cmb 关于CMB，你知道或者不知道的32个小知识（上）

CMB，宇宙微波背景辐射。在这一系列文章中，边肖将用32个小知识带你进入这个无处不在的辐射。在今天的文章中，我们首先对CMB有一个大致的了解。

先说什么是宇宙微波背景。在宇宙早期温度和密度很高，但远没有形成今天的复杂结构和各种天体的时候，是一团初级等离子体。随着宇宙的膨胀，这锅血浆粥的温度逐渐降低。大爆炸后约37万年，质子和电子结合成氢原子。这时光子与它们解耦，开始在宇宙中自由传播。随着宇宙的进一步膨胀，我们今天观测到的就是这种背景辐射，称为宇宙微波背景辐射。

1.CMB被称为宇宙中最理想的黑体辐射。那么什么是黑体辐射呢？黑体不是黑色物体，而是吸收所有外界电磁辐射而不发生反射或投射的理想物体。没有真正的黑体。

黑体辐射曾经是物理学中的一个难题，它的研究催生了伟大的量子力学理论。经典理论解释黑体辐射时，主要有两种方法。一个是英国物理学家瑞利和帕金斯，他们用的是麦克斯韦的统计方法，大英帝国的骄傲。他们的方法相当于将统计物理学应用于波动。根据能量分担定理，认为总辐射能量按所有可能的振动频率均匀分布。但是这个假设对于高频带的波动是发散的，振动频率的个数可以是无限的，所以这个解释在低频带还是可以和实验一致的，而高频带就变成了“紫外灾难”。

另一种解释是维恩定律，低频时与实验偏差较大。

普朗克在解决这个问题的时候，首先算出了一个公式，和实验结果吻合得很好，但是一开始他并不理解他给出的公式。这个公式公开发布后，普朗克开始重新思考自己的公式。普朗克巧妙地把玻尔兹曼的熵理论运用到它上面，就是把振子的能量分成非常小的部分，这些部分与频率成正比。让能量离散化，或者引入eneron的假设，可以解释他的公式。一旦能量被认为是连续的，这个问题就无法解决。而这个比例系数就是我们今天所说的普朗克常数，是一个很小的数字。

但是普朗克从那以后一直对自己和玻尔兹曼缺乏足够的信心，结果一直在和自己较劲，所以纠结了。但他的量子思想影响至今，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是大爆炸的重要预测之一，也是大爆炸理论的有力观测证据之一。其他观测证据包括哈勃定律和宇宙中氦的丰度。伽莫夫在1953年发表的文章《扩展宇宙与卡拉狄加的创造》中，提到了两个耐人寻味的数据，一个是宇宙的年龄，一个是宇宙中物质的平均密度。伽莫夫用这个来计算CMB的温度，和后来的观测非常接近。

3.CMB的发现纯属偶然。1965年，彭齐亚斯和威尔逊在新泽西州贝尔实验室意外发现了宇宙微波背景辐射。一开始，他们误以为是鸽子屎。当时他们只是在进行卫星通信实验。

4.CMB的相关研究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发现宇宙微波背景辐射的黑体光谱和各向异性而获得诺贝尔物理学奖。2010年，对WMAP卫星的研究也获得了跑步邵逸夫奖。

5.对CMB的研究意义重大，因为CMB的出现意味着宇宙变得透明。微波背景辐射是宇宙38万年中3000度的高温等离子体状态转变为中性气体后留下的残余余辉，目前温度只有2.725度左右。正因为如此，CMB俗称BIGBANG的余晖。

COBE与WMAP的比较

6.前面提到了COBE和WMAP，WMAP是目前研究CMB的主力之一。事实上，COBE的开创性工作在于发现了10-5°不同方向的温度波动，这是能看到的最早的宇宙图像。就像看到了上帝的脸。WMAP已经能观察到10-6的水平。今天，普朗克的观测甚至更加详细，甚至有了后普朗克宇宙学这个术语。

7.宇宙微波背景辐射发生在宇宙的复杂时代。后面我们会详细讲讲早期宇宙的各个时代。

8.为此，宇宙的微波背景被称为宇宙的原始光。

9.科学家会时不时地在CMB里“抓阄”，就是在随机的中寻找非随机的。比如你仔细观察WMAP的图片，能看到CMB中的“霍金”吗？

10.事实上，中巴目前的研究技术相对成熟，但也相当复杂。多尔森先生专门写了一本厚厚的《现代宇宙学》来谈这个话题。

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照片:王

校对:叶君瑶

排版:王

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