宇宙裡的物質總共有多少？這個問題的答案深刻地影響著我們對宇宙的理解。因為宇宙中的質量密度和能量密度，與宇宙的年齡、形狀和未來命運息息相關。我們都知道，宇宙中的暗能量驅動空間膨脹，而物質則在引力作用下相互吸引，宇宙的歷史正是在這兩者的頡頏中書寫，其命運也將由此最終決定。

天文學家為宇宙“稱重”，測量的實際上是宇宙的物質密度。“稱重”的途徑之一是透過對宇宙微波背景輻射（CMB）的分析。它們鋪滿全天，分成一小片一小片不同偏振方向的區域，溫度輕微起伏，就好像平靜水面上的微微漣漪一般。這些“漣漪”反映了宇宙早期的物質震盪，從中可以測定出一些基本的宇宙學引數，並按照標準宇宙模型推導計算出包括宇宙的物質密度、能量密度、物質聚集程度、膨脹速度和年齡等等多種資訊。由此，也就能夠估計出當前宇宙的物質總量。

圖1：普朗克衛星測得的宇宙微波背景輻射的溫度和極化分佈（ESA）

在宇宙的早期，宇宙中的物質以等離子體的狀態存在。光子在充滿整個宇宙的自由電子間被不斷散射，難以通行。宇宙就像是裝滿了由帶電粒子構成的等離子體“濃湯”，攪動這鍋“湯”裡的任何一個地方，都會讓湯泛起漣漪。於是，宇宙初始時的密度擾動就會體現在等離子體的震盪上。而光子被“囚禁”在這鍋湯裡，它們被“湯”散射的情況，也就反映了這鍋“湯”的震盪情況。

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圖2：光子在等離子體物質中舉步維艱的狀態，在北京天文館《宇宙大爆炸》球幕科普節目中的呈現（球幕劇場效果實拍）

當宇宙年齡來到大約38萬歲的時候，宇宙的冷卻讓原子核和電子的速度不足以抵抗彼此之間的電磁力，它們互相結合，形成中性的原子。電子與光子相互作用的機率急劇下跌，原先被困在等離子體濃霧中的光子從此得到解放，它們以最後一次被散射的姿態奔向宇宙的各個角落，攜帶著等離子體濃湯在最後那一瞬間的漣漪形狀，來到我們的視線中。

這是宇宙嬰兒時期由電磁波留下的最早的“快照”。這些光波被宇宙的膨脹極度拉長，被我們接收到時，已經變成了頻率大約60GHz的微波，大致相當於絕對溫度2.7K的黑體所發出的輻射。測定它的溫度和極化資訊在整個天空的分佈，就能反推出當初“漣漪”的畫面，得知早期宇宙的狀態，從而推匯出如今宇宙的狀態。反過來，由於推匯出的其中一些資訊與使用獨立的其他手段所實際觀測的結果吻合得不錯，也就說明標準宇宙模型在很大程度上是接近真實的，所以，宇宙微波背景輻射也被認為是支援宇宙大爆炸理論的主要證據之一。

光子的這段“勝利大逃亡”歷史，在北京天文館天象廳即將推出的新節目《宇宙大爆炸》中也有所呈現。在這段濃縮於22分鐘內的宇宙演化史中，CMB佔據了不少的“戲份”，與它在宇宙學研究中的地位相匹配。從CMB的漣漪，還可以推匯出當前宇宙在大尺度上的擾動大小，這張被宇宙的膨脹放大後的“宇宙網”，也將呈現在天象廳23米直徑的巨大球幕上。新春伊始，不如就從《宇宙大爆炸》這個宇宙的開端，來開始新的一年吧。

圖3：利用超算模擬結果製作的“宇宙網”動畫畫面（《宇宙大爆炸》球幕劇場效果實拍）