宇宙演义·第二回 质能互化诸子生还灭太初有核原分氦与氢

上回书说到，宇宙从小小的一个奇点开始，Big Bang一声开天地，时空都从这个奇点涌现出来。宇宙从此开始膨胀和冷却，一步步地走下温度的台阶，每下一个台阶，就变一次身。

站在10< sup="">32度这个台阶上，宇宙说：引力出来。于是引力被从大统一力中一脚踹了出来，另外三兄弟还抱在一起（上回书出现了口误，说书人在此致歉）；站在10< sup="">28度这个台阶上，宇宙又说：强力出来，于是强相互作用也被一脚踹了出来，剩下电磁力和弱力还相亲相爱地以电弱力的统一面目出现。

本回书的故事就开始于电弱两兄弟开始分家单过后的一瞬间，宇宙已经结束了暴胀期，无中生有地一口吃成了个大胖子，从白来的真空里获得了一大堆白来的能量。这些能量一部分随着宇宙的膨胀和冷却转化成最基本的粒子，一部分把宇宙维持在足够高的温度上。大爆炸之后的千万分之一秒，这时候的宇宙还被辐射所主宰，在明亮的辐射照耀下，是一片沸腾的夸克的海洋。

这就是宇宙的“夸克期”。

夸克期

要展示这段时间的宇宙舞台，不得不首先隆重介绍一下夸克这位主要演员。它是物质的基本单位，也是全宇宙唯一能够参加所有四种基本相互作用――引力相互作用、强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的基本粒子。夸克带的电荷数很古怪，有的带1/3个负电荷，有的带2/3个正电荷，必须互相搭配才能凑出整数的电荷数来。

夸克有6种不同的“味”，相当于6种不同形状的拼图，其中上夸克和下夸克是一对儿，顶夸克和底夸克是一对儿，粲ฆ夸克和奇异夸克是一对儿，每一对都是一个一1/3电荷搭配一个2/3电荷的组合，这是夸克家族的三个世代；每种“味”又分红绿蓝3种“色”，相当于每个不同形状的拼图都有3种不同颜色。所以算起来总共有三六一十八种不同的夸克，每种夸克对应一种反夸克，这就是浩浩荡荡三世同堂总共36种夸克。夸克和夸克之间通过胶子来相互作用，待会儿宇宙温度再下一个台阶的时候，胶子就会把夸克们黏在一起。不过现在所有的夸克和胶子还都自由自在，互不干涉。它们挨挨挤挤、摩肩擦踵，和另一大类粒子――非常轻的“轻子”一起，挤满了这段时间的宇宙。

夸克期的时间非常短，但是宇宙在这时候可是忙得不可开交：夸克、胶子和轻子都是最简单的基本粒子，它们不断地从充满辐射的虚空中成对诞生，又立刻成对湮灭，达到完美的热平衡。但是宇宙可不会满足于这种单纯的热闹和简单，当它的年龄达到1微秒时，又毅然决然地在温度的台阶上朝下迈出一步，蹦到了10< sup="">13度这一级上。这一步迈出，就断送了夸克期的自由和热闹。有分教：

六味三色分正反，虚空生灭起重楼；

难逃束缚因强力，夸克从此不自由。

强子期

在温度下降的同时，粒子运动速度变慢，这回强相互作用可发挥作用啦，它利用胶子作为媒介，一把抓住了夸克，把它们三个一群两个一伙地黏了起来。这次的抓捕是一劳永逸的，夸克从此被判了无期徒刑，再也没能单独跑出来。

宇宙现在改变了审美品味，它再也不喜欢1/3这种电荷数目了，不凑出整数的电荷不许出来混。于是胶子们精心搭配，把夸克们的电荷数拼凑成1、0或者-1。由夸克组成的粒子都参加强相互作用，它们被统称为“强子”，宇宙从第一个微秒开始进入了强子期。

强子分为两大类，一类由三个夸克组成，分量可想而知是很重的，所以叫“重子”。另一类由一个夸克和一个不同味的反夸克（同味的碰到一起马上就会湮灭掉）组成，比重子轻，可是又比轻子重，介于两者之间，所以叫“介子”。介子是传递相互作用的粒子，重子是组成物质的粒子。重子家族有两位代表我们很熟悉，那就是质子和中子。

现在的宇宙舞台被强子和反强子霸占了，光子、轻子和反轻子也在舞台上晃悠，形成稠密的混合物。基本的戏码倒是没什么变化，还是粒子的产生和湮灭。但在强子期的舞台上，发生了一段对我们来说至关重要的剧情：宇宙这一次抛弃了正反粒子的对称，它玩了一个小小的把戏，让粒子的数量稍稍超过了反粒子的数量。

