高考期間最大的樂(lè)趣是什么？

那肯定是看看今年又出了什么高考作文

年年作文有，今年特別難

比如今年全國(guó)一卷的

雖然咱都是經(jīng)歷過(guò)高考作文的

但是看到這個(gè)題目還是就......就很.....

沉思一陣，轉(zhuǎn)念想想，我是學(xué)物理的

語(yǔ)文不行我可以物理來(lái)湊啊！

所以來(lái)see物理所版的高考作文！

宇宙微波背景輻射：從沉默、嘶啞到擁抱

當(dāng)老舍筆下的鼓書(shū)藝人胸中翻騰卻“開(kāi)不了口”，當(dāng)艾青詩(shī)中那只鳥(niǎo)決意以“嘶啞的喉嚨歌唱”，當(dāng)穆旦筆下“帶血的手”擁抱站起的民族——這些意象都凝聚著一種困境中不屈的表達(dá)意志。這種意志，竟在浩瀚宇宙的誕生史詩(shī)中，找到了跨越時(shí)空的物理回響：那便是宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background Radiation, CMB）——宇宙自身在混沌初開(kāi)之際發(fā)出的“第一聲啼哭”，一場(chǎng)穿越138億年光陰的壯麗表達(dá)，一塊記錄宇宙“民族“歷史的石碑！

01

混沌初開(kāi)：宇宙的“開(kāi)不了口”——光子與電子的囚籠

宇宙背景輻射是宇宙學(xué)中“大爆炸”遺留下來(lái)充滿(mǎn)整個(gè)宇宙的電磁波輻射，是一種黑體輻射（熱輻射）。

要想了解它，還得從138億年前，宇宙誕生于一個(gè)熾熱、致密的奇點(diǎn)講起。

在宇宙的極早期，經(jīng)歷了普朗克時(shí)期和大統(tǒng)一時(shí)期之后，時(shí)間僅僅過(guò)去了10?3?至10?32秒。此時(shí)，宇宙是一片由膠子和夸克組成的熾熱濃湯。在這個(gè)階段，質(zhì)子、中子等強(qiáng)子已經(jīng)形成，而電子、中微子等輕子也陸續(xù)出現(xiàn)。緊接著，宇宙進(jìn)入了指數(shù)級(jí)膨脹的暴漲階段。暴漲結(jié)束后，在大爆炸后的約5萬(wàn)年之內(nèi)，宇宙處于輻射主導(dǎo)時(shí)期，其能量主要以輻射形式存在，整體呈現(xiàn)高溫等離子態(tài)。 隨后，在宇宙大爆炸后約38萬(wàn)年，宇宙進(jìn)入物質(zhì)-輻射退耦與復(fù)合時(shí)期： 電子與原子核結(jié)合形成中性原子，光子得以自由傳播，從而形成了我們今天觀(guān)測(cè)到的宇宙微波背景輻射。

在宇宙年齡t < 380,000年時(shí)，溫度T > 3000 K，物質(zhì)處于完全電離的等離子體態(tài)（primordial plasma）。此時(shí)空間中充滿(mǎn)自由電子（e?）、質(zhì)子（p?）、氦核（He2?）及高能光子（γ）。光子傳播需滿(mǎn)足以下物理方程：

該公式表明此時(shí)的光子平均自由程極短。早期宇宙的電子數(shù)約為當(dāng)前宇宙密度的109倍，當(dāng)時(shí)的宇宙半徑約為40萬(wàn)光年，光子需要碰撞約1012次才能逃逸出去，也就相當(dāng)于區(qū)區(qū)1012年吧~

空間中充滿(mǎn)的這些帶電粒子中光子是電磁輻射的載體，然而，這些光子一旦產(chǎn)生，就會(huì)立刻與無(wú)處不在的、高速運(yùn)動(dòng)的自由電子發(fā)生康普頓散射。每一次碰撞都改變了光子的方向，使其無(wú)法自由穿行，光子被囚禁在了微觀(guān)尺度。

