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中性原子诞生为啥用了38万年?微波背景为啥是黑体谱?

在我们生活中,很少能够看到等离子体,我们身边的物质大部分都是中性原子,或者是中性分子构成的,这是因为我们现在所处的宇宙是一个低能的状态。

在这样的宇宙中,我们想要制造等离子体,就必须给物质施加能量,电离它们的分子、原子结构,使电子脱离原子核的束缚。

但在138亿年前,不用这么复杂,我们的宇宙就是一个大火球,里面根本就没有中性原子,而是充斥着密度比太阳中心还要高的等离子体。

很显然,这样的宇宙不能诞生任何物质结构,当然也不适合我们生存,所以它必须降温,原子核和电子必须抱在一起形成中性原子,这样才能有分子,才能有物质结构,才能有我们。所以今天的内容是,等离子体到中性原子的转变。

好,我们开始正题,上节课结束以后,我们知道了宇宙在诞生以后的4分钟,原子核就形成了,按数量来算的话,其中包括92%的氢核,8%的氦核,在核合成的过程中,还残留下了少量的氘、氦3,以及锂元素,不过三种元素非常少,可以忽略不计。

所以我们可以认为,4分钟后的宇宙是一个由质子、氦核、电子、光子组成的高温等离子体,此时宇宙的密度仍然很高,电子和原子核的平均距离不会超过原子的尺度。

你可能会认为,既然原子核和电子挨得这么近,它们肯定会相互吸引,电子会被原子核俘获,绕着原子核运行,中性原子很容易就形成了。

其实并没有这么简单,要知道当时宇宙的温度高达数亿摄氏度,在这种温度下,电子和原子核像打鸡血一样,在空间中暴走,速度接近光速,当然电子的质量更小,它的速度会更快,所以这时的原子核是绑不住电子的。

那么随着宇宙的膨胀冷却,原子核和电子会慢慢地冷静下来,在这种情况下,有些原子核就试着开始俘获电子了,但这时它们又会遇见电子兴奋剂,光子。

光子只要看见有一个原子核绑了电子,就会一头撞过去,把自己的能量传给电子,电子获得动能以后,就逃出原子核的怀抱。

而且每个电子的身边会有多达10亿个光子看着电子,所以在很长一段时间内,电子是没有办法找原子核的。

根据伽莫夫的计算,要想让原子核和电子稳定地抱在一起,宇宙的温度需要从数亿摄氏度降到大约3000摄氏度,这一降温过程至少需要30万年的时间。

也就是说,宇宙从诞生以后花了4分钟,把原子核和电子都准备好了,但是想要形成中性原子,至少要花几十万年的时间。

在这漫长的时间内,宇宙虽然说没有发生啥大的变化,但也没闲着,尤其是光子,它不仅在搞拆迁,而且还在不断地与电子发生碰撞,这个专业术语叫汤姆逊散射。

这里我解释一下,散射并不是简单的反弹,所以并不是光子和电子碰了一下,交换了动能,就被电子以随机的方向反弹出去了。

而是电子会先吸收这个光子,并且会因为入射光子的电场分量振动起来,或者是产生一个加速,这时电子就会受激发,处在激发态,这就像你拿着鞭子抽陀螺一样,一鞭子下去陀螺就兴奋起来了,入射光子打到电子的身上,电子也兴奋,所以我说光子是电子兴奋剂。

那么处在激发态的电子就要落回基态,它就会朝着任意一个方向释放出一个和入射光子波长一摸一样的散射波,这个过程就叫汤姆逊散射。

其实汤姆逊散射就是弹性散射,弹性散射的意思是,入射光子和散射光子能量没有变化,只不过方向发生了改变而已。还有天空中的瑞丽散射,丁达尔效应都是弹性散射。

在最初的一段时间内,光子和自由电子的这种弹性散射发生得非常频繁,每秒能达到几万亿次,随着宇宙的膨胀,密度的降低,30万年后,这种散射就变的不那么频繁了,也就每秒几十次。

