為什麼說宇宙微波背景輻射是「最早的光」?在這之前沒有光子嗎?
對 @yangwencao 的內容解釋如下:
在電子和原子核首次「複合」形成原子之前,宇宙的溫度過高而所有粒子(包括光子)都在碰撞,導致「複合」前的宇宙是不透明的,因此「複合」前的宇宙雖有光子卻無法看到。
讀者可能對上段話存在些許疑惑,我對「不透明」因此「看不到」解釋如下:如果某種顏色的光被吸收,則我們是看不到這種顏色的光的——因為該光子被吸收物質吸收了,從而無法到達我們的眼睛,因此我們無法看到。對於「複合」前的宇宙,因所有的粒子都在碰撞,故無光子可以逃離(也無處可逃)。
在第一道光產生之後,由於宇宙膨脹,其波長被拉寬,直到現在拉到了微波的長度,被我們命名為「宇宙微波背景輻射」。
(圖片來自注3)註:
1. 對「複合」的解釋:形成「光子-原子核」對。由於這是宇宙的第一次「光子-原子核」對的形成,因此給「複合」加了雙引號。
2. 更多請見wiki:宇宙微波背景輻射
3. 如果感覺wiki看得不夠,可以看看詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope) 的網頁對第一道光的描述:The James Webb Space Telescope。之所以強調詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,是因為在哈勃望遠鏡卸任之後,韋伯將是其繼任者。
簡單來說,原子中原子核和電子的結合能是有限的,當溫度很高時,熱運動大於結合能,使得電子以自由電子的形式存在。因此光子和自由電子可以發生康普頓散射,導致光子的自由程很小無法被觀測。隨著宇宙的膨脹,溫度降低,自由電子重新結合為原子,此時光子不和電中性的原子相互作用,作為背景保存下來,即微波背景輻射,即能被觀測到的最早的光。
極早起宇宙由於物質密度太大,物質分布過於密集,所以光子剛被發射出去還沒傳播多遠就與其他物質反應了,所以極早期宇宙是不透明的。
隨著宇宙膨脹,物質密度減小,在某一刻光子終於可以「掙脫」出去足以傳播到足夠遠。從那時起宇宙開始透明。那時候跑出來的光子一直傳播殘留到現在的就是宇宙微波背景輻射。
電磁輻射是自從宇宙早期電弱相互作用破缺之後就有的!這個時間大概相當於big bang之後不到1秒,此後就有各個波段的光,作為一個局域平衡態,需要跟其他粒子不斷發生作用,由於那時溫度,密度還很高,相互作用非常頻繁,光子基本不可能遺留下來,關於這部分可以參考溫伯格的《最初三分鐘》,非常好的一本科普書,當然你也可以在他的《宇宙學》教材中找到比較專業的介紹,這裡上面的幾位都回答的很不錯了,我只是想提供一點有用的補充!
總之,結論是,光子產生很早,但是由於那時宇宙的極端環境,導致光子的自由程很短,只有到了大概大爆炸38萬年之後,宇宙間的質子電子結合的差不多,所有的粒子基本都變成電中性之後,光子才能自由的穿過他們而不發生非彈性散射,宇宙對於光子才算透明,光子才能自由自在的穿過遙遠的歲月達到我們的面前!
ps:今天比較累,有時間在詳細補充細節吧
摘自《時間簡史》「早期的宇宙一定是非常密集的、白熱的。迪克和皮帕特(人名就忽略吧)認為我們應該仍然能看到早期宇宙的白熱,這是因為它們從非常遙遠的部分來的光,剛好才到達我們這,現在只能作為微波被我們觀察到」所以你看,它是宇宙早期的景象,所以很古老。 這根光子真沒太大關係。光子是光的能量子,說明光具有粒子性(光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的,而且光本身就是一個個不可分割的能量子組成的,這些能量子稱為光子)
沒有,在這之前啥都沒有。
這個世界上每一個存在都是光子的組成,在那之前的「世界」用我們的觀察方式無法理解。
有光子但由於宇宙密度過高,光子不能直線運動,無法形成特定波長的輻射,無法被人類觀測(以目前觀測手段來說)
根據大爆炸理論,爆炸的一刻即開始產生巨大熱量,到現在變成背景輻射,背景輻射是大爆炸開始那刻就註定有了,而大爆炸之前是什麼都沒有的,沒有時間、空間、物質,更沒有光子。
推薦閱讀:
※學習宇宙學有什麼前途嗎?
※兩個星球相距100光年,我從一個星球瞬間到另一個星球,是不是相當於穿越了100年?
※為什麼水金火木土星是以五行命名,而非像天王海王冥王星採取翻譯過來的譯名?
※宇宙克服引力加速膨脹了150億年,膨脹速度有超過光速嗎?為什麼和相對論沒有衝突呢?
※被黑洞吸進去的物質會永遠留在裡面嗎?