都說宇宙微波背景是全宇宙的“第一束光”，這些光就像是一組快照，記錄了宇宙最初的樣子。既然是“第一束光”，那它應(yīng)該在抵達(dá)地球之后就再也看不到才對呀，為什么我們能一直源源不斷地看到它呢？
簡短的回答一般是：因為它是充斥在整個宇宙中的背景輻射。但是這樣的回答缺少直觀印象，你很難把它和剛才說的“第一束光”聯(lián)系起來?！暗谝皇庠趺淳统杀尘拜椛淞?？背景輻射為什么就源源不斷呢？”
回答這個問題之前，我們先要知道構(gòu)成背景輻射的光子是怎么來的。故事要從 138 億年前講起……
當(dāng)時的宇宙剛剛經(jīng)歷完暴脹階段，在一片“夸克-膠子湯”中，由質(zhì)子、中子構(gòu)成的強子們已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)登場。強子已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，接下來就輪到輕子登場了。
輕子指的是電子、中微子這類不參與強相互作用的粒子，質(zhì)量相對也比較輕。隨著輕子的出現(xiàn)，宇宙正式進入了“輕子時期”。這一時期的宇宙原本沒有光子，有的只是一些輕子和它們的反粒子，比如電子和正電子。但是隨著正反物質(zhì)的湮滅，一些物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了能量以光子的形式釋放出來，于是宇宙有了第一批光子。
不過此時的光子還不是今天背景輻射的光子。因為正反電子的湮滅過程在大于 60 億度的環(huán)境下是可逆的，所以剛剛出現(xiàn)的光子在這種極端環(huán)境下又會變回一對正負(fù)電子，而正負(fù)電子碰撞后又會再次湮滅成光子。就在這樣的不斷拉扯過程中，宇宙的溫度繼續(xù)下降，直到低到逆反應(yīng)不再發(fā)生，這時宇宙中的電子和光子才算穩(wěn)定下來。
雖然光子有了，但是此時的宇宙仍然是一片漆黑。為什么呢？因為這些光子都被“禁錮”住了。
當(dāng)初湮滅反應(yīng)剩余的電子原本應(yīng)該和原子核結(jié)合形成原子，但是此時的光子能量極高，它們就像無頭蒼蠅一樣四處亂撞，電子剛準(zhǔn)備和原子核“牽手”就被突然出現(xiàn)的“電燈泡”給撞飛了。不過對于光子來說，它也很委屈：我剛準(zhǔn)備出去玩，結(jié)果到處是趕著約會的人，沒走兩步就被撞了回來，走都走不動。
這里發(fā)生的其實就是康普頓散射，自由電子的存在使得光子能夠走的路程很短，表現(xiàn)出來就是此時的宇宙就像一團高密度物質(zhì)，并不透明。
隨著溫度的繼續(xù)下降，光子也累了，沒有了“電燈泡”干擾，電子和原子核終于可以“有情人終成眷屬”。同時對于光子來說，眼看趕著赴約的人越來越少，周圍逐漸變得寬敞起來。擺脫了束縛，這下光子猶如脫韁的野馬開始肆意馳騁，這個階段被稱為“光子退耦”，也叫“脫耦時期”。由于該階段從宇宙尺度來說發(fā)生的比較迅速，因此光子解除束縛（也就是發(fā)生最后一次散射）的時間段非常短，所以它被稱為“最后散射面”。
光子不是充斥在整個宇宙空間嗎，為什么這里稱為“面”呢？因為這是以觀測者的我們?yōu)橹行膩碚f的。
由于光子的運動也要花時間，這意味著只有那些花了足夠長時間到達(dá)地球的光子，才能被我們看到。這就形成了一個以我們?yōu)橹行?，半徑?138 億光年的球形區(qū)域，這個球形區(qū)域的表面就是所謂的最后散射面，它也代表了我們所能夠看到的最遠(yuǎn)的地方，也就是可觀測宇宙的邊界?？紤]到宇宙一直在膨脹，如今這個邊界已經(jīng)膨脹到了大約 465 億光年遠(yuǎn)的地方。這也回答了那個老生常談的問題：為什么宇宙年齡才 138 億歲，但是半徑卻達(dá)到了 465 億光年。
這些和背景輻射有什么關(guān)系？欸，今天我們看到的背景輻射，其實就是由那些脫離了最后散射面的光子構(gòu)成的。因為這些光子充斥在整個宇宙中，所以由它們帶來的輻射也是一種充斥在宇宙中的輻射，因此被稱為“背景輻射”。
理解了最后散射面的概念，“為什么背景輻射的光會源源不斷”這個問題就很容易想明白了。
假設(shè)存在一個宇宙之外的上帝視角，在光子脫耦之前，它眼中的宇宙是一個熾熱且不透明的混沌狀態(tài)。
