今年高考作文抽象？看我用物理知识写一篇满分作文_风闻

高考期间最大的乐趣是什么？

那肯定是看看今年又出了什么高考作文

年年作文有，今年特别难

比如今年全国一卷的

虽然咱都是经历过高考作文的

但是看到这个题目还是就……就很…..

沉思一阵，转念想想，我是学物理的

语文不行我可以物理来凑啊！

所以来see物理所版的高考作文！

宇宙微波背景辐射：从沉默、嘶哑到拥抱

当老舍笔下的鼓书艺人胸中翻腾却“开不了口”，当艾青诗中那只鸟决意以“嘶哑的喉咙歌唱”，当穆旦笔下“带血的手”拥抱站起的民族——这些意象都凝聚着一种困境中不屈的表达意志。这种意志，竟在浩瀚宇宙的诞生史诗中，找到了跨越时空的物理回响：那便是宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background Radiation, CMB）——宇宙自身在混沌初开之际发出的“第一声啼哭”，一场穿越138亿年光阴的壮丽表达，一块记录宇宙“民族“历史的石碑！

01

混沌初开：宇宙的“开不了口”——光子与电子的囚笼

宇宙背景辐射是宇宙学中“大爆炸”遗留下来充满整个宇宙的电磁波辐射，是一种黑体辐射（热辐射）。

要想了解它，还得从138亿年前，宇宙诞生于一个炽热、致密的奇点讲起。

在宇宙的极早期，经历了普朗克时期和大统一时期之后，时间仅仅过去了10⁻³⁶至10⁻³²秒。此时，宇宙是一片由胶子和夸克组成的炽热浓汤。在这个阶段，质子、中子等强子已经形成，而电子、中微子等轻子也陆续出现。紧接着，宇宙进入了指数级膨胀的暴涨阶段。暴涨结束后，在大爆炸后的约5万年之内，宇宙处于辐射主导时期，其能量主要以辐射形式存在，整体呈现高温等离子态。 随后，在宇宙大爆炸后约38万年，宇宙进入物质-辐射退耦与复合时期： 电子与原子核结合形成中性原子，光子得以自由传播，从而形成了我们今天观测到的宇宙微波背景辐射。

在宇宙年龄 t < 380,000****年时，温度 T > 3000 K，物质处于完全电离的等离子体态（primordial plasma）。此时空间中充满自由电子（e⁻）、质子（p⁺）、氦核（He²⁺）及高能光子（γ）。光子传播需满足以下物理方程：

该公式表明此时的光子平均自由程极短。早期宇宙的电子数约为当前宇宙密度的109倍，当时的宇宙半径约为40万光年，光子需要碰撞约1012次才能逃逸出去，也就相当于区区1012年吧~

空间中充满的这些带电粒子中光子是电磁辐射的载体，然而，这些光子一旦产生，就会立刻与无处不在的、高速运动的自由电子发生康普顿散射。每一次碰撞都改变了光子的方向，使其无法自由穿行，光子被囚禁在了微观尺度。

这就像老舍笔下艺人胸中的曲调翻腾激荡，却被无形的枷锁束缚。光，宇宙最基本的信使，