如何看到宇宙光墙之外的景象？

咖啡豆

视频版 ↑ 文字版 ↓人类能“看”到最远的地方是哪？假如你有一台能看无限远的望远镜，那么你是会看到宇宙的边界，还是会看到自己的后脑勺呢？
由于光的传播也需要时间，相比近处的光子，远处的光子要想被我们看到，那需要花费更多的时间，所以越远的景象意味着它在时间上越早。比如我们看月亮，其实看的是它1秒前的样子；我们看太阳，其实看到的是它8分多钟前的样子；晚上你看到的大部分星星，其实都是它们N多年前的样子。那么当你看得足够远时，你是否能看到宇宙诞生时的景象，甚至是奇点？

道理是这个道理，但很可惜，假如你真能看这么远，那你看到的不是大爆炸的奇点，而会是一堵“墙”，一堵任何光都无法穿透的“光墙”，它阻止了你对宇宙之初的窥探。
这堵神秘的“光墙”就是今天宇宙微波背景辐射的来源，它被称为“最后散射面（Surface of last scattering）”。最后散射面你可以理解为，它是宇宙早期光子被禁锢的边界。因为在宇宙刚刚诞生后的几十万年里，宇宙中到处都是刚刚形成的质子、电子，密度非常高。高到什么程度呢？高到光子根本无法自由传播。这时候的宇宙就像一块不透光的固体，光子在里面就像个无头苍蝇，四处乱撞，但始终被困在原地，没法传播。
后来，随着空间膨胀，宇宙的温度降低到了大约3000K，此时质子和电子纷纷告别了“单身”，相互结合形成了氢原子。于是，先前的“光墙”轰然倒塌，光子第一次获得了自由，终于可以畅通无阻地在宇宙中驰骋。这些摆脱了束缚的光子，便是宇宙的“第一缕光”，也是我们能“看”到的最远、最早的景象，它便是“宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background, CMB）”。

