都说宇宙微波背景是全宇宙的“第一束光”，这些光就像是一组快照，记录了宇宙最初的样子。既然是“第一束光”，那它应该在抵达地球之后就再也看不到才对呀，为什么我们能一直源源不断地看到它呢？

简短的回答一般是：因为它是充斥在整个宇宙中的背景辐射。但是这样的回答缺少直观印象，你很难把它和刚才说的“第一束光”联系起来。“第一束光怎么就成背景辐射了？背景辐射为什么就源源不断呢？”

回答这个问题之前，我们先要知道构成背景辐射的光子是怎么来的。故事要从 138 亿年前讲起……

当时的宇宙刚刚经历完暴胀阶段，在一片“夸克-胶子汤”中，由质子、中子构成的强子们已经陆陆续续登场。强子已经准备就绪，接下来就轮到轻子登场了。

轻子指的是电子、中微子这类不参与强相互作用的粒子，质量相对也比较轻。随着轻子的出现，宇宙正式进入了“轻子时期”。这一时期的宇宙原本没有光子，有的只是一些轻子和它们的反粒子，比如电子和正电子。但是随着正反物质的湮灭，一些物质转化成了能量以光子的形式释放出来，于是宇宙有了第一批光子。

不过此时的光子还不是今天背景辐射的光子。因为正反电子的湮灭过程在大于 60 亿度的环境下是可逆的，所以刚刚出现的光子在这种极端环境下又会变回一对正负电子，而正负电子碰撞后又会再次湮灭成光子。就在这样的不断拉扯过程中，宇宙的温度继续下降，直到低到逆反应不再发生，这时宇宙中的电子和光子才算稳定下来。

虽然光子有了，但是此时的宇宙仍然是一片漆黑。为什么呢？因为这些光子都被“禁锢”住了。

当初湮灭反应剩余的电子原本应该和原子核结合形成原子，但是此时的光子能量极高，它们就像无头苍蝇一样四处乱撞，电子刚准备和原子核“牵手”就被突然出现的“电灯泡”给撞飞了。不过对于光子来说，它也很委屈：我刚准备出去玩，结果到处是赶着约会的人，没走两步就被撞了回来，走都走不动。

这里发生的其实就是康普顿散射，自由电子的存在使得光子能够走的路程很短，表现出来就是此时的宇宙就像一团高密度物质，并不透明。

随着温度的继续下降，光子也累了，没有了“电灯泡”干扰，电子和原子核终于可以“有情人终成眷属”。同时对于光子来说，眼看赶着赴约的人越来越少，周围逐渐变得宽敞起来。摆脱了束缚，这下光子犹如脱缰的野马开始肆意驰骋，这个阶段被称为“光子退耦”，也叫“脱耦时期”。由于该阶段从宇宙尺度来说发生的比较迅速，因此光子解除束缚（也就是发生最后一次散射）的时间段非常短，所以它被称为“最后散射面”。

光子不是充斥在整个宇宙空间吗，为什么这里称为“面”呢？因为这是以观测者的我们为中心来说的。

由于光子的运动也要花时间，这意味着只有那些花了足够长时间到达地球的光子，才能被我们看到。这就形成了一个以我们为中心，半径为 138 亿光年的球形区域，这个球形区域的表面就是所谓的最后散射面，它也代表了我们所能够看到的最远的地方，也就是可观测宇宙的边界。考虑到宇宙一直在膨胀，如今这个边界已经膨胀到了大约 465 亿光年远的地方。这也回答了那个老生常谈的问题：为什么宇宙年龄才 138 亿岁，但是半径却达到了 465 亿光年。

这些和背景辐射有什么关系？欸，今天我们看到的背景辐射，其实就是由那些脱离了最后散射面的光子构成的。因为这些光子充斥在整个宇宙中，所以由它们带来的辐射也是一种充斥在宇宙中的辐射，因此被称为“背景辐射”。

理解了最后散射面的概念，“为什么背景辐射的光会源源不断”这个问题就很容易想明白了。

假设存在一个宇宙之外的上帝视角，在光子脱耦之前，它眼中的宇宙是一个炽热且不透明的混沌状态。

在大爆炸后大约 38 万年，这时候宇宙的温度已经降低到了大约 3000 度，此时的光子开始摆脱束缚自由驰骋。从上帝视角来看，这些光子一下子全都跑了出来，宇宙一下子整体变透明了。

