140亿年前为什么产生原子

宇宙始于137亿年前，被称为“大爆炸”，立即开始膨胀和冷却。 后来，宇宙变得透明，第一个物质能够形成团块。 大约100亿年前（第二阶段），其扩张速度有所放缓。 在50亿年前的第3阶段，宇宙充满了恒星和银河系，由于遍布宇宙的神秘暗能量，其膨胀又开始加速。 我们现在处于第4阶段，扩张没有停止，实际上正在加速。 橙色箭头表示引力。这会减慢扩张速度，但目前无法停止扩张。

在表面上看，好像显而易见的答案是，在大爆炸期间释放了大量能量，并且由于物质和能量是同一事物的不同形式，因此某些能量表现为基本粒子。最初，是大量的夸克、电子和光子，在最初的瞬间，宇宙是如此的炽热和致密，以至于它们无法聚集在一起形成原子：任何时候，三个夸克试图将它们束缚成质子或中子，其他一些粒子将高速呼啸并破坏可能的核子。在这种情况下，不用担心电子会粘在原子核上。

随着宇宙开始膨胀和冷却，事物散布开来并放慢了速度，以至于夸克可以结合在一起而形成核，而不会立即被粉碎。这段时间开始时，质子、中子和电子到处乱跑，彼此碰撞的频率太高，也无法形成稳定的原子。再过一段时间，物质冷却到质子和中子可以粘结在一起而不会立即被粉碎而形成核的地步，然后经过很长一段时间后，物质冷却到核可以捕获电子并形成原子的地步，大多数是氢原子，而不会立即被经过的光子炸开。

这些阶段需要不同的时间，形成质子和中子是几秒钟，形成原子核是几分钟，而形成原子则需要几十万年。最后是我们在宇宙中看到的最早的东西：宇宙微波背景辐射的著名图像，光子开始自由穿越整个空间，而非在电子与质子所组成的等离子体中紧密的碰撞。光子在脱耦之后开始传播，但由于空间膨胀，导致波长随着时间的推移而增加（根据普朗克定律，波长与能量成反比），光线越来越微弱，能量也较低。这就是别称“遗留辐射”的来源。

这是一个漂亮而又简单的故事，大爆炸制造了东西，东西冷却下来，东西粘在了一起：原子！但是，这隐藏了很多微妙之处。特别要提到的有两点，一点很好理解，另一点是非常奥妙的谜。

很好理解的一点是：不能仅凭一个电子和一个质子来制造氢原子。这听起来可能奇怪，因为毕竟一个氢原子只是一个附着在一个质子上的电子，但问题是：如果只有一个质子和一个电子，而没有其他任何东西，则无法将它们粘在一起形成一个原子。

这是因为在考虑这些粒子的相互作用时要考虑两个重要的量：能量和动量。它们的相似之处在于它们都取决于所讨论粒子的质量和速度，但是动量只是质量乘以速度，而能量却是质量乘以速度的平方。如果将速度加倍，则动量加倍，但能量增加四倍。

这两个量也都必须守恒，这意味着，如果在某些粒子彼此相互作用之后将总能量和总动量相加，则它们必须与它们开始相互作用之前的总能量和总动量相同。事实证明，由于它们取决于粒子的速度和方向的方式不同，因此无法仅从两个粒子开始并将它们粘在一起同时保留两个粒子。如果使动量部分起作用，则最终的能量会比开始时低，而如果只是考虑能量，那么动量就会完全错误。

那么，我们如何获得原子需要第三个粒子：另一个电子，另一个质子或一个光子。如果有三个粒子，则可以让其中两个粘在一起，降低它们的总能量，而第三个可以带走多余的能量。

这是一个简单的想法，但具有很多含义。这就是为什么可以将原子的形成追溯到宇宙历史中的一个非常特定的时刻：需要使粒子的温度和密度恰到好处：既要足够高，可以使三个粒子聚在一起以使电子被原子束缚但又不是很高，以至于新形成的原子又被击碎。这也是为什么像目前世界上最好的粒子物理实验室的实验很难制造出反氢的原因。

这样的实验也是过渡到深奥之谜的地方，那就是在大爆炸之后几十万年形成的所有原子都是物质而不是反物质。通常情况下，能量转换为质量会产生等量的物质和反物质：每个电子都有一个正电子，每个夸克都有一个反夸克。但是，如果拥有相等数量的物质和反物质，那么他们应该迅速找到彼此，并互相抵消为纯净的能量。

“奇点”大爆炸初始瞬间，宇宙就是个能量场，没有物质。但随着宇宙的膨涨与温度降低，就有物质产生了（气变成水变成冰）。能量场变成物质粒子汤：夸克、电子、中微子、原子......。

但能量产生物质粒子的同时，也产生反物质粒子。正反物质粒子结合就消亡，转化成光子（光子静止，质量为零）。直到产生十亿个正反物质粒子后，才有一个物质粒子生存下来（生命形成不易）。