差别并不大，在强子期结束的时候（宇宙年龄100微秒），大约每10亿对正反粒子中会多出1个粒子。这个落单的粒子被保留下来，其余的10亿对正反粒子互相湮灭消失。没有人知道宇宙是怎么做到这一点的，不过正是多出来的这十亿分之一的物质，构成了我们现在这个物质宇宙。要是宇宙没能在强子期作弊成功，如今的宇宙恐怕就只能是一片荒芜静默，空荡荡没什么东西了。

轻子期

强子期之后的下一个台阶是轻子期，从温度达到10< sup="">12度开始。我们最常听说的轻子是电子和中微子，这一段的主角也就是它们。如果说强子期的关键剧情是“捕获”，原本自由的夸克被“强力”这个警察抓起来关到强子里，那么轻子期的关键剧情就是“解放”，中微子从此逍遥法☣外，再也不跟别的粒子发生相互作用。

跟夸克分为三个世代一样，中微子也分为三代。三种中微子分别对应电子、μ子和τ子――我们不用管后两种陌生的粒子是干啥的，只要记住：电子中微子只跟电子相互作用、μ子中微子只跟μ子相互作用，τ子中微子呢，只跟τ子相互作用。而且中微子有个格外狡猾的特性，电子和正电子很容易相互湮灭，μ子和反μ子也一样，但中微子和反中微子之间却不能轻易湮灭。所以当中微子的“伴侣”消失之后，它自己却能天长地久地存活下来，以光速在宇宙中毫无阻碍地运动。

随着宇宙的不断冷却，正反μ子对和电子-正电子对的产生速度越来越跟不上湮灭的速度，只好从宇宙舞台上退场。它们这一退场不要紧，μ子中微子和电子中微子顿时也获得了解放。现在宇宙里再也没有什么东西会和中微子相互作用了，它成为了宇宙的背景，到处以光速打着酱油，甚至可以轻而易举地穿过地球而不碰到任何一个粒子，就这么大摇大摆地扬长而去。

轻子期的另一个重要事件，是质子和中子产生了明显的数量差异。这个差异其实在强子期就已经出现，因为中子比质子稍微重一点点，于是产生中子的难度也就比质子稍微大一点点。在强子期结束的时候，因为温度很高，质子和中子之间可以相互转化，差异还不明显。随着轻子期温度的降低，中子可以衰变为质子，质子却已经不可能和电子结合成为中子，于是中子越来越少，中子和质子的数量比逐渐从1：1变成了1：5。

与此同时，宇宙的温度又下降了一个台阶。在轻子期的末尾，宇宙年满1秒的时候，绝大多数电子都成对湮灭，把自己湮灭的能量全部传递给了光子。从此，宇宙告别了轻子期，进入了辐射期。

辐射期

辐射期持续的时间那就比前面所有时期都要长了，从宇宙年龄满1秒开始，一直持续了整整10万年。辐射期结束的标志就是辐射密度与物质密度相等，这时候宇宙的温度是几千度――说到这里需要额外声明一下，本文里出现的温度其实都是国际温标，说多少度的时候指的都是多少开尔文。用国际温标做单位的最大好处是套公式不用换算，宇宙里辐射的密度和温度的4次方成正比，物质的密度和温度的3次方成正比，所以随着温度的下降，辐射密度下降得更快，在宇宙年满10万年的时候两者达到相同水平，在那之后，就是物质占据主导的时期了。

在辐射期的初期，宇宙中发生了一件惊天动地的大事。短短200秒间，宇宙中有大约四分之一的自由质子和电子被转变成了氦原子核。宇宙中有这么多恒星，所有的恒星加起来花了100亿年的时间才把宇宙中2%的氢变成氦，而宇宙早期的这次核合成，却把10倍于此的氢在200秒内燃烧成了氦。

这次巨大的席卷整个宇宙的核合成事件被称为“太初核合成”，它意味着宇宙中最早的元素划分。上演太初核合成的那一级温度台阶是10亿开，这是氘核刚好能够保持稳£定的温度。宇宙在年满100秒的时刻踏足这一级台阶，这段时间的舞台，是质子和中子的天下。

书中暗表，在宇宙温度降到10亿开的时候，质子和中子的数量比早就又已经发生变化，如今是每7个质子才对应1个中子。由此算来，每16个核子（质子和中子合称为核子）中会产生1个氦核和12个氢核，相当于所有物质中的四分之一转变成氦。至今❤，宇宙中的氦也没能比☪它刚诞生300秒的那时候增加多少。氢和氦的丰度之比正是支持大爆炸假说的最初的几根支柱之一。其他更重的元素，除了极少量的锂之外，都要等最初的恒星点燃之后，才能从恒星中诞生。这正是：

太初有核分氢氦，生灭诸子论重轻。

辐射君临十万载，元素还须待恒星。

自止之后，宇宙平平无奇直至芳龄10万岁，辐射密度与物质密度旗鼓相当之时。到那时，宇宙又换得一副新面貌，你我更当刮目相看。欲知后事如何，且听下回分解。