为什么中性原子首先形成了的量子原因

如果没有量子物理学的复杂的法则，我们就不会仅在大爆炸38万年后已经形成了中性原子。

STARTS WITH A BANG — FEBRUARY 8, 2023

Ethan Siegel

今天，宇宙已经演变成我们知道它是的复杂的、生命友好的地方，因为我们能够在宇宙的早期形成中性原子。然而，刚好恰当的量子属性稳定的中性原子形成就会已经被显著的延迟或毕竟可能已经甚至没有发生。(Credit: agsandrew / Adobe Stock and remotevfx / Adobe Stock)

关键要点

回到热大爆炸的早期阶段中，没有中性原子，只有原子核、电子和一个大量的高能光子。

每次一个中性原子形成它会发射另一个电离的光子，确保宇宙在数十万年仍然的被电离。

这将已经继续远更长的时间，除了量子力学的一个迷人的怪癖。因为它宇宙仅在热大爆炸开始38万年后形成了中性原子。

为了让你来生存，很多事情不得不之前发生。行星地球需要进入存在，用从其生命可能发生的有机成分完成。为了这些成分，我们需要许多前几代恒星来有生和死，再循环在它们内形成的元素回到星际介质中。为了让这些恒星存活，大量的中性分子气体不得不聚集在一个地方中，在它自身的引力下坍塌成碎片来第一位形成恒星。但为了甚至制造这些恒星------甚至非常的第一批恒星------我们首先需要宇宙来创造稳定的、中性的原子。

在一个以热大爆炸开始的宇宙中，这并不一定如此容易！热大爆炸后的几分钟，我们的宇宙充满了质子和一个小但重要的更复杂的轻原子核的群，一个对总的质子数相同数量的电子，大量的中微子不与任何它们交互以及对每个质子或中子存在大约14亿个光子。（还有暗物质和暗能量，但就像中微子一样它们对故事的这一部分并不重要）。

如此这些质子和其他原子核要用多长时间来与电子结合稳定的形成中性原子呢？一个巨大的38万年。但这只是因为一个非常特殊的量子原因。没有它事情将需要用远更长的时间。这是它背后的科学。

大爆炸模型的独特预测是将会有一种渗透进整个宇宙各个方向中辐射辉光的残留。辐射刚好比绝对零度高几度，到处都是相同的幅度，并且会服从一个完美的黑体光谱。这些预测被壮观好的诞生出来了，消除替代的但指向一个非常早期的、热的、致密的状态，在那里这些光子是足够的高能能在一段时间阻止任何中性原子的稳定形成。(Credit: NASA/GSFC/COBE team (main); Princeton group, 1966 (inset))

在宇宙的早期阶段，事物是非常的密，非常均匀而且非常热。最后的部分------非常热------有两个我们不能忽视的重要后果。

有非零静止质量的粒子非常快的移动，甚至接近光速，当它们彼此碰撞时那些是高能碰撞，能够分解任何没有被足够紧密结合在一起的东西。

无质量的粒子比如光子，虽然它们总是以光速运动，但也拥有非常大量的动能，这意味着它们有非常短的波长，也初始化能够破开它们撞进任何束缚结构的高能碰撞。

这是重要的，因为在宇宙中对每个质子、原子核和电子有很多光子。你让原子有一个电子稳定的绑定到在它原子核中质子数量的相同数量的方式是让它们存活粒子之间的碰撞并与光子相互作用不被炸开。

在热的早期宇宙中，一旦原子核已经被创造，制造一个中性原子是容易的，但摧毁那个中性原子并将它转回一个裸原子核和自由电子是不可避免的和快速的。中性原子被形成，但它们在这种环境中是不稳定的。

虽然我们通常感知原子为有电子环绕它们的原子核，但如果其中原子所处的环境是太高能量的，电子都会被从原子剥离并电离，创造一个裸的原子核和自由电子。这种等离子体状态必须巨大的冷却和丢掉能量来再次制造中性原子。(Credit: Sergey Nivens / Adobe Stock)