這就像老舍筆下藝人胸中的曲調(diào)翻騰激蕩，卻被無(wú)形的枷鎖束縛。光，宇宙最基本的信使，在這片混沌的等離子海洋中“開(kāi)不了口”，無(wú)法將信息有效傳遞出去。宇宙被包裹在自己熾熱的光芒牢籠里，一片模糊不清。

02

光子退耦：宇宙的“第一聲啼哭”

宇宙并非靜止，它在膨脹中冷卻。大約在大爆炸后38萬(wàn)年，隨著溫度降至約3000開(kāi)爾文（約2700攝氏度）以下，自由電子與質(zhì)子結(jié)合的速度終于超過(guò)了被高能光子撞開(kāi)的速度，它們結(jié)合形成了中性的氫原子,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為復(fù)合（Recombination）。

與自由的電子與質(zhì)子相比，中性氫原子對(duì)光子的散射效率很低。宇宙從混沌、不透明的等離子體狀態(tài)，變得可以觀(guān)測(cè)了！被禁錮了38萬(wàn)年的光子第一次得以在宇宙空間中自由穿行，向所有方向發(fā)射出去。這便是宇宙的“開(kāi)口”時(shí)刻，它發(fā)出了創(chuàng)世以來(lái)的“第一聲”——原初光子。

三體中宇宙微波背景“閃爍”不可能的原因正是由于CMB的表現(xiàn)非常穩(wěn)定，而且是各向同性的。（來(lái)源：《三體》劇照）

光子退耦這一事件在宇宙中形成了一個(gè)球面，所有觀(guān)測(cè)到的CMB光子均來(lái)自這個(gè)球面，雖然我們將這個(gè)變化比喻成“第一聲啼哭”，但是這個(gè)過(guò)程并不是一瞬間完成的，這一階段大概持續(xù)了11.7萬(wàn)年，所以這個(gè)形成的球面也是有厚度存在。

03

紅移與“嘶啞的喉嚨”：百億年的時(shí)空旅程

然而，這“第一聲”并非我們今日所看到的CMB圖像。

宇宙在持續(xù)膨脹，空間本身在拉伸。這些自由的光子在穿越不斷膨脹的空間時(shí)，其波長(zhǎng)也被拉長(zhǎng)了。根據(jù)多普勒效應(yīng)的宇宙學(xué)版本——宇宙學(xué)紅移（Cosmological Redshift），光子的能量隨之降低，對(duì)應(yīng)的顏色（頻率）從最初釋放時(shí)的更高能的光，逐漸向光譜的紅端移動(dòng)，最終變成了能量極低的微波（Microwave）。

星系的紅移和藍(lán)移示意圖。當(dāng)星系向觀(guān)測(cè)者運(yùn)動(dòng)，光譜會(huì)向藍(lán)端移動(dòng)，反之則向紅端移動(dòng)。光譜中間的黑線(xiàn)是一條吸收譜線(xiàn)，在靜止坐標(biāo)系里譜線(xiàn)的位置完全由原子物理決定，它可以作為測(cè)量光譜移動(dòng)的探針。

根據(jù)能量密度公式可以推導(dǎo)出黑體輻射的冷卻公式：

這個(gè)公式也解釋了為什么隨著膨脹宇宙溫度會(huì)降低。

當(dāng)然結(jié)合氦合成器的溫度和重子質(zhì)量密度計(jì)算可以得到現(xiàn)在的微波背景輻射約為3.47K。今日我們探測(cè)到的CMB溫度僅為約2.745K，其輻射峰值位于微波波段（波長(zhǎng)約1.9毫米）。

艾青詩(shī)中那只鳥(niǎo)，穿越風(fēng)雨，喉嚨變得嘶啞。宇宙的“歌聲”同樣在跨越百億年的時(shí)空旅程中，被膨脹的時(shí)空無(wú)情地“拉伸”，能量被稀釋?zhuān)瑥淖畛跻鄣墓饷?/strong>“嘶啞”成了微弱、冰冷、幾乎均勻彌漫于整個(gè)天空的微波背景噪音。