在大爆炸后大約 38 萬年，這時候宇宙的溫度已經(jīng)降低到了大約 3000 度，此時的光子開始擺脫束縛自由馳騁。從上帝視角來看，這些光子一下子全都跑了出來，宇宙一下子整體變透明了。
但是作為身處宇宙之中的觀測者，我們看到的情景并不一樣。由于光速限制，我們先看到的是距離我們比較近的光子（因為這些光子能更快地到達(dá)我們），然后是距離較遠(yuǎn)的光子，然后是更遠(yuǎn)的光子，以此類推。
也就是說，我們每時每刻看到的背景輻射光子，其實都是比上一刻更遠(yuǎn)的光子；我們看到的每一幅背景輻射圖像，其實都比上一幅更加古老。
明白了么，背景輻射以及最后散射面，它們都是針對具體的某個觀測者來說的。位于宇宙不同地方的觀測者，他們看到的背景輻射其實都和別人不太一樣。不過由于這些光子是均勻散布在宇宙中，所以不同觀測者看到的背景輻射差別并不會太大，這也是背景輻射均勻且各向同性的一種表現(xiàn)。
現(xiàn)在知道《三體》里“讓背景輻射閃爍”這事有多離譜了吧？所以即使三體文明也只能通過偽造背景輻射的方式來實現(xiàn)。
如果把宇宙看做一個舞臺，平時看到的恒星、星系包括類星體，它們只是舞臺上的演員，而背景輻射則是整個舞臺的背景。那在舞臺背景之后呢？在更遙遠(yuǎn)的后臺，那里的光子由于仍處于被禁錮狀態(tài)，對我們來說那里仍然是一片混沌的黑暗之地。
所以呢，最后散射面其實就像一道屏障，它把宇宙分割成了前后兩個部分。無論是人類還是外星人，對于宇宙中的每一個觀測者來說，這道屏障的存在阻礙了我們窺探宇宙早期的秘密，尤其是關(guān)于宇宙起源的終極奧秘。宇宙微波背景是我們能夠直接看到的宇宙最早景象，在那之后發(fā)生的事，理論上我們都還有機會去了解，但在那之前發(fā)生的事，我們是無論如何也無法“親眼所見”，除非有什么信息能夠突破這層屏障。
微波背景輻射由于它目前的溫度接近 3K，所以也被稱為“3K 背景輻射”。其實宇宙的背景輻射不止這一種，比如有一種輻射它比 3K 輻射更微弱，大約只有不到 2K，它就是中微子背景輻射。
中微子背景輻射和微波背景輻射類似，不過它形成的更早，大約出現(xiàn)在宇宙誕生后的 2 秒鐘。剛才說了，其實宇宙中第一批光子差不多也是那個時候出現(xiàn)的，但是受重子、輕子的影響，光子被它們禁錮了大約 38 萬年。為什么同一時期出現(xiàn)的中微子沒被禁錮住呢？
沒錯，因為中微子它不參與電磁相互作用，也不參與強相互作用，加上它質(zhì)量還非常?。ㄉ踔量赡芎凸庾右粯記]有質(zhì)量），所以引力效應(yīng)也完全可以忽略，因此中微子從誕生的那一刻起，就能暢通無阻地在宇宙中穿行，唯一能夠限制它的恐怕只剩速度了。
宇宙中充斥著大量的中微子，而這些誕生于宇宙初期的中微子被稱為“殘留中微子”，顧名思義就是宇宙誕生之初殘留下來的中微子。理論上大約每立方厘米就有 300 個殘留中微子，它們都攜帶著屏障另一端的信息。
但是“成也蕭何，敗也蕭何”，雖然中微子憑借它超強的穿透性，讓我們有望一窺宇宙誕生之初的秘密，但是也正因為它的穿透性太強，使得中微子的探測本就困難，更何況是這種比微波背景溫度還低、只有不到 2K 的背景。
不過除了中微子，理論上還有一種穿透力更強、一樣可以突破屏障的東西，它就是引力。早期宇宙中可能存在一些劇烈的量子漲落，這種漲落會產(chǎn)生一種特殊的引力波，被稱為“原初引力波”。不同于常見的黑洞或中子星合并產(chǎn)生的引力波，原初引力波的頻率非常低，比上次說的那個納赫茲引力波還要低好幾個數(shù)量級，可以說是引力波家族中頻率最低的，所以探測難度可想而知。
不過原初引力波若真的存在，那么理論上它會對最后散射面上的光子分布產(chǎn)生影響，這會導(dǎo)致微波背景圖像中可能出現(xiàn)一些特殊的印記。所以雖然直接探測原初引力波難度依然很大，但是也許我們能在微波背景中發(fā)現(xiàn)一些端倪，以幫助我們解開那個曠日彌久的宇宙起源之謎。
參考資料：
[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
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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