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在前面的文章中 ， 我们已经讲了从宇宙微波背景（CMB）的微小温度差异所能提取的信息 。 今天 ， 我们继续来看这些斑点 ， 顺便谈谈两个未能解释的谜团 。 但是 ， 在此之前 ， 我们需要稍微深入了解一些数学知识 。
让我们先看看下图这个奇怪的波形 。 当物理学家、数学家和电气工程师看到这种情况时 ， 他们会询问该函数是否可以分解为正弦波和余弦波的组合 。 这种数学形式称为傅里叶级数分析 ， 当我们对其应用适当的技术时 ， 我们会发现这个波形函数是许多纯正弦波的混合 。
在宇宙微波背景的研究中 ， 这种类似的方法也可以用来告诉我们一些信息 。 相信大家都看过下图这种CMB图像 ， 它是由普朗克卫星拍摄的 ， 最终版本于2018年公布 。 在图中 ， 红点温度比平均温度略高 ， 而蓝点越冷 ， 不过它们之间的变化小于0.01% 。 如果该图像令人困惑 ， 可以将CMB图像视为高尔夫球的表面 。 高尔夫球基本上是一些球形 ， 但它表面有许多小凹坑 ， 使它变得轻微地凹凸不平 。
宇宙学家是如何描述CMB的呢？就像刚才我们所举的数学例子一样 ， 他们做了类似的事情 ， 但使用的是球谐函数 。 这些球谐函数类似于我们刚刚看到的正弦波 ， 并且涉及一些称为勒让德多项式的复杂函数 。 请不要担心 ， 我们不需要任何深奥的数学知识 ， 会有许多图片帮助理解 。
首先来看一下简单的情况 ， 球谐函数最简单的方程是在南北极之间存在差异 ， 如下图1所示 ， 这相当于只波动一次的波函数 。 然后 ， 我们就可以扩展更复杂的情况 ， 南北极仍然是一冷一热 ， 但中间又多了额外的两条冷热纹路 ， 相当于波动两次的波函数 。 按照这个方式继续扩展 ， 我们可以得到许多不同的球谐函数 ， 具有各种波动模式 。 像傅里叶分析一样 ， 当我们把许多合适的球谐函数叠加在一起的时候 ， 我们就可以得到CMB的模式了 。
但是 ， 当我们查看这些球谐函数的方向时 ， 谜团就出现了 。 每个球谐函数都有一个轴 ， 轴一般来说不难确定 。 想象一下橄榄球 ， 它是一种扭曲的球体 ， 它有一个方向比其他方向更长 ， 轴沿着球最长的方向 。 所有这些球谐函数轴的方向都是随机的 ， 不应该有首选方向 。 然而 ， 当我们观察一些组成CMB的球谐函数的方向时 ， 它们似乎在同一个方向 ， 更奇怪的是还和太阳系的轴对齐 。
CMB大约是在137亿年前创建的 ， 而太阳系仅在45亿年前创建 ， 所以CMB不应该知道太阳系的存在 。 而两种方向的对齐又暗示着CMB和太阳系之间应该有某种联系 ， 这令人难以置信 。 处于这种原因 ， 天文学家称这种排列为邪恶轴 。 有些科学家认为这种奇怪的对齐可能只是偶然 ， 也可能是数据分析技术巧妙地塑造了数据 ， 这种对齐不太可能具有任何宇宙意义 ， 因为它会否定很多我们对宇宙学的了解 。 不过 ， 一些宇宙学家仍在研究数据 ， 试图弄清楚邪恶轴的含义 。
如果邪恶轴还不够诱人 ， 那么CMB中还有一个迷人的特征尚未得到满意的解释 ， 它就是宇宙冷点 。 宇宙微波背景的温度大约为2.7开尔文 ， 那些热点与冷点上下相差仅18微开尔文 ， 变化真的非常小 。 然而 ， 有一个地方非常令人费解 ， 它被称为宇宙冷点 ， 这个地方的平均温度比正常温度低了70微开尔文 ， 最冷的点甚至低了140微开尔文 。
那么 ， 是什么导致宇宙冷点的出现呢？最简单的解释是宇宙恰好是这样创造的 ， 这是一种可能性 。 但是 ， 有人提出了其他解释 ， 其中最吸引人的想法是 ， 冷点是宇宙大爆炸后我们的宇宙与另一个宇宙碰撞留下的痕迹 。 另外 ， 最被科学家认可的是 ， 在CMB和我们之间存在巨大的超空洞 ， 它是一个没有任何星系的区域 。 当CMB的光进入超空洞时 ， 也就是相当于光在远离物质 ， 根据广义相对论光会失去能量 ， 此时温度看起来就比较低 。
【宇宙微波背景的两个重要谜团，至今仍未得到解决】
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