问爱善：宇宙微波背景辐射怎样证明大爆炸？

在20世纪，至于我们的宇宙起源有众多的选择。今天，多亏这个关键的证据只有大爆炸幸存。

STARTS WITH A BANG — SEPTEMBER 30, 2022

Ethan Siegel

在我们宇宙历史上的任何一个纪元，任何观察者将体验一种起源回到大爆炸的全向辐射的均匀“沐浴”。今天从我们的角度，它刚好比绝对零度高2.725 K，因此被观察为宇宙微波背景，在微波频率中达到峰值。在遥远的宇宙距离上，随我们在时间中往回看，温度更热取决于观测到的遥远天体的红移。(Credit: Earth: NASA/BlueEarth; Milky Way: ESO/S. Brunier; CMB: NASA/WMAP)

关键要点

从无记忆以来，人类已经好奇宇宙是什么，它来自哪里，以及它怎样成今天它是的样子。

从前是一个远远超出知识领域的问题，科学最终能够在20世纪解决许多这些谜题，宇宙微波背景提供关键的证据。

有一套令人信服的为什么大爆炸现在是我们的无可争议的宇宙起源故事的理由，而这个剩下的辐射是决定了这个问题的。这里是怎样。

不到一个世纪前，我们对我们的宇宙的历史看起来像的有过许多不同的想法，但对决定这个问题有惊人少的可利用的证据。假设包括了一些建议即我们的宇宙：

违反了相对论的原理，我们从遥远天体观察到的光随它在穿越宇宙旅行只是疲倦了，

不仅在所有的地点而且在任何时间都是一样的：静止的和不变的，甚至随我们的宇宙历史展开，

不遵守广义相对论，而是一个包括了一个标量场的修正版本，

不包括超遥远的天体，而那些是观测天文学家们正在混淆的遥远天体的附近闯入者，

或者它开始于一个热的、致密的状态，从那时起一直在膨胀和冷却。

最后一个例子与我们今天所知为热大爆炸的相对应，而所有其他挑战者（包括这里没有提到的新挑战者）都落在了路边。事实上，自20世纪60年代中期以来，没有其他的解释已经支持起这些观察。为什么会这样？这是罗杰·布鲁维斯的询问，他喜欢了解关于以下的一些信息：

“你引用宇宙微波背景辐射的黑体光谱作为大爆炸的肯定。你能告诉我在哪里可以得到更多的细节吗？”

要求提供更多的信息从来没有什么错。这是真的：宇宙微波背景（CMB）辐射是我们已经得出来自大爆炸本身的残余辉光是那个关键证据的结论。这里是为什么它证实大爆炸不利于所有其他可能的解释的。

不断膨胀的包括被称为大爆炸的热、密集状态以及随后的结构的生长和形成的宇宙的一个视觉历史。这些全套数据，包括轻元素和宇宙微波背景的观测只留下大爆炸为我们都看到的一切的一个实在解释。随宇宙膨胀，它也冷却，使离子、中性原子和最终分子、气体云、恒星，最终星系来形成。(Credit: NASA/CXC/M. Weiss)

在20世纪20年代有两次发展当结合了时导致了最初的想法，最终演变成现代大爆炸理论。

第一个是纯理论性的。1922年，亚历山大·弗里德曼在广义相对论的背景下发现了爱因斯坦方程的精确解。如果一个人构造一个各向同性（所有方向上相同）和均匀（所有位置相同）的宇宙，并用各种形式的能量组合填充宇宙，这个解表明了宇宙不可能是静态的，而必须总是要么膨胀要么收缩。此外，在宇宙怎样随时间和它之内的能量密度膨胀了之间有一个明确的关系。从他的精确解导出的两个方程弗里德曼方程仍然被认为是宇宙中最重要的方程。

第二个是基于观察。埃德温·哈勃和他的助手米尔顿·胡马森通过识别单个恒星并测量在螺旋星云和椭圆星云中到它们的距离能够证明这些星云实际上是星系------或者正如它们当时被称为“岛屿宇宙”------在我们的银河系之外。此外，这些天体似乎正在从我们褪去：它们离得越远，它们似乎后退得就越快

