最后更新：2025年10月18日

宇宙微波背景辐射：大爆炸的热回声

普朗克卫星测量的宇宙微波背景图 — *普朗克卫星（欧空局）拍摄的全天红外图，展示了宇宙微波背景辐射的温度波动。图片来源：欧空局——普朗克任务*

大爆炸的化石辐射

宇宙微波背景辐射（CMB）是大爆炸约38万年后释放的残余电磁辐射。彼时宇宙已充分冷却，足以形成首批氢原子，使宇宙对光线变得透明。这种曾充满整个空间的辐射，因宇宙膨胀被拉伸至厘米级波长，对应现今平均温度\(2.725\ \text{K}\)。

近乎完美的黑体

COBE卫星（1989年）、WMAP（2001-2010年）以及普朗克卫星（2009-2013年）的测量结果表明，宇宙微波背景辐射（CMB）的频谱极其符合黑体辐射定律。

该频谱分布表明，宇宙微波背景辐射是处于平衡态的热辐射，由曾经持续相互作用的光子、电子和质子构成的等离子体发射。

注：黑体是一个完美的物理系统，能完全吸收所有入射能量，并仅根据其温度重新辐射能量。其光谱由普朗克定律描述，该定律将光谱能量密度与频率 \(\nu\) 和温度 \(T\) 关联为： \(\displaystyle B(\nu, T) = \frac{2h\nu^3}{c^2}\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}\)。宇宙微波背景辐射是黑体辐射最著名的自然实例，其与理论的偏差小于 \(10^{-5}\)。

各向异性：首次涨落的印记

尽管宇宙微波背景辐射具有显著的均匀性，但仍表现出微小的各向异性（温度涨落幅度约为 \(10^{-5}\)）。这些不均匀性是原始量子涨落经宇宙膨胀放大后留下的印记，它们后来成为宇宙大尺度结构形成的种子。

WMAP和普朗克任务以前所未有的精度绘制了这些各向异性，为哈勃常数\(H_0\)、物质密度\(\Omega_m\)和暗能量密度\(\Omega_\Lambda\)等宇宙学参数提供了关键约束。

原初宇宙的极化与记忆

宇宙微波背景辐射的偏振现象提供了关于复合时期之前物理过程的额外信息。特别是，探测到B模偏振模式可能揭示原始引力波的存在，这一现象由艾伦·古斯（生于1947年）提出的宇宙暴胀理论所预言。

这些引力波会在化石辐射的结构中留下微弱的印记，从而为宇宙历史最初的 \(10^{-35}\ \text{秒}\) 提供间接检验。

基础物理之窗

宇宙微波背景不仅是过去的遗迹，更是通往基础物理学的窗口。其光谱与偏振中测量到的微小偏差，检验着FLRW宇宙模型以及阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）广义相对论的预言。

对宇宙微波背景辐射的分析证实，我们的宇宙在空间上是平坦的，精度优于0.4%，可见物质仅占宇宙总能量含量的约5%，其余部分由暗物质和暗能量共同构成。

注：宇宙微波背景辐射在可见光波段不可观测，因其初始为红外辐射，经膨胀因子\((1 + z) \approx 1100\)拉伸后，当前频谱峰值约位于\(160\ \text{GHz}\)处。

任务	时期	机构	主要结果
COBE	1989-1993	美国国家航空航天局	黑体谱的确认及首次探测到的各向异性
WMAP	2001-2010	美国国家航空航天局	各向异性的详细测绘与宇宙学参数的精细化
普朗克	2009-2013	ESA	测量平均温度 \(T = 2.7255\ \text{K}\) 及宇宙平坦度