人類從宇宙中獲得的絕大部分信息來自於光。
人類從宇宙中獲得的最古老的信息來自於宇宙中最古老的光。這縷最古老的光有個專門的名字，叫做微波背景輻射（Cosmic Microwave Background 簡稱CMB）。微波背景輻射給我們講述了宇宙小時候的許多故事，其中最詭異的故事莫過於宇宙的邪惡軸心了。
宇宙的“第一縷光”
故事是這樣的。我們的宇宙一直在膨脹啊膨脹，已經近137億歲了。如果逆著時間之河的方向去看宇宙的小時候，我們會發現，那時所有的物質應該都擠在很小的一片區域內。宇宙的年齡越小的時候，宇宙的“體積”就越小，物質被擠壓的越緊密，那時宇宙的溫度也就越高。如果再順著這個邏輯推導下去，那麽我們不得不認為宇宙誕生於一次“大爆炸”。美劇《The Big Bang Theory》的片頭曲就是這麽唱的：
“Our whole universe was in a hot dense state, Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait…”（我們的宇宙曾處於炎熱致密的狀態， 然後大約一百四十億年前它開始膨脹。 等一下…… ）
宇宙誕生之後，先是經曆了一段不為人知的量子時期，然後是加速膨脹的暴脹時期（見《娶不到媳婦怨宇宙》）。暴脹結束之後的一瞬間，宇宙是一鍋高溫的基本粒子湯，還沒有形成原子。經過了“最初三分鍾”的原初核合成的過程，宇宙的化學元素組成才比較接近我們今天看到的模樣。
大爆炸之後的宇宙，宇宙處於紅線部分時發出的光事實上是無法到達地球的。因此，最“古老”的光應該在這之後出現。（本圖片來自“宇宙學中你需要知道的五件事情”）
那時候宇宙的溫度仍然有幾萬K，比現在太陽表麵的溫度（約6000K）還要高。這麽高的溫度自然要伴隨著強烈的發光過程。由於溫度很高，發出的光的能量也很高，“壽命”也就很短：還沒跑出多遠，很快就被附近的原子（主要是氫和氦）吸收，使後者都電離成原子核和電子了。
隨著宇宙的膨脹，溫度越來越低，宇宙中高能光子的比例漸漸減少，而低能光子的比例卻漸漸增多了。在宇宙大約38萬歲時（仍然是幼兒時期），宇宙的溫度降低到了約3000K。此時的高能光子寥寥無幾，而低能光子又沒有足夠的能量再把中性原子拆散成原子核和電子了。從此，中性原子們“無視”了低能光子的存在，任由它們在宇宙中自由穿行，這才有了宇宙的“第一縷光”[1]。
WMAP——“第一縷光”的微波照相機
“第一縷光”發出時宇宙的溫度有3000K。要知道把加熱到1000K的鐵就已經能發出暗紅色的光來，3000K宇宙背景還不把黑夜照的跟白晝一樣？可是從38萬歲到現在的一百多億年間，宇宙的尺度變大了1100多倍，這些在宇宙中旅行的光的波長也像房價一樣被拉長了1100多倍。波長所對應的溫度也有原來的3000K降低到了2.725K，僅僅比絕對零度高出一點點。人類懂得仰望星空時，宇宙的“第一縷光”早已成為“嘶嘶”的微波背景輻射。因此，當美國貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜在1964年驚奇的發現，天空中存在各向同性的，不隨時間和季節變化的微波噪聲時，他們最自然的想法是天線上的鳥糞和鴿子窩在作怪。
宇宙的尺度膨脹多少倍，宇宙光波的波長就膨脹多少倍——當然，光波的能量也就隨之降低多少倍。（來源同上）
