宇宙微波背景輻射，憑什麼讓科學家拿了兩次諾貝爾獎？

當我們說到宇宙的年齡是138億年的時候，總會有人問，你啥知道呢？怎麼算的，靠譜嗎？

科學家們在計算宇宙中天體的年齡、距離、密度等數值時，並不是真的拿一個鐘錶或是一個尺子去量它，而是通過各種「間接的證據」去測量。

今天我們要說的，就是測算出宇宙的年齡是138億年的這種「間接證據」-宇宙微波背景輻射。

對宇宙微波背景輻射的觀測結果，讓科學家獲得了兩次諾貝爾獎；物理學家泰森說過：正因為有了「宇宙背景輻射」，天文學才成為真正的科學。

就憑以上這兩點，不管是文科生還是理科生，我們就沒有理由不去了解它。

宇宙微波背景輻射的預測

20世紀40年代，俄裔美國物理學家喬治·伽莫夫和他的同事們，根據宇宙大爆炸理論預測了「宇宙背景輻射」的存在。

伽莫夫認為，宇宙大爆炸開始時，溫度處於極高的狀態，隨著宇宙的不斷膨脹，溫度也隨之不斷的下降。

伽莫夫

在大爆炸約30萬年後溫度降到約3000℃度時，宇宙中部分的光可以逃脫電子的碰撞，自由的在宇宙中飛翔。

哪怕是飛了100億年，這些光都不會消失，還會留有它們輻射的痕跡，這些光的輻射在星空深處無所不在。

1948年，兩個美國的物理學家阿爾弗和赫爾曼估算了宇宙背景輻射的溫度應該是5k(開爾文）。

開爾文是熱力學的單位，絕對零度是-273℃，也是0開爾文。5k也就是絕對零度加5℃（-268℃）。

宇宙微波背景輻射的發現

伽莫夫提出理論後的20年，也就是1964年，美國的兩位無線電工程師威爾遜和彭齊亞斯真的在偶然中發現了這些已經飛翔了100億年的光的輻射。

當時威爾遜和彭齊亞斯並不知道宇宙微波背景輻射的預言，他們不是天文學家，只是兩個貝爾實驗室的無線電工程師。

彭齊亞斯和威爾遜

貝爾實驗室製作了一臺非常精密的射電天線，用來接收一顆名叫「回聲」的衛星發射回來的微弱信號。結果總是存在一些沒法清除的噪音，他們在發表論文時稱這種噪音為無法解釋的「多餘的天線溫度」。

當建造專門用於尋找宇宙背景輻射探測器的科學家狄克和他的同事們，聽到彭齊亞斯和威爾遜的報告後，他們非常明白，這些「多餘的天線溫度」就是他們苦苦尋找的宇宙背景輻射。

1978年，彭齊亞斯和威爾遜因為他們這個無意的發現而獲得了諾貝爾物理學獎。

彭齊亞斯和威爾遜當時的無線電天線還比較簡陋，只是接收到這些光的輻射信號的存在。

通過這些信號，科學家們測算出宇宙微波背景的溫度是3K，與阿爾弗和赫爾曼之前估算的5K就只差了那麼一丟丟。

到此，大家可能會問，這個溫度是怎麼測出來的？

我們從物理規律可知：

①任何物體的溫度都不可能低於絕對零度（-273℃，也是0開爾文）；

②任何高於絕對零度的物體都一定會有電磁波（或稱光波）輻射發來。

這兩點告訴我們，宇宙中的任何物質都會有電磁波輻射。

通過物質電磁波輻射的強度，就可以計算出物質的溫度。而通過物質光譜的紅移程度就可以算出這些物質發出輻射時間多久了和它與我們的距離有多遠。

所以宇宙中哪個時刻哪個地方的物質的溫度、距離科學們都能測算出來。

（關於光譜紅移之前已有說過，這裡就不再贅述，想了解的可以去看文章：)

根據對宇宙微波背景輻射的觀測，它的光譜紅移大約是1100，也就是說從光子獲得自由以來到現在，宇宙尺度已經膨脹了1000倍。

因此，宇宙背景輻射也相應地冷卻到當時溫度的1/1000度。所有可見光光子的能量也降到當時的1/1000。

這些光的輻射現在已變成了微波，因此我們給它取了這個名字「宇宙微波背景輻射」。

如今我們已知宇宙微波背景輻射的溫度是3k。反推回去，消除宇宙膨脹的因素，當時宇宙的溫度就是這個溫度的1000倍，也就是3000k(2727℃)。

通過光譜的紅移程度，可算出這個宇宙微波背景輻射的「最後散射點」（撞擊到曾經阻礙它的最後一個電子之處）的時間，是宇宙大爆炸之後的38萬年。

這時我們再閉上眼睛回顧一下當時的情景：

宇宙大爆炸剛開始時，溫度極度的高，宇宙就像一鍋粒子粥，正反物質相互對撞，湮滅。每一次對撞湮滅，只有10億份之一的正物質留下......