这改变的方式是如果宇宙变得足够冷以便一旦你形成一个中性原子它们就不会立即的被再次炸开回裸的原子核和自由电子。宇宙中的大多数正常物质都是由氢组成的------事实上，如果你按数字计数原子，此时宇宙中92%的原子都是氢原子------而氢是所有原子中研究得最充分的原子之一。

关于它最惊奇的事情是什么？

它是不同于一个未被束缚的质子和电子的方式。当电子被与质子不绑定时，然后光子------光的粒子------绝对任何波长的和能量能与电子相互作用并散射。在一个（数量远多得多）光子的海洋中的自由电子被反弹着，像弹球一样，恒定的。

然而，当你有一个稳定的中性原子时所有这些都变化。只有一组非常特定波长的光子能被吸收，因为在一个束缚原子内电子的可能的能量状态在数量上是有限的，并且遵循一组特定的模式和规则。换句话说，它们被量子化。

在一个铁原子中电子跃迁的各种能级和选择规则。对任何原子、分子或晶体晶格只有一组特定的波长能被发射或吸收。虽然每个原子都有一个独特的能量谱，但所有的原子共享一定的量子属性。(Credit: Daniel Carlos Leite Dias Andrade et al., Conference: 25º CSBMM – Congresso da Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise, 2015)

问题是这个：如果你击中一个有一个能量足够高光子的中性原子，那么不管量子规则是什么管理这个原子的能级，电子将吸收光子并将被踢出整个原子，再次电离它。

对一个氢原子，将离子化一个被绑定到它的中心质子的基态电子的关键能量阈值是众所周知的： 13.6电子伏特或简称13.6 eV。

一个诱人的（但不正确！）捷径是采取这个并说，“啊哈，我知道关于玻尔兹曼的常数，它提供一个能量和温度之间的转换因子。因此，我所要做的是用玻尔兹曼常数将我所需要的能量------13.6 eV------转换为一个温度，一旦宇宙冷却超过那个点，我将制造中性原子”。

如果你走这个捷径，你得到一个温度约为158000K的宇宙，你会得出超过这个温度，你所有的氢都都被电离而低于这个温度它就变成中性了的结论。从大爆炸向前数，这个温度刚好在热大爆炸220年后到达了。但如果我们观察当时的宇宙，我们应该发现不仅不是所有的原子都是中性的和稳定的，而且绝对它们没有一个是的。

在热的早期宇宙中，在中性原子形成之前，光子以非常高的速率散射电子（在较小程度上是质子），当它们做时传递动量。在中性原子形成后，由于宇宙冷却到低于一定的临界阈值，光子只是沿着一条直线旅行，只在被空间膨胀的波长上影响。当宇宙只有220岁时，平均光子能量落到氢的电离能之下，但直到远更后为止没有稳定的中性原子。(Credit: Amanda Yoho for Starts With A Bang)

我们的捷径引导我们误入歧途，原因是这个：光子就像任何其他粒子一样，当你有大量的它们从你的系统中的其他粒子上反弹时，它们并不都有完全相同的能量。相反，有一个它们遵循的能量的分布，其中一些能量比平均水平更高，有些能量比平均水平更低。当然，当我们在热大爆炸开始220年后观察宇宙时，宇宙的平均温度是约158000 K，每个光子的平均能量是13.6电子伏。但在这些条件下，宇宙中100%的仍然被电离的。

别忘了：对宇宙中每个电子刚好有超过14亿个光子，当宇宙是热和密时，电子-光子碰撞是极端的快。即便每十亿光子中只有一个超过这个关键的能量阈值------如果它携带的能量超过13.6 eV------它撞击一个中性的氢原子，这个原子将立即的变得再次电离。

