诺贝尔物理学奖揭晓！他们开启了宇宙学研究的新时代( 二 )_2019年10月8日

一开始，宇宙中是一堆氢离子和氦离子以及电子组成等离子气体，并没有自由光子。在高中物理中，我们知道，氢原子的最低能级是-13.6电子伏特，所以，只要存在能量超过13.6ev的光子气体，氢原子里的电子就会被光子打出来，成为离子状态。这个时候的光子是不自由的，经常与电子碰撞，它们不能跑出来——这就好像一个电影明星穿过一个菜市场，大家都找她签名，明星是不自由的，根本跑不出那个菜市场。

当宇宙的温度降低到退耦温度（T=0.26eV，相当于3000K）以下时，质子与电子才会结合起来生成氢原子。当大多数自由电子被质子俘获后，光子就可以自由地在宇宙中传播，即宇宙对光子变得透明了——这发生在宇宙大爆炸的38万年以后。这就是我们能够观察到的宇宙中最早也是最古老的光，它携带了宇宙大爆炸后遗留下来的信息。由于宇宙学红移，现在观察到大爆炸后遗留下来光子频率的极大值已经移动到了微波波段，这就是宇宙微波背景辐射被发现的历史故事。

1965年，贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了宇宙最早的光。他们在波长为7.35厘米的长波段发现了温度为3.5K的不明信号——这个温度是根据电子学里的纳奎斯特定理估计出来的。这个信号非常特别，就是无论你如何改进探测仪器，它永远如影随形，不可消除。这个信号甚至与时间无关，与空间无关。也就是说，在任何季节，这个信号存在，在天空的任何方向，这个信号也存在。