大爆炸之后，宇宙的主要议程是膨胀，原本在空间中集聚的能量被不断稀释。随着时间的推移，宇宙变得越来越大、温度越来越低、亮度越来越暗。此时物质和能量以一种不透明汤的形式共存，其中电子不断与无处不在的光子发生散射。

38万年里，事情一直这样进行着。

在这个宇宙早期时代，光子运动不了多远就会撞到电子。在那时候，如果你的任务是看到广袤的宇宙，你根本就看不到。你会发现任何光子都在碰到你1纳秒或1皮秒之前就被电子撞飞了 。因为携带信息的光子到达你的眼睛之前走过的最大距离极其之短，你往任何方向看去，整个宇宙都只是一团不透明的浓雾。太阳和其他恒星内部也是如此。

随着温度的下降，粒子的移动速度越来越慢。就在那时，当宇宙的温度第一次降到炽热的3000开尔文以下时，电子的速度就会减慢，刚好可以被路过的质子捕获，从而将完整的原子带入这个世界。这使以前被骚扰的光子获得自由，得以在没有间断的路径上穿越宇宙。

这个“宇宙背景”是热烈耀眼的早期宇宙残余光的化身，而宇宙背景的温度，可以从主要的光子在哪一个光谱波段推断出来。随着宇宙继续冷却，在光谱的可见光部分的光子，因为宇宙不断膨胀而逐渐失去能量，变成了红外光子。虽然那些可见光光子变得越来越弱，但仍然以光子的形式存在。

在光谱中，红外光之下是什么波段呢？从光子获得自由以来到现在，宇宙尺度已经膨胀了1000倍，因此，宇宙背景也相应地冷却到当时温度的1/1000。所有可见光光子已经降至那个时代能量的1/1000。它们现在是微波，因此我们现在给它取了一个名号叫作“宇宙微波背景”（cosmic microwave background，简写为CMB）。它将在微波波段保持500亿年，那之后的天体物理学家们将会叫它为“宇宙射电波背景”（cosmic radiowave background）。

当物体被加热时，它会在光谱的所有波段都辐射光，但这种辐射总会在某个特定能段处产生峰值。对于仍然使用发光金属丝的家用电灯，灯泡发光的峰值在红外线波段。人眼并不能看见红外线，而只有感受到落在皮肤上的热量时，我们的感官才能觉察到它。所以，这份最大的能量辐射恰恰是白炽灯泡作为可见光光源的低效之处。先进照明技术带来的LED革命创造了纯净的可见光，而不在看不见的波段部分浪费电力。这就是为什么你可以在灯泡包装上看到似乎疯狂的句子“7瓦LED相当于60瓦白炽灯”。

作为曾经发光极亮东西的残余物，CMB的光谱形状符合我们对正在冷却的发光体的预期：尽管它的峰值在光谱某个波段，但在光谱其他部分仍有辐射。在这种情况下，除了峰值处的微波，CMB也发射一些射电波和越来越少的微量高能光子。

在20世纪中期，宇宙学这个分支还没有多少数据。在数据稀少的地方，充满智慧和希望的相互竞争的理念就会蓬勃发展。20世纪40年代，俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）和同事们预测了CMB的存在。这些想法的基础来自比利时物理学家兼牧师乔治·勒梅特（Georges Lemaître）在1927年的工作，他被公认为“大爆炸宇宙学理论之父”。但正是美国物理学家拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）在1948年首次估计了宇宙背景温度应该是多少。他们的计算基于三个基础：（1）爱因斯坦在1916年发表的广义相对论；（2）埃德温·哈勃在1929年发现的宇宙膨胀；（3）此前在实验室里以及在“二战”期间制造原子弹的曼哈顿计划发展出来的原子物理学。

赫尔曼和阿尔弗当时计算和提出的宇宙温度为5K。嗯，现在看来这明显是错误的。这些微波的精确测量温度是2.725K，有时写为2.7K，如果你不乐意写小数，把宇宙的温度四舍五入写成3K也可以。

让我们暂停片刻。赫尔曼和阿尔弗把从实验室里刚刚得到的原子物理学，应用于早期宇宙中的假想环境当中。由此，他们向后推演数十亿年，计算出宇宙今天应该是什么温度。他们的预测与正确答案相差很小，这是人类洞察力的惊人胜利——他们原本的计算结果可能会误差十倍百倍，甚至预测到根本不存在的东西。在评论这一壮举时，美国天体物理学家J.理查德·戈特（J. Richard Gott）指出：“预测宇宙背景的存在，然后得到的温度误差在两倍以内，就像预测一个直径15米的飞碟将降落在白宫草坪上，实际是来了一个8米的。”

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第一次对宇宙微波背景的直接探测是在1964年，由贝尔电话实验室研究部门的美国物理学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）无意中进行的。在20世纪60年代，每个人都知道微波，但几乎没有人拥有探测它们的技术。贝尔实验室是通信行业的先驱，它为这个目的研制了一种结实的喇叭形天线。

但首先，如果你要发送或接收信号，你不希望有太多的干扰源。彭齐亚斯和威尔逊试图测量干扰他们接收机的背景微波，从而利用这个光谱波段进行干净无噪声的通信。他们不是宇宙学家。他们是建造微波接收机的技术奇才，他们也不知道伽莫夫、赫尔曼和阿尔弗的预测。

彭齐亚斯和威尔逊显然不是在寻找宇宙微波背景，他们只是试图为美国电话电报公司打开一个新的通信渠道。

彭齐亚斯和威尔逊进行了实验，并从他们的数据中减去所有他们可以识别的、来自地球和宇宙的已知干扰源，但其中一部分信号总是存在，而他们就是找不到消除它的方法。最后，他们检查了喇叭形天线的内部，看到有鸽子在那里筑巢。

