核与原子：宇宙微波背景是怎么来的
大爆炸后几分钟合成了最轻的元素，38 万年后原子形成、光得以自由传播。这一页讲这些事件和余晖的发现。
宇宙微波背景，是大爆炸留下的余晖。它形成于大爆炸后约 38 万年：那时电子被原子核俘获，宇宙变得透明，第一缕光得以传向未来，这束光今天仍然能被测到。在此之前，大爆炸后 3 分钟，约 25% 的质量变成了氦，最轻元素的配方在 20 分钟时定型。
这个时代从 3 分钟延续到 1.5 亿年，分成三段：先是核合成，把最轻的元素做出来；然后是复合与透明，光第一次自由传播；最后是漫长的黑暗时代，宇宙里没有恒星，只有中性氢在冷却。
六个事件
- 3 分钟 · 太初核合成：约 25% 的质量变成氦。
- 20 分钟 · 锂-7 生成：最轻元素的配方定型。从此要等恒星出现，才会有新元素被造出来。
- 4.7 万年 · 物质主导：物质密度超过辐射，物质的分量压过了光和辐射。
- 38 万年 · 复合时期：电子被原子核俘获。
- 38 万年 · 宇宙微波背景：宇宙变得透明，第一缕光传向未来，好比一场大雾忽然散开。
- 38 万年 – 1.5 亿年 · 黑暗时代：没有恒星，只有中性氢在冷却。
轻元素的配方
阿尔弗和伽莫夫计算了大爆炸中轻元素的形成，贝特的名字被加进来凑成了“αβγ”。这篇论文的题目就叫“化学元素的起源”（Alpher、Bethe 与 Gamow，《Physical Review》1948）。放在上面的时间线里看，3 分钟时氦已经大量生成，到 20 分钟锂-7 也有了，最轻元素的配方就此定型。
余晖被两个人撞见
两位贝尔实验室的研究员怎么也消除不掉天线里的噪声，最后发现那是大爆炸的余晖，获 1978 年诺贝尔奖。他们的论文题目很不起眼，只说测量到了 4080 Mc/s 频率上多出来的天线温度（Penzias 与 Wilson，《The Astrophysical Journal》1965）。巧的是，普林斯顿团队当时正准备寻找这种辐射，结果被隔壁抢先发现，于是他们写下了理论解释，题目叫“宇宙黑体辐射”（Dicke、Peebles、Roll 与 Wilkinson，《The Astrophysical Journal》1965）。
把余晖测得更准
COBE 测得的光谱与理论黑体曲线几乎完美重合，大爆炸理论获得决定性支持，论文的题目是对 COBE 卫星所测宇宙微波背景光谱的初步测量（Mather 等，《The Astrophysical Journal Letters》1990）。两年后，同一颗卫星的数据显示背景辐射中有十万分之一的温度起伏，这些微小差异就是日后星系的种子，论文题目谈的是 COBE 微分微波辐射计头一年星图里的结构（Smoot 等，《The Astrophysical Journal Letters》1992）。早期宇宙中的声波还在星系分布上留下了约 5 亿光年的特征尺度，成为测量宇宙的标尺，题目是在 SDSS 明亮红星系的大尺度相关函数中探测到重子声学峰（Eisenstein 等，《The Astrophysical Journal》2005）。最后，普朗克卫星测量了余晖的细微起伏：普通物质约占宇宙总能量的 5%，暗物质约 27%，其余是暗能量（Planck Collaboration，《Astronomy & Astrophysics》2020）。
黑暗时代怎么“看”
没有恒星，就没有光可看，研究者靠的是氢。人类首次探测到中性氢发出的 21 厘米射电辐射，从此能“看见”银河系里看不见的气体，论文只是朴素地写作“在银河射电谱中观测到一条谱线”（Ewen 与 Purcell，《Nature》1951）。EDGES 实验报告了第一代恒星留下的 21 厘米吸收信号，题目是“以 78 兆赫为中心的吸收谱”，不过结果仍有争议、尚待独立验证（Bowman 等，《Nature》2018）。
原子里有什么
α 粒子偶尔会被金箔弹回，卢瑟福由此推断原子的质量集中在一个极小的核里（Rutherford，《Philosophical Magazine》1911）。论文题目谈的是 α 粒子与 β 粒子被物质散射，以及原子的结构。
游戏里怎么体现
游戏里，核与原子时代的时间范围是“3 分钟 – 1.5 亿年”，资源叫原子。生成器依次是质子俘获、氘核聚合、氦-4 合成和电子俘获，对应从核合成到原子形成的过程。
真实依据
太初核合成（3 分钟）：约 25% 的质量变成氦
锂-7 生成（20 分钟）：最轻元素的配方定型
物质主导（4.7 万年）：物质密度超过辐射
复合时期（38 万年）：电子被原子核俘获
宇宙微波背景（38 万年）：宇宙变得透明，第一缕光传向未来
黑暗时代（38 万 – 1.5 亿年）：没有恒星，只有中性氢在冷却
相关研究
这些研究和本页主题相关，但不是本页内容的直接证明。
αβγ 论文：阿尔弗和伽莫夫计算了大爆炸中轻元素的形成，贝特的名字被加进来凑成了“αβγ”。
出处：Alpher, Bethe & Gamow, Physical Review 1948, "The origin of chemical elements"
宇宙微波背景：两位贝尔实验室的研究员怎么也消除不掉天线里的噪声，最后发现那是大爆炸的余晖，获 1978 年诺贝尔奖。
出处：Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"
余晖的解释：普林斯顿团队正准备寻找这种辐射，结果被隔壁抢先发现，于是写下了理论解释。
出处：Dicke, Peebles, Roll & Wilkinson, The Astrophysical Journal 1965, "Cosmic black-body radiation"
完美的黑体：COBE 测得的光谱与理论黑体曲线几乎完美重合，大爆炸理论获得决定性支持。
出处：Mather et al., The Astrophysical Journal Letters 1990, "A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite"
余晖中的涟漪：背景辐射中有十万分之一的温度起伏，这些微小差异就是日后星系的种子。
出处：Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters 1992, "Structure in the COBE differential microwave radiometer first-year maps"
重子声学振荡：早期宇宙中的声波在星系分布上留下了约 5 亿光年的特征尺度，成为测量宇宙的标尺。
出处：Eisenstein et al., The Astrophysical Journal 2005, "Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies"
21 厘米谱线：首次探测到中性氢发出的 21 厘米射电辐射，让人类能“看见”银河系里看不见的气体。
出处：Ewen & Purcell, Nature 1951, "Observation of a line in the galactic radio spectrum"
宇宙黎明的信号：EDGES 实验报告了第一代恒星留下的 21 厘米吸收信号，不过结果仍有争议、尚待独立验证。
出处：Bowman et al., Nature 2018, "An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum"
原子核：α 粒子偶尔会被金箔弹回，卢瑟福由此推断原子的质量集中在一个极小的核里。
出处：Rutherford, Philosophical Magazine 1911, "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom"
宇宙的配方：普朗克卫星测量了宇宙微波背景的细微起伏：普通物质约占宇宙总能量的 5%，暗物质约 27%，其余是暗能量。
出处：Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"
相关开源项目
CAMB
260 星
cmbant/CAMB
计算宇宙微波背景的温度涨落。宇宙学家用这类程序拟合普朗克卫星的数据，推出宇宙的年龄和成分。