前幾天我在悟空問答里看到了一個問題，有朋友問：我們小時候那種帶天線的電視機，沒台的時候，是不是接受到了宇宙微波背景輻射？這個問題很有趣，要是這個是真的，那麼我們兒時就接受到了宇宙早期的信號，真是偉大啊！所以我就查閱了一番，果真發現了一些有趣的東西！今天就聊下這個話題，我們的電視機有沒有接受到宇宙早期的餘暉？以及微波輻射會不會消失？

上個世紀我們對宇宙的觀察中，其中最最偉大的發現就是：在廣闊無垠、充滿恆星、行星、塵埃、氣體雲的宇宙包含了我們肉眼看不見的東西！如果把以上所有物質都從空間背景中抹去，那麼幾乎空無一物的宇宙還剩下什麼？真正意義上的真空？不，不，空間充滿了不可見的輻射！

星光紅移，宇宙在膨脹——大爆炸

今天，宇宙空間非常寒冷，比絕對零度高了不到3開爾文，並且宇宙還在不斷膨脹，星系之間的平均距離隨著時間的推移一直在增加。一個星系離我們越遠，它遠離我們速度就越快，發出的光也越接近光譜的紅端。

事實上，我們並不是觀測到了星系真的在遠離我們，就像是你看到一輛小汽車，從你面前呼嘯而過，然後快速的遠離你！然後說星系遠離我們了，它的光線發生了紅移！

而是我們先觀察到了星光發出的光移向了光譜的紅端，然後根據都卜勒效應，我們才說，波長被拉長了，空間在膨脹，星系在遠離我們！這個邏輯順序要清楚。

大爆炸是一個理論框架，它很好的解釋了以上的觀測結果，並引導我們看到了現在的宇宙圖景：宇宙現在正在膨脹、變冷！那麼人們就很容易想到宇宙在過去是不是比現在更熱、密度更大，一直往回推所以就推出了所謂的「奇點」！不過奇點這個說法只是為了讓我們更好的理解宇宙的開端，並沒有說它一定存在，這個並未得到證實，畢竟在大爆炸之前還有個暴漲階段！關於暴漲階段的所有事情，目前沒有任何已知的信息，都屬猜測！

微波輻射怎麼來的？它告訴了我們什麼

那麼根據宇宙膨脹，我們就能知道宇宙從大爆炸以後一直在冷卻、膨脹和稀釋，一直持續到現在。

在宇宙的早期階段，也就是暴漲結束後，真空勢能衰變到物質粒子中，宇宙進入了再加熱時期，溫度高達2000億開爾文，此時的夸克、膠子也是獨立存在的，形成了所謂的夸克膠子等離子湯！

隨著空間的膨脹冷卻，就導致了一系列的宇宙演化過程，首先是夸克和膠子組成重子物質，也就是我們熟知的質子和中子，隨後就是質子和中子結合組成原子核，直到原子核可以穩定的俘獲電子構成中性原子！這個過程宇宙已經經歷了38萬年。

中性原子的形成，意味著宇宙等離子體時代的結束，進入了透明時期，光子再也不用和各種帶電粒子互相碰撞，可以自由的翱翔了！這時殘留並且輻射出來光子，就是宇宙發出的第一道光，這些光穿過138億年的旅程最終帶著宇宙初期的所有信息到達了我們的視野！這就是大爆炸最偉大的預測！

大爆炸理論在20世紀60年代中期得到了關鍵的證實，當時阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和鮑勃·威爾遜(Bob Wilson)在全天空中探測到了大爆炸的終極預測：宇宙誕生遺留下來的黑體輻射背景滲透到了整個空間。

這種輻射向四面八方擴散，無處不在，在整個天空中分布的十分均勻。但是我們看宇宙微波背景輻射(CMB)的照片，看起來好像一點也不均勻。

這是因為在宇宙微波背景輻射里存在著微小的溫度波動，或者說與完美均勻背離那麼一點點。實際情況是，宇宙微波背景輻射的平均溫度是2.725 K，我們能看到的最大波動在100微開爾文，或者在0.0001 K的範圍內！上圖中藍色的深色區域，溫度更低，物質密度也更大，紅色區域的溫度稍高一點，物質密度也低一點。我們其實要感謝這種微小的差異，不然物質就不會在引力的作用下，凝聚成恆星、星系，當然也不會有我們！

如果地球上最高的山峰不是珠穆朗瑪峰，而是作為你默認的微軟視窗背景的那座山，微波背景輻射溫度的波動，就好比地球的高程地圖一樣。

雖然有波動，但從整體上來說，確實是從各個方向上統一的！而且微波背景輻射還遵循了一個非常特殊的分布：黑體光譜。其中在1989年發射的COBE衛星就證實了這一點，這是理論與歷史觀測數據之間最驚人的一次匹配。

我們的電視機有沒有接受到微波輻射?

電磁波中無線電波的波長在0.1毫米～3000米（微波0.1毫米~1米）

上圖就是空間背景輻射的波長、頻率以及強度！我們可以清楚地看到，背景輻射在微波波段達到了峰值，基本就位於微波區域，微波的波長換算成厘米就是0.01cm~100cm，可以和上圖測量到的輻射波長對比下，一目了然！

我們發現除了微波段，空間背景輻射不僅會延伸到短波（進入紅外線）區域，還會延伸到更長的波長，進入電磁頻譜的無線電部分。

早期電視機接收的頻道為1-12頻道(48.5~223 MHz)，根據c=λf，我們大致可以求出：波長範圍為1.35 m≤λ≤6.19 m！

這個接收波長的前部分和上圖對比一下，和微波背景輻射波長的範圍有重疊！如果你現在能找到一台老式兔耳朵天線舊電視，並將其設置為第二或者第三頻道，你所看到的「靜態」圖像，有一部分就是來自宇宙微波背景輻射！聽起來好高端啊，我們居然早就看到了大爆炸的餘暉！

即使你離開了地球，離開了太陽系，甚至從天空中抹去了所有的星系，這種無線電也會存在。這是大爆炸留下的空間輻射。

總結：宇宙空間的溫度會越來越低，但不會為0，微波輻射也不會消失

隨著宇宙不斷演化和膨脹，空間也在不斷冷卻。這意味著，如果我們回顧過去，空間殘留的輻射溫度應該更高。如果我們能測量一個遙遠星系的紅移（z），那麼那時的宇宙微波背景輻射的溫度應該和現在的溫度乘以（1 + z）一樣。

在一個星系的外圍，也就是遠離恆星或星系內部的塵埃區域，唯一能使星系外圍的氣體溫度不下降到絕對零度的原因是宇宙微波背景輻射。通過觀察一個位於72億光年之外的特殊遙遠星系(紅移z=0.89)，根據大爆炸理論的預測星系外圍的氣體溫度應該為5.14 K的氣體，是我們今天觀測到的微波輻射溫度2.725 K的兩倍。

實際的觀測結果為5.08±0.10 K，這個數值與大爆炸預測的5.14 K基本一致！

這就是宇宙微波輻射，和我們息息相關的充滿整個天空的輻射，也是我們小時候經常在電視里看到的輻射！我們還知道宇宙空間現在的比以往任何時候都要低，隨著時間的推移，溫度也將越來越低，但不會為零。因為宇宙在怎麼膨脹，輻射在怎麼衰減，也不會憑空消失，記住能量守恆定律！