因此，他们担心“一种白色的介电物质”（鸽子粪便）可能是与此信号有关，因为无论探测器指向何方，他们总能检测到它。在清洗了“介电物质”后，干扰略有下降，但残留的信号仍然存在。他们在1965年发表的论文就是关于这种无法解释的“多余的天线温度”。

与此同时，由罗伯特·狄克（Robert Dicke）率领的普林斯顿大学一组物理学家正在建造专门用于寻找CMB的探测器。但是他们没有贝尔实验室的资源，所以他们的工作慢了点。当狄克和他同事们听说彭齐亚斯和威尔逊的工作时，普林斯顿团队完全了解他们观察到的多余的天线温度是什么。一切都吻合，特别是温度本身，以及信号来自天空的各个方向。

1978年，彭齐亚斯和威尔逊因为他们的发现获得了诺贝尔奖。2006年，美国天体物理学家约翰·C. 马瑟（John C. Mather）和乔治·F. 斯穆特（George F. Smoot）又因为在更宽的光谱范围之上观测到了CMB，把宇宙学从聪明的、不成熟且尚未经受检验的想法，带入到精确的实验科学范畴而分享了诺贝尔奖。

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因为光从宇宙遥远的地方到达我们这里需要时间，如果我们向太空深处眺望，实际上是在从时间上往回看。因此，如果我们的目光能够看到很远很远某个星系的智慧生物正在测量宇宙背景辐射的温度，那么他们得到的读数应该远高于2.7K，因为他们是生活在一个更年轻、更小，也比我们更热的宇宙。

实际上，你可以实测来检验这个假设。分子氰（一种碳氮化合物，分子式为CN，曾经用作处决杀人犯的毒气）暴露在微波下会被激发。如果过去微波比我们现在的CMB更热，它们就会使这种分子激发到更高能量。在大爆炸模型中，遥远的年轻星系中的氰，与我们银河系里的相比，沐浴在更温暖的宇宙背景中。这正是我们所观察到的。

这种情况是编造不出来的。

为什么这些事情如此有趣？宇宙直到大爆炸后38万年都是不透明的，所以即使你一直坐在前排中央座位上，你也不可能看到物质的形成。你不可能看到星系团和宇宙巨洞从哪里开始形成。只有当作为信息载体的光子开始能够在整个宇宙中畅通无阻地旅行，我们才能够看见宇宙发生的某些事情。

每个光子跨越宇宙之旅开始的地方，是撞击到曾经阻碍它的最后一个电子之处——这被称为“最后散射点”。随着越来越多的光子逃离碰撞，它们形成了一个不断膨胀的“最后散射面”，深度约12万光年。这个面也是宇宙中所有原子诞生之处：电子与原子核结合，释放出的能量以光子的形式奔向浩渺的红色远方。

此时，宇宙中的一些区域已经开始通过它们的引力相互吸引，聚集成团。与其他那些尚未开始聚集的区域相比，光子通过与这些区域中的电子最后散射，从而使得区域温度相对略低。在物质积聚的地方，引力增强，使得越来越多的物质聚集起来。这些区域成为形成未来超星系团的种子，而其他区域则相对较空。

当你详细地绘制宇宙微波背景时，你会发现它不是完全平滑的。与平均值相比，有些斑点略热，有些斑点则稍冷。通过研究CMB温度各处的差异——也就是说，通过研究最后散射面中的模式——我们可以推断出在早期宇宙中物质的结构和成分。为了弄清星系、星系团和超星系团是如何产生的，CMB是我们最好的探针，它是信息丰富的时间胶囊，使天体物理学家能够反过来重建宇宙的历史。研究它的模式某种程度上就像在做宇宙“颅相学”，因为我们现在就在分析婴儿宇宙的头骨上的“凸起”。

当受到其他各种观测资料的限制时，CMB能够使你解码宇宙各种基本性质的信息。比较冷热区域的大小和温度分布，你可以推断出当时的引力强弱，以及物质积累的速度有多快，同时让你推断出宇宙中存在多少普通物质、暗物质和暗能量。从这里，就可以直接判断宇宙是否会永远膨胀。

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普通物质就是构成我们自身的物质。它有引力，能与光相互作用。暗物质是一种神秘物质，它具有引力，但不以任何已知方式与光发生相互作用。暗能量是在宇宙真空中存在的神秘压力，它的作用方向与引力相反，迫使宇宙膨胀速度比没有它时变得更快。

宇宙“颅相学”检验让我们知道宇宙是如何演化的，但宇宙大部分是由那些我们一无所知的东西组成的。尽管今天我们还有大量的未知领域，但跟以往不同的是，宇宙学还是有可靠的科学依据的，因为CMB揭示了宇宙早期曾经走过的那扇门。在那个时间点上发生了有趣的物理过程，我们已经了解了在光子获得自由之前和之后的宇宙状况。

宇宙微波背景这个简单的发现，使宇宙学超越了神话猜想。而且正是对宇宙微波背景准确而详细的测量使宇宙学变成了现代科学。宇宙学家们相当自负，如果你的工作是推断“是什么让宇宙得以存在”，你怎么会不自负呢？但如果没有数据，他们的解释只是假设。现在，每一次新的观察，每一点数据，都挥舞着一把双刃剑：它使宇宙学得以在享有其他科学成果的基础之上蓬勃发展，但它也会筛选在数据缺乏时期提出来的学说，指出哪些是对的，哪些是错的。

任何学科只有经历了这个过程，才会发展成熟。 OOhNo7/Bs+0mgQvXaSQDygg4jQK2CQcFkM7zxvAu4InDRellueNL8xepeAwnLz3V