04

捕捉“嘶啞的回響”：人類(lèi)的傾聽(tīng)與理解

1964年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜，使用一臺(tái)為衛(wèi)星通訊設(shè)計(jì)的射電望遠(yuǎn)鏡，意外地在微波波段探測(cè)到一種無(wú)法消除、各向同性的微弱“噪音”。他們排除了儀器故障、城市干擾，甚至一度以為是天線(xiàn)里的鴿子窩的影響，但是清理之后，噪音更加清晰了。這一結(jié)果令兩人十分沮喪，實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)密和精確已經(jīng)達(dá)到了力所能及的極限，還找不到噪聲產(chǎn)生的原因。

彭齊亞斯（右）與 威爾遜站在他們的天線(xiàn)旁

正在這時(shí)，實(shí)驗(yàn)站附近普林斯頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)天體物理學(xué)家迪克猜想宇宙在“振蕩”過(guò)程中會(huì)留下可觀(guān)測(cè)的背景輻射并建議兩人進(jìn)行觀(guān)測(cè)，最終得到“有效的天頂噪聲溫度的測(cè)量，得出一個(gè)比預(yù)期高約 3.5 K 的值。在我們觀(guān)察的限度以?xún)?nèi)，這個(gè)多余的溫度是各向同性的，非偏振的，并且沒(méi)有季節(jié)的變化。”

他們的發(fā)現(xiàn)（后獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）這微弱得幾乎被忽視的噪音，卻蘊(yùn)含著宇宙起源的驚人信息。通過(guò)精密測(cè)量CMB微小的溫度漲落（各向異性），科學(xué)家們?nèi)缤庾x宇宙的“密碼”，精確地描繪出宇宙的年齡（約138億年）、幾何形狀（幾乎平坦）、組成（約5%普通物質(zhì)，27%暗物質(zhì)，68%暗能量）以及早期密度擾動(dòng)的種子。

05

結(jié)語(yǔ)：跨越維度的“擁抱”

彭齊亞斯和威爾遜最初面對(duì)神秘噪音時(shí)的困惑與不懈探索，不正如老舍筆下藝人的內(nèi)心掙扎？最終捕捉并解讀這微弱信號(hào)的壯舉，則如那只鳥(niǎo)以嘶啞喉嚨完成的歌唱。穆旦詩(shī)中“帶血的手”擁抱站起的民族，象征著歷經(jīng)苦難后的新生與連接。人類(lèi)理解CMB的過(guò)程，正是用最精密的科學(xué)儀器、最堅(jiān)韌的理性意志，跨越百億年時(shí)空，去“擁抱”宇宙誕生之初發(fā)出的信號(hào)。

宇宙微波背景輻射，這來(lái)自創(chuàng)世之初的微弱回響，是宇宙在物理法則下完成的一次艱難而偉大的表達(dá)。它證明了，即使在最混沌、最禁錮的環(huán)境中，信息終將掙脫束縛；即使表達(dá)的過(guò)程會(huì)被時(shí)空扭曲、能量衰減，變得微弱嘶啞，但其核心信息依然頑強(qiáng)地穿越時(shí)空；最終，它會(huì)被擁有求知意志和探索能力的傾聽(tīng)者捕捉、理解并賦予意義，讓人類(lèi)得以一窺那個(gè)時(shí)空遙遠(yuǎn)處的歷史。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] physicsteam， 物理學(xué)史， https://enjoyphysics.cn/Article3336

[ 2 ] https://www.zhihu.com/question/14511905379

[ 3 ] Penzias, A. A., & Wilson, R. W. (1965). *"A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s"*. Astrophysical Journal, 142, 419–421.

[4] Singh, S. (2005). "Big Bang: The Origin of the Universe". Harper Perennial.

編輯：十一