的确，根据大爆炸的理论，宇宙起源时充满粒子，就像一碗汤一样，当中包含光子及其他基本粒子，而且密度非常高（见图7.1）。

要了解宇宙起源的状态，我们可以看看现在粒子物理的标准模型，它是透过很多物理实验得出来的成果，其中一个最重要的国际合作实验室就是欧洲核子研究中心，它有一个非常大的粒子对撞器，原理就是把一些基本粒子加速到极高能量，然后看看粒子对撞后产生的碎片，从中找出粒子组成的线索（见图7.2）。

图7.1　宇宙的发展

图7.2　(a)　粒子对撞器的俯视拍摄图，(b)　粒子对撞器内的情况，(c)希格斯玻色子

这些物理实验，确定了标准模型的内容。在各种粒子的状态中，比较大的是原子，由核子和电子组成；而核子中又有质子和中子，这些物质由夸克组成。当中有六种夸克，分别是u，d，s，c，t，b。这些粒子之间有四种作用力，分别为：电磁力、弱作用力、强作用力、万有引力，这四种力需要用粒子传递，电磁力需要用光子传递，弱作用力需要用Z玻色子和W玻色子传递，强作用力用胶子传递，而万有引力以重力子传递。强子分为两种，一种是由三个夸克组成的重子，另一种是比较轻、用两个夸克组成的介子。重子包括质子和中子。另外还有轻子。最近亦发现了希格斯玻色子，令粒子拥有质量。这些粒子组成了粒子物理的标准模型，它解释了大部分实验中得到的数据（见图7.3）。

图7.3　标准模型

认识了这些背景资料后，可以看看大爆炸后发生的情况。随着时间的流逝，温度一直冷却，所以粒子的能量都越来越低。在早期的时候温度非常高，所以以上提到的四种自然力都分不开，而冷却到大概1032 K的温度时，万有引力跟其他自然力开始分开。

宇宙再冷却到1027 K以下的温度时，强作用力跟弱作用力和电磁力就分开了。这个过程可以用气体冷却作为比喻，在高温时，我们不能分辨不同的液体和气体，但当冷却到足够低的温度时，不同的液体和气体便能分辨出来。在1027 K这个温度的相变，可以用大一统理论(Grand Unified Theories)解释。这种相变会引起宇宙的膨胀，即是暴胀。

温度再冷却到下一阶段，即1015 K的时候，弱作用力和电磁力会再分开。直到现代的宇宙，这四种力仍然独立地存在（见图7.4）。

图7.4　宇宙冷却的历史

图7.5　元素周期表

现在我们可以来看看图7.5元素周期表里最轻的两个元素：氢和氦。大爆炸理论可以准确地推断这两种元素是来自大爆炸的，而且这推断被视为该理论最有力的证据之一。至于其他较重元素的来源，我们还要看本章的下面几节。(www.daowen.com)

大爆炸理论的推断是这样的：在宇宙早期的时候，质子和中子会同时存在，质子会变成中子（还有正电子和中微子），中子也会变成质子（还有电子和反中微子），保持一种动态的平衡。但是，中子的质量稍高一点，根据爱因斯坦质能互换的公式E=mc2，就是说中子的能量稍高一点，也就没有那么稳定。

在高温的时候，两者数量大致相等，但温度降至1010 K时，较稳定的质子吸收热量变成较不稳定的中子，会慢于中子释放热量变成质子，这样中子的比例会渐渐降低。可是，温度继续降低时，中子却可以和质子合成氦原子，使宇宙间中子和质子的比例（包括独立的和在氦原子里的）稳定下来。此时这比例约是1∶7，而因为氢原子核由一个质子组成、氦原子核由两个质子和两个中子组成，所以宇宙间氢和氦的比例是3∶1。

大爆炸理论还推断有其他微量较重的元素形成，所以上述比例符合现今世代观察到宇宙的质量有约75%是氢、25%是氦的现实。至于较重的元素，如碳、氮、氧和重金属，大爆炸理论推断的数量不足以解释现今世代的元素比例，所以看出它们不是在宇宙早期形成的。

当宇宙继续冷却，温度到了约3000 K时，原子核终于可以和电子稳定地合成中性的原子，这就是第一章提到宇宙背景辐射的时期，这时宇宙的年龄是40万年。这里再补充一点描述。

说到宇宙背景辐射的发现，也有一段故事。20世纪60年代，美国的贝尔实验室建造了大型的微波天线，用来侦测微波卫星通信，地点在美国的新泽西州。当时有两位工程师，分别是阿诺·彭齐亚斯(Arno Allan Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)，他们利用了天线来研究卫星通信，其后向公司申请用来量度从宇宙来的微波，希望发展微波天文学（见图7.6）。

但他们开始测量后，发现在宇宙来的微波充满杂音，他们认为做天文观测前必须先清除杂音，于是便千方百计考察背景辐射出现的原因。他们先想到可能是纽约市传来的，因为新泽西州就在纽约市的市郊，但他们发现杂音是从四方八面来的，并非只来自纽约市的方向。他们就想到可能是天线内藏了鸽子的排泄物而产生的，结果他们就把天线清理了（做科学工作应是不怕脏的），但在清理后的噪声仍然没有衰减，噪声仍然存在。他们再想这些噪声会否来自太阳系，例如太阳，但因为地球运行一周会面向太阳系不同的方向，但噪声一直存在。他们最后想是否因为当时是“冷战”时期，世界强国都在大气层进行空中核爆试验，他们认为有可能是核爆所遗留下来的放射性物质影响到背景辐射，但他们发现核爆之后噪声久久没有衰减。

图7.6　大型的微波天线

这时他们风闻理论物理学家推断宇宙起源时在冷却的过程中会有遗留下来的辐射，仿似微波炉内的辐射，他们醒悟到那困扰他们多时的噪声，其实是一个革命性的发现。他们就宣布发现了宇宙背景辐射，很快就被科学界接受了，而这两位科学家也荣获1978年的诺贝尔物理学奖。

现在谈谈宇宙背景辐射的来源。在宇宙温度仍然在3000 K以上时，质子和电子都是带电的，如果有电磁波（如可见光）通过，会令质子和电子振动起来，振动的电荷又会向不同方向放射电磁波，这过程称为散射。所以这些电波不能走直线的路径，反而像喝醉了酒的人漫无目的到处游荡，从外面观察的话就不能看到任何清晰的映像，只能看到一片模糊（见图7.7）。

图7.7　显示宇宙从3000K以上冷却到3000K以下，从模糊状态变成透明状态

这种情况一直维持直至宇宙的温度冷却至3000 K，这时温度足够低，质子和电子可以组合成氢原子，称为复合(Recombination)。在这个复合过程后因为正电荷和负电荷中和了，在宇宙中大部分的电荷便消失了，这时电磁波就不受散射干扰，才能一直传递到今天，成为我们观察到的宇宙背景辐射，令我们更了解宇宙的早期状况。

复合后的宇宙清晰了很多，而其他的原子和分子因为万有引力形成星、星体，甚至更大的结构，而宇宙的温度亦不断冷却，直到今天的温度已经冷却至3 K。从图7.8中我们可看到宇宙温度下降的情况，宇宙早期主要由辐射组成，但到现在的宇宙主要由物质组成。大概在宇宙年龄一亿年时，开始有星系形成。

图7.8　由辐射主导到物质主导