物质期：原子及分子尺度复杂性的涌现

宇宙的不断膨胀致使物质和电磁辐射都变得更加稀薄。与此同时，光子的波段被拉长了。因为波段长了，其内部包含的能量就比短波段要少，单位辐射空间富含的能量就会迅速降低，比同一空间中物质富含能量的下降速度还要快。[9]因此，到了某个时间点，物质中富含的能量就必然比单位体积中辐射富含的能量还要高。由此，辐射不再主导整个宇宙。这一里程碑式的变革标志着辐射期过渡到物质期。根据最近的估算，这一过渡期是在宇宙“大爆炸”后约5万年发生的，当时宇宙的温度是16,000 K。[10]自此以后，物质成为宇宙的主导存在，而能流过物质使得更复杂实体的涌现成为可能。不过，要更复杂的实体真正涌现还需等待金凤花条件的出现，条件具备了以后，更复杂的实体才最终涌现。

由于不断膨胀，早期宇宙的温度也一直在下降。宇宙“大爆炸”后1000年时，宇宙的平均温度在60,000 K，而到了100万年后，即已降至1,000 K。在地球上，原子在温度达到3,000 K以上时会分解成其组成成分的原子核和电子，而原子核和电子在大约相同的温度范围也会重新组合成原子。显然，大约在宇宙“大爆炸”后1000年至100万年间，早期宇宙的温度降到一个合适的水平，以至原初的原子核——主要是带正电荷的氢核和氦核——与带负电荷的电子组合成最初的中性原子，而不久以后，又进一步组合成最初的中性分子。根据最新的估算，这一过程发生在宇宙“大爆炸”后约38万年。截至那时，宇宙的温度已经降至3,000 K。这恰是电磁力超过温度成为宇宙中塑造物质最重要的主导因素的时刻。因为电磁力会把带正电荷和负电荷的各种粒子融合成中性粒子，所以整个宇宙一下子呈现出中性特征。

上文曾提到，与带电粒子相比，辐射受中性粒子的影响要小得多。由于宇宙呈中性状态，辐射便不再受阻，可以在整个宇宙范围自由畅行了。换言之，宇宙一下子变得透明了。上文提到的宇宙背景辐射就可以追溯到这一时期。令天文学家们非常高兴的是，宇宙背景辐射呈现出一条近乎完美的黑体曲线，也就是说在其最初形成时整个宇宙达到了物质与辐射完美的热平衡。这就意味着在宇宙“大爆炸”后约38万年左右，宇宙大致处于均质状态，物质与能量的组成和密度间还没有多大的差异。宇宙背景辐射呈现出的微小差异现在还在深入研究中。有人认为这是宇宙早期物质与能量密度出现的些许波动所致。

在宇宙演化的这一时段，稳定的物质中大多数是氢元素，占到约70%，氦占到大约27%。氦与氢截然不同，化学上呈惰性，也就是说不能与其他原子结成化学键，而氢原子则可与很多其他原子结合成单键。只不过当时所谓的“其他原子”还只是氢原子。随着时间的推移，氢原子结合成愈来愈多的氢分子，每个氢分子由相互结合的氢原子组成。此时还有少量其他极富活性的轻元素业已生成，特别是氘（重氢）和锂。但这并未导致大规模新化合物的生成，因为这种化学元素还是稍显简单，无力形成更复杂的分子。结果，宇宙早期生成复杂分子结构的可能性还是相当有限的。

攀登复杂性的金字塔（1）：化学元素的原子核

于贝尔·雷弗在其专著《欢乐时光：宇宙演化、秩序与复杂性》中指出，所有的普通物质都可以看作是一个复杂性不断提升、多样性不断增长、脆弱性不断加剧的金字塔。本文本框及此后几章中的续篇就围绕这一开创性的见解展开。

金字塔的最底端是非常简单、细小且健硕的粒子，数量特别大，但种类不多。而在金字塔的顶端，粒子的数量相对要少一些，可复杂度极高、品类愈发多样，但也愈发脆弱。所有粒子的组块由强力、电磁力和引力凝聚到一起。

如前所述，数量最多的粒子夸克被强力紧紧地绑缚在质子和中子里面，其绑缚的紧密程度之高，要数十亿电子伏特的能量才能解开（1电子伏特相当于1个电子下移1伏特电位差后所释放的能量）。因此，质子和中子间的夸克键非常稳定，而这正是质子异常健硕的原因。中子的状况稍有不同。在原子核内的中子通常很稳定，但自由中子却不稳定，大约15分钟左右就进入了半衰期。这是弱力在发生作用，但弱力却不作用于质子。若真的弱力也同样作用于质子的话，那整个宇宙间就不可能再有更复杂的实体出现，因为自由质子早已衰败，不再可能成为复杂结构的组块。

质子和中子键合成原子核是强力与电磁力权衡妥协的产物，强力使二者聚合，电磁力使质子彼此分离。原子核有大有小，质子和中子的键合一般都比较稳定，要数百万电子伏特的能量才能解开，所以大多数原子核都相当健硕。但原子核大了也会出现不稳定的情况，比如有时电磁力会超过强力或经过弱力的作用中子从原子核中脱落从而改变原子核的结构。例如较大的包含有92个质子、143个中子的化学元素铀235就不大稳定，甚至相当脆弱，其本身还会产生破解自身的能量。这正是核裂变和核电站工作的原理所在。总之，自然形成的所有92种化学元素是构成更复杂实体不可缺少的组块，但这些组块本身的组成成分只有三种，即质子、中子和电子。化学元素越是复杂，就越稀少，同时也更脆弱。