都说宇宙微波背景，它是宇宙中的“第一束光”。这些光就像一组快照，记录了宇宙的原貌。因为它是“第一束光”，所以它到达地球后就再也看不到了。为什么我们可以连续地看到它?
简短的回答通常是:因为它是渗透整个宇宙的背景辐射。但这样的回答缺乏直观印象，你很难把它和刚才提到的“第一缕光”联系起来。“为什么第一束光变成了背景辐射?”为什么背景辐射一直来?”
在回答这个问题之前，我们首先需要知道构成背景辐射的光子来自哪里。故事开始于138亿年前……
当时的宇宙刚刚经历了膨胀阶段，处于由质子、中子、强子组成的“夸克-胶子汤”中，它们已经一个接一个地出现了。强子准备好了，下一集，光子上台。
轻子指选择电子、中微子这种不参与强相互作用的粒子质量相对较轻。随着轻子的出现，宇宙正式进入了“轻子时代”。这一时期的宇宙最初并没有光子体，光子体只是一些轻子和它们的反粒子，例如电子和正电子。但是随着物质和反物质的湮灭，一些物质被转化为能量，并以光子的形式释放出来，所以宇宙有了第一批光子。
但是此时的光子不是今天背景辐射的光子。因为电子和正电子的湮灭过程在大于60亿度的环境中是可逆的，所以刚刚出现的光子在这种极端的环境中会重新变成一对电子和正电子，电子和正电子在碰撞后会再次湮灭。为光子。在这个持续的拉扯过程中，宇宙的温度继续下降，直到它非常低，以至于反向反应不再发生。此时，宇宙中的电子和光子被认为是稳定的。
虽然有光子，但此时的宇宙仍然是黑暗的。为什么?因为这些光子被“囚禁”了。
湮灭反应中剩余的电子本应与原子核结合形成原子，但此时光子的能量极高，它们像无头苍蝇一样四处乱窜。就在电子要和原子核“牵手”的时候，它们突然被一个“灯泡”击中了。但对于Photon来说，这也是一种委屈:我刚要出去玩，但到处都是赶着约会的人。我还没走两步就被撞倒，走不动了。
这里实际发生的是康普顿散射——自由电子的存在允许光子传播很短的距离，这表明此时的宇宙就像一个高密度物质的球。不透明的。
随着温度持续下降，光子也会疲劳。没有了“电灯泡”的干扰，电子和原子核终于可以“相恋成婚”了。与此同时，对于Photon来说，看到越来越少的人赶着去约会，周围的环境也逐渐变得宽敞起来。从束缚中解放出来，光子开始像野马一样自由奔跑。这个阶段称为“光子解耦”，也称为“解耦期”。由于这一阶段在宇宙尺度上发生得相对较快，光子解除束缚的时间(即发生最后的散射)非常短，因此称为“最终散射面”。
光子不是充满了整个宇宙吗?为什么这里叫“脸”?因为这是以我们作为观察者为中心的。
由于光子的传播也需要时间，这意味着只有那些需要足够长的时间才能到达地球的光子才能被我们看到。这形成了一个以我们为中心，半径为138亿光年的圆。这个球形区域的表面就是所谓的最后散射面。它也代表了我们能看到的最远点，这是可观测宇宙的边界。考虑到宇宙一直在膨胀，这个边界现在已经扩展到大约465亿光年远。这也回答了老问题:为什么宇宙只有138亿年的历史，但它的半径却达到了465亿光年。
这和背景辐射有什么关系?嗯，我们今天看到的背景辐射实际上是由从最终散射表面逃逸出来的光子组成的。因为这些光子充满了整个宇宙，它们带来的辐射也是一种充满宇宙的辐射，所以它被称为“背景辐射”。
在理解了最终散射面的概念之后，就很容易理解“为什么背景辐射光会继续流动?”
