【作者·黃媂】
俗話說 「人無遠慮，必有近憂」，我們每個人對自己的未來都會有考慮，當然有的人也會考慮的更加寬闊，更加長遠一些，譬如會考慮到整個社會、整個人類甚至整個宇宙，在古代有這麼一個成語「杞人憂天」，這個成語其實就是對於宇宙未來的一種思考。
有一位美國「未來學」的學者名字叫做「庫茲韋爾」，他說：
“宇宙的命運是一個未解之謎，我們將在時間合適的時候來明智地考慮它。”
但是天文學家認為現在應該已經到了可以考慮宇宙未來的時候了，為什麼會這麼說是因為現在「宇宙學」的研究已經進入到叫做「精確宇宙學」的時代。
宇宙學原理與「引力場方程」
宇宙學研究的開端可以追溯到1917年，愛因斯坦把他的廣義相對論的「引力場方程」應用到了整個宇宙的結構和演化的研究，引力場方程就反映了宇宙的結構，在方程裡面包含了兩個非常重要的量，一個是‘R’表徵的是宇宙彎曲程度，另一個是‘T’表徵的是宇宙裡面的能量和動量，所以可以簡單地認為宇宙裡面的能量和動量就決定了宇宙到底是一個什麼形態，它未來應該怎麼發展。而在方程裡面還有宇宙常數項，這是愛因斯坦人為加進去的一項。
圖解：引力場方程
引力場方程被很多科學家列為世界上最優美的方程之一，引力場方程非常複雜，要去求解它幾乎是不可能的，但是在一些特殊的前提假設下，還是可以得到引力場方程解的，這個假設就是指宇宙是均勻的和各向同性的，這就是宇宙學的原理，目前我們對宇宙的認識都是建立在宇宙學原理這個假設下面的。
- 宇宙是均勻的：
指的是在宇宙非常大的尺度上面物質的分佈到處都是一樣的，所以說宇宙沒有一箇中心也沒有一個邊界。
- 各項同性的：
反映的是在任何方向上看，看到的天文現象，得到的物理學的規律應該是完全相同的。
在宇宙學原理的假設下面可以得到引力場方程的解，這個解反映了宇宙要麼在膨脹、要麼在收縮，它主要取決於宇宙裡面包含的物質和能量的多少，這個解給出了宇宙演化的幾個模型：
- 第1個：宇宙先膨脹再收縮。
- 第2個：宇宙減速膨脹。
- 第3個：宇宙勻速膨脹。
- 第4個：宇宙在加速膨脹。
第1和第2個模型實際上描述的是宇宙膨脹之後，在引力的作用下膨脹的速率慢慢地發生了改變，如果引力足夠強它使得宇宙最終會發生收縮，如果引力不是那麼特別的強它還是會減緩膨脹的速度。
第3個描述的是在宇宙裡面沒有任何物質的話，那麼它的膨脹就應該以永遠不變的速度在進行的，這就是勻速膨脹。
第4個描述的是宇宙裡面有某種加速的力促使它進一步膨脹的話，這就是宇宙在加速膨脹。
宇宙演化的位形非常類似於我們在地球上發射火箭——如果火箭的速度不是很高的話，那麼火箭最終會落到地球的表面，如果速度足夠高，它可能會脫離引力的束縛，但是它的速度在引力的作用下會慢慢地降低，如果在火箭運行的過程中它不斷地額外得到能量進行加速的話，那麼火箭離開的速度就會越來越快，這與宇宙的幾種演化的位形是非常相似的。
諾貝爾級別的發現
1964年有兩位工程師發現了異乎尋常的電磁輻射，這兩位工程師來自於貝爾實驗室，他們的名字分別叫做彭齊亞斯和威爾遜，他們調試一架號角式天線的時候發現天線在天空的各個方向總會接受到一種噪音，這個噪音在各個方向它的強度是完全一樣的，並且噪音與季節、與地球的自轉沒有什麼聯繫。
彭齊亞斯和威爾遜就尋找了噪音各種可能的來源，排除了來自地球上、也排除了號角式天線本身結構或者其他因素影響，結果他們發現這個噪音是來自於宇宙的深層。
舉例說明：
還記得我們小時候使用過的電視機嗎？靠天線來接收電視信號的那種老式電視機，沒信號時屏幕上全是雪花狀圖紋以及嘶嘶作響的噪音，噪音裡面其實有一小部分就是來自於宇宙背景的噪音，因為噪音所處的頻段是在微波波段，所以把它稱為宇宙微波背景輻射。
宇宙微波背景輻射反映了什麼現象
