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原子形成的时代 ， 也就是宇宙的年龄大约在30万年前温度约为3000K ， 这在某种程度上 ， 可以说是讲宇宙重新组建了 。 尽管事实是电子和原子核之前从未结合成原子 。 物理学解释起来就非常简单了 ， 在大约3000块以上的温度下 。 宇宙有一个 。 主要有质子 ， 电子和光子组成的电离等离子体组成 ， 其中包含一些氦核和微量的锂 。 这种等离子体的重要特征是它是 不透明的 ， 或者更准确地说 ， 光子的平均自由程远小于宇宙的视界大小 。 随着宇宙冷却和膨胀 ， 等离子体“重组”成中性原子 ， 首先是氦 ， 然后是氢 。
如果我们单独考虑氢 ， 复合过程可以用氢的平衡电离分数方程来描述， 重组后的光子会发生什么变化？一旦宇宙中的气体处于中性状态 ， 光子的平均自由程就会上升到远大于哈勃距离 。 然后 ， 宇宙充满了自由传播的光子背景 ， 其频率呈黑体分布 。 复合时 ， 背景辐射的温度为3000 K ， 并且随着宇宙膨胀光子红移 ， 使得光子的温度随着比例因子变化 ， 我们今天可以检测到这些光子 。 看着天空 ， 这个光子背景从各个方向均匀地来到我们身边 ， 观察到的温度为2.73 K 。 这使我们能够确定最后一个散射面的红移 。
【宇宙微波背景辐射，为宇宙学的大爆炸模型提供了具体的证据】这就是宇宙微波背景 。 因为通过观察越来越高的红移物体 ， 我们可以看到越来越远的时间 ， 我们可以将观察到的光子 ， 视为在红移处成像一个均匀的“最后散射表面” 。 最后一个散射表面 ， 从地球上 ， 我们看到微波从各个方向均匀辐射 ， 形成一个“球体”。 如果复合同时在任何地方以相同的方式发生 ， 辐射具有精确均匀的温度 。 事实上 ， 据观察 ， 辐射具有精确均匀的温度 ， 约为 10000 分之一！科学家们表示 ， 我们将考虑这种奇怪的各向同性所带来的难题 。
虽然观察到的辐射高度各向同性的 ， 但并非完全如此 。 从地球上看 ， 对辐射各向异性的最大贡献只是由于地球在空间中运动引起的多普勒频移 ， 更专业地说 ， 运动是地球相对于“共同运动”宇宙学参考系的运动 ， 光子在我们的运动方向上略微蓝移 ， 而在我们运动的相反方向上略微红移 。 这种蓝移、红移改变了辐射的温度 ， 因此该效应具有“偶极”温度各向异性的特征形式 。
这种偶极子各向异性 ， 是在 1970 年代由普林斯顿大学的科学家团队首次观察到的 。 他们发现辐射温度的偶极子变化约为0.003 K ， 对应于大约600公里/秒的地球特殊速度 ， 大致在狮子座的方向 。 然而 ， 偶极子各向异性是局部现象 。 辐射的任何内在的 ， 或原始的各向异性都可能具有更大的宇宙学意义 。 为了描述辐射的各向异性 ， 我们记得上次散射的表面在我们看来是红移的球面 。 因此 ， 用来描述辐射天空各向异性的自然参数 ， 是球谐函数的扩展 。
由于宇宙中没有首选方向 ， 物理与指数无关 ， 我们可以定义 ， 贡献仅仅是偶极各向异性 ， 直到发现偶极子各向异性十多年后 ， 名额通过1990 年发射的宇宙背景探索器 ， 卫星上的差分微波辐射计对各向异性进行了第一次观测。 观察到四极和更高的各向异性比偶极小两个数量级 。
这种各向异性代表了辐射本身的内在波动 ， 这是由于在重组时存在的宇宙物质中存在微小的原始密度波动 。 这些密度波动对物理意义重大 ， 首先是因为这些波动后来坍缩 ， 形成了宇宙中的所有结构 ， 从超级星系团到行星再到研究 ， 其次 ， 我们将看到 ， 在暴胀范式中 ， 原始密度涨落的形式 ， 构成了对极早期宇宙物理学的有力探索 。
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