凍結

想像一個擁擠的房間，人人都在不停地換座位——起身、寒暄、再找個新位子坐下，只要音樂還在響，就這樣無休止地重新洗牌。現在把音樂放慢、燈光調暗：人們不再走動，誰坐在哪兒，就留在哪兒。最終的座位安排被「凍結」了下來。早期宇宙對它的粒子做了類似的事。隨著它膨脹、冷卻，那些讓粒子不斷相互轉化的狂亂反應慢了下來、停了下來，把固定的數量鎖定。這種鎖定，就叫凍結。

其中的物理是這樣的。在熾熱的早期宇宙裡，粒子碰撞得如此頻繁，以致創造與毀滅保持著平衡——一個過程和它的逆過程以相等的速率進行，處於平衡態。但宇宙在膨脹、變稀、冷卻。對任何一種給定的反應，總會到一個時刻，粒子變得太分散、或太冷，再也無法彼此相遇、發生反應。到那一刻，反應實際上就關閉了，剩下的那種粒子的數量便被凍結——成為它的「殘留丰度」。不同的粒子在不同時刻凍結：中子相對於質子在約一秒時凍結（這定下了輕元素的配方），而微中子在大約同一時刻與其餘一切退耦，至今仍作為殘留背景在宇宙中漂流。

凍結是宇宙學中最有力的思想之一，因為一份被凍結的丰度就是一塊化石——它記錄下了凍結發生那一刻的條件。在最初幾分鐘裡凍結下來的輕元素比例，以驚人的精度證實了早期宇宙的溫度和密度。這一概念也支撐著關於暗物質的一個主流想法：一種假想的重粒子若從早期電漿中凍結而出，可以很自然地留下恰好約等於我們今天推斷的暗物質量，這一巧合被戲稱為「WIMP 奇蹟」。暗物質是否真是這樣一種殘留，仍未得到證實，但凍結的邏輯是穩健的，在我們能檢驗的情形裡也經過了很好的檢驗。