光与物质相互作用的终结

光与物质相互作用的终结

让我们重新回到原始宇宙高热和高密度阶段来了解这一宇宙射线的来源。在那个时期，物质完全被电离化：严格来说，并不存在真正意义上的原子（即原子核与围绕原子核的电子结合而成的物质），而只有自由传播的带电粒子，一边是质子（即氢原子核及一些电离的氦原子核），另一边是自由的电子。这个过程牵涉太多能量，那时仍具有非常大能量的光子和物质间有太多无休止的撞击：只要电子与原子核结合成原子，它就会立即因为光子的撞击而被弹出。

另外，同样的这些光子撞击着电子和带电的原子核。这些撞击将它们推向任意方向并改变着它们的能量：光子“扩散”的过程，类似于雾引起的情况，在雾中光被微小的水滴不断反射到各个方向。两者的结果是一样的：没有任何光线能够自由传播，任何观察都是不可能的，介质也是不透明的（尽管它有点像太阳内部，充满了电磁辐射）。因此原始宇宙是完全不透光的，没有任何观察者能够奢望借助光或电磁辐射辨别出什么物体……

但宇宙膨胀引起稀释和冷却：宇宙的密度和温度降低，于是情况有所改变。光子和物质间的碰撞变得少见了。当碰撞变得足够稀少时，质子就可以开始稳定地与电子结合成最初的氢原子。这个阶段被称为“重组”（recombinaison，发生在原子核与电子之间）。它是黑暗宇宙结束的标志。的确，如果说在重组之前光子与电离化（即带电）的物质之间强烈相互作用，那么原子的情况就不一样了，因为它们是中性不带电的。一旦物质的主要部分以中性氢原子的形态存在，原始光子就可以自由传播而不受阻碍。正是从这个时候开始宇宙才终于变得透明。

图13：宇宙背景辐射的起源

这一重组发生在原始核聚变后约38万年（超过130亿年以前）。然后，光和物质的命运不再相同。物质在引力的影响下（称为引力不稳定性）开始了漫长的收缩过程，恒星和星系出现，原始光子则（几乎）不受任何相互作用而继续传播。原始光子就形成了这一被彭齐亚斯和威尔逊发现的宇宙背景辐射。宇宙背景辐射证实了这一遥远时期的存在，就像一个封存了早期宇宙的化石一样！对它的详尽研究可以给出许多启示……