為了獲取宇宙留給我們的最古老的信息，科學家們準備了許多“微波照相機”。例如，1989年11月，宇宙微波背景探測器（Cosmic Background Explorer，簡稱COBE）由NASA發射升空。1998年和2003年，“飛鏢”球載望遠鏡（Boomerang）乘坐熱氣球兩次在南極洲升空。2001年6月，威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）由NASA發射升空。2009年5月，普朗克巡天者（Planck）由歐洲空間局和NASA共同發射升空。到目前為止，已成功發回數據的“微波照相機”中，精確度最高，影響力最大的當屬WMAP了。
David Todd Wilkinson，1935-2002
WMAP的名字是這麽一回事。在彭齊亞斯和威爾遜正為了鳥糞和鴿子窩而犯迷糊時，美國的天文學家威爾金森等人已經試圖著手探測微波背景輻射了。得知彭齊亞斯和威爾遜發現天線有微波噪聲的事情之後，威爾金森等人撰文指出，不用擦鳥糞掏鴿子窩了，噪聲的來源不是它們，而是宇宙。1978年，彭齊亞斯和威爾遜被授予諾貝爾物理學獎，其中威爾金森等人的解釋性工作功不可沒。為了紀念威爾金森這位偉大先驅者，探測器就以他的名字命名。
WMAP是為了繼它的前任COBE之後，以更高的精度來探測微波背景輻射的各向異性，所以叫做各向異性探測器。宇宙學家們認為，既然我們的宇宙已經形成了恒星、星係、星係團等結構，就說明宇宙小時候，物質的分布不是絕對均勻的。這裏多一點點，那裏少一點點，這樣由於萬有引力和宇宙膨脹的共同作用，才能形成宇宙今天的樣子。既然微波背景輻射是宇宙小時候的第一張“照片”，那麽這個原初的不均勻性就應該在照片上有所體現。也就是說，我們探測到的微波背景輻射應該是這裏熱一點點，那裏冷一點點，否則，宇宙現在就不可能是這個樣子。
1992年，COBE發回的數據證實，微波背景輻射確實存在各向異性，這個溫度的漲落大約在十萬分之五，正好符合宇宙學的預期。2006年，COBE小組領導人的斯穆特（Smoot）和馬瑟（Mather）獲得諾貝爾物理學獎。
三代探測器的精度對比，從上往下依次是，Horn，COBE，WMAP。中間的高溫主要來自於銀河係。
COBE圓滿的完成了任務，那麽比它分辨率更高，靈敏度更高的WMAP又為我們帶回了什麽新的信息呢？故事講到這兒，宇宙的邪惡軸心（axis of evil）要出場了。
四極矩、八極矩和邪惡軸心
2001年，WMAP上天，2003年，WMAP小組第一篇數據分析報告出爐了。2005年，2009年，隨著WMAP數據的日積月累，WMAP小組又陸續發表了多篇分析報告。科學家們從WMAP小組發布的溫度譜和功率譜中發現，CMB的各向異性大體上符合理論預期，但是四極矩和八極矩的數值偏低。而且，四極矩和八極矩的軸心幾乎指向同一個方向：室女座（Virgo）。
和絕大多數信號一樣，微波背景輻射的信號看起來也是雜亂無章，似乎毫無規律可言。為了分析它，物理學家將其中不同頻率的部分“提取”出來，叫做球諧函數展開。球諧頻率的高低用字母l表示，l=0時頻率最低，叫做單極子（monopole）,l=1時叫偶極矩（dipole），然後是四極矩（quadrupole），八極矩（octopole），十六極矩（hexpole）……再往後就隻能用l的大小來表示了。
從WMAP數據中生成的四極矩
從WMAP數據中生成的八極矩
在WMAP小組的數據分析中，l的數值至少分析到了1000以上。因此，四極矩算是其中的低頻信號。八極矩的頻率略高於四極矩，也屬於低頻信號。不確切的說，四極矩的信號應該是這兩大片區域熱一些，那兩大片區域冷一些；而八極矩的信號就是這四小片區域熱一些，那四小片區域冷一些。[見維基百科的動畫]
