2007/06/07吳建宏｜中央研究院物理研究所 資料來源 :《科學發展》2007年，414期

1963年，美國貝爾實驗室的彭齊亞斯（A. Penzias）和威爾森（R. Wilson）利用微波天線接收機，無意中發現了宇宙微波背景輻射，為大霹靂理論提供了最重要的證據。之後，科學家競相測量宇宙微波背景輻射的各向異性，尋找宇宙結構與星系的起源。 1992年，美國航空暨太空總署（NASA）的宇宙背景探索者（COBE）衛星，探測到宇宙微波背景輻射的各向異性時，這項發現甚至被比喻為「看見上帝的手」。負責宇宙背景探索計畫的兩位科學家馬德爾（J. Mather）與史穆特（G. Smoot），因研究成果強化了宇宙演化的大霹靂理論，共同獲得去（2006）年的諾貝爾物理學獎。

宇宙的起點：大霹靂

1910年代，理論宇宙學家應用愛因斯坦方程式來探討宇宙的動力學，推算出宇宙在不斷地膨脹中。可是當時的天文觀測技術落後，沒有足夠的數據驗證這個學說。到了1920年代，天文學家哈伯（E. Hubble）陸續發現遙遠的星系有紅移現象，也就是說，這些遠方星系是以很高的速度遠離我們所處的星系，表示星系之間的距離隨著時間在增加，印證了宇宙膨脹學說。後來這學說被稱為宇宙的「大霹靂模型」（Hot Big-Bang Model）。此後，宇宙學便從純粹理論的階段推進到一門實質的科學。 我們對宇宙的了解，今非昔比。近40年來，大型的天文望遠鏡如雨後春筍般出現，尤其是90年代升空的哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope），更能窺探宇宙深遠的星系。如今，宇宙學家大致上有了一個宇宙演化的圖像，他們認為構成宇宙的物質有兩種 ﹕重子物質和非重子物質。 重子物質是一般我們所熟悉的物質，大部分是氫和氦，也就是組成地球、太陽、星系等的物質。非重子物質是所謂的「暗物質」（dark matter），它比重子物質多好多倍。暗物質不會發出亮光，相互作用非常微弱，只有在重力作用下會產生塌陷，對大尺度結構及星系的形成具有決定性的作用。 宇宙初期是一小團密度極高且極為炙熱的電漿，由處於熱平衡狀態的基本粒子所組成（如構成質子、中子的夸克、電子等）。宇宙的體積不斷地膨脹，它的溫度便逐漸降低，當宇宙的溫度下降到約攝氏1013度時，夸克會結合成為質子和中子，此外還有剩餘的電子和熱輻射。當溫度再下降到約攝氏1010度時，質子和中子便產生核反應，製造出氫、氦等較輕的原子核。溫度降到了約攝氏1萬2千與3千度之間，氦與氫原子核便先後與周遭的電子結合成氦氣和氫氣。 之後，經過140億年的膨脹及冷卻後，今天宇宙的溫度大約是絕對溫度3度（3K），相當於攝氏零下270度！

在宇宙膨脹、冷卻的過程中，暗物質密度較高的部分受到內在重力的吸引漸漸聚合，最後經過重力塌陷形成暗暈。這些暗暈隨後成為重力中心，吸引其他氣體形成星系雛形，最後演變成星系和星系團。 如何知道幾億年前的宇宙？輻射告訴你 我們除了利用天文望遠鏡測量星系的紅移現象、描繪星系間的大尺度結構外，還採用微波天線來探測大霹靂遺留下來的3K熱輻射背景。 3K熱輻射主要的成分是微波，我們便稱它為「宇宙微波背景輻射」。1963年，美國貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾森利用微波天線接收機，發現了宇宙大爆炸後遺留下來的宇宙微波背景輻射，為大霹靂模型提供了最重要的證據，他們兩人因此共同獲得1978年的諾貝爾物理學獎。

宇宙微波背景輻射不僅是大霹靂遺留下來的熱輻射，更重要的是，它隱藏著140億年前宇宙的真貌、大尺度結構、星系形成的起源等重要訊息。大霹靂後經過約38萬年的時間，宇宙的溫度降到大約攝氏3千度，電漿中的正電離子漸漸與周遭的電子結合成中性原子，整個宇宙頓然變成中性。此外，當熱輻射的溫度降到攝氏3千度時，輻射中的光子多數是紅外線，因為所帶的能量太低，再也不能激發周圍的中性原子，我們稱這個時期為「宇宙最後散射面」。此後，熱輻射便慢慢地與宇宙中的物質失去接觸，不再與物質產生相互作用，而獨自成為宇宙背景輻射，整個宇宙也變成透明。