在恒星出现之前，宇宙中的光子是咋来的？

在一个没有月亮、晴朗无云的夜晚仰望天空，除了广阔、深邃、黑暗的夜空背景，我们还能看到一些或明或暗的光点，如果有人问你这些光是从哪里来的？你会说：它们是少数的行星，以及恒星、星系、星云等等。但是，在遥远的过去，在宇宙诞生后不久，在恒星形成之前，宇宙空间仍然充满了光，这些光经过漫长宇宙膨胀，现在已经进入了微波波段，就是我们熟知的背景辐射。那么这些光是从哪里来的？

所以今天要说的问题是：宇宙微波背景辐射（CMB）的光子从何而来？如果这些光子来自于宇宙暴涨后量子涨落产生的粒子/反粒子对的湮灭。那么这些能量为什么没有“归还”给宇宙，而是以光子的形式存在？

我们先说下CMB，看看它是怎么来的。

1965年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊使用的这种喇叭式的雷达天线在全天空中的各个方向上发现了一种不知名的噪音。他们随后排除了各种可能产生的干扰，但这种噪音依然不分昼夜地存在着，而且在各个方向上的大小似乎是一样的。

这其实就是当时宇宙学家们苦苦寻找的大爆炸的证据，其源自于早期宇宙中一个炽热、稠密的状态：热大爆炸。

当时由于技术的限制，所测量的微波辐射温度比绝对零度高了3度，也没有发现任何的温度波动，但随着wmap的观测数据和普朗克卫星的升空，人们才以越来越高的精度测量了背景辐射，发现它不仅比绝对零度高了2.725K，而且其光谱完全符合黑体辐射，也存在微小的密度涨落，与“大爆炸理论”的预言完全一致，并且一举排除了当时众多的有关宇宙起源的理论，奠定了大爆炸在宇宙学中的地位。

左边的图像是太阳光谱（黄色）和黑体辐射光谱（灰色）的对比，右边的图片是微波辐射的光谱类型与黑体辐射基本一致。甚至比太阳光谱吻合的还要好。

早期的宇宙，正反物质的不对称以及暴胀理论

光子有一个特性，随着空间的膨胀不仅密度会被稀释，其波长也会被拉长，并损失能量。也就是说，随着宇宙随时间的膨胀，起初的辐射能量会冷却。因此，当我们追溯遥远的宇宙时，我们会看到宇宙空间更小，物质密度更大，温度更高。

那么，宇宙中的这些光子是怎么来的？当然它们并不是由恒星发出的，因为这些光子诞生时根本没有恒星。这些光子也不是由原子的电子受激辐射出来的，因为这些光子存在时宇宙中的原子还没有形成。如果我们继续再往前找，回到宇宙能量非常高的时期，甚至这个时候连原子核都无法形成，因为这时的光子能量高到可以电离任何结构，质子和中子根本无法结合，而光子和光子之间甚至可以通过E = mc^2相互作用，两个光子相撞会自发地产生物质和反物质对！

这时的正反物质对是真实地粒子，而不是像今天所说的真空能量是虚粒子对，由于海森堡的不确定性原理ΔEΔt≥ћ/ 2，它们拥有的极高能量意味着这些正反粒子对只会存在极小的时间，然后就会互相湮灭变成两个光子。两个光子相撞又会产生任何可以产生的粒子，这跟我们在大型强子对撞机中干的事一样，只要有足够的能量就会产生任何可以产生的粒子。

在大爆炸后不久的可观测宇宙中，存在着大约10^89个粒子和反粒子对。为什么这么说呢？

因为我们知道宇宙的物质和反物质不对称（这也是一个比较大的谜题），才导致了我们今天看到的物质宇宙，当时宇宙确实是发生了一些目前我们不是很清楚的过程，其导致了产生的正粒子数略高于反粒子数（正物质比反物质多了1 / 1000000000），正反物质湮灭完以后，我们的可观测宇宙就剩下了大约10 ^ 80物质粒子和10 ^ 89个光子。

也就是说，正反物质的不对称，可以让宇宙中的物质保留下来，但这并没有回答宇宙中最初的物质、反物质和辐射（光子）是怎么来的？这是一个比反物质消失更大的宇宙谜题，简单地说“这就是宇宙的起源问题”，而目前的答案并不是很令人满意。

但目前也不是说不能解释，也有相应的理论，就是我们熟知的宇宙暴涨理论，它就解释了热大爆炸状态的来历，也解释了空间各向同性、平坦0曲率、奇异粒子消失之谜。

大爆炸的初始条件来自于宇宙暴胀，也就是说在大爆炸之前还存在一个阶段就是宇宙呈指数碰撞的状态，这时宇宙中的能量并不是物质、反物质、辐射，而是空间本身固有的能量，或者可以认为是早期超强的暗能量。

暴胀将宇宙空间快速拉平，在我们的可观测宇宙中呈现出0曲率，也使我们可观测宇宙的各个方向都处于相同的温度，它稀释了所有可能存在的一些奇异粒子（如磁单极子，以至于我们今天发现不了这些粒子），它创造了可观测宇宙中密度过高和过低的微小波动，正是这些密度波动诞生了后来的恒星、星系，被称为宇宙结构的种子。

那么粒子，反粒子和辐射（光子）是怎么来的？

目前比较统一的说法是，在暴胀结束时，真空能量就衰变到了物质中，也就是说有部分能量以物质和辐射的形式储存了起来，而大部分能量依然存在于目前的真空空间中，就是我们说的暗能量，其占到了宇宙总质能的68.3%。那暴胀又是怎么开始，怎么结束的？

这个问题依然是谜中之谜，我们可以这样想一下，宇宙的的起源并不是从0秒开始的，而是从10^-36 秒开始，也就是说宇宙一开始就已经处在暴胀状态！就能量而言，当宇宙慢慢降低势能时，就会发生暴胀，但当能量最终进入最低的势能（山谷）时，暴胀就结束了，就像下图中的小球，一开始就往下滚，宇宙在暴胀，滚到最地点暴胀结束，然后能量转换成物质、反物质和辐射，就产生了我们所知的热大爆炸。

暴胀结束时引起热大爆炸的过程称为宇宙再加热，随着宇宙膨胀、冷却，粒子/反粒子对消失，产生更多的光子，仅留下一小部分物质。

经过这一切，最初的光子也从大爆炸中遗留了下来，持续冷却，但从未消失。在未来当宇宙中最后一颗恒星熄灭的时候，这些光子会被膨胀到无线电波波段，被稀释到每立方公里不到1个光子，但它们仍然会大量的存在，不会消失。

这就是宇宙中最初的光的来源，相信你也可以看出，目前还有很多问题不能很好的回答。但这已经是我们目前所知道的所有关于宇宙起源的故事了。相信在未来能有一个更加满意的答案。