宇宙诞生138亿年，为什么还能看到微波辐射？

宇宙浩渺，天道循环。〔冰岛〕拉克斯内斯：《独立之子》

宇宙诞生后已经138亿年，在我们的可观测宇宙中，我们依然可以看见大爆炸留下的微波辐射，而且十分均匀，如果地球不是宇宙的中心，那这又是为什么呢？宇宙的其他区域也会看到同样的微波背景吗？随着宇宙的膨胀，在未来微波背景会不会消失？今天就说下这几个问题！

首先我们回想一下宇宙的历史。

人类探测到宇宙微波背景是非常了不起的一件事。这个故事开始于大爆炸，或者更确切地说，开始于热大爆炸！

热大爆炸指的是大约138亿年前，当宇宙第一次从一种暴胀状态中出现，其中所有的能量都是空间本身固有的能量，在暴胀结束时，这种真空能量转换成物质、反物质和辐射的时候。我们可以把宇宙的暴胀状态想象成一个处于不稳定状态的量子场，就像山顶上的一个球，然后滚下山坡，进入山谷。

当球在山顶时，这时宇宙中只有真空能量，空间本身以指数速度膨胀。当球滚进山谷时，暴胀状态结束，并开始来回振荡，空间能量开始转换成物质、反物质和辐射：这一过程称为再加热。也就诞生了我们所称的：热大爆炸状态。其中一小部分真空能量被永久的锁定在了空间中，就是我们现在所知的暗能量。

暴胀结束后，宇宙仍在继续膨胀，但由于这时的宇宙充满了物质、反物质和辐射，它已不能在长时间保持一个非常大的膨胀率。在广义相对论中，膨胀率与宇宙的能量密度有关，即每单位体积有多少能量。

如果宇宙中所拥有的能量只是空间本身固有的能量，随着宇宙的膨胀，只是制造了更多的空空间，而能量密度保持不变。但是现在的宇宙中有了物质，它会随着宇宙的膨胀而稀释（变得不那么稠密）。除了物质还有辐射，在辐射的情况下，光的波长也会随着空间碰撞而延伸，而辐射的能量又取决于其波长，这就是为什么宇宙不仅密度会降低，而且随着时间的推移还会变冷。

空间碰撞物质密度降低（L），空间碰撞辐射密度不仅降低，而且波长也在变长（R）。

随着宇宙的膨胀和冷却，从一个一开始炽热、稠密、均匀、快速膨胀的状态到一个寒冷、稀疏、团块、缓慢膨胀的状态，这个过程中发生了大量重要的事件：

在宇宙最高能量下自然界的基本对称性被打破，使得物质多于反物质，产生了粒子静止质量之类的东西。宇宙持续冷却以至于光子能量降低，停止了自发形成物质/反物质对。多余的反物质被湮灭，留下物质，其于光子的比例为：每14亿个光子对应1个物质粒子。相互作用强度和速率显著下降，足以使中微子停止与宇宙中的其他一切相互作用。光子的温度下降到足以使第一个稳定的原子核形成，而不会立即被炸开。温度进一步下降，这样中性原子就可以稳定地形成。在这之后，密度过大的区域发展成恒星、星系和星系团，形成了我们今天看到的宇宙，同时光子能量由于持续的膨胀而继续下降。

微波辐射的起源

倒数第二步（中性原子形成）是宇宙微波背景（CMB）的起源。在此之前，所有的原子都被电离了，这意味着它们只是带正电的原子核和自由电子，沐浴在光子的海洋中。但是光子与电子的散射截面非常大，这意味着它们可以在很大范围内频繁的反弹。光子无法穿透这些带电粒子。

只有当宇宙冷却到中性时，光子才不再遇到自由电子，而是开始遇到中性的、稳定的原子。因为中性原子只吸收特定频率的光子，而大多数存在的光子并不在这些频率上，这些原子对宇宙中所有的光子来说都是透明的！

CMB发射前的离子化等离子体(L)，随后向中性宇宙过渡（R），宇宙开始对光子是透明的。

由于宇宙从一开始到诞生我们，膨胀和冷却的时间太久，那这些最后自由传播的辐射光子去哪了？它们并不会凭空消失，因此我们认识到了这样一个事实：在我们周围的区域，大爆炸产生的所有光线都在不断地从我们身边经过，已经持续了138亿年。

还有所有的恒星、星系、大型结构、气体云和宇宙空间都位于数千、数百万、数十亿甚至数百亿光年之外，它们的CMB光在很久很久以前就从我们面前经过了。

为什么我们依然可以看到均匀的微波背景

以地球为中心的宇宙对数视图。

现在回到最初的问题，我们仍然可以看到CMB。在我们看来，它（今天）相当于一个大约453亿光年远的表面。

我们现在还能看到宇宙微波背景辐射，而且各个方向上温度波动十分均匀，这一事实告诉我们一个非常重要的事实：从我们的角度来看，大爆炸同时发生在一个半径至少453亿光年的空间区域的任何地方。也就是我们的可观测宇宙内的任何地方都经历了大爆炸状态。

宇宙微波背景辐射不仅在各个方向都可见，而且在各个方向的温度都是一致的，这一事实告诉我们：在一个暴胀的宇宙中，可观测到的宇宙体积一定是从最初的10^-29米（小于质子体积的的万亿分之一）增加了至少10000,000,000,000,000,000,000倍。

我们今天看到的宇宙部分，最初可能比10^-29米的尺度还要小，但经过暴胀后最初的那片很小的空间的膨胀量可能比10^22倍还要大得多；对此没有上限。也就是说，暴胀发生后真实的宇宙可能是无限的。

当我们看宇宙微波背景时，它的均匀性和它的小尺度、小幅度的波动，以及宇宙没有任何区域看起来有什么不同。（宇宙并没有呈现出封闭的曲率)，仅从这一点我们就可以得出这样的结论：从我们的角度来看，大爆炸必定同时发生在一个大区域的任何地方。这就造成了，不论过多久，以我们地球为中心的可观测宇宙都会永远沐浴在大爆炸的低温辐射中。

暴胀理论给了我们一个关于暴胀持续时间和范围的下限，如果把它与我们可观测的宇宙联系起来。宇宙微波背景仍然存在的原因是：大爆炸发生在宇宙暴胀的末期，发生在一个非常大的区域，这个区域至少和我们观测到的宇宙微波背景一样大。而且很有可能，这个真实的区域要大得多，以至于宇宙中任何地方的观察者看到的CMB大致相同，在未来我们还会继续看到它（尽管红移得稍微远一些，但能量不会消失）一直到任意遥远的未来，只不过微波辐射会被碰撞到无线电波段。