但是作为身处宇宙之中的观测者，我们看到的情景并不一样。由于光速限制，我们先看到的是距离我们比较近的光子（因为这些光子能更快地到达我们），然后是距离较远的光子，然后是更远的光子，以此类推。

也就是说，我们每时每刻看到的背景辐射光子，其实都是比上一刻更远的光子；我们看到的每一幅背景辐射图像，其实都比上一幅更加古老。

明白了么，背景辐射以及最后散射面，它们都是针对具体的某个观测者来说的。位于宇宙不同地方的观测者，他们看到的背景辐射其实都和别人不太一样。不过由于这些光子是均匀散布在宇宙中，所以不同观测者看到的背景辐射差别并不会太大，这也是背景辐射均匀且各向同性的一种表现。

现在知道《三体》里“让背景辐射闪烁”这事有多离谱了吧？所以即使三体文明也只能通过伪造背景辐射的方式来实现。

如果把宇宙看做一个舞台，平时看到的恒星、星系包括类星体，它们只是舞台上的演员，而背景辐射则是整个舞台的背景。那在舞台背景之后呢？在更遥远的后台，那里的光子由于仍处于被禁锢状态，对我们来说那里仍然是一片混沌的黑暗之地。

所以呢，最后散射面其实就像一道屏障，它把宇宙分割成了前后两个部分。无论是人类还是外星人，对于宇宙中的每一个观测者来说，这道屏障的存在阻碍了我们窥探宇宙早期的秘密，尤其是关于宇宙起源的终极奥秘。宇宙微波背景是我们能够直接看到的宇宙最早景象，在那之后发生的事，理论上我们都还有机会去了解，但在那之前发生的事，我们是无论如何也无法“亲眼所见”，除非有什么信息能够突破这层屏障。

微波背景辐射由于它目前的温度接近 3K，所以也被称为“3K 背景辐射”。其实宇宙的背景辐射不止这一种，比如有一种辐射它比 3K 辐射更微弱，大约只有不到 2K，它就是中微子背景辐射。

中微子背景辐射和微波背景辐射类似，不过它形成的更早，大约出现在宇宙诞生后的 2 秒钟。刚才说了，其实宇宙中第一批光子差不多也是那个时候出现的，但是受重子、轻子的影响，光子被它们禁锢了大约 38 万年。为什么同一时期出现的中微子没被禁锢住呢？

没错，因为中微子它不参与电磁相互作用，也不参与强相互作用，加上它质量还非常小（甚至可能和光子一样没有质量），所以引力效应也完全可以忽略，因此中微子从诞生的那一刻起，就能畅通无阻地在宇宙中穿行，唯一能够限制它的恐怕只剩速度了。

宇宙中充斥着大量的中微子，而这些诞生于宇宙初期的中微子被称为“残留中微子”，顾名思义就是宇宙诞生之初残留下来的中微子。理论上大约每立方厘米就有 300 个残留中微子，它们都携带着屏障另一端的信息。

但是“成也萧何，败也萧何”，虽然中微子凭借它超强的穿透性，让我们有望一窥宇宙诞生之初的秘密，但是也正因为它的穿透性太强，使得中微子的探测本就困难，更何况是这种比微波背景温度还低、只有不到 2K 的背景。

不过除了中微子，理论上还有一种穿透力更强、一样可以突破屏障的东西，它就是引力。早期宇宙中可能存在一些剧烈的量子涨落，这种涨落会产生一种特殊的引力波，被称为“原初引力波”。不同于常见的黑洞或中子星合并产生的引力波，原初引力波的频率非常低，比上次说的那个纳赫兹引力波还要低好几个数量级，可以说是引力波家族中频率最低的，所以探测难度可想而知。

不过原初引力波若真的存在，那么理论上它会对最后散射面上的光子分布产生影响，这会导致微波背景图像中可能出现一些特殊的印记。所以虽然直接探测原初引力波难度依然很大，但是也许我们能在微波背景中发现一些端倪，以帮助我们解开那个旷日弥久的宇宙起源之谜。

参考资料：

• [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background

• [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe

• [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe

• [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_neutrino_background

• [5] https://www.zhihu.com/question/66071582/answer/2779916560

• [6] http://www.ihep.ac.cn/kxcb/kjqy/201604/W020160403557369479073.pdf

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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