宇宙：一台免費的對撞機
在本階裡，你一直在學著把天空當作一座粒子實驗室來讀——宇宙射線、暗物質、幽靈般的微中子。現在，把時鐘一路往回撥。你往過去看得越遠，宇宙就越熾熱、越緻密，因為它從那以後一直在膨脹、降溫。把這一過程倒推得足夠遠，你便抵達一個時代：那時整個宇宙是一鍋翻騰、灼燒的粒子濃湯，其能量是地球上任何機器都無法企及的。這正是[[early-universe-accelerator|早期宇宙即加速器]]這一觀念的核心：沒人需要去建造它，它免費運行過一次，規模以光年計。
溫度是關鍵。用粒子物理的語言說，溫度無非就是一個典型的碰撞能量：越熱意味著碰撞越猛。隨著宇宙降溫，它*向下*穿過了我們在對撞機上探索的那些相同的能量尺度——穿過你在「基礎入門」裡見過的GeV 與 MeV 區間——只不過方向相反，而且是整片天空同時進行。在每個溫度下存在著哪些粒子、它們又如何相互作用，都留下了指紋。本篇將追蹤其中最清晰的兩個：我們能看到的最古老的光，以及曾被造出的最輕的原子核。
第一張收據：最輕的原子核
從開端之後約一秒處講起，那時的溫度大致對應於一個 MeV。此時這鍋湯由質子、中子、電子、光子和微中子構成。[[pp-big-bang-nucleosynthesis|大霹靂核合成]]（BBN）講的，就是在接下來幾分鐘裡、當宇宙降溫穿過那扇「輕核得以維繫」的窗口時所發生的事。在那扇窗之上，任何形成的原子核都會立刻被一個高能光子轟碎；在那扇窗之下，質子與中子又太遲鈍、無法聚變。僅僅在那短短幾分鐘裡，條件恰到好處。
出爐的，是一份精確的混合配方：按質量算，普通物質中約四分之三最終成為氫（孤零零的質子），近乎四分之一成為氦-4，再加上一抹淡淡的氘、氦-3 與鋰-7。至關重要的是，*沒有更重的元素*——碳、氧、鐵，構成你的那些物質——在那時被造出來。它們得再等上數億年，交給恆星。早期宇宙只鍛造了最輕的那幾種，且只用了幾分鐘，隨後便隨膨脹把一切拉開而驟然停火。
為什麼說這是一項*粒子物理*的測量，而不只是化學？因為最終的配比，敏感地取決於聚變開始時身邊有多少中子，而這又取決於把質子和中子彼此轉化的弱交互作用反應速率——正是前幾階裡那套微中子與β衰變的物理。把這些速率算錯，或者額外塞進一種粒子、加快了膨脹，預言的氦豐度便會偏移。計算出的豐度，竟與天文學家在最古老、最原始的氣體中所測得的相吻合，這是連結微小與浩大的偉大定量勝利之一。
從天空清點微中子
這裡是其中最美的一處連結。那幾分鐘裡的膨脹速率取決於總能量密度——而在那個溫度下，這個密度由當時存在著多少*種*輕而高速運動的粒子來設定。種類越多，膨脹越快，意味著窗口關閉前的時間越少，意味著越多中子得以倖存，意味著*更多的氦*。於是，所測得的氦豐度，悄然成了對時間最初幾分鐘內相對論性粒子種類的一次清點。
把數字代進去算，數據偏好三種輕微中子——這與你從標準模型裡熟知的三代物質驚人地一致，也與對撞機依據 Z 玻色子如何衰變所獨立得出的計數相符。兩項截然不同的測量，一項來自地球上的對撞機，一項來自全宇宙的氦豐度，竟在同一個小整數上達成共識。倘若多出第四種普通的輕微中子，早期宇宙的膨脹就會太快、造出過多的氦；而天空說，它不在那裡。
第二張收據：最古老的光
從幾分鐘快進到約 38 萬年。宇宙已冷卻到幾千度——總算夠涼，讓電子與原子核安頓成中性原子。這件事對光關係重大。在這一刻之前，自由電子不停地散射光子，所以宇宙是一團不透明的霧，就像太陽內部那樣。就在電子被俘獲進原子的那一瞬，這團霧散去，光子第一次沿直線自由奔流。正是那些光子，至今仍在抵達我們：[[pp-cosmic-microwave-background|宇宙微波背景輻射]]（CMB），是人能看到的最古老的光。
當那束光啟程時，它是幾千度的暖橙色輝光。但空間從那以後已拉伸了約一千倍，而空間的拉伸會把光的波長一併拉長，使輝光冷卻。如今那些同樣的光子，化作微弱的微波抵達我們，對應著僅比絕對零度高 2.7 度的溫度——是天空每個方向上同樣冰冷的嘶聲。它幾乎就是字面意義上的大霹靂餘暉，被紅移到了你家微波爐的頻段裡。
kT ~ 1 MeV -> t ~ 1 second (BBN begins: protons, neutrons) kT ~ 0.3 eV -> t ~ 380,000 yr (atoms form: CMB released) T_today ~ 2.7 K (that light, cooled by expansion)
解讀漣漪
宇宙微波背景驚人地均勻——滿天各處的溫度一致到約十萬分之一。但恰恰是這些對完美平滑的微小偏離、那些隱約的冷熱漣漪，承載著最豐富的資訊。它們是嬰兒期宇宙中密度起伏的一張快照，是重力日後培育成星系的那些種子。仔細測繪漣漪的圖樣與尺度，你就能讀出宇宙的基本配方：有多少普通物質、多少暗物質、多少暗能量，以及它膨脹得有多快。
而且兩張收據彼此交叉驗證。CMB 的漣漪測出宇宙含有多少普通（原子）物質——這個數字必須與 BBN 為烤出正確的氦和氘所需要的普通物質量相吻合，因為兩者都取決於同一個「質子加中子」對光子的比值。它們吻合了。兩者還一致認為，普通物質只佔總量的約百分之五：宇宙的大部分都是暗的。而兩者也都從這道階梯更早處繼承了又一道未解之謎——竟然*有*物質存在，且幾乎不剩反物質，這是那道無從解釋的物質–反物質不對稱，它必須在這兩張快照之前就已經被設定好了。
退後一步，看看你已握有的東西。兩扇通往最初幾分鐘與最初幾十萬年的獨立窗口——一扇在原子核裡，一扇在光裡——都是由從冷卻的宇宙濃湯中凍結出來的遺跡所開啟。兩者都在被測量之前、就已由粒子物理預言出來，又都返回了與我們從加速器所知相吻合的結果，吻合到百分之幾的數字精度。這正是整階那份靜悄悄的驚嘆：描述偵測器裡一次碰撞的方程，也描述著宇宙最初的那口呼吸。微小與浩大，是同一門學問。