140億年前為什麼產生原子

宇宙始於137億年前，被稱為“大爆炸”，立即開始膨脹和冷卻。 後來，宇宙變得透明，第一個物質能夠形成團塊。 大約100億年前（第二階段），其擴張速度有所放緩。 在50億年前的第3階段，宇宙充滿了恆星和銀河系，由於遍佈宇宙的神祕暗能量，其膨脹又開始加速。 我們現在處於第4階段，擴張沒有停止，實際上正在加速。 橙色箭頭表示引力。這會減慢擴張速度，但目前無法停止擴張。

在表面上看，好像顯而易見的答案是，在大爆炸期間釋放了大量能量，並且由於物質和能量是同一事物的不同形式，因此某些能量表現為基本粒子。最初，是大量的夸克、電子和光子，在最初的瞬間，宇宙是如此的熾熱和緻密，以至於它們無法聚集在一起形成原子：任何時候，三個夸克試圖將它們束縛成質子或中子，其他一些粒子將高速呼嘯並破壞可能的核子。在這種情況下，不用擔心電子會粘在原子核上。

隨著宇宙開始膨脹和冷卻，事物散佈開來並放慢了速度，以至於夸克可以結合在一起而形成核，而不會立即被粉碎。這段時間開始時，質子、中子和電子到處亂跑，彼此碰撞的頻率太高，也無法形成穩定的原子。再過一段時間，物質冷卻到質子和中子可以粘結在一起而不會立即被粉碎而形成核的地步，然後經過很長一段時間後，物質冷卻到核可以捕獲電子並形成原子的地步，大多數是氫原子，而不會立即被經過的光子炸開。

這些階段需要不同的時間，形成質子和中子是幾秒鐘，形成原子核是幾分鐘，而形成原子則需要幾十萬年。最後是我們在宇宙中看到的最早的東西：宇宙微波背景輻射的著名影象，光子開始自由穿越整個空間，而非在電子與質子所組成的電漿體中緊密的碰撞。光子在脫耦之後開始傳播，但由於空間膨脹，導致波長隨著時間的推移而增加（根據普朗克定律，波長與能量成反比），光線越來越微弱，能量也較低。這就是別稱“遺留輻射”的來源。

這是一個漂亮而又簡單的故事，大爆炸製造了東西，東西冷卻下來，東西粘在了一起：原子！但是，這隱藏了很多微妙之處。特別要提到的有兩點，一點很好理解，另一點是非常奧妙的謎。

很好理解的一點是：不能僅憑一個電子和一個質子來製造氫原子。這聽起來可能奇怪，因為畢竟一個氫原子只是一個附著在一個質子上的電子，但問題是：如果只有一個質子和一個電子，而沒有其他任何東西，則無法將它們粘在一起形成一個原子。

這是因為在考慮這些粒子的相互作用時要考慮兩個重要的量：能量和動量。它們的相似之處在於它們都取決於所討論粒子的質量和速度，但是動量只是質量乘以速度，而能量卻是質量乘以速度的平方。如果將速度加倍，則動量加倍，但能量增加四倍。

這兩個量也都必須守恆，這意味著，如果在某些粒子彼此相互作用之後將總能量和總動量相加，則它們必須與它們開始相互作用之前的總能量和總動量相同。事實證明，由於它們取決於粒子的速度和方向的方式不同，因此無法僅從兩個粒子開始並將它們粘在一起同時保留兩個粒子。如果使動量部分起作用，則最終的能量會比開始時低，而如果只是考慮能量，那麼動量就會完全錯誤。

那麼，我們如何獲得原子需要第三個粒子：另一個電子，另一個質子或一個光子。如果有三個粒子，則可以讓其中兩個粘在一起，降低它們的總能量，而第三個可以帶走多餘的能量。

這是一個簡單的想法，但具有很多含義。這就是為什麼可以將原子的形成追溯到宇宙歷史中的一個非常特定的時刻：需要使粒子的溫度和密度恰到好處：既要足夠高，可以使三個粒子聚在一起以使電子被原子束縛但又不是很高，以至於新形成的原子又被擊碎。這也是為什麼像目前世界上最好的粒子物理實驗室的實驗很難製造出反氫的原因。

這樣的實驗也是過渡到深奧之謎的地方，那就是在大爆炸之後幾十萬年形成的所有原子都是物質而不是反物質。通常情況下，能量轉換為質量會產生等量的物質和反物質：每個電子都有一個正電子，每個夸克都有一個反夸克。但是，如果擁有相等數量的物質和反物質，那麼他們應該迅速找到彼此，並互相抵消為純淨的能量。

“奇點”大爆炸初始瞬間，宇宙就是個能量場，沒有物質。但隨著宇宙的膨漲與溫度降低，就有物質產生了（氣變成水變成冰）。能量場變成物質粒子湯：夸克、電子、中微子、原子......。

但能量產生物質粒子的同時，也產生反物質粒子。正反物質粒子結合就消亡，轉化成光子（光子靜止，質量為零）。直到產生十億個正反物質粒子後，才有一個物質粒子生存下來（生命形成不易）。