宇宙膨脹到38萬年後，當時溫度已經下降到約3000℃。這時，質子和中子凝結成的原子核已經能捕獲住電子，形成了物質的最小單位原子。

此時的光子也不再對撞湮滅，它脫離了電子，隨著越來越多的光子逃離電子的碰撞，開始自由的飛翔，它們形成了一個不斷膨脹的「最後散射面」，它們在宇宙中沒有任何阻礙的直奔地球。

這個面也是宇宙中所有原子誕生之處，成為了宇宙最早期狀態的背景圖。

宇宙微波背景輻射，也成為了宇宙大爆炸理論的堅實證據之一。

宇宙微波背景輻射的進一步探測

對於宇宙微波背景輻射的觀測和研究，科學家們是不會就此罷手的。

隨著技術的不斷發展，探測的精準度也越來越高。科學家們必須更精確細緻的觀測宇宙微波背景輻射，分析它更多的細節。

直到1989年發射的COBE衛星，利用空間望遠鏡重新觀測宇宙微波背景輻射，才取得了重大的進展。

COBE衛星通過光學望遠鏡的手段觀測到宇宙微波背景輻射更精確的分布細節。

它發現宇宙微波背景輻射在宇宙中分布並不是絕對均勻的，而存在著十萬分之一程度的微小起伏。

這些微小的起伏，對應著宇宙不同地方的物質密度的微小差別。這些微小的結構就是形成我們今天不同的星系團、星系和恆星的原始種子。

在大尺度上，宇宙微波背景輻射分布是各向同性，是均勻的。但是如果是絕對均勻的，那今天就沒有我們看到的這些星系團和星系，甚至也沒有太陽和我們的地球了。

基於以上的這個發現，COBE衛星的工程師和首席科學家獲得了2006年諾貝爾物理學獎。

我們來看一下這張COBE衛星觀測到的宇宙微波背景輻射圖，天文學家稱之為「上帝臉上的皺紋」。

COBE衛星觀測到的宇宙微波背景輻射的分布圖

最近的一次觀測宇宙微波背景輻射，是2009年到2013年期間歐洲空間局發射的普朗克太空望遠鏡。

通過長達5年持續的觀察，普朗克太空望遠鏡發布的數據成為天文學目前最精密的宇宙微波背景輻射資料。

普朗克太空望遠鏡不僅可以分辨出幾個角分的距離的兩個相鄰位置，還可以分辨出百萬分之幾的起伏程度，精細度和敏感度可以說是提高到了一個數量級。

普朗克望遠鏡觀測的宇宙微波背景輻

它不僅觀測到可見物質的分布情況，甚至還可以幫助研究暗物質和暗能量的分布。

天文學界統一把宇宙的年齡從137億年調整為138億年，就是因為普朗克太空望遠鏡獲得的數據更加精的結果。

根據普朗克太空望遠鏡對宇宙微波背景輻射的觀測，得到的宇宙參數除了宇宙年齡為137.98億年外，還有宇宙現在含有4.9％的普通物質，26.8％的暗物質和68.3％的暗能量。此外，哈勃常數測定為67.15。

宇宙物質分布示意圖

宇宙微波背景輻射的意義

宇宙大爆炸之後，發出的最早的光就是宇宙微波背景輻射。

為了弄清星系、星系團和超星系團是如何產生的，宇宙微波背景輻射是科學家們最好的探針，它是信息豐富的時間膠囊，使天體物理學家能夠反過來重建宇宙的歷史。

宇宙微波背景輻射能夠解碼宇宙各種基本性質的信息。比較冷熱區域的大小和溫度分布，你可以推斷出當時的引力強弱，以及物質積累的速度有多快，同時讓你推斷出宇宙中存在多少普通物質、暗物質和暗能量。從這裡，就可以直接判斷宇宙是否會永遠膨脹......

現在，科學家們有什麼理論模型，或是發現了什麼新的數據，都可以去跟宇宙微波背景輻射做個比對，驗證不了，就只能淘汰。

宇宙微波背景輻射的發現，使宇宙學超越了神話猜想，不再只是假設，從此宇宙學成為了精準的科學。