每一組頻率的信號的冷熱交替都有特定的“對稱軸”。不同頻率的信號的軸心方向之間應該沒有關聯，你走你的陽關道，我走我的獨木橋。可是在WMAP的數據分析結果當中，四極矩和八極矩串通起來給物理學家出難題，它們的振幅不但遠遠低於理論預期，還同時指向室女座。這看起來有些不可思議，仿佛宇宙學的各項同性假設被破壞了，宇宙中憑空多出來一個特殊方向。
室女座
更加邪惡的是，這個特殊方向所指的室女座方向，位於黃道麵上。我們都知道地球繞著太陽轉，如果以地球為參照係，也可以認為太陽繞著地球轉，而黃道就是太陽的“公轉軌道”。也就是說，一百多億年前宇宙發出的“第一縷光”，就已經“預知”一百多億年後，它所包含的萬億顆恒星當中，有一顆叫做“太陽”的恒星與眾不同。“第一縷光”決定降低四極矩和八極矩的振幅，並使它們的軸心同“太陽”的軌道平麵方向保持一致……於是，一群充滿正義感的物理學家把這個現象叫做宇宙的邪惡軸心。
從宇宙學標準模型的意義上講，發生這樣事件的概率是1/24000，幾乎沒有可能發生。既然已經發生了，就要認認真真的找個理由來解釋。這時，我想起高中做英語閱讀理解時，有個同學很擅長解釋答案的合理性。比如當他解釋完為什麽應該選A時，有人發現標準答案是B，於是，他馬上就能解釋為什麽B比其他選項更合理。假如老師宣布答案印錯了，應該是C，他又能列出一堆理由來解釋選C的理由。後來我才明白，這位同學有研究理論物理的潛質！
物理學中的理論又有點兒像地球上的各種生物，千奇百怪層出不窮。等實驗結果一出爐，99%的理論都“滅絕”了，隻剩下少數理論還能勉強支撐。當人們逐漸發現，碩果僅存的理論仍然同進一步的實驗結果有矛盾時，理論家們又在這些理論的基礎上“培育”出具有不同“突變”的後代。於是，理論物理的生物圈又一次欣欣向榮，直到下一次“大滅絕”的來臨。
（說明：古代物理學的理論大都滅絕了，例如亞裏士多德的引力理論，地心說等等）
麵對宇宙邪惡軸心的挑戰，物理學家們大體上分為三派。第一派，是以WMAP小組的領導人Hinshaw為代表的哈哈派，在這個問題上含糊其辭，既不否定也不肯定，像是打哈哈說官話。這其實體現了他們謹慎的學術作風。第二派，是以Contalti和Longo等人為首的附和派。他們或者聲稱觀察到300多個類星體圍繞著邪惡軸心分布，或者說觀察到1600多個旋渦星係的旋轉軸也指向邪惡軸心。用來解釋邪惡軸心存在原因的理論更加匪夷所思，例如說宇宙存在奇異的拓撲結構，或者說暴脹理論的原初密度擾動存在一種截斷，或者幹脆搬出弦論等重型武器……這多麽像是在做英語的閱讀理解啊！ 那麽第三派的觀點是什麽呢？請看下集。
[1]：“第一縷光”通常指在經曆了一段時期的“黑暗”之後，宇宙的第一批恒星所發出的（可見）光。本文所指的“第一縷光”的發出比第一批恒星誕生要早的多。
[2]：以上大部分圖片來自維基百科。
[3]：cos提出的改正意見：“當年的理論解釋的文章共4個作者，老板R. Dicke打頭，理論解釋的工作主要是Jim Peebles做得。Wilkinson和另外一個主要是做儀器的。所以不應該用“Wilkinson等人的文章”的提法。MAP以Wilkinson命名不是主要因為Wilkinson的先驅貢獻，要說這個Dicke更有資格，因為DMR就是他最先設計發明的。MAP以Wilkinson命名的主要原因是Wilkinson在MAP上的核心地位，而且他耗盡心血，卻偏偏在MAP出結果前去世。”
[4]：冷凍過的魚指出了鐵熔點不是1000K的錯誤。
科學編輯：Shea
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