讯，大家也不以为意。后来的诺贝尔奖得主彭季尔斯与威尔逊，却把它当回事，很仔细地检查所有可能的杂讯来源，确定它不是仪器的杂音，也不是地表的余温。无论把天线朝向天际哪一个方向，都侦测到一模一样的讯号，如同背景一般。他们开始在论文中宣传这个结果，就在不远处的普林斯顿大学正好有一群天文物理学家，他们立刻就认出这就是他们期待已久的大霹雳铁证，我们的第三个观测。
这应该是有史以来最意料之外、与原先设定目标最不搭嘎的实验了。原来研究地表通讯的天线，所量到的是弥漫在宇宙中，如海一样的背景微波。进一步的测量发现这个热辐射是完美的黑体，在所有的方向，温度大约都是3K ，等于摄氏零下270度。

原来大霹雳时的黑体辐射，经过漫长宇宙历史的冷却，现在只剩3K 。但关键是它依旧维持黑体辐射的特征，这就证明宇宙的演化经过这么多年，完全没有经历意外、我们无法预料的波折，一切照着剧本走。宇宙的历史从现在，可以直接连续不中断地追溯到137亿年前的大霹雳。中间的过程，原则上一目了然。神秘的宇宙，不再是一个正确的说法，因为它已毫无秘密了。
1990年科学家从人造卫星上测量，再次确认了宇宙背景辐射是完美的黑体辐射，但同时发现，背景辐射的温度，有些方向比较热，有些方向比较冷，温度差非常微小，大约是万分之一度。科学家记录下每一个方向上的温度，于是得到一张冷热交错的宇宙图像。这并不意外，几乎可说是在科学家的预料之中。
宇宙背景辐射图。
让我们又回到早期宇宙，物质与背景辐射，一开始激烈地交互作用，但后来就分道扬镳了。这件事发生在大霹雳之后约30万年，此时，温度约3000度，电子与原子核彼此吸引，开始形成了原子，而这时的温度已经不够高，没有足够热能将两者拆散了，这个时间就称为复合纪元。复合后的原子是电中性，不会招蜂引蝶的，因此与背景辐射的那段激烈过去，就此划下句点，几乎就没有再来往了。真正分手这一刻，称为光子去耦纪元。大概原子与辐射还有点藕断丝连吧，所以比复合纪元稍微晚了一点，大约是38万年。分手的瞬间，双方还是彼此留下了记忆。