埃德温·哈勃的最初绘制的星系距离对红移的图（左）建立膨胀的宇宙对一个大约70年后的更现代的对应图（右）。与观测和理论一致，宇宙正在膨胀，而相关距离到衰退速度的直线的斜率是一个常数。(Credit: E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)

结合这两个事实，很容易想出会导致大爆炸的想法。宇宙不能是静态的，而一定要么是膨胀要么收缩的如果广义相对论是正确的。遥远的天体似乎在从我们褪去，离我们越远它们后退得就越快，暗示“膨胀”的解物理上是相关的。如果是这样，那么我们所必须做的就是测量宇宙中能量的各种形式和密度是的------以及宇宙今天正在多快的膨胀和在过去的不同纪元正在膨胀的——我们实际上能知道这一切。

我们能知道宇宙是由什么组成的、它正在膨胀有多快以及膨胀的速率（因此，各种形式的能量密度）怎样已经随时间变化的。即使你假设宇宙中所有的一切都是你能很容易看到的------比如物质和辐射一样的东西------你会得出一个非常简单、直接的结论。宇宙，就像它今天是的一样不仅正在膨胀而且还正在冷却，因为它之内的辐射随着空间的膨胀正在被拉伸到更长的波长（和更低的能量）。这意味着，在过去，宇宙一定比它今天是的更小、更热、更密。

随着宇宙织造的扩张，所存在的任何辐射的波长将被拉伸。这既适用于引力波也适用于电磁波；随着宇宙的膨胀，任何形式的辐射的波长都被拉伸（并失去能量）。随着我们回到时间中走得更远，辐射应该出现更短的波长、更大的能量和更高的温度，这意味着宇宙从一个更热、更密集、更均匀的状态开始。(Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

向后推断，你就会开始做出宇宙在遥远的过去应该如何已经出现的预测。

因为引力是一个累积的过程------更大的质量比更小的质量跨大的距离施加一个更多的引力吸引------它使今天宇宙中的结构有意义，如星系和星系团，从更小、更低幅度的种子成长起来。随着时间的推移，它们吸引越来越多的物质进入它们，导致更大质量、更进化的星系在稍后出现。

因为宇宙过去更热，你能想象早期当它之内的辐射如此高能量以致中性原子不能已经稳定地形成。一个电子试图与一个原子核结合瞬间一个高能光子就会出现并电离该原子，创造一个等离子体状态。因此，随着宇宙的膨胀和冷却，中性原子第一次稳定的形成了，在这个过程中“释放”一个光子浴（之前已经散射掉的自由电子）。

在甚至更早时间和更热的温度，你能想象甚至原子核都不可能已经形成，因为热辐射会已经只是创造一个质子和中子的海洋，炸开任何更重的原子核。只有当宇宙冷却过这个阈值时更重的核已经形成，导致一套物理条件通过发生在大爆炸本身之后的核聚变已经形成了一组原始的重元素。

在热的早期宇宙中，在中性原子形成之前，光子以非常高的速率散射掉电子（在更小程度上是质子），当它们做时传递动量。在中性原子形成后，由于宇宙冷却到低于一定的临界阈值，光子只是沿着一条直线旅行，仅在波长中被空间膨胀影响。(Credit: Amanda Yoho for Starts With A Bang)

这三个预测与已经测量到的宇宙膨胀现在形成宇宙大爆炸的四个现代基石。虽然弗里德曼的理论工作与星系的观测的原始综合分析发生在1920年代------乔治·雷，霍华德·罗伯逊和埃德温哈勃都一起独立的拼凑------直到1940年代，弗里德曼的前学生乔治·加莫会提出这三个关键的预测。

在早期，宇宙从一个热的、致密的、均匀的状态开始的想法被称为“宇宙之蛋”和“原始原子”。直到一个稳态理论的支持者和对这个竞争理论的嘲笑者弗雷德·霍伊尔在BBC电台激情的争论反对它时给了它这个名字才拾起了“大爆炸”这个名字。

