一秒鐘內可以發生多少事情？

我們都聽過這樣一個故事：138億年前，宇宙誕生於一場大爆炸。

這很容易使我們聯想到這樣一幅簡單的畫面：在空間中的某一點，發生了一場劇烈的爆炸。

但事實是？這裡並沒有發生任何傳統意義上的爆炸，而是指空間的膨脹。此外，宇宙也並非是從一個點開始的，而是在各處同時發生的！

本文圖片來源：Pany/新原理研究所

第一個用科學解釋宇宙起源的科學家之一是一位天主教神父——喬治·勒梅特（對勒梅特不熟悉的讀者可以進一步閱讀《著名的哈勃定律要被更名了？》）。在1933年時，勒梅特在一次題為」起源的假設「的演講中，提出了宇宙有一個開始，他個人更喜歡用「宇宙蛋」和「太古原子」來比喻宇宙的起源，但從沒有流傳開來。1949年，大爆炸理論的最大競爭理論——恆穩態宇宙模型的創始人弗雷德·霍伊爾在做客BBC時提出了」大爆炸「這個詞，從此便流傳開來。

物理學家並不知道大爆炸後的第一瞬間發生了什麼，那段極短的時期被稱為普朗克時期。所有已知的物理理論在那段期間都失效了，我們需要一個量子引力理論。

在普朗克時期，宇宙只有一種基本力——超級力。但當該時期結束時，超級力分裂成了引力和大統一力。緊接著大統一力進一步分裂成強核力和電弱力。（關於大統一理論可進一步閱讀：《讓三種基本力統一吧！》）

物理學家認為或許是這個事件引發了所謂的」暴脹「——一段極短但以指數式膨脹的時期。如果暴脹的確發生了， 那麼它就可以解釋為什麼宇宙看起來為何如此的光滑和平坦。

當暴脹結束時，宇宙開始變得豐富起來了。如果把此時的宇宙比喻成一口鍋，那麼在鍋里的就是熱騰騰的「粒子」和「反粒子」湯。在這些粒子中，有一些是我們今天依然可以看到的、構成物質的基本粒子（比如電子和夸克），一些載力粒子（比如光子、膠子和W玻色子），以及希格斯玻色子。還有一些則是已經不存在，或者是極難被探測到的粒子，比如引力子（假想中傳遞引力的粒子）。這段時期被稱為夸克時期。

當夸克時期接近結束時，電弱力分裂成了弱核力和電磁力。自那之後，自然界中的四種基本力正是我們現在所體驗到的。

什麼是「載力粒子」？

試想一下這樣兩個問題：兩塊磁鐵是如何「感覺」到對方的存在而適時的產生吸引或排斥？太陽又是如何吸引著地球？

顯然，是「磁力」和「引力」在發生作用。但是，讓我們多思考一下，它們為何在沒有任何接觸的情況下，也能夠相互「交流」告訴對方該如何運動？這些力究竟是什麼？事實上，所謂的力是通過載力粒子的交換而產生的，這已經得到了實驗數據的支持。電磁力是通過光子傳遞的，強核力是通過膠子傳遞的，弱核力的載力粒子是W和Z玻色子，那麼引力是由「引力子」傳遞的嗎？

隨著宇宙的不斷膨脹和冷卻，宇宙在夸克時期結束時進入了強子時期。強子是指由兩個或兩個以上的夸克組成的複合粒子。「上」夸克和「下」夸克會結合膠子形成質子和中子，將它們束縛在一起的力便是強核力。起初，我們一直認為質子是由兩個上夸克和一個下夸克組成的，但隨著我們逐漸深入的了解，發現質子的內部比我們想像的要複雜的多。質子依舊充滿了謎題，比如它的半徑、質量和衰變問題都是許多物理學家所希望解開的（詳見：《物質的質量來自哪裡？》）。此外，強子還包含了介子，它們是由一個夸克和一個反夸克組成的，但它們很快就會衰變或湮滅。

接下來，宇宙中發生了一件關乎我們存亡的事件。在那場宇宙級的「湮滅大戰」中，構成我們今天看到所有東西的物質戰勝了反物質。這很令人困惑，因為根據當今最成功的理論的預測，在宇宙大爆炸之後，應該有等量的物質和反物質被創造出來，這就意味著正反物質的相遇會導致湮滅的發生，從而毀滅了今天我們看到的宇宙的形成。為什麼物質會多過於反物質？這是當今物理學的一大謎團（詳見：《這個宇宙，本不該存在？》）。

到這裡，或許你會認為宇宙誕生已經了許久，但記住剛才提到的所有都僅僅只發生在宇宙誕生後的.....

1秒內！

在這一秒內，還有許多的細節等待著我們進一步去探索。

現在，讓我們繼續我們的故事，直到宇宙變得透明的那一刻。

在宇宙誕生大約100秒後，質子和中子之間的碰撞開始形成氦-4原子核（包含兩個質子和兩個中子），以及少量的其他原子核，比如氦-3（包含兩個質子和一個中子）、鋰（3個質子和4個中子）、氘（一個質子和一個中子）。這段時期被稱為太初核合成。

在接下來幾十萬年里，宇宙持續膨脹和冷卻，但還無法產生原子。如果電子短暫地接觸到質子或氦原子核，它們很快就會被光子無情地拆散。光子和電子之間的不斷散射意味著光子幾乎無法沿著直線傳播。如果我們能夠看到當時的宇宙，那麼它看起來就像是被一團厚重的霧所籠罩。

直到宇宙的溫度降低到了約2700攝氏度，這時質子和原子核開始捕捉電子，形成第一批的原子。

電子與原子結合，意味著它們不再散射光子。光子終於自由了，它們開始遨遊在宇宙之中，一切都開始變得透明。在宇宙誕生後的大約38萬年，宇宙中充滿了光子輻射，這些輻射至今仍可以被探測到，那就是所謂的微波背景輻射（CMB）。

宇宙微波背景輻射是我們可以探測到的最古老的光，它看起來只是一幅充滿了不同顏色（溫度）的點，但事實上這幅圖蘊含著許多關於宇宙的信息：宇宙的年齡、宇宙的成分、彎曲的空間、宇宙的膨脹速度.....自上個世紀六十年代宇宙微波背景輻射被發現以來，它就不斷地給我們帶來驚喜。

我們希望在不遠的將來，能夠在宇宙微波背景中看到所謂的B模偏振，這對宇宙暴脹理論非常重要。

在「New Principia」的第一期「時間」專欄，物理學家Bram Boroson教授帶領著我們一同探索隱藏在宇宙微波背景背後的秘密。感興趣的讀者，可掃以下二維碼進一步閱讀哦：

「New Principia」是我們推出的一個全新中英文內容品牌，第一期的主題是「時間」，我們有幸邀請到了著名科普作家、天體物理學家 Ethan Siegel 擔任這一期主編，並同時邀請了12位傑出作者，帶領大家去探索發生在宇宙138億年歷史中最精彩的故事。

在這趟旅途中，你不僅會遇到關於時間、生命以及宇宙的探討，也將了解到你、我以及地球的終極命運。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！