但正因为光子和电子不断地散射,就使得宇宙中的光子具备了一个非常重要的特征,黑体谱。也就是一个黑体,一个不反射任何电磁波的东西,在被加热以后,其中的电子吸收了能量,跃迁到更高的能级,随后又自发回落,释放出来的能量谱,就叫黑体谱。

这一点非常的重要,这是伽莫夫的原始火球最关键的一个预测。好,下面我们接着说,中性原子的事。

30万年后,宇宙的温度降到了3000摄氏度左右,按理来说,这时的光子已经损失的绝大部分的能量,在也没有力气拆开原子核和电子这对恋人了,宇宙应该很快会中性化。

但还有一个现象阻碍着中性原子的形成,自由电子和原子核的结合能,当一个自由电子被原子核捕获以后,就会立即释放一个光子,如果这个光子击中了其他刚形成的中性原子的话,就会把人家的电子给踢出去。

因为在原子核的周围有很多的能级,原子核刚把电子拉进来的时候,电子很可能会处在最高的能级,当电子从最高的能级一下跃迁回最低的能级的时候,就会释放出一个紫外线光子,这个紫外线光子很可能就把其他的原子给电离了。

如果一直存在这种循环的话,那整个宇宙一直会处在电离状态。那么你想一下,宇宙是怎样变成中性的?你可能会说,宇宙在膨胀,释放出来的光子传播的时候会损失能量,导致它的频率发生了变化,不能被其他原子吸收,所以就不能电离其他原子了。

这一点确实对中性原子的形成有一点帮助,但不是主要的原因,如果想靠宇宙膨胀形成中性原子的话,那至少还得等几千万年的时间。

所以在中性原子形成的过程中,还发生一件非常奇妙的事,从这一点就能够看出来,我们宇宙的造化之妙。

我们在讲量子力学的时候,我曾经说过,原子核外的轨道有3个量子数,主量子数n、角量子数L、磁量子数ML,其中角量子数决定了轨道的形状。当n=1的时候,也就是原子的基态,L只能取值为0,这说明基态的只有一个圆形轨道。

当n=2的时候,那L就能取值为0和1,此时的轨道就是一个圆形和一个椭圆,以此类推,L可以取值为包括0和n-1之间的整数。

在原子核外的壳层中,L=0就是圆形轨道,等于其他的数都是不同的椭圆轨道,当电子从激发态的椭圆轨道,跃迁回基态的圆形轨道的时候,就会释放出一个光子,这个光子的能量等于两个能级之间的能量差。如果是这种情况的话,释放出来的光子就会电离其他的中性原子。

但还有另外一种情况,当电子从激发态的圆形轨道跃迁回基态的圆形轨道的时候,就会释放出两个光子,其中每一个光子的能量等于两个能级间能量的1/2。

这样的话,释放出来的光子就不能电离其他原子了。所以正是这种效应加速了中性原子的形成,使得我们的宇宙在38万年的时候,就从等离子体状态变成了充满中性原子的宇宙。

那么当宇宙变成中性以后,曾经和电子频繁碰撞的光子就不再和中性原子发生反应了。因为中性原子很挑剔,它们只会吸收特定频率的光子。

所以这些充满宇宙的光子就会在最后的散射面上,自由地飞翔,沿着直线传播,它们不再和任何物质发生相互作用,只会在宇宙的膨胀中,波长不断地被拉长,不断地损失能量,根据伽莫夫的预测,这些光子现在已经进入了微波波段,和我们微波炉中的微波是一样的,但宇宙这个大微波炉的温度,已经低到了5K。这是当时伽莫夫的计算结果。

还有刚才说的,这些微波的能量谱是完美的黑体谱,并且在宇宙的各个方向上都可以探测到。这个预测就是我们现在熟知的微波背景辐射。这是宇宙大爆炸火球的余温。

虽然伽莫夫对早期的宇宙做出两个非常精彩的预测,大爆炸核合成以及微波背景辐射,但是在当时很多人都接受不了宇宙有一个创世时刻,因为他们都是坚定的无神论者,所以就提出了其他的宇宙模型,其中美国物理学家霍伊尔的稳恒态宇宙模型几乎是堪称完美,所以这个模型就和大爆炸模型分庭抗礼,长达几十年的时间。

这是我们下个视频的内容。