宇宙大爆炸与微波背景辐射 

空间和时间的本质是什么? 这是从两千多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辨，而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。

直到20世纪，出现了两种比较有影响的宇宙理论，一种是稳态理论，另一种是大爆炸理论。刚出现“宇宙大爆炸”学说时，被认为是奇谈怪论。随着一些宇宙现象的被发现，宇宙大爆炸理论渐渐为大多数科学家所接受，并且成为许多学科领域的一个前提。我们的讨论就是基于宇宙诞生于大爆炸这个前提。

20世纪20年代后期，爱德温·哈勃发现了“红移现象”，说明宇宙正在膨胀。20世纪60年代中期，阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了“宇宙微波背景辐射”，进一步证明宇宙很可能源于一次大爆炸。

这两个发现给宇宙大爆炸理论以有力的支持。其中一个与我们讨论的问题相关的是宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景辐射被认为是“大爆炸”的“余烬”，均匀地分布于整个宇宙空间。大爆炸之后的宇宙温度极高，之后30多万年，随着宇宙膨胀，温度逐渐降低，宇宙微波背景辐射正是在此期间产生的。

宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景，是一种各向同性或者以黑体形式各向异性的微波辐射，也称为微波背景辐射。

1964年，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪声，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年，他们又订正为3K，并将这一发现公之于世，因此而于1978年获得诺贝尔物理学奖。

2009年5月，欧航局的“普朗克”探测器从法属圭亚那库鲁航天中心升空入轨，其主要任务是探测宇宙微波背景辐射，帮助科学家研究早期宇宙形成和物质起源的奥秘。

2010年，欧航局根据“普朗克”探测器传回的数据绘制了首幅宇宙全景图。

2013年3月21日，欧洲航天局发布由“普朗克”太空探测器传回数据绘制的迄今最精确宇宙诞生初期的宇宙微波背景辐射图（图1-13）。这是一张5000万像素的宇宙微波背景辐射全景图。展示的图形显示，在椭圆形边缘的图案内，密布蓝色和棕色的光点，代表辐射温度波动。这张图展示“大爆炸”38万年后的宇宙景象。除了以前所未有的精确度很好地验证了宇宙标准模型外，这幅图还反映出一些与现有宇宙理论不同之处，修正了人们此前的认识。根据“普朗克”探测器收集的数据，科学家对宇宙的组成成分有了新的认识，宇宙中普通物质和暗物质的比例高于此前假设，而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量则比想象中少，占不到70％。这个比例是有意义的，后面我们将会讨论到。

图1-13 　2013年发布的宇宙微波背景图

此外，反映宇宙膨胀率的哈勃常数也被修正至67.15千米/（秒·百万秒差距），即一个星系与地球的距离每增加一百万秒差距（1秒差距约为3．26光年），其远离地球的速度每秒就增加67.15千米。这个数据意味着宇宙的年龄约为138.2亿年。

现在，我们知道，宇宙至少已经有138亿年的历史。我们生活的太阳系，尽管已经广大无边，却也不过是银河系中的一个小小的恒星群而已。人类利用各种手段已经观测到银河系外的星系，称为河外星云。同时还发现了除恒星、行星、卫星、小行星、彗星等星体以外的一些宇宙新星体，包括脉冲星、双子星、黑洞等等。而这一切物质还有暗物质、暗能量的存在，都起源于那一百多亿年前的大爆炸。

宇宙诞生后，不停地以光速向四周散发能量和微粒。这充满宇宙的能量和微粒在旋转奔驰中，随着温度的下降，碰撞和吸引，形成元素、成为云团、结成团块，并且始终都没有停止旋转和进一步相碰相吸，在各种各样的力量和温度的作用下，形成各种各样的星球，并在环境许可的星体上形成分子、大分子、蛋白质等等。这就是呈现在我们面前无限的宇宙和其中星系的来历。

很多观测和实验都证明了这个宇宙诞生模型是可信的。而最令人信服的结论，除了天文观测，主要还来自对物质组成和微观结构的解析。正是元素和基本粒子的种种性质的发现和研究，让人们对宇宙物质的大致成分有了基本认识。并且通过光的解析和星球光谱线分析，认识了很多星球的成分和行为。同时，陨石和太空物质的直接获取，更是直接认识宇宙物质成分的重要方法，虽然人类现在还只拿到了月球和火星上的物质，相信随着人类能力的进一步增强，更多的宇宙物质会被我们直接获得，宇宙的奥秘，会更多地被人类所破解。