宇宙微波背景辐射

1. 基本定义
   宇宙微波背景辐射是充满整个宇宙的一种电磁辐射，其特点是具有近乎完美的黑体谱，对应温度约为2.725开尔文（约零下270.4摄氏度），在微波波段（频率大约在160 GHz到1.9 GHz之间）最强。它是宇宙中最古老的光，产生于大爆炸后约38万年。

2. 历史发现
   1964年，美国贝尔实验室的工程师阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在使用一台高灵敏度的号角式天线进行卫星通信实验时，意外地在7.35厘米波长上探测到一个无法消除的各向同性的背景噪声。在排除了天线故障、鸽子粪污染等所有可能性后，他们最终与普林斯顿大学的罗伯特·迪克小组合作确认，这个噪声正是迪克小组正在寻找的、由乔治·伽莫夫等人理论预言的“原始火球”的残余辐射。这一发现为大爆炸理论提供了决定性的观测证据，彭齐亚斯和威尔逊因此获得1978年诺贝尔物理学奖。

3. 物理起源

   • 早期炽热稠密状态：在大爆炸后的极早期，宇宙是一个温度极高、密度极大的等离子体“浓汤”，由质子、电子、光子等基本粒子组成。光子在带电粒子（主要是电子）之间被频繁散射，无法自由传播，宇宙因此是不透明的。
   • 复合时代：随着宇宙膨胀和冷却，大约在大爆炸后38万年，温度降至约3000开尔文。此时，电子的平均动能已不足以抵抗原子核（主要是质子和氦核）的静电吸引，电子与原子核结合形成中性氢原子和氦原子。这个过程称为“复合”。
   • 光子退耦：带电粒子（电子）大量减少，光子与中性原子的相互作用截面变得非常小。光子终于从物质中“解耦”出来，开始在宇宙中几乎不受阻碍地自由传播。此时（复合时刻）的“最后散射面”上释放出的光，随着宇宙的膨胀，波长被极度拉长，能量降低，就形成了我们今天观测到的微波背景辐射。

4. 核心特征与科学意义

   • 黑体谱：COBE卫星的精确测量证实，宇宙微波背景辐射的能谱与温度为2.725 K的理想黑体谱吻合得几乎完美，这是对大爆炸模型的有力支持，表明早期宇宙处于高度热平衡状态。
   • 高度的各向同性：背景辐射在天空各个方向上的温度极其均匀，差异极小（十万分之一量级）。这支持了宇宙学原理——在大尺度上，宇宙是均匀且各向同性的。
   • 微小的各向异性：更精密的测量（如COBE、WMAP、普朗克卫星）揭示了背景辐射中十万分之几的微小温度涨落。这些涨落是“宇宙的种子”，对应于早期宇宙物质-能量密度的微小起伏。在引力作用下，这些密度较高的区域会吸引更多物质，最终演化出我们今天看到的星系、星系团等大尺度结构。
   • 偏振：宇宙微波背景辐射的光子具有微弱的偏振特性，这是在最后散射面之前，光子与自由电子最后散射时产生的。对偏振模式（特别是原初B模偏振）的研究，被认为是探测宇宙极早期“暴涨”阶段产生的原初引力波的潜在途径。

5. 现代观测与研究
   威尔金森微波各向异性探测器（WMAP，2001-2010）和普朗克卫星（2009-2013）等项目以前所未有的精度绘制了全天域宇宙微波背景辐射的温度和偏振涨落图。这些数据精确测定了宇宙的基本参数，如宇宙的年龄（约138亿年）、组成（约5%普通物质，27%暗物质，68%暗能量）、几何形状（近乎平直）等，将宇宙学推向了精确科学的时代。因此，宇宙微波背景辐射被视为研究早期宇宙和验证宇宙学模型的“金矿”。