??

一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射。溫度越高，輻射出的總能量就越大。當溫度較低時，熱輻射的主要形式是人肉眼不可見的紅外光；

而當溫度較高時，熱輻射的主要形式則轉變為了人類肉眼可見的可見光。

??——蔡一夫 中國科學技術大學物理學院天文學系教授

　　漢字中的“光”，是最為古老的漢字之一。在甲骨文中，其字形為人頭頂有火，指火焰為人類帶來了光明。

　　然而，宇宙中的光究竟從哪里來？這一問題至今仍令科學家爭論不休。在一項新研究中，研究人員認為，宇宙中的光來自于強引力。

　　什么是強引力？宇宙中的第一縷光究竟來自哪里？為何自宇宙誕生已有130多億年，第一縷光還未達到地球？帶著這些問題，科技日報記者采訪

了相關專家。

　　光的起源就是物質的起源

　　要弄清宇宙中的光從哪里來，首先需要了解光的本質。

　　中國科學技術大學物理學院天文學系教授蔡一夫向記者介紹，早在遙遠的古代，人類就開始了對于光的研究。

　　我國古代的《墨經》中就記錄了8條與光有關的知識，包括光的直線傳播性和針孔成像等，但尚未明確涉及光的定義。17世紀以來，隨著科學研

究的不斷拓展，對光本質的認識可以分為波動說和粒子說兩種針鋒相對的說法。1925年，法國物理學家德布羅意提出所有物質都具有波粒二象性的理

論。隨后，德國物理學家普朗克等數位科學家建立了量子物理學說，大大拓展了人類對于光的認識。

　　“目前一般認為，光具有波粒二象性。光從本質上看既是一種電磁波，也是一種粒子——光子。因此，光同時具有電磁波與粒子的一些特征。”

蔡一夫表示，“在幾何光學中，光的傳播途徑是直線；在波動光學中，光以波的形式傳播；而在量子光學中，光的能量存在則是量子化的。”

　　如今，隨著對于光研究的不斷深入，人們對于光的認識也在持續深化。

　　在蔡一夫看來，研究光的起源，從本質上來說就是研究物質的起源。“一般來說，宇宙中只要有物質，就會存在溫度。只要存在溫度，就會產生

熱輻射，進而產生光。”蔡一夫表示。

　　據介紹，熱輻射指的是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象。“一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射。溫度越高，輻射出的總能量就

越大。”蔡一夫說，“當溫度較低時，熱輻射的主要形式是人肉眼不可見的紅外光；而當溫度較高時，熱輻射的主要形式則轉變為了人類肉眼可見的

可見光。”

　　真正意義上的第一縷光

　　根據此次最新研究，宇宙中的光來自于強引力。專家指出，新研究提出了一種引力子轉化成光子的可能理論機制和途徑。

　　“按照這個研究的說法，早期宇宙中電磁波在傳播時的波速，不再是真空中的光速。當電磁波的波速滿足特殊的形式時，彎曲時空中的電磁場方程

就有可能轉變成一個參數共振的馬蒂厄方程。通過這樣的方式，引力波就有可能將能量傳遞給電磁波，進而使引力子轉變為光子。”蔡一夫表示，“但

必須說明的是，這個研究只是提出了一種可能性，其正確性還有待進一步檢驗。”

　　據介紹，引力子是物理學中一種傳遞引力的假想粒子。目前，科學家尚未完全證實其是否存在。“提出引力子可以轉化為光子，應該說是一種大膽

的設想。”蔡一夫表示。

　　那么，宇宙中的第一縷光究竟是如何產生的呢？在此前的研究中，科學家也提出了許多與宇宙中光的起源相關的假說。

　　“按照相關經典理論，光子的誕生是一個復雜的過程。宇宙在暴脹結束后，由于非常劇烈的時空膨脹，宇宙內僅僅剩下了暴脹子場。通過重加熱過

程，暴脹子場衰變成了標準模型中的各種粒子，自然也包括光子。”蔡一夫介紹，“由于那時的宇宙過于熾熱，就如同一鍋煮沸了的滾湯一般，此時的

光子并不是可以自由傳播的光子，而是始終處于與其他粒子豐富的相互作用之中。因此，這時候還不能說宇宙中有了真正意義上的光。”

