来源：数字北京科学中心
你知道下面这个花花绿绿的大球是什么吗？
来源|北京科学中心小球大世界主题展教区说出它的“身世”你可能会吓一跳，它是宇宙诞生后发出的第一缕光，穿越了约138亿年时光被我们观测并描绘了出来，学名叫做宇宙微波背景辐射。
你知道吗？宇宙微波背景辐射无处不在，时时刻刻“萦绕”在我们身边，当你仰望天空，它就正以光速向你冲来。
这创世的第一缕光到底是怎样的存在？138亿年里它都经历些什么？是谁第一个发现了它的存在？
这还要从80多年前那两个掏鸽子窝的无线电工程师说起……
消除不掉的神秘噪音
上世纪六十年代，贝尔实验室的两名无线电工程师，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊，正被一种神秘的噪音搞得焦头烂额。
那时，他们正在调试一台位于新泽西州的喇叭天线，试图用它接收从卫星传来的微波信号，想用微波来实现地面与卫星之间的通信。为了让接收到的信号更清晰，实现高效的通信，他们首先要尽可能地将干扰消除，把噪声降到最低。
阿诺·彭齐亚斯、罗伯特·威尔逊，以及Holmdel 喇叭形天线。来源|Bell Labs一开始还算顺利，但随着工作的进行他们发现在4080MHz的频率附近，总能收到一种奇怪的噪音。这个频率的噪音对应的能量相当于一个3开尔文的理想黑体辐射出的能量。
阿诺·彭齐亚斯、罗伯特·威尔逊，以及Holmdel 喇叭形天线。来源|NASA更奇怪的是这种鬼魅般的噪音似乎是凭空出现的，没有一个明确的源头，无论他们将天线对准天空的哪个方向，都能侦测到同样强度的噪音。
他们一度怀疑噪音来自天线里的鸽子窝以及鸽子在天线上留下的粪便，阿诺·彭齐亚斯还将鸽子粪称为“白色的介电物质”。
于是，他们一举“端了”鸽子窝，赶走了鸽子，清洗了天线上的鸽子粪，还顺便重新组装了天线，给设备的里里外外做了一次大扫除，把周边可能影响到信号质量的杂物都清理一空。
鸽子：咕咕咕？就知道把锅甩给我！来源|unsplash然而，令人失望的是这种神秘的噪音依然存在。
莫非这个噪音不是来自地球，而是源于浩瀚的太空？
这时，一位来自普林斯顿大学的天体物理学家注意到了这两个人，并且觉得事情并没有那么简单，他的名字叫罗伯特·亨利·迪克。
迪克：我就知道事情没有那么简单！来源|Wikipedia1965年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊将他们关于神秘噪音的发现发表在了《天体物理学报》上，论文题目是《在4080兆赫上额外天线温度的测量》。随后，迪克和其他天体物理学家对阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊描述的现象做出了解释。
其实，天线里烦人的噪音正是天体物理学家苦苦追寻的宇宙微波背景辐射，这个发现为宇宙大爆炸理论提供了有力的证据。小小的噪音里，暗藏着宇宙起源之谜。
小伙伴们是不是跟不上节奏了？怎么噪音就成揭示宇宙秘密的关键了？这就不得不说起那篇愚人节发表的“搞笑的论文”。
“谐音梗”论文与被玩坏的第二作者
1948年4月1日愚人节，一篇诡异的文章赫然出现在了《物理评论》中，文章的作者分别是：阿尔菲、贝特和伽莫夫，正好与前三个希腊字母α、β、γ谐音。
其实，对这篇文章真正有贡献的只有伽莫夫和他的学生阿尔菲，不过当发表日期与作者署名同时映入伽莫夫的脑海时，奇怪的事情发生了！
他竟然把一个从未参与到他们研究的人名强行加到了第二作者的位置，这个人就是汉斯·贝特。这可以算是学术界最著名的恶作剧之一了。
依次是阿尔菲、贝特、伽莫夫。来源|francis.naukas.com比论文署名更让人吃惊的是文章的内容，伽莫夫和他的学生们发展了牧师、天体物理学家勒梅特的学说，认为宇宙最初是一个体积不大的“大火球”，“大火球”不断变大、冷却，形成了各种化学元素，最终演变成今天的宇宙。
同为物理学家的但持反对观点的弗雷德·霍伊尔给这个学说起了一个名字——大爆炸（Big Bang），这便是宇宙大爆炸这个词的来源。
伽莫夫等人根据自己提出的假说推算出了宇宙中的氦元素丰度，并预言现今宇宙中存在背景辐射，辐射的能量相当于温度为5至10开尔文的理想黑体。
说到这儿，小伙伴们是不是已经反应过来了，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊观测到的噪声难道就是伽莫夫预言中的背景辐射？
答案正是如此，物理学家苦苦追寻多年的宇宙背景辐射就这样被两位无线电工程师误打误撞地发现了。
