核與原子：宇宙微波背景是怎麼來的
大爆炸後幾分鐘合成了最輕的元素，38 萬年後原子形成、光得以自由傳播。這一頁講這些事件和餘暉的發現。
宇宙微波背景，是大爆炸留下的餘暉。它形成於大爆炸後約 38 萬年：那時電子被原子核俘獲，宇宙變得透明，第一縷光得以傳向未來，這束光今天仍然能被測到。在此之前，大爆炸後 3 分鐘，約 25% 的質量變成了氦，最輕元素的配方在 20 分鐘時定型。
這個時代從 3 分鐘延續到 1.5 億年，分成三段：先是核合成，把最輕的元素做出來；然後是複合與透明，光第一次自由傳播；最後是漫長的黑暗時代，宇宙裡沒有恆星，只有中性氫在冷卻。
六個事件
- 3 分鐘 · 太初核合成：約 25% 的質量變成氦。
- 20 分鐘 · 鋰-7 生成：最輕元素的配方定型。從此要等恆星出現，才會有新元素被造出來。
- 4.7 萬年 · 物質主導：物質密度超過輻射，物質的分量壓過了光和輻射。
- 38 萬年 · 複合時期：電子被原子核俘獲。
- 38 萬年 · 宇宙微波背景：宇宙變得透明，第一縷光傳向未來，好比一場大霧忽然散開。
- 38 萬年 – 1.5 億年 · 黑暗時代：沒有恆星，只有中性氫在冷卻。
輕元素的配方
阿爾弗和伽莫夫計算了大爆炸中輕元素的形成，貝特的名字被加進來湊成了“αβγ”。這篇論文的題目就叫“化學元素的起源”（Alpher、Bethe 與 Gamow，《Physical Review》1948）。放在上面的時間線裡看，3 分鐘時氦已經大量生成，到 20 分鐘鋰-7 也有了，最輕元素的配方就此定型。
餘暉被兩個人撞見
兩位貝爾實驗室的研究員怎麼也消除不掉天線裡的噪聲，最後發現那是大爆炸的餘暉，獲 1978 年諾貝爾獎。他們的論文題目很不起眼，只說測量到了 4080 Mc/s 頻率上多出來的天線溫度（Penzias 與 Wilson，《The Astrophysical Journal》1965）。巧的是，普林斯頓團隊當時正準備尋找這種輻射，結果被隔壁搶先發現，於是他們寫下了理論解釋，題目叫“宇宙黑體輻射”（Dicke、Peebles、Roll 與 Wilkinson，《The Astrophysical Journal》1965）。
把餘暉測得更準
COBE 測得的光譜與理論黑體曲線幾乎完美重合，大爆炸理論獲得決定性支援，論文的題目是對 COBE 衛星所測宇宙微波背景光譜的初步測量（Mather 等，《The Astrophysical Journal Letters》1990）。兩年後，同一顆衛星的資料顯示背景輻射中有十萬分之一的溫度起伏，這些微小差異就是日後星系的種子，論文題目談的是 COBE 微分微波輻射計頭一年星圖裡的結構（Smoot 等，《The Astrophysical Journal Letters》1992）。早期宇宙中的聲波還在星系分佈上留下了約 5 億光年的特徵尺度，成為測量宇宙的標尺，題目是在 SDSS 明亮紅星系的大尺度相關函式中探測到重子聲學峰（Eisenstein 等，《The Astrophysical Journal》2005）。最後，普朗克衛星測量了餘暉的細微起伏：普通物質約佔宇宙總能量的 5%，暗物質約 27%，其餘是暗能量（Planck Collaboration，《Astronomy & Astrophysics》2020）。
黑暗時代怎麼“看”
沒有恆星，就沒有光可看，研究者靠的是氫。人類首次探測到中性氫發出的 21 釐米射電輻射，從此能“看見”銀河系裡看不見的氣體，論文只是樸素地寫作“在銀河射電譜中觀測到一條譜線”（Ewen 與 Purcell，《Nature》1951）。EDGES 實驗報告了第一代恆星留下的 21 釐米吸收訊號，題目是“以 78 兆赫為中心的吸收譜”，不過結果仍有爭議、尚待獨立驗證（Bowman 等，《Nature》2018）。
原子裡有什麼
α 粒子偶爾會被金箔彈回，盧瑟福由此推斷原子的質量集中在一個極小的核裡（Rutherford，《Philosophical Magazine》1911）。論文題目談的是 α 粒子與 β 粒子被物質散射，以及原子的結構。
遊戲裡怎麼體現
遊戲裡，核與原子時代的時間範圍是“3 分鐘 – 1.5 億年”，資源叫原子。生成器依次是質子俘獲、氘核聚合、氦-4 合成和電子俘獲，對應從核合成到原子形成的過程。
真實依據
太初核合成（3 分鐘）：約 25% 的質量變成氦
鋰-7 生成（20 分鐘）：最輕元素的配方定型
物質主導（4.7 萬年）：物質密度超過輻射
複合時期（38 萬年）：電子被原子核俘獲
宇宙微波背景（38 萬年）：宇宙變得透明，第一縷光傳向未來
黑暗時代（38 萬 – 1.5 億年）：沒有恆星，只有中性氫在冷卻
相關研究
這些研究和本頁主題相關，但不是本頁內容的直接證明。
αβγ 論文：阿爾弗和伽莫夫計算了大爆炸中輕元素的形成，貝特的名字被加進來湊成了“αβγ”。
出處：Alpher, Bethe & Gamow, Physical Review 1948, "The origin of chemical elements"
宇宙微波背景：兩位貝爾實驗室的研究員怎麼也消除不掉天線裡的噪聲，最後發現那是大爆炸的餘暉，獲 1978 年諾貝爾獎。
出處：Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"
餘暉的解釋：普林斯頓團隊正準備尋找這種輻射，結果被隔壁搶先發現，於是寫下了理論解釋。
出處：Dicke, Peebles, Roll & Wilkinson, The Astrophysical Journal 1965, "Cosmic black-body radiation"
完美的黑體：COBE 測得的光譜與理論黑體曲線幾乎完美重合，大爆炸理論獲得決定性支援。
出處：Mather et al., The Astrophysical Journal Letters 1990, "A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite"
餘暉中的漣漪：背景輻射中有十萬分之一的溫度起伏，這些微小差異就是日後星系的種子。
出處：Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters 1992, "Structure in the COBE differential microwave radiometer first-year maps"
重子聲學振盪：早期宇宙中的聲波在星系分佈上留下了約 5 億光年的特徵尺度，成為測量宇宙的標尺。
出處：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 釐米譜線：首次探測到中性氫發出的 21 釐米射電輻射，讓人類能“看見”銀河系裡看不見的氣體。
出處：Ewen & Purcell, Nature 1951, "Observation of a line in the galactic radio spectrum"
宇宙黎明的訊號：EDGES 實驗報告了第一代恆星留下的 21 釐米吸收訊號，不過結果仍有爭議、尚待獨立驗證。
出處：Bowman et al., Nature 2018, "An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum"
原子核：α 粒子偶爾會被金箔彈回，盧瑟福由此推斷原子的質量集中在一個極小的核裡。
出處：Rutherford, Philosophical Magazine 1911, "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom"
宇宙的配方：普朗克衛星測量了宇宙微波背景的細微起伏：普通物質約佔宇宙總能量的 5%，暗物質約 27%，其餘是暗能量。
出處：Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"
相關開源專案
CAMB
260 星
cmbant/CAMB
計算宇宙微波背景的溫度漲落。宇宙學家用這類程式擬合普朗克衛星的資料，推出宇宙的年齡和成分。