　　“直到暴脹結束后約38萬年，也就是所謂的‘宇宙微波背景輻射’形成時，由于宇宙已經逐漸冷卻了下來，光子才開始在整個宇宙中近乎自由地傳

播。宇宙中第一縷真正意義上的光隨之誕生。”蔡一夫說。

　　隨著第一縷光的誕生，宇宙仿佛拍了屬于自己的第一張“自拍”。正是因為光的存在，人類才可以通過包括肉眼、傳統望遠鏡、射電望遠鏡等多種

方式觀測我們身處的宇宙。如果沒有光，人類也就無從認識宇宙，甚至極有可能根本無法產生人類乃至一切地球生命。

　　宇宙中的第一縷光，如今又在哪里？

　　“如今，宇宙中的第一縷光已經變得十分微弱了，它已經變成波長非常長、肉眼完全不可見的微波了。”蔡一夫說，“當我們使用老式電視的時候，

電視因為接收不到頻道而閃爍的雪花噪聲光點之中，就有來自那時的光子。”

　　不久前上映的科幻電影《宇宙探索編輯部》中，就包含了來自宇宙第一縷光的雪花噪聲光點的相關情節。

　　光速限定的可觀測宇宙

　　可以說，光既讓人類可以探索宇宙的奧妙，也限制了人類的“視野”，讓我們只能看到宇宙的一部分，這就是可觀測宇宙。

　　相關研究表明，目前可觀測宇宙半徑約為465億光年，也就是說，從地球望向宇宙的人類，只能觀測到465億光年以內的宇宙，這與光的傳播速度密

切相關。

　　蔡一夫介紹，可觀測宇宙，也被稱為哈勃體積，指的是一個以觀測者作為中心的球體空間。這個球體空間的體積可以讓觀測者采取任何可行的方式觀

測到該范圍內的物體“在可觀測宇宙范圍內，物體發出的光有足夠時間和可能性到達觀測者。”蔡一夫解釋道，“必須指出的是，可觀測宇宙中‘可觀測’

這個名詞指的并非是現實世界中人類的技術可觀測。而是不依賴于現代技術的探測能力，僅僅代表著理論上光線或是其他信號從物體傳播到觀測者的可能。

事實上，憑借著人類目前的觀測技術，我們可以實際觀測到的宇宙范圍遠小于可觀測宇宙的范圍。”

　　“可觀測宇宙的范圍是有限的。這歸根結底是因為光速是有限的，同時目前宇宙的年齡也并非是無限的。”蔡一夫指出，因此光只能在有限的時間里，

傳播有限的距離，進而造就了范圍有限的可觀測宇宙。

　　眾所周知，光年是光一年行進的距離。在宇宙誕生以來，假使光一刻不停地跑，也最多只跑過了138億光年的距離。然而，可觀測宇宙的范圍卻并非

是138億光年，這是為什么呢？

　　“在宇宙大爆炸的早期，宇宙很可能經歷過暴脹過程，在暴脹時整個宇宙時空以指數爆炸的形式不斷增倍膨脹。在極短的時間內宇宙就產生了非常巨

大的體積。”蔡一夫說。

　　我們可以試想一下，假設宇宙正在膨脹，但光波還朝著地球的方向傳播，這就好比一個人在機場的直行電梯上，逆著電梯運行方向走。這個電梯就好

比膨脹的宇宙空間，這個人就好比光波。所以，即使這個人走到了你面前，他所走過路徑其實比你看到的要長得多，而他的出發點其實也比你看到的要遠

上許多。因此，如果把膨脹效應考慮進去，則可觀測宇宙的范圍就是465億光年。

　　事實上，可觀測宇宙的半徑并非一成不變的。蔡一夫指出，正因為光速是宇宙中最快的速度，在宇宙大爆炸之后，部分宇宙中的天體因為距離地球太

遠，導致了其發出光線到現在為止也未能到達地球。在未來，這些光將有可能到達地球，進而拓展可觀測宇宙的范圍。（記者 李詔宇）