宇宙膨胀对辐射粒子的影响

我们的宇宙有一个惊人的故事发生在大约138亿年前，并且一直持续到了今天，就是所谓的热大爆炸。宇宙中所有形式的物质和能量都处于一种高温、密集的状态，并且一直在膨胀。这个膨胀方式不像鞭炮爆炸的碎片那样膨胀，而是像放进烤箱里的面团那样膨胀。如果把面包里的每一点物质想象成一个原子，你就能理解宇宙膨胀的原理了。

从任何单个原子的角度来看，所有其他的原子似乎都在远离自己，那些一开始离自己较远的原子似乎比离自己较近的原子远离得更快。当然这不是因为任何一个原子在移动，也不是因为远处的原子比近处的原子移动得快，原子在自己的位置并没有动，而是因为原子所在的空间本身在膨胀。如果空间本身在膨胀，那么宇宙就会对空间里面的所有物质都会产生一种重要而特别的影响。

膨胀的宇宙能让一切冷却下来！对于辐射来说，原因很容易理解。因为所有的辐射都有一个特定的波长，正是这个波长决定了辐射的能量。那么当距离扩张时，宇宙会发生什么呢？辐射的波长被拉长，能量随之下降。这就是中性原子从电离等离子体的海洋中形成的原因，在这之前自发结合在一起的电子和原子核会被光子炸开（电离），但随着膨胀冷却，光子就不再有足够的能量来电离原子。

结果就是我们得到了中性原子，几千万年后，它们坍缩成恒星和星系。随着宇宙继续膨胀，辐射继续冷却，其波长继续延伸。现在光子冷却了，问题是物质粒子呢？

如果辐射粒子没有冷却，宇宙中就不可能形成任何结构

物质粒子开始移动得也很快，也就是说它们具有很高的动能，那么需要发生什么机制来冷却物质粒子，否则物质粒子就不可能坍缩成恒星和星系。我们需要知道的是，要想使分子云聚集在一起形成恒星，气体云必须是冷的（运动速度慢），否则引力将束缚不住具有高动能的粒子！

此外，要形成一个星系，要使物质保持在螺旋或椭圆结构中，粒子运动的速度必须低于星系的逃逸速度。对于大多数星系来说，逃逸速度是每秒几百公里。虽然这个速度很快，但是在早期，大多数原子的移动速度是每秒数十万公里！然而，今天宇宙中的恒星和星系非常丰富！这说明物质粒子的动能确实下降了。

宇宙的膨胀，对于一个以一定速度运动的粒子来说意味着什么？首先，速度就是物体在一定时间内移动的距离，就像波长是两个连续波峰之间的距离一样。对于一个粒子，速度的作用与辐射波长的作用类似：粒子的运动速度是对该系统固有动能的测量。能量更高（波长更短）的辐射是伽马射线，而不是无线电波，而速度更高的粒子也有更高的能量，这里就表现为温度！这就是为什么温度更高的粒子速度也更快，运动的更欢实。

然而，当宇宙膨胀物体之间的距离增加时，增加的不只是波长，降低的不只是辐射的能量，粒子的速度也会下降，所以粒子的能量也会随着时间下降！为什么粒子速度会下降呢？假设一个粒子以100千米/秒的速度相对于一个特定的位置移动，宇宙膨胀的速率为10千米/秒/千秒差距。(这个速度比现在的膨胀速度快了1000多倍，1千秒差距是3000光年多一点）那么这个粒子以100千米/秒的速度传播一千万年，也就是传播到1千秒差距后，会发生什么?

相对于原来的位置，粒子仍在以每秒100公里的速度移动，但是在1千秒差距的位置上空间的膨胀速度为10千米/秒！这样就会抵消掉一部分粒子的运动速度；粒子现在相对于空间只以90km /s的速度移动。随着宇宙膨胀得越来越远，粒子的速度就会持续下降。所以在膨胀的宇宙中，辐射会因为波长的红移而失去能量，但是动能的物质也会因为宇宙的膨胀而失去能量！

总结更加有趣的是：当所有粒子都以接近光速的速度运动时，我们可以把这些粒子当作辐射，当粒子的运动速度比光速慢得多时，我们可以把粒子当作物质。因此在早期的宇宙，像电子和质子这样的粒子它们拥有极高的动能更像是辐射粒子，而在晚期（如今天)，像质量很小中微子也会表现为物质。如果我们给光子和引力子这样的粒子一个非常非常小的（非零）静止质量，宇宙继续膨胀和冷却，那么这些粒子最终会像物质一样运动，并且变的很冷（失去动能），假如暗能量没有把所有东西都膨胀的孤立起来，光子和引力子在未来甚至会在引力的作用下聚集在一起！就像下图那样！

因此物质粒子受到宇宙膨胀的影响，它们会冷却并失去能量。对于非相对论性粒子（速度远低于光速的粒子）来说，能量与它们的速度平方成正比，所以每一次由于宇宙的膨胀，一个粒子的动能就会减半，速度就会降低29%。像质子和中子这样的粒子在宇宙大约一微秒的时候就会变成非相对论性粒子，并开始表现为物质；电子大约是一秒；中微子需要数万年的时间。我们今天在宇宙中看到的分子、恒星、星系和行星的形成，不仅需要辐射能量的下降，还需要宇宙中个别粒子的能量下降，动能下降。宇宙的膨胀就是这样使物质粒子冷却下来的，因为这正是创造我们今天宇宙所需要的过程！

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