在138億年前大爆炸開始了，這個時候的宇宙就像一鍋湯，裡面充滿了光和各種基本的微觀粒子，光和這些基本粒子會發生頻繁的相互作用，這使得光和粒子幾乎糾纏在一起直到某一個時刻，這個時刻稱為「複合期」，這個時候光和帶電的粒子開始分離了，光可以自由地穿梭了，於是這些光可以一直運行到今天從而被望遠鏡探測到，所以實際上看到的微波背景輻射就是來自於宇宙 複合期的光，這些光也是目前能夠接受到最遙遠的宇宙信息。
- 複合期反映了什麼物理過程？
在宇宙演化到38萬年的時候，隨著溫度持續地下降，電子和原子核開始結合了，在這之前大量自由的電子和光子不斷地發生碰撞散射光子，這使得光子幾乎沒法做長距離的運行，但是到了38萬年這個時刻，由於溫度的下降使得電子進入到原子核的束縛範圍，它們一起組成了中性的原子，於是光自由的運行的路程就開始顯著地加長了。
舉例說明：
複合期的物理過程就相當於我們在一個非常擁擠的游泳池裡面，假設你就是那個光子，你往任何一個方向游泳，你都會碰到其他人，所以在這種程度上也是寸步難行的，但是如果整個游泳池都清空了，這個時候你往任何方向游泳，都是非常自如的，微波背景輻射其實就是在這一時刻所發出來的光。
38萬年這個時刻宇宙的溫度大約是3000K，所以它所產生的輻射所對應的黑體溫度也是3000K，但是當光運行了將近138億年到達我們望遠鏡的時候，因為宇宙整體在膨脹，所以這個光的能量也因為膨脹而下降了或者說光紅移了，它的波長移到了微波的波段，對應的溫度大約是3K。
彭齊亞斯和威爾遜得到結果特別重要
因為在他們發現宇宙微波背景輻射之前，其實很早就有人預言了這個輻射，在1948年的時候阿爾法和赫爾曼，他們就通過對於大爆炸早期的演化預言我們應該可以得到溫度大約是5K的宇宙的背景輻射，阿爾法和赫爾曼發表之後，沒有什麼人關注，因為天文學家認為探測到這樣輻射的機會非常的渺茫。
到了1964年，在這一年有一批天文學家開始重新認識到背景輻射的重要性，皮布爾斯再次進行了計算，他發現這個宇宙背景輻射的溫度大約是10K左右，而他所在的研究團隊並且正在開始著手去建造一架望遠鏡去探測這個輻射，但是就在這個時候他們得到了消息，彭齊亞斯和威爾遜已經探測到了他們想要尋找的那個背景輻射。
彭齊亞斯和威爾遜在《天體物理學》雜誌上發表了一篇文章，介紹他們的研究成果，這篇文章非常簡短，就是這篇不到兩頁篇幅的文章讓他們在1978年獲得了諾貝爾物理學獎，因為這是人類第1次探測到宇宙的微波背景輻射。
彭齊亞斯和威爾遜觀測到的背景輻射只是在某一個特定波長上面得到的，所以為了更加整體地研究背景輻射的特性，在1989年美國發射了宇宙背景探測儀，簡稱‘COBE’，這個探測儀在從毫米到釐米整個波段，對宇宙的背景地進行了探測得到了一幅整體的圖像，圖像展示了宇宙的輻射譜，這是一個可以用2.7K的黑體輻射描述的一個輻射譜。
圖解：宇宙的輻射譜圖
背景輻射裡面還看到了極其微小的溫度變化，溫度的變化幅度只有十萬分一，這裡面其實隱藏著溫度和密度的漲落。繼‘COBE’探測儀之後又發射了‘WMAP’和‘PLANCK’衛星，它們都是用來研究微波背景輻射的溫度漲落。
（黃媂）總結：為什麼要研究溫度漲落？
因為溫度漲落對於物質世界的形成至關重要，星系、恆星、行星系統都是由於物質的聚集所導致的，現代的宇宙學認為這種聚集的原因是由於暗物質的聚集導致的，所以暗物質的聚集導致了可見物質或者正常物質的密度變化，而這種密度變化隨著宇宙的演化逐漸地放大擴展為今天我們看到的各個層次的天體，所以原初的密度漲落實際上是我們今天整個可見物質世界形成的種子。從背景輻射可以得到溫度漲落最終演化為今天的星系和恆星系統。正因為如此，在2006年‘COBE’項目的兩位領導人馬瑟和斯穆特獲得了諾貝爾的物理學獎。
【作者：太空生物學·黃媂】
【編輯：天體生物學·黃姤】
【旁述：餘生】
【黃媂】【科普新星培訓營】95後女學員，今日頭條青雲計劃精選文章獲獎者。創作有關（天體生物學領域.太空生物學領域.科學.科技.科研.科普）的文章，歡迎點贊.評論.轉發.關注互相學習。