假设在宇宙之外有一个上帝的视角。在光子解耦之前，它眼中的宇宙是一个热而不透明的混沌状态。
大约在大爆炸后的38万年，此时宇宙的温度已经下降到3000度左右，此时光子开始摆脱束缚，自由奔跑。从上帝的角度来看，所有的光子瞬间耗尽，整个宇宙突然变得透明。
但作为宇宙的观察者，我们看到的是不同的。由于光速的限制，我们首先看到离我们近的光子(因为它们到达我们的速度更快)，然后是更远的光子，然后是更远的光子，以此类推。
也就是说，我们每时每刻看到的背景辐射光子，实际上是比上一刻更远的光子;我们看到的每一张背景辐射图像实际上都比上一张更古老。
要知道，背景辐射和最终散射面都是特定于特定观察者的。实际上，宇宙中不同地方的观测者看到的背景辐射是不同的。然而，由于这些光子在宇宙中是均匀分布的，不同的观察者看到的背景辐射并没有太大的不同。这也是本底辐射均匀性和各向同性的表现。
现在你知道《三体》里“让背景辐射闪烁”有多离谱了吧?因此，即使是三体文明也只能通过锻造背景辐射来实现。
如果把宇宙看成一个舞台，我们通常看到的恒星和星系，包括类星体，只是舞台上的演员，而背景辐射则是整个舞台的背景。舞台背景之后呢?在更遥远的背景中，光子仍然被囚禁，对我们来说，它仍然是一个黑暗混乱的地方。
最后，散射面实际上就像一道屏障，把宇宙分成前面和后面两部分。无论是人类还是外星人，对于宇宙中的每一个观察者来说，这道屏障的存在都阻止了我们窥视早期宇宙的秘密，尤其是宇宙起源的终极奥秘。宇宙微波背景是我们能直接看到的最早的宇宙景象。从理论上讲，我们仍然有机会了解在那之后发生的事情，但在那之前发生的事情，我们无论如何都无法“亲眼看到”。除非有一些信息可以突破这个障碍。
微波背景辐射因其当前温度接近3Kso，故又称“3K本底辐射”。事实上，宇宙中不止有这种背景辐射。例如，有一种辐射比3K辐射弱，大约小于2Kit，那就是中微子背景辐射。
中微子背景辐射类似于微波背景辐射，但它形成得更早，大约在宇宙诞生后2秒。如前所述，宇宙中的第一个光子实际上大约在那个时候出现，但由于重子和轻子的影响，光子被它们囚禁了大约38万年。为什么在同一时期出现的中微子没有被捕获?
是的，因为中微子不参与电磁相互作用，也不参与强相互作用，加上它的质量非常小(甚至可能像光子一样没有质量)，所以引力效应也可以完全忽略，所以从诞生的那一刻起，中微子就可以不受阻碍地穿越宇宙。唯一能限制它的可能是它的速度。
宇宙中充满了大量的中微子，这些诞生于宇宙早期的中微子被称为“残余中微子”，顾名思义，就是宇宙诞生之初遗留下来的中微子。理论上，每立方厘米大约有300个剩余的中微子，它们都在屏障的另一边携带着信息。
但是“成功就是失败，失败就是失败。”虽然中微子以其超强的穿透性，让我们得以一窥宇宙诞生的秘密，但也正是因为其强大的穿透性，使得中微子对微米的探测本来就很困难，更不用说这个低于微波背景温度，小于2K的背景了。
然而，除了中微子之外，理论上还有一种东西具有更强的穿透能力，可以突破这个屏障。isgravitational。早期宇宙中可能存在一些剧烈的量子涨落，这会产生一种特殊的引力波，被称为“原始引力波”。与普通黑洞或中子星合并产生的引力波不同，原始引力波的频率非常低，比上次提到的纳赫兹引力波低几个数量级。可以说是引力波族中频率最低的，所以探测的难度可想而知。
但是，如果原引力波确实存在，那么理论上它会对最终散射面上的光子分布产生影响，从而导致微波背景图像中出现一些特殊标记的可能性。因此，尽管直接探测原始引力波仍然非常困难，但也许我们可以在微波背景中找到一些线索，帮助我们解决长期存在的宇宙起源之谜。
引用:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_neutrino_background
[5] https://www.zhihu.com/question/66071582/answer/2779916560
[6] http://www.ihep.ac.cn/kxcb/kjqy/201604/W020160403557369479073.pdf
本文来自微信公众号:林威讲宇宙(ID: linvo001)作者:林威
