一 万物初始

1 原子从哪里来

物质世界十分奇妙。其中一个奇妙之处在于，不同时空尺度上的科学问题常常可以用同一个答案回答。我们为了研究物质组成的微观结构，就要去探究原子的起源。而原子的起源，则与宇宙的起源息息相关。

现在被科学界广泛接受的宇宙起源模型是宇宙大爆炸模型。大爆炸模型指出，在宇宙过去的某个时刻，整个宇宙所有的物质和能量都收缩到了一个点上，这个点在数学上既没有长度，也没有宽度和高度，因此是一个无穷小的点。人们把这个点称为奇点。宇宙正是来源于奇点的爆炸，所有的星球，比如太阳、月亮、地球上的一切，都来源于奇点最初爆炸时释放的物质和能量。

宇宙大爆炸发生在非常遥远的过去，科学家们估计它大约发生在137亿年前，这比地球或太阳的年龄还要长3倍，和我们人类活动的全部历史时间相比更是漫长得令人难以想象。如果从大爆炸以来的时间是一天的长度的话，人类的活动在其中不过相当于最后几十秒。但科学家们仍然能够通过大爆炸之后宇宙空间留下的蛛丝马迹，推测当时爆炸的细节信息。

大爆炸之后的宇宙膨胀和演化历程

在大爆炸开始之初，整个宇宙以十分稠密的高温物质形式存在，科学家们将其比喻为一锅温度极高的“浓汤”。这时的宇宙中并没有原子，而只有以不同能量形式存在的一些基本粒子，如夸克和光子等，它们比原子小得多。由于宇宙的温度很高，此时不同能量的基本粒子之间不断发生着碰撞、振荡和其他运动，而不能组合成为更大、更稳定的粒子。这种高温粒子“汤”的状态大约从大爆炸开始后的十万分之一秒开始，持续了10秒左右。

大爆炸开始10秒后，宇宙逐渐从最初的极高温度状态降温至30亿摄氏度（但仍比地球上的一般温度高出了一亿倍），而由于爆炸造成的空间膨胀，宇宙中基本粒子的密度也降了下来。这时候，一些较重的基本粒子开始相互组合成更重的粒子，其中最重要的一类是质子与中子的组合。质子带有一个正电荷，中子不带电荷，它们的质量差不多。质子和中子之间可以通过更小的胶子相互连接，胶子就像胶水一样，将不同数量的质子和中子“黏结”在一起。这样形成的新的粒子中可能包括不同数量的质子和中子，科学家称其为原子核。

原子核的组成

由于质子带有一个正电荷，而中子不带电，因此原子核应当带有正电荷，其电荷数是由质子的数量决定的，而其质量则是由质子和中子的总数决定的。在大爆炸后，宇宙中形成了不同种类和数量的原子核，但是由于形成原子核需要质子和中子直接结合，最简单的一个质子和一个中子就能直接碰撞形成一个原子核，而那些需要很多个质子和中子碰撞形成的原子核就很难一次形成。所以总的看来，宇宙中那些含质子和中子数较小的原子核一般要更多，也就是说质量轻的原子核更多，质量重的原子核更少。在大爆炸开始之后这一阶段形成的原子核，主要是只含有一个或两个质子的原子核。

不过，这时的宇宙温度还是太高，只能允许带正电的原子核形成，还不能允许不带电的原子形成。原子的诞生还要等到再过约38万年后，当宇宙整体的温度降低到3000摄氏度以下，此时物质从高温下的等离子态中解放出来，带正电和带负电的粒子之间可以通过吸引作用组合成更大的粒子。带正电的原子核便在此时与带负电的电子相互作用，形成了不带电的原子。有了原子，我们今天熟知的一切物质世界便拉开了真正的序幕。