宇宙里的第一縷光是如何誕生的

□文/李詔宇

宇宙暴脹示意圖

漢字中的“光”，是最為古老的漢字之一。在甲骨文中，其字形為人頭頂有火，指火焰為人類帶來(lái)了光明。

然而，宇宙中的光究竟從哪里來(lái)？這一問(wèn)題至今仍令科學(xué)家爭(zhēng)論不休。在一項(xiàng)新研究中，研究人員認(rèn)為宇宙中的光來(lái)自強(qiáng)引力。

什么是強(qiáng)引力？宇宙中的第一縷光究竟來(lái)自哪里？為何自宇宙誕生已有130 多億年，第一縷光還未到達(dá)地球？

“光”字甲骨文

光的起源就是物質(zhì)的起源

要弄清宇宙中的光從哪里來(lái)，首先需要了解光的本質(zhì)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授蔡一夫介紹，早在遙遠(yuǎn)的古代，人類就開(kāi)始了對(duì)于光的研究。

我國(guó)古代的《墨經(jīng)》中就記錄了8 條與光有關(guān)的知識(shí)，包括光的直線傳播性和針孔成像等，但尚未明確涉及光的定義。17 世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)研究的不斷拓展，對(duì)光本質(zhì)的認(rèn)識(shí)可以分為波動(dòng)說(shuō)和粒子說(shuō)兩種針?shù)h相對(duì)的說(shuō)法。1925 年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出所有物質(zhì)都具有波粒二象性的理論。隨后，德國(guó)物理學(xué)家普朗克等數(shù)位科學(xué)家建立了量子物理學(xué)說(shuō)，大大拓展了人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)。

“目前一般認(rèn)為，光具有波粒二象性。從本質(zhì)上看，光既是一種電磁波，也是一種粒子——光子。因此，光同時(shí)具有電磁波與粒子的一些特征?！辈桃环虮硎?，“在幾何光學(xué)中，光的傳播途徑是直線；在波動(dòng)光學(xué)中，光以波的形式傳播；而在量子光學(xué)中，光的能量存在則是量子化的?！?/p>

如今，隨著對(duì)光的研究不斷深入，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)也在持續(xù)深化。

在蔡一夫看來(lái)，研究光的起源，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是研究物質(zhì)的起源?！耙话銇?lái)說(shuō)，宇宙中只要有物質(zhì)，就會(huì)存在溫度。只要存在溫度，就會(huì)產(chǎn)生熱輻射，進(jìn)而產(chǎn)生光。”蔡一夫表示。

熱輻射指的就是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象?！耙磺袦囟雀哂诮^對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射。溫度越高，輻射出的總能量就越大?！辈桃环蛘f(shuō)，“當(dāng)溫度較低時(shí)，熱輻射的主要形式是人肉眼不可見(jiàn)的紅外光；而當(dāng)溫度較高時(shí)，熱輻射的主要形式就轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟惾庋劭梢?jiàn)的可見(jiàn)光。”

真正意義上的第一縷光

根據(jù)此次的最新研究，宇宙中的光來(lái)自強(qiáng)引力。專家指出，新研究提出了一種引力子轉(zhuǎn)化成光子的可能理論機(jī)制和途徑。

“按照這個(gè)研究的說(shuō)法，早期宇宙中的電磁波在傳播時(shí)的波速，不再是真空中的光速。當(dāng)電磁波的波速滿足特殊的形式時(shí)，彎曲時(shí)空中的電磁場(chǎng)方程就有可能轉(zhuǎn)變成一個(gè)參數(shù)共振的馬蒂厄方程。通過(guò)這樣的方式，引力波就有可能將能量傳遞給電磁波，進(jìn)而使引力子轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾?。”蔡一夫表示，“但必須說(shuō)明的是，這個(gè)研究只是提出了一種可能性，其正確性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)?！?/p>

據(jù)介紹，引力子是物理學(xué)中一種傳遞引力的假想粒子。目前，科學(xué)家尚未完全證實(shí)其是否存在。“提出引力子可以轉(zhuǎn)化為光子，應(yīng)該說(shuō)是一種大膽的設(shè)想。”蔡一夫表示。

那么，宇宙中的第一縷光究竟是如何產(chǎn)生的呢？在此前的研究中，科學(xué)家也提出了許多與宇宙中光的起源相關(guān)的假說(shuō)。

引力子是物理學(xué)中一種傳遞引力的假想粒子

“按照相關(guān)經(jīng)典理論，光子的誕生是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。在宇宙暴脹結(jié)束后，由于非常劇烈的時(shí)空膨脹，宇宙內(nèi)僅剩下了暴脹子場(chǎng)。通過(guò)重加熱過(guò)程，暴脹子場(chǎng)衰變成了標(biāo)準(zhǔn)模型中的各種粒子，自然也包括光子?！辈桃环蚪榻B，“由于那時(shí)的宇宙過(guò)于熾熱，如同一鍋煮沸了的滾湯，此時(shí)的光子并不是可以自由傳播的光子，而是始終處于與其他粒子的相互作用之中。因此，這時(shí)候還不能說(shuō)宇宙中有了真正意義上的光。”