也就是说，背景辐射（或者说最后散射面）它是我们的“视觉”极限，再远的景象由于位于“光墙”之后，我们无论如何也无法“亲眼所见”。

难道说，宇宙早期的记录就这么永远丢了吗？
“光墙”“光墙”，虽然光穿不过，不代表其他东西也穿不过。比如有一种东西，它就有着极强的穿透力，甚至于你连它的存在都很难感知到，此时此刻，就有上万亿个从我们身体中穿过。没错，它就是“中微子（Neutrino）”。和光子形成的微波背景辐射（CMB）类似，理论上宇宙中也充斥着中微子构成的背景辐射，这被称为“中微子背景辐射（Cosmic Neutrino Background, CNB）”。
这是一种极其微弱的辐射。目前微波背景辐射的温度只有不到3K，但中微子背景辐射的温度比它还低，大约仅有不到2K。中微子背景辐射微弱主要有两个原因。首先是它出现的更早。微波背景辐射出现在宇宙大爆炸后大约38万年的时候，而中微子背景辐射最早可能出现在大爆炸后2秒左右，更早的出现意味着它更早开始了降温。
其次，中微子因为不参与电磁相互作用，所以它不会像光子那样有吸收能量（比如正负电子湮灭）升温的机会。也正因为它不参与电磁相互作用，所以质子和电子无法像束缚光子一样束缚中微子，因此“光墙”对它来说形同虚设。
加上中微子也不参与强相互作用，质量也非常小（甚至可能和光子一样没有质量），所以它的引力效应也可以忽略，因此，中微子从诞生的那一刻起，便可畅通无阻地在宇宙中穿行。如今，理论上每立方厘米就有300个来自大爆炸的残留中微子，并且每一个都携带着“光墙”另一端的信息。
然而“成也萧何，败也萧何”，正因为它那极强的穿透性以及比微波背景还低的温度，这使得我们想探测到这些残留中微子变得极为困难。
不过好消息是，早期的宇宙除了密度高以外并不平静，那里可能出现过一些短暂但能量巨大的爆发，比如原初黑洞的形成、量子涨落导致的时空坍缩等等，这类事件会在极短时间内释放出一批能量极高的中微子。这些高能中微子的能谱结构很特别，与普通的背景中微子明显不同。只要这些中微子在最后散射面形成之前能保持足够高的能量，那么哪怕它们数量不多，只要探测器灵敏度够高，那还是有可能被我们发现的。
然而随着宇宙的膨胀，即便这些中微子的能量再高，如今，经过了漫长的时间洗礼，它们的波长早已被拉得非常长，能量所剩无几，现阶段想直接探测到它们十分困难。那有什么比较可行的间接办法吗？
既然这些中微子当初的能量很高，假如当时高能量的它对周围环境带来了某种影响，那这种影响一旦被保留下来，即便我们没法直接对它进行观测，那也能通过观察它带来的影响来间接获知“光墙”外面的情况。
比如有科学家认为，早期的这些高能中微子可能会局部加热周围的空间，以至于会在微波背景上留下微小但特殊的“热斑” 。倘若这种爆发非常频繁，那它们甚至能在整体上表现出一定的涨落。无论是单个的热斑还是整体的涨落，它们都会与标准宇宙学模型预测的有所不同。假如这类事件真的存在，未来更高精度的微波背景探测设备就有机会发现它。
除了会影响微波背景外，这种中微子还是有一定概率能与物质发生反应，释放出正电子。这些正电子一旦出现，很快就会和周围的电子发生湮灭，产生特定能量的伽马光子。这些伽马光子随着宇宙经过百亿年的膨胀，如今已经变成具有特定能量的软X射线。这些软X射线的频率非常特殊，不符合已有的任何天体物理现象。更关键的是，由于是X射线，所以现有设备理论上就能探测到它。假如后续我们真的在软X射线背景里发现了这种特定的能谱，那意味着我们或许第一次“看”到了“光墙”之外的样子。
当然，这些方法都属于间接推测，除非是直接探测到残留中微子，否则都不算直接“看”到“光墙”另一边。
其实除了中微子，理论上还有一个东西穿透力更强，“光墙”也拿它没辙，欸，就是引力。在宇宙的极早期（对，比中微子背景辐射出现的还早，大概在暴胀时期），当时高密度区域的量子涨落可能会催生出大量的低频引力波。这些低频引力波经过暴胀以及百亿年空间膨胀的“拉伸”，如今，它们的波长已经远远超过光年量级，它们就是科学家预言的“原初引力波（primordial gravitational waves）”。
无论是LIGO这样的“地基”引力波探测器，还是LISA这样的“天基”引力波探测器，面对这种极低频率的引力波，它们全都无能为力。目前唯一可行的方法是一种被称为“脉冲星计时阵列（Pulsar Timing Array, PTA）”的方式。因为脉冲星的距离至少是以“光年”来计，如果能够选取多颗脉冲星，把它们组成阵列，那就相当于构建了一个光年尺度的引力波探测器，理论上能够探测到nHz级别、甚至是上千年才振荡一次的pHz级别的引力波。但是即使是这样，探测原初引力波仍然是一项极为困难的挑战。

不管是原初引力波，还是宇宙早期的高能中微子，假如有一天我们真的捕捉到了它们，那对人类来说绝对是个里程碑式的事件。因为它意味着我们对宇宙早期的研究终于可以跳出理论推测的桎梏，真正得以窥见“光墙”之外、宇宙诞生之初的终极图景。

[1] Leo Stodolsky and Joseph Silk. Positron signal from the early Univere. Physical Review D. 111, L121304. (2025) [2] Leo Stodolsky and Joseph Silk. Signals of Bursts from the Very Early Universe. The Astrophysical Journal. 992(2). 197. (2025)

meto

小时候总抬头看星星，没想到看到的可能是几百年前的光，宇宙真是奇妙啊！

com2

谢谢楼主分享！

yzszh64

谢谢分享。