高考期間最大的樂趣是什么？

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

比如今年全國一卷的

雖然咱都是經歷過高考作文的

但是看到這個題目還是就......就很.....

沉思一陣，轉念想想，我是學物理的

語文不行我可以物理來湊啊！

所以來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

當老舍筆下的鼓書藝人胸中翻騰卻“開不了口”，當艾青詩中那只鳥決意以“嘶啞的喉嚨歌唱”，當穆旦筆下“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意志。這種意志，竟在浩瀚宇宙的誕生史詩中，找到了跨越時空的物理回響：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之際發出的“第一聲啼哭”，一場穿越138億年光陰的壯麗表達，一塊記錄宇宙“民族“歷史的石碑！

01

混沌初開：宇宙的“開不了口”——光子與電子的囚籠

宇宙背景輻射是宇宙學中“大爆炸”遺留下來充滿整個宇宙的電磁波輻射，是一種黑體輻射（熱輻射）。

要想了解它，還得從138億年前，宇宙誕生于一個熾熱、致密的奇點講起。

在宇宙的極早期，經歷了普朗克時期和大統一時期之后，時間僅僅過去了10?3?至10?32秒。此時，宇宙是一片由膠子和夸克組成的熾熱濃湯。在這個階段，質子、中子等強子已經形成，而電子、中微子等輕子也陸續出現。緊接著，宇宙進入了指數級膨脹的暴漲階段。暴漲結束后，在大爆炸后的約5萬年之內，宇宙處于輻射主導時期，其能量主要以輻射形式存在，整體呈現高溫等離子態。 隨后，在宇宙大爆炸后約38萬年，宇宙進入物質-輻射退耦與復合時期： 電子與原子核結合形成中性原子，光子得以自由傳播，從而形成了我們今天觀測到的宇宙微波背景輻射。

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

該公式表明此時的光子平均自由程極短。早期宇宙的電子數約為當前宇宙密度的109倍，當時的宇宙半徑約為40萬光年，光子需要碰撞約1012次才能逃逸出去，也就相當于區區1012年吧~

空間中充滿的這些帶電粒子中光子是電磁輻射的載體，然而，這些光子一旦產生，就會立刻與無處不在的、高速運動的自由電子發生康普頓散射。每一次碰撞都改變了光子的方向，使其無法自由穿行，光子被囚禁在了微觀尺度。

這就像老舍筆下藝人胸中的曲調翻騰激蕩，卻被無形的枷鎖束縛。光，宇宙最基本的信使，在這片混沌的等離子海洋中“開不了口”，無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38萬年，隨著溫度降至約3000開爾文（約2700攝氏度）以下，自由電子與質子結合的速度終于超過了被高能光子撞開的速度，它們結合形成了中性的氫原子,這個過程稱為復合（Recombination）。

與自由的電子與質子相比，中性氫原子對光子的散射效率很低。宇宙從混沌、不透明的等離子體狀態，變得可以觀測了！被禁錮了38萬年的光子第一次得以在宇宙空間中自由穿行，向所有方向發射出去。這便是宇宙的“開口”時刻，它發出了創世以來的“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的表現非常穩定，而且是各向同性的。（來源：《三體》劇照）

光子退耦這一事件在宇宙中形成了一個球面，所有觀測到的CMB光子均來自這個球面，雖然我們將這個變化比喻成“第一聲啼哭”，但是這個過程并不是一瞬間完成的，這一階段大概持續了11.7萬年，所以這個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，其波長也被拉長了。根據多普勒效應的宇宙學版本——宇宙學紅移（Cosmological Redshift），光子的能量隨之降低，對應的顏色（頻率）從最初釋放時的更高能的光，逐漸向光譜的紅端移動，最終變成了能量極低的微波（Microwave）。

星系的紅移和藍移示意圖。當星系向觀測者運動，光譜會向藍端移動，反之則向紅端移動。光譜中間的黑線是一條吸收譜線，在靜止坐標系里譜線的位置完全由原子物理決定，它可以作為測量光譜移動的探針。

根據能量密度公式可以推導出黑體輻射的冷卻公式：

這個公式也解釋了為什么隨著膨脹宇宙溫度會降低。

當然結合氦合成器的溫度和重子質量密度計算可以得到現在的微波背景輻射約為3.47K。今日我們探測到的CMB溫度僅為約2.745K，其輻射峰值位于微波波段（波長約1.9毫米）。

艾青詩中那只鳥，穿越風雨，喉嚨變得嘶啞。宇宙的“歌聲”同樣在跨越百億年的時空旅程中，被膨脹的時空無情地“拉伸”，能量被稀釋，從最初耀眼的光芒“嘶啞”成了微弱、冰冷、幾乎均勻彌漫于整個天空的微波背景噪音。

04

捕捉“嘶啞的回響”：人類的傾聽與理解

1964年，美國貝爾實驗室的兩位工程師阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜，使用一臺為衛星通訊設計的射電望遠鏡，意外地在微波波段探測到一種無法消除、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里的鴿子窩的影響，但是清理之后，噪音更加清晰了。這一結果令兩人十分沮喪，實驗的嚴密和精確已經達到了力所能及的極限，還找不到噪聲產生的原因。

彭齊亞斯（右）與 威爾遜站在他們的天線旁

正在這時，實驗站附近普林斯頓大學的實驗天體物理學家迪克猜想宇宙在“振蕩”過程中會留下可觀測的背景輻射并建議兩人進行觀測，最終得到“有效的天頂噪聲溫度的測量，得出一個比預期高約 3.5 K 的值。在我們觀察的限度以內，這個多余的溫度是各向同性的，非偏振的，并且沒有季節的變化。”

他們的發現（后獲得諾貝爾物理學獎）這微弱得幾乎被忽視的噪音，卻蘊含著宇宙起源的驚人信息。通過精密測量CMB微小的溫度漲落（各向異性），科學家們如同解讀宇宙的“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，27%暗物質，68%暗能量）以及早期密度擾動的種子。

05

結語：跨越維度的“擁抱”

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

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

參考文獻

[ 1 ] physicsteam， 物理學史， 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

本文轉載自《中科院物理所》微信公眾號

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