关于CMB，你知道或者不知道的32个小知识（上）

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CMB（cosmic microwave background）者，宇宙微波背景辐射也。在这个系列的文章里，小编将带着大家用32个小知识来逐渐走进这个无处不在的辐射。在今天的文章里，我们先对CMB有一个大概的认识。

先说一下宇宙微波背景是什么。早期宇宙温度和密度非常高，但是还远没有形成今天的复杂的结构和各种天体的时候，是一团原初等离子体。这锅等离子粥随着宇宙膨胀温度逐渐降低，大约在大爆炸37万年之后，质子和电子得以结合成为氢原子。此时，光子才从中脱耦，并开始在宇宙中自由传播。随着宇宙进一步膨胀，到了今天，我们观测到的就成了这种背景辐射，即所谓的宇宙微波背景辐射。

1、CMB被称作宇宙中最理想的黑体辐射。那么什么是黑体辐射？黑体并非是黑色的物体，而是指会吸收所有外来的电磁辐射，而没有反射和投射的一种理想物体。真正的黑体是不存在的。

黑体辐射曾是物理学的一大难题，关于它的研究催生了量子力学这一伟大的理论。经典理论在解释黑体辐射时候，主要有两种解释方法。一种是英国的物理学家瑞利和金斯，用大英帝国的骄傲——麦克斯韦的统计方法进行研究。他们的方法相当于是把统计物理用于波动，按照能均分定理，认为辐射总能量按照所有可能的振动频率均匀分布。但是这个假设对于高频段的波动是发散的，振动频率的数目可以是无限的，所以这个解释在低频段尚能和实验相符合，而高频段就成了“紫外灾难”了。

而另一种解释就是维恩给出的维恩定律，这个在低频段又和实验有较大偏差。

普朗克解决这一问题时候，首先是“凑”了个公式，与实验结果契合非常好，但是起初他自己并不理解自己给的公式。在公开发布这个公式之后，普朗克又开始重新思索自己的公式。普朗克将玻尔兹曼关于熵的理论巧妙地应用到里面，也就是，把振子的能量分割为非常小的一份一份，并且和频率成正比。让能量离散化，或者说，引入能量子的假设，就能解释他给出的公式。而一旦认为能量是连续的，这个问题就无法解答了。而这个比例系数就是今天我们所说的普朗克常数，是个非常小的数。

不过，普朗克之后一直对自己和玻尔兹曼缺乏足够的自信，结果就一直跟自己较劲，就这样纠结了下去。但是他的量子的思想影响至今，几乎所有“最小的”单位都被称为普朗克XXX。

彭齐亚斯和威尔逊

2、CMB是大爆炸的重要预言之一，也是大爆炸理论的有力观测证据之一。其他的观测证据则包括哈勃定律和宇宙中的氦元素的丰度。1953年，伽莫夫发表的 "Extended Universe and creation of Galactics" 一文中，伽莫夫提到了两个很耐人寻味的数据，一个是宇宙的年龄，另一个则是宇宙中物质的平均密度。伽莫夫利用这个计算了CMB的温度，并且和之后的观测非常接近。（至少数量级毫无问题）

3、CMB的发现纯属偶然。1965年，彭齐亚斯和威尔逊在新泽西的贝尔实验室意外地发现了宇宙微波背景辐射。期初他们误认为是鸽子的排泄物。而当时，他们不过是在进行卫星通讯实验而已。

4、CMB的相关研究曾经两次获得诺贝尔物理学奖。除了彭齐亚斯和威尔逊之外，后来的斯穆特等人也因为宇宙微波背景辐射黑体谱和各向异性的发现的研究而荣膺诺贝尔物理学奖。而2010年，WMAP卫星的相关研究也荣膺了邵逸夫奖。

5、CMB的研究具有重大的意义，因为CMB的产生意味着宇宙变成了透明的。微波背景辐射是宇宙38万岁时从3000度的高温等离子体状态转化为中性气体而遗留下来的残留余辉，现在的温度只有约2.725度。也正因如此，CMB被俗称为宇宙大爆炸的余晖。

COBE和WMAP的对比

6、前面我们提到了COBE和WMAP，WMAP是目前研究CMB的主力军之一。事实上，COBE的创举在于，在不同的方向上，发现有10^-5大小的温度起伏，这是所能看到的宇宙的最早图象。好比看到了“上帝”的脸。 而WMAP已经能够观测到10^-6这个程度。而今天，Planck的观测要更加精细，甚至专门有后普朗克宇宙学一词。

7、宇宙微波背景辐射发生在宇宙的复合时代。关于早期宇宙的一个个时代，我们将在之后详细谈到。

8、正因如此，宇宙微波背景被称作宇宙最初的光。

9、科学家们会时不时在CMB中“刮彩票”，也就是在随机中寻找非随机，例如你仔细观测WMAP那张图，看没看到CMB中的“霍金”（在中间偏右，形似字母SH）。

10、事实上，CMB目前的研究技术已经比较成熟，但是也相当复杂，Dolsen先生专门写了一本很厚的《现代宇宙学》来讲这个话题。

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作者：王纪尧

配图：王纪尧

校对：叶君耀

排版：王纪尧

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