宇宙微波背景辐射的奥秘 08

本系列文章预计会有10个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第五季第8篇。

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先思考一个问题：

科学家是怎么知道这些天体物理学知识的呢？人类的足迹最多也就到过月球，但天体物理学研究的是宇宙。一个那么那么遥远的世界，动不动就光年、动不动就数以亿计、动不动就10的多少次方。

这么大尺度的知识，人类是怎么知道的呢？

比如，太阳内核的温度是接近2000万摄氏度。哎，有谱没谱啊？人类有测量2000万摄氏度的温度计吗？

再说了，谁上去测量过啊？还有，宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸。137亿年有一次大爆炸，你咋知道的啊？有记载啊？

科学家是怎么知道那些神奇的知识的呢？答案是：间接证据。

间接证据犹如间接测量法一样。

间接测量法是需要通过数学模型的计算得出测量结果。利用被测量与某些物理量间的函数关系，先测出这些物理量（间接量），再得出被测量数值的方法。

如检定一块压力表，测量结果是被检表示值减去压力计的示值而得。显然，直接测量比较直观，间接测量比较繁琐。

有时候是因为没有办法才使用间接法。

但是宇宙学角度来看，你无法触碰远方的物体，所以只能使用间接法来测量。

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物理学告诉我们所有有温度的东西都会释放辐射，那么我们可以通过辐射强度来反推出物体温度。

比如现在流行的红外线体温测量仪，就是根据人体辐射的温度，通过模型计算来反应人体真实的温度。

而宇宙微波背景辐射经过计算相当于 3 开尔文，0 开尔文就是绝对零度。现在的这个辐射经过宇宙膨胀是被减弱的，要是还原到宇宙早期，这个温度大概

是 3000K。

它是什么呢？可能是宇宙诞生一瞬间爆炸的余晖。通过精密的观测发现，宇宙微波背景辐射并不是均匀分布的，而是存在极小的起伏。

宇宙微波背景辐射就是研究宇宙学的观测基础。为什么这么说呢？

宇宙微波背景辐射的地位，首先体现在它的距离上。

根据对宇宙微波背景辐射的观测，它的红移大约是1100。这是什么意思呢？

假如在那个地方有一颗恒星的话，我们去观测它的光谱，会发现它的光谱中的波长往红端移动了1100倍。这个位置的红移，换算成距离的话相当于在450亿光年之外。

如果把宇宙的年龄当成整整一年来看，宇宙微波背景辐射所在的时间，是宇宙刚诞生不到一刻钟的时间。所以，宇宙微波背景辐射是可以观测到的最古老也是最遥远的光。它反映的就是宇宙最早期的状态。

另外，它是一切现在观测到的信息的背景。由于它是背景，所以宇宙微波背景辐射会穿越过各种天体和宇宙空间才来到地球，被我们观测到。所以观测它的时候必然还观测到了宇宙空间中整体状态的变化。

但是光距离远的话，还没什么特别的。其实宇宙微波背景辐射中隐藏着关于宇宙整体的信息。

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所有有温度的东西都会释放辐射，通过辐射强度我们可以反推出释放辐射的物体温度是多少。宇宙微波背景辐射也可以这么做，经过计算可以知道，它相当于一个-270℃的理想物体释放出的辐射。

也就是3K（开尔文），开尔文是热力学温度，0K就是绝对零度，-273摄氏度，是理论上最低的温度。

我们都知道因为宇宙膨胀，这个辐射已经被减弱了，如果还原到宇宙的早期，这个温度大约有3000K。

这么热的东西在宇宙诞生38万年的时间产生，它是什么呢？物理学家和天文学家共同推测，它可能就是宇宙诞生那一瞬间的大爆炸留下的余晖。最初上亿度炙热的高密度状态，经过38万年的冷却，成为一个3000K均匀的、充满整个宇宙的辐射背景。

这就是宇宙微波背景辐射中隐藏着的第一层信息，它暗示了宇宙的起源。

上个世纪60年代，两位无线电工程师威尔逊和彭齐亚斯，在检测无线电天线的时候，发现无论怎样清洗天线上的污垢，无论测量得多么精细，依然能够接收到一个遍布全天范围的背景噪音。

两位工程师和天文学家讨论之后，双方都意识到，这就是宇宙大爆炸的证据，现在依然残存的这些背景辐射就是宇宙大爆炸的余晖。

1978年威尔逊和彭齐亚斯因为发现宇宙微波背景辐射而获得诺贝尔物理学奖。

但是威尔逊和彭齐亚斯的无线电天线还比较简陋，只能接收到信号的存在。顶多根据信号的强弱程度，估算一下宇宙微波背景辐射的大致温度，仅此而已。所以这个时候，宇宙微波背景辐射只是大爆炸宇宙学模型的一项证据。

要想利用这项观测证据进一步研究宇宙学，就必须更精确细致地观测宇宙微波背景辐射，分析它的细节。

直到1989年利用空间望远镜重新观测宇宙微波背景辐射，才取得了突破性的进展。

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1989年发射的COBE卫星，目的是用更加精确的观测技术研究宇宙微波背景辐射的分布细节。COBE卫星使人类第一次用光学望远镜的手段看到宇宙诞生最早期的面孔。

更精密的观测发现，宇宙微波背景辐射并不是绝对均匀，而是存在着十万分之一程度的微小起伏。

这些微小的起伏，对应着宇宙不同地方的物质密度的微小差别，这些微小的差别在宇宙演化的未来，对应着形成的各种各样的结构，也就是今天看到的恒星和星系的种子。

这个其实很好理解。你想，如果宇宙初期是绝对的、完美的平均，那么所有物质都处在平衡状态，是不可能聚集在一起产生恒星和星系的。

总结：

综合来看，其实宇宙微波背景辐射一直是天文学家用来观测宇宙的一个工具！

好，今天就先这样。

Masir 2022/05/10

祝 愉快~

参考文献 

1、万维钢精英日课

2、高爽《天文学通识》

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