这个发现鼓舞了天体物理学家，一代代科学家与工程师开始投入到对宇宙微波背景辐射更精细的测量工作中。阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊也因此获得1978年诺贝尔物理学奖。
来源|nobelprize.org目前，主流的学术观点认为在宇宙诞生后的大概第38万个年头，光子“解脱了束缚”（物质与辐射退耦合）得以向外辐射，那时的辐射相当于一个温度约3000开尔文的黑体。随着宇宙的膨胀，辐射向外传播，由于红移效应，现在的宇宙背景辐射仅相当于一个温度约3开尔文的黑体。
更精细的观测
自阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊之后，天体物理学家开展了一系列更精细的观测，其中有三个探测器最为瞩目，它们分别是1989年至1996年运行的宇宙背景探测者卫星（COBE）；2001年发射2010年退役的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）；2009年升空的普朗克卫星（Planck）。
COBE、WMAP、Planck得到的结果对比，随着技术进步，人们得以观测到宇宙微波背景辐射更多的细节。来源|NASA/JPL-Caltech/ESA正如之前所讲，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊用微波天线观测到的宇宙微波背景辐射在天空的各个方向基本上是完全相同的，十分地均匀。这也与人们猜想基本一致，来自早期宇宙的光在宇宙膨胀的同时基本上是均匀地向外辐射的，光的频率也随之降低。
然而，以COBE、WMAP、Planck为代表的更精细的观测发现，宇宙微波背景在黑体辐射光谱的平均温度约为2.72548开尔文，并且它不是完全均匀的，而是在不同方向有着微小的起伏，起伏的范围在平均温度上下万分之二开尔文之间。
人们发现宇宙微波背景辐射并不是均匀的，并通过更精细的观测一步步发现了它的细节。图中央温度较高的信号来自银河系，可通过一些手段消除。来源|NASA可别小看“不均匀”三个字（物理学上叫做各向异性），这些细微的不均匀性是由于光子在旅途中与天体发生了相互作用，它们也因此携带了这些天体的信息。如同信使一般，为我们带来宇宙深处的消息。从这上下万分之二开尔文的起伏之间科学家可能解读出宇宙演化过程中的秘密。
上图为宇宙微波背景辐射在全天空的分布，越红表示辐射对应的温度越高，越蓝则代表辐射的温度越低，辐射平均温度约2.7开尔文，范围在平均温度上下万分之二开尔文。原始数据与图像来自美国国家航空航天局威尔金森微波各向异性探测项目（NASA WMAP Science Team）来源|北京科学中心小球大世界主题展教区对此，物理学家提出了许多理论与假说，比如有些物理学家提出宇宙中的高能电子可能会把自己的一部分能量转移给微波背景辐射中的光子，使得这些光子的能量增加（这个过程叫逆康普顿散射），解释了微波背景辐射中为什么有一部分区域温度更高，这被称为Sunyaev-Zel‘dovich效应。
此外，物理学家还拓展了观测的频率范围，观察了几个典型波段下辐射的温度分布。
几个典型频率下的背景辐射，中央的温度较高的信号来自银河系，越红表示辐射对应的温度越高，越蓝则代表辐射的温度越低。原始数据与图像来自美国国家航空航天局威尔金森微波各向异性探测项目（NASA WMAP Science Team）来源|北京科学中心小球大世界主题展教区
把球面展开来看几个典型频率下的背景辐射，中央的温度较高的信号来自银河系，越红表示辐射对应的温度越高，越蓝则代表辐射的温度越低来源|美国国家航空航天局威尔金森微波各向异性探测项目（NASA WMAP Science Team）光波本质是电磁场振荡的传播，而振荡是有方向的，这被称为光的偏振。人们意识到来自不同方向的背景辐射的偏振情况也是不同的，于是出现了大量关于背景辐射偏振情况分布的研究。
包含偏振信息的宇宙微波背景辐射在全天空的分布来源|美国国家航空航天局威尔金森微波各向异性探测项目（NASA WMAP Science Team）；北京科学中心小球大世界主题展教区虽然人们已经从微波背景辐射中发现了许多宇宙的秘密，但是关于宇宙的大尺度结构与宇宙的起源仍有许多未解之谜，我们至今还没有一套完整的模型来描述我们的宇宙。
曾有学者将宇宙微波背景辐射比作宇宙学研究的“富矿”。随着普朗克卫星的发射，我们能看到微波背景辐射中更多的细节，然而人类目前从中解读出的信息可能依然只是“冰山一角”，在宇宙138亿年的历史中，仍有许多“故事”等待我们去发现。