然而，与此同时，人们开始为这些新预测的第二个计算出特别预测：这个光子“浴”今天会看起来是什么样子。回到宇宙的早期阶段，光子将存在于一个电离等离子体粒子的海洋中：原子的原子核和电子。它们会恒定的与这些粒子碰撞，特别是电子在这个过程中热化：在那里大质量粒子取得一个特定的能量分布，只是麦克斯韦-玻尔兹曼分布的量子模拟，光子最终有一个特殊的能谱，被称为一个黑体谱。

这个模拟显示气体中的粒子一个随机的初始速度/能量分布的彼此碰撞、热化和走近麦克斯韦-玻尔兹曼分布。这种分布的量子模拟，当它包括光子时导致一个辐射的黑体光谱。(Credit: Dswartz4/Wikimedia Commons)

在中性原子形成之前，这些光子通过空的空间与离子交换能量，取得黑体光谱能量分布。然而，一旦中性原子形成，这些光子不再与它们相互作用，因为它们没有合适的波长来被原子内的电子吸收。（请记住，自由电子能与任何波长的光子散射，但原子内的电子只能吸收具有非常特定波长的光子！）

因此，这些光子只是以一条直线在整个宇宙中旅行，并将继续这样做，直到它们遇到一些吸收它们的东西。这个过程被称为自由流，但光子受到所有穿越膨胀宇宙的物体必须面对的过程：空间本身的膨胀的过程。

因为光子自由流，宇宙膨胀。这既稀释了光子的数量密度，因为光子的数量仍然固定的但宇宙的体积增加，也减少每个光子的个体能量，随着宇宙膨胀，每个光子的波长被以相同的因素延伸。

在一个不断膨胀的宇宙中物质（顶部）、辐射（中间）和一个宇宙常数（底部）都随时间怎样演化的。随着宇宙的膨胀，物质密度稀释，但随着它的波长被拉伸到更长辐射也变得更凉，更弱的能量状态。另一方面，暗能量的密度如果它像它目前被认为的那样行为将真的仍然恒定的：作为一种空间本身固有的能量形式。(Credit: E. Siegel/Beyond The Galaxy)

这意味着留到今天，我们应该会看到一个剩下的辐射浴。在早期宇宙中对每个原子有大量的光子，中性原子只有在热浴的温度冷却到几千度后才会形成，而且在大爆炸后要用几十万年才会到达那里。今天，数十亿年后的今天，我们预计：

剩下的辐射浴应该仍然坚持，

它应该在所有方向和所有地点同一温度，

在每立方厘米的空间中应该有几百个光子，

它应该只是绝对零度以上几度，移进电磁波谱的微波区域，

而且，也许最重要的是，它仍然应该保持“完美的黑体本性”。

在20世纪60年代中期，普林斯顿大学的一群理论家，由鲍勃·迪克和吉姆·皮普尔斯领导正工作在计算出这个理论化的辐射浴的细节上：一个当时被诗意地称为原始的火球的浴。同时代的，相当偶然的，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊的团队用一个刚好距离普林斯顿30英里的新射电望远镜——霍尔姆德尔霍恩天线发现了这种辐射的证据。

对宇宙大爆炸模型的独特预测是将会有一个残留的辐射辉光渗透整个宇宙的各个方向。辐射刚好比绝对零度高几度，到处都是相同的幅度，并且会服从一个完美的黑体光谱。这些预测诞生的壮观的好的，从可实行性消除像稳态理论这样的替代方案。(Credit: NASA/GSFC/COBE team (main); Princeton group, 1966 (inset))

最初，只有几个我们可以测量这个辐射的频率；我们知道它的存在，但我们不知道它的光谱是什么：温度和能量略有不同的光子相关到彼此有多丰富。毕竟，可能有创造整个宇宙中低能光背景的其他机制。