你可能想要忘记所有关于原子的并只是等到宇宙变得足够稀疏以便这样光子不再足够有效地遭遇电子来有规律的反弹开。但没有原子，宇宙直到宇宙大爆炸10亿年后不会降到足够低的密度来变得对它之内的光子透明的。

这个简化的动画显示在扩展的宇宙中未绑定天体之间光红移以及距离如何随时间变化。如果毕竟没有原子只有电子和光子，我们必须等待超过10亿年让宇宙膨胀并足够冷却以便光子-电子的相互作用足够无效使宇宙对光是透明的。(Credit: Rob Knop)

相反，你可以考虑这样的问题：“好吧，如果我等得足够长以便现在不到14亿个光子之一超过13.6 eV的关键阈值会发生什么呢？”我现在会稳定的形成中性原子吗？”

随着宇宙持续老化，它也膨胀，这延伸出每个旅行穿过它的光子的波长。如果我们想问当能量只有1/14亿个光子达到或超过13.6电子伏能量时宇宙有多老，当宇宙只有10万多一点岁时这个阈值被跨过。但当我们检查当时的这个宇宙时，被形成的中性原子是不稳定的，而是在短时间内被再次炸开。

这为什么呢？

关于量子力学和原子能级的同样恼人的规则现在又回来困扰我们。你必须记住，是的，如果你用合适能量的一个光子击中一个电子，它将要么把电子激发到一个更高的能量状态，要么用足够的能量把它从它所束缚的原子中敲掉。但恰恰相反的也是真的：每当一个电子变得与一个原子核结合时，它自发的向下级连到不同的能级，随它这样做发射特定波长的光子。

氢原子中的电子跃迁以及造成的光子的波长，显示结合能的影响以及量子物理中电子和质子之间的关系。氢的最强跃迁是黎曼阿尔法（Lyman-alpha（n=2到n=1）），但任何下到基态（n=1）的跃迁都会产生一个光子，如果被另一个氢原子吸收，使它对电离是容易的。(Credit: OrangeDog and Szdori/Wikimedia Commons)

了解一个激发态中的原子有两件事是最重要的。

它们对被光子电离远更容易的，因为甚至是近基态仅需要一个3.4 eV的光子来出现并电离氢，而在基态中需要13.6 eV。为仍然稳定对抗电离，原子需要达到基态；直到它们做为止它们是不安全的。

但为了达到基态，电子需要从一个更高的能级去激发，而去激发的行为产生一个在10.2到13.6 eV之间的高能光子，这能容易的被它遇到的下一个基态氢原子重新吸收。

换句话说，甚至一旦宇宙充分的冷却以便从大爆炸留下的背景光子不会电离氢原子，新形成的氢原子对被其它氢原子变得中性的行为产生的光子是容易受影响的。关键不仅仅是来形成中性氢；关键是来形成稳定的中性氢：它不会在短时间内从周围辐射被再电离，甚至是来自其它中性氢原子的辐射。

在早期（左），光子散射电子并且能量足够高来敲任何原子回到一个电离状态。一旦宇宙冷却足够，无这样的高能光子（右），它们不能与中性原子相互作用而只是自由的流，因为它们对来将这些原子激发到一个更高的能级有错误的波长。然而，当你在基态制造一个中性原子时你会从这个过程发射一个高能光子，如果一个新的原子然后吸收这个光子，它就会被激发并变得很容易被电离。这个“瓶颈”必须通过，宇宙膨胀帮助，但不是唯一（甚至是主导）因素。(Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

你可能会想“哈哈，这很容易；只要等到原子之间的平均距离变得足够大以便当被一个中性原子产生的高能光子旅行向下一个原子时，宇宙膨胀把它转移到一个更长的波长：足够长到它不能被重新吸收” 。

这一次，你的想法是相当好，因为这个过程真的发生，它确实贡献到宇宙中存在的一小部分氢原子变成中性。这一次，如果这是我们依赖来制造中性氢原子的唯一过程，我们就会更接近实际的答案，计算出宇宙中的原子要用大约80万年来变成中性的。这对应于宇宙的约为1900 K的温度，这至少是一个合理的数字。

