宇宙：一台免费的对撞机
在本阶里，你一直在学着把天空当作一座粒子实验室来读——宇宙射线、暗物质、幽灵般的中微子。现在，把时钟一路往回拨。你往过去看得越远，宇宙就越炽热、越致密，因为它从那以后一直在膨胀、降温。把这一过程倒推得足够远，你便抵达一个时代：那时整个宇宙是一锅翻腾、灼烧的粒子浓汤，其能量是地球上任何机器都无法企及的。这正是[[early-universe-accelerator|早期宇宙即加速器]]这一观念的核心：没人需要去建造它，它免费运行过一次，规模以光年计。
温度是关键。用粒子物理的语言说，温度无非就是一个典型的碰撞能量：越热意味着碰撞越猛。随着宇宙降温，它*向下*穿过了我们在对撞机上探索的那些相同的能量尺度——穿过你在「基础入门」里见过的GeV 与 MeV 区间——只不过方向相反，而且是整片天空同时进行。在每个温度下存在着哪些粒子、它们又如何相互作用，都留下了指纹。本篇将追踪其中最清晰的两个：我们能看到的最古老的光，以及曾被造出的最轻的原子核。
第一张收据：最轻的原子核
从开端之后约一秒处讲起，那时的温度大致对应于一个 MeV。此时这锅汤由质子、中子、电子、光子和中微子构成。[[pp-big-bang-nucleosynthesis|大爆炸核合成]]（BBN）讲的，就是在接下来几分钟里、当宇宙降温穿过那扇「轻核得以维系」的窗口时所发生的事。在那扇窗之上，任何形成的原子核都会立刻被一个高能光子轰碎；在那扇窗之下，质子与中子又太迟钝、无法聚变。仅仅在那短短几分钟里，条件恰到好处。
出炉的，是一份精确的混合配方：按质量算，普通物质中约四分之三最终成为氢（孤零零的质子），近乎四分之一成为氦-4，再加上一抹淡淡的氘、氦-3 与锂-7。至关重要的是，*没有更重的元素*——碳、氧、铁，构成你的那些物质——在那时被造出来。它们得再等上数亿年，交给恒星。早期宇宙只锻造了最轻的那几种，且只用了几分钟，随后便随膨胀把一切拉开而骤然停火。
为什么说这是一项*粒子物理*的测量，而不只是化学？因为最终的配比，敏感地取决于聚变开始时身边有多少中子，而这又取决于把质子和中子彼此转化的弱相互作用反应速率——正是前几阶里那套中微子与β衰变的物理。把这些速率算错，或者额外塞进一种粒子、加快了膨胀，预言的氦丰度便会偏移。计算出的丰度，竟与天文学家在最古老、最原始的气体中所测得的相吻合，这是连结微小与浩大的伟大定量胜利之一。
从天空清点中微子
这里是其中最美的一处连结。那几分钟里的膨胀速率取决于总能量密度——而在那个温度下，这个密度由当时存在着多少*种*轻而高速运动的粒子来设定。种类越多，膨胀越快，意味着窗口关闭前的时间越少，意味着越多中子得以幸存，意味着*更多的氦*。于是，所测得的氦丰度，悄然成了对时间最初几分钟内相对论性粒子种类的一次清点。
把数字代进去算，数据偏好三种轻中微子——这与你从标准模型里熟知的三代物质惊人地一致，也与对撞机依据 Z 玻色子如何衰变所独立得出的计数相符。两项截然不同的测量，一项来自地球上的对撞机，一项来自全宇宙的氦丰度，竟在同一个小整数上达成共识。倘若多出第四种普通的轻中微子，早期宇宙的膨胀就会太快、造出过多的氦；而天空说，它不在那里。
第二张收据：最古老的光
从几分钟快进到约 38 万年。宇宙已冷却到几千度——总算够凉，让电子与原子核安顿成中性原子。这件事对光关系重大。在这一刻之前，自由电子不停地散射光子，所以宇宙是一团不透明的雾，就像太阳内部那样。就在电子被俘获进原子的那一瞬，这团雾散去，光子第一次沿直线自由奔流。正是那些光子，至今仍在抵达我们：[[pp-cosmic-microwave-background|宇宙微波背景辐射]]（CMB），是人能看到的最古老的光。
当那束光启程时，它是几千度的暖橙色辉光。但空间从那以后已拉伸了约一千倍，而空间的拉伸会把光的波长一并拉长，使辉光冷却。如今那些同样的光子，化作微弱的微波抵达我们，对应着仅比绝对零度高 2.7 度的温度——是天空每个方向上同样冰冷的嘶声。它几乎就是字面意义上的大爆炸余晖，被红移到了你家微波炉的频段里。
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)
解读涟漪
宇宙微波背景惊人地均匀——满天各处的温度一致到约十万分之一。但恰恰是这些对完美平滑的微小偏离、那些隐约的冷热涟漪，承载着最丰富的信息。它们是婴儿期宇宙中密度起伏的一张快照，是引力日后培育成星系的那些种子。仔细测绘涟漪的图样与尺度，你就能读出宇宙的基本配方：有多少普通物质、多少暗物质、多少暗能量，以及它膨胀得有多快。
而且两张收据彼此交叉验证。CMB 的涟漪测出宇宙含有多少普通（原子）物质——这个数字必须与 BBN 为烤出正确的氦和氘所需要的普通物质量相吻合，因为两者都取决于同一个「质子加中子」对光子的比值。它们吻合了。两者还一致认为，普通物质只占总量的约百分之五：宇宙的大部分都是暗的。而两者也都从这道阶梯更早处继承了又一道未解之谜——竟然*有*物质存在，且几乎不剩反物质，这是那道无从解释的物质–反物质不对称，它必须在这两张快照之前就已经被设定好了。
退后一步，看看你已握有的东西。两扇通往最初几分钟与最初几十万年的独立窗口——一扇在原子核里，一扇在光里——都是由从冷却的宇宙浓汤中冻结出来的遗迹所开启。两者都在被测量之前、就已由粒子物理预言出来，又都返回了与我们从加速器所知相吻合的结果，吻合到百分之几的数字精度。这正是整阶那份静悄悄的惊叹：描述探测器里一次碰撞的方程，也描述着宇宙最初的那口呼吸。微小与浩大，是同一门学问。