一个相反的想法是整个宇宙都有恒星，而且一直如此。这种古老的星光会被星际和星系间的物质吸收，并在低能量和低温度下重新辐射。也许有一个来自这些辐射尘埃颗粒的热背景。

另一个与这个想法相关的竞争是这个背景只是作为被反射的星光发生，被宇宙的膨胀朝向更低的能量和温度移动。

还有另一个是，一种不稳定的粒子衰变掉，导致一个光的能量背景然后随着宇宙的膨胀冷却到更低能量。

然而，这些解释中的每一种都带有它自己的对低能光的光谱应该看起来是什么样子的独特的预测。然而，与源自热大爆炸的真正的黑体光谱不同，它们中的大多数将是来自许多不同来源的光的总和：要么整个空间或时间，要么甚至源自同一天体的许多不同表面。

日冕环，比如2014年美国宇航局太阳动力学观测站（SDO）卫星在2014年观测到的环，沿着太阳上磁场的路径。虽然太阳的核心温度可能达到约1500万K，但光球的边缘挂在一个相对微弱的约5700到约6000 K上，朝向光球的最外层发现了更凉的温度，更热的温度发现更接近内部。磁流体动力学或MHD描述了表面磁场与太阳一样恒星内的内部过程的相互作用。(Credit: NASA/SDO)

例如，考虑一颗恒星。我们能用一个黑体近似我们的太阳的能谱，它做得很好（但不完美）。真相是太阳不是一个固体天体，而是大质量的气体和等离子体，朝向内部更热更密，朝向外部更稀和更凉。我们从太阳看到的光不是从在边缘的一个表面发出的，而是从一系列深度和温度变化的表面发出的。不是一个单一的黑体发射光，而是太阳（和所有的恒星）从一系列温度变化数百度的黑体发射光。

反射的星光以及被吸收和重新发射的光以及在一系列时间而不是一次性产生的光都遭受这个问题。除非在稍后的时间某些东西来热化这些光子，把来自整个宇宙的所有光子放进同一平衡状态，你不会得到一个真正的黑体。

尽管我们有一个在20世纪60年代和70年代有了很大的改善的黑体光谱的证据，但最大的进步来自90年代早期，当时宇宙背景探索者（COBE）卫星测量了大爆炸剩余辉光的光谱到比以往任何时候都更精确。宇宙微波背景辐射不仅是一个完美的黑体，而且它是在整个宇宙中从来测量到的最完美的黑体。

太阳的实际光（黄色曲线，左）和一个完美的黑体（灰色），表明太阳由于它的光球层的厚度更像是一系列的黑体；右边是由COBE卫星测量的宇宙微波背景辐射的实际完美黑体。请注意，右边的“误差棒”是一个惊人的400西格玛。这里的理论和观测之间的一致性是历史的，观测光谱的峰值决定宇宙微波背景的剩余温度：2.73 K。

(Credit: Sch/Wikimedia Commons (L); COBE/FIRAS, NASA/JPL-Caltech (R))

整个20世纪90年代、21世纪10年代进入21世纪20年代，我们已经测量了来自宇宙微波背景辐射的光到越来越精确。我们现在已经测量了温度到大约百万分之一的波动，发现在热大爆炸前的膨胀阶段印记的原始不完美。我们不仅测量了宇宙微波背景辐射光的温度，还测量了它的偏振属特。我们已经开始将这种光与随后已经形成的前景宇宙结构共相关，量化了后者的影响。而且，与宇宙微波背景辐射证据一道我们现在也已经确认大爆炸的其他两个基石：结构的形成和轻元素的原始丰度。

的确，宇宙微波背景辐射——我真的希望它仍然有一个酷的像“原始火球”一样的名字------提供支持热的大爆炸的难以置信的证据，而对它的许多其他解释都壮观的失败了。不仅在绝对零度以上2.7255 K刚好是一个超向我们的全向光的均匀浴，它还有一个黑体光谱：宇宙中最完美的黑体。直到另一种选择不仅能解释这一证据，而且能解释大爆炸的其他三个基石为止，我们能放心地得出结论，我们标准的标准宇宙现实图片没有严肃的竞争对手。

发送你的问爱善的问题到 startswithabang at gmail dot com!

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/cmb-prove-big-bang/