宇宙里的第一缕光是如何诞生的

2023-04-19 11:20:28 来源 : 科技日报

汉字中的“光”，是最为古老的汉字之一。在甲骨文中，其字形为人头顶有火，指火焰为人类带来了光明。

然而，宇宙中的光究竟从哪里来？这一问题至今仍令科学家争论不休。在一项新研究中，研究人员认为，宇宙中的光来自于强引力。

什么是强引力？宇宙中的第一缕光究竟来自哪里？为何自宇宙诞生已有130多亿年，第一缕光还未达到地球？带着这些问题，科技日报记者采访了相关专家。

【资料图】

光的起源就是物质的起源

要弄清宇宙中的光从哪里来，首先需要了解光的本质。

中国科学技术大学物理学院天文学系教授蔡一夫向记者介绍，早在遥远的古代，人类就开始了对于光的研究。

我国古代的《墨经》中就记录了8条与光有关的知识，包括光的直线传播性和针孔成像等，但尚未明确涉及光的定义。17世纪以来，随着科学研究的不断拓展，对光本质的认识可以分为波动说和粒子说两种针锋相对的说法。1925年，法国物理学家德布罗意提出所有物质都具有波粒二象性的理论。随后，德国物理学家普朗克等数位科学家建立了量子物理学说，大大拓展了人类对于光的认识。

“目前一般认为，光具有波粒二象性。光从本质上看既是一种电磁波，也是一种粒子——光子。因此，光同时具有电磁波与粒子的一些特征。”蔡一夫表示，“在几何光学中，光的传播途径是直线；在波动光学中，光以波的形式传播；而在量子光学中，光的能量存在则是量子化的。”

如今，随着对于光研究的不断深入，人们对于光的认识也在持续深化。

在蔡一夫看来，研究光的起源，从本质上来说就是研究物质的起源。“一般来说，宇宙中只要有物质，就会存在温度。只要存在温度，就会产生热辐射，进而产生光。”蔡一夫表示。

据介绍，热辐射指的是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。“一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射。温度越高，辐射出的总能量就越大。”蔡一夫说，“当温度较低时，热辐射的主要形式是人肉眼不可见的红外光；而当温度较高时，热辐射的主要形式则转变为了人类肉眼可见的可见光。”

真正意义上的第一缕光

根据此次最新研究，宇宙中的光来自于强引力。专家指出，新研究提出了一种引力子转化成光子的可能理论机制和途径。

“按照这个研究的说法，早期宇宙中电磁波在传播时的波速，不再是真空中的光速。当电磁波的波速满足特殊的形式时，弯曲时空中的电磁场方程就有可能转变成一个参数共振的马蒂厄方程。通过这样的方式，引力波就有可能将能量传递给电磁波，进而使引力子转变为光子。”蔡一夫表示，“但必须说明的是，这个研究只是提出了一种可能性，其正确性还有待进一步检验。”

据介绍，引力子是物理学中一种传递引力的假想粒子。目前，科学家尚未完全证实其是否存在。“提出引力子可以转化为光子，应该说是一种大胆的设想。”蔡一夫表示。

那么，宇宙中的第一缕光究竟是如何产生的呢？在此前的研究中，科学家也提出了许多与宇宙中光的起源相关的假说。

“按照相关经典理论，光子的诞生是一个复杂的过程。宇宙在暴胀结束后，由于非常剧烈的时空膨胀，宇宙内仅仅剩下了暴胀子场。通过重加热过程，暴胀子场衰变成了标准模型中的各种粒子，自然也包括光子。”蔡一夫介绍，“由于那时的宇宙过于炽热，就如同一锅煮沸了的滚汤一般，此时的光子并不是可以自由传播的光子，而是始终处于与其他粒子丰富的相互作用之中。因此，这时候还不能说宇宙中有了真正意义上的光。”

“直到暴胀结束后约38万年，也就是所谓的‘宇宙微波背景辐射’形成时，由于宇宙已经逐渐冷却了下来，光子才开始在整个宇宙中近乎自由地传播。宇宙中第一缕真正意义上的光随之诞生。”蔡一夫说。

随着第一缕光的诞生，宇宙仿佛拍了属于自己的第一张“自拍”。正是因为光的存在，人类才可以通过包括肉眼、传统望远镜、射电望远镜等多种方式观测我们身处的宇宙。如果没有光，人类也就无从认识宇宙，甚至极有可能根本无法产生人类乃至一切地球生命。

宇宙中的第一缕光，如今又在哪里？

“如今，宇宙中的第一缕光已经变得十分微弱了，它已经变成波长非常长、肉眼完全不可见的微波了。”蔡一夫说，“当我们使用老式电视的时候，电视因为接收不到频道而闪烁的雪花噪声光点之中，就有来自那时的光子。”

不久前上映的科幻电影《宇宙探索编辑部》中，就包含了来自宇宙第一缕光的雪花噪声光点的相关情节。

光速限定的可观测宇宙

可以说，光既让人类可以探索宇宙的奥妙，也限制了人类的“视野”，让我们只能看到宇宙的一部分，这就是可观测宇宙。

相关研究表明，目前可观测宇宙半径约为465亿光年，也就是说，从地球望向宇宙的人类，只能观测到465亿光年以内的宇宙，这与光的传播速度密切相关。

蔡一夫介绍，可观测宇宙，也被称为哈勃体积，指的是一个以观测者作为中心的球体空间。这个球体空间的体积可以让观测者采取任何可行的方式观测到该范围内的物体“在可观测宇宙范围内，物体发出的光有足够时间和可能性到达观测者。”蔡一夫解释道，“必须指出的是，可观测宇宙中‘可观测’这个名词指的并非是现实世界中人类的技术可观测。而是不依赖于现代技术的探测能力，仅仅代表着理论上光线或是其他信号从物体传播到观测者的可能。事实上，凭借着人类目前的观测技术，我们可以实际观测到的宇宙范围远小于可观测宇宙的范围。”

“可观测宇宙的范围是有限的。这归根结底是因为光速是有限的，同时目前宇宙的年龄也并非是无限的。”蔡一夫指出，因此光只能在有限的时间里，传播有限的距离，进而造就了范围有限的可观测宇宙。

众所周知，光年是光一年行进的距离。在宇宙诞生以来，假使光一刻不停地跑，也最多只跑过了138亿光年的距离。然而，可观测宇宙的范围却并非是138亿光年，这是为什么呢？

“在宇宙大爆炸的早期，宇宙很可能经历过暴胀过程，在暴胀时整个宇宙时空以指数爆炸的形式不断增倍膨胀。在极短的时间内宇宙就产生了非常巨大的体积。”蔡一夫说。

我们可以试想一下，假设宇宙正在膨胀，但光波还朝着地球的方向传播，这就好比一个人在机场的直行电梯上，逆着电梯运行方向走。这个电梯就好比膨胀的宇宙空间，这个人就好比光波。所以，即使这个人走到了你面前，他所走过路径其实比你看到的要长得多，而他的出发点其实也比你看到的要远上许多。因此，如果把膨胀效应考虑进去，则可观测宇宙的范围就是465亿光年。

事实上，可观测宇宙的半径并非一成不变的。蔡一夫指出，正因为光速是宇宙中最快的速度，在宇宙大爆炸之后，部分宇宙中的天体因为距离地球太远，导致了其发出光线到现在为止也未能到达地球。在未来，这些光将有可能到达地球，进而拓展可观测宇宙的范围。

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