“直到暴脹結(jié)束后約38 萬(wàn)年，也就是所謂的‘宇宙微波背景輻射’形成時(shí)，由于宇宙已經(jīng)逐漸冷卻下來(lái)了，光子才開(kāi)始在整個(gè)宇宙中近乎自由地傳播。宇宙中第一縷真正意義上的光隨之誕生?！辈桃环蛘f(shuō)。

隨著第一縷光的誕生，宇宙仿佛拍了屬于自己的第一張“自拍”。正是因?yàn)楣獾拇嬖?，人類才可以通過(guò)包括肉眼、傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡等多種方式觀測(cè)我們身處的宇宙。如果沒(méi)有光，人類也就無(wú)從認(rèn)識(shí)宇宙，甚至極有可能根本無(wú)法產(chǎn)生人類乃至一切地球生命。

宇宙中的第一縷光，如今又在哪里？

“如今，宇宙中的第一縷光已經(jīng)變得十分微弱了，它已經(jīng)變成波長(zhǎng)非常長(zhǎng)、肉眼完全不可見(jiàn)的微波了?！辈桃环蛘f(shuō)。

光速限定的可觀測(cè)宇宙

可以說(shuō)，光既讓人類可以探索宇宙的奧妙，也限制了人類的“視野”，讓我們只能看到宇宙的一部分，這就是可觀測(cè)宇宙。

相關(guān)研究表明，目前可觀測(cè)宇宙的半徑約為465 億光年。也就是說(shuō)，從地球望向宇宙的人類，只能觀測(cè)到465 億光年以內(nèi)的宇宙，這與光的傳播速度密切相關(guān)。

蔡一夫介紹，可觀測(cè)宇宙也被稱為“哈勃體積”，指的是一個(gè)以觀測(cè)者作為中心的球體空間。這個(gè)球體空間的體積可以讓觀測(cè)者采取任何可行的方式觀測(cè)到該范圍內(nèi)的物體?！霸诳捎^測(cè)宇宙范圍內(nèi)，物體發(fā)出的光有足夠時(shí)間和可能性到達(dá)觀測(cè)者?！辈桃环蚪忉尩?，“必須指出的是， ‘可觀測(cè)’指的并非現(xiàn)實(shí)世界中人類的技術(shù)可觀測(cè)，而是不依賴于現(xiàn)代技術(shù)的探測(cè)能力，僅僅代表著理論上光線或是其他信號(hào)從物體傳播到觀測(cè)者的可能。事實(shí)上，憑借人類目前的觀測(cè)技術(shù)，我們可以實(shí)際觀測(cè)到的宇宙范圍遠(yuǎn)小于可觀測(cè)宇宙的范圍?！?/p>

“可觀測(cè)宇宙的范圍是有限的。這歸根結(jié)底是因?yàn)楣馑偈怯邢薜模瑫r(shí)目前宇宙的年齡也并非無(wú)限的?！辈桃环蛑赋?，因此光只能在有限的時(shí)間里傳播有限的距離，進(jìn)而造就了范圍有限的可觀測(cè)宇宙。

眾所周知，光年是指光在一年中行進(jìn)的距離。從宇宙誕生以來(lái)，假使光一刻不停地跑，最多也只跑過(guò)了138 億光年的距離。然而，可觀測(cè)宇宙的范圍卻并非138億光年，這是為什么呢？

“在宇宙大爆炸的早期，宇宙很可能經(jīng)歷過(guò)暴脹過(guò)程。在暴脹時(shí)，整個(gè)宇宙時(shí)空以指數(shù)爆炸的形式不斷增倍膨脹。在極短的時(shí)間內(nèi)，宇宙就產(chǎn)生了非常巨大的體積?！辈桃环蛘f(shuō)。

我們可以試想一下，假設(shè)宇宙正在膨脹，但光波還朝著地球的方向傳播，這就好比一個(gè)人在機(jī)場(chǎng)的直行電梯上，逆著電梯運(yùn)行方向走。這個(gè)電梯就好比膨脹的宇宙空間，這個(gè)人就好比光波。所以，即使這個(gè)人走到了你面前，他所走過(guò)路徑其實(shí)比你看到的要長(zhǎng)得多，而他的出發(fā)點(diǎn)其實(shí)也比你看到的要遠(yuǎn)上許多。因此，如果把膨脹效應(yīng)考慮進(jìn)去，可觀測(cè)宇宙的范圍就是465 億光年。

事實(shí)上，可觀測(cè)宇宙的半徑并非一成不變的。蔡一夫指出，正因?yàn)楣馑偈怯钪嬷凶羁斓乃俣?，在宇宙大爆炸之后，部分宇宙中的天體因?yàn)榫嚯x地球太遠(yuǎn)，導(dǎo)致其發(fā)出的光線到現(xiàn)在為止也未能到達(dá)地球。在未來(lái)，這些光將有可能到達(dá)地球，進(jìn)而拓展可觀測(cè)宇宙的范圍。