但这是不对的。由许多地面仪器、望远镜、接收器和天基卫星观测到的宇宙当宇宙只有约38万岁时变成了中性并且温度更像约3000 K。这是一个渐进的过程，需要超过10万年的时间来完成，但它比简单的折叠宇宙膨胀和原子物理学会导致你相信远更快的发生。

对应于一个氢原子内的不同态的能级和电子波函数，尽管对所有原子的构型是极端相似的。能级以普朗克常数的倍数被量化，但轨道和原子的大小被基态能量和电子的质量决定。由于泡利不相容原理，只有两个电子一个自旋向上一个自旋向下能占据这些能级的每一个，而其它电子必须占据更高、更大体积的轨道。当你从一个更高的能级落到一个更低的能级时如果你只发射一个光子你必须改变你处在的轨道的类型，否则你会违反某些不能被打破的守恒定律。(Credit: PoorLeno/Wikimedia Commons)

这是因为宇宙有一个锦囊妙计：让一个“不可能”的量子跃迁发生。

你会记得原子内部不仅有不同的能级，而且也有能级内不同的轨道。

最低的能级只能容纳2个电子，并且只有（球形的）s轨道。

第二个能级最多能容纳8个电子，有s轨道和（垂直的）p轨道。

第三个能级最高可容纳18个电子，包括s轨道、p轨道和d轨道。

等等。但你不能只从任何高能级过渡到任何低能级。由于守恒定律，有一个量子限制，限制是这样的：如果你要发射一个（自旋1）光子，你的电子需要从一个能级的轨道跳到一个更低能级的另一个轨道。如果你在2p轨道上，你就准备好了：跳到1p轨道没有问题。但如果你在2s轨道上，你就会被卡住！你不能下到1s轨道，因为这会违反我们的量子规则。

还是你？

原来是从任何高能s轨道，你能通过发射两个光子而不是利用一个“虚拟”来跃迁到一个一个更高能p轨道或d轨道跃迁到1s轨道（基态）。请记住，在量子力学中有一个小但非零的占据能量禁止态的概率，使你能够通过量子隧道进入基态。在过渡到氢基态的情况下，这意味着在罕见的情况下--------大约每1亿跃迁中有一次------当你到达基态时不是发射一个黎曼系列光子，而你是只发射所需能量一半的两个光子。

当你从一个“s”轨道跃迁到一个更低能量的“s”轨道时，你能在罕见情况下通过发射两个相同能量的光子做它。这种双光子跃迁甚至在2s（第一激发态）和1s（基态）之间发生，大约每1亿次跃迁就有一次，这是通过其宇宙的原子变得中性的主要机制。(Credit: R. Roy et al., Optics Express, 2017)

这一次，没有“反向反应”，因为同时的吸收两个光子不会发生，也没有只有一个在那里仅一个光子被吸收的“中间态”：这是一种“要么有两个要么一个没有”的情况。每当这种双光子跃迁发生时，你总是最终比你开始时候制造一个额外的中性氢原子。即便这是一个被禁止的量子过程，即便它罕见的发生，但这实际上代表宇宙中大多数原子最终变成中性的主导方式。

如果毕竟没有原子，宇宙变得对光透明将需要10亿年。如果不是因为量子力学有一个双光子跃迁的可能性，宇宙将需要用近100万年时间变得透明的来形成中性原子并对光变得透明。但以实际的量子力学法则和一个自热大爆炸以来扩展和冷却的宇宙，直到实际的所有它之内的原子是中性的和稳定的为止是一个仅380000年，和它之内（现在红外）光能简单的自由流动穿过空间。它为第一批恒星的形成奠定了基础，一旦吸引力、核聚变和时间都做它们的事情，行星、生命和复杂的生物体能发生，重建数十亿年前全都发生的事情！

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/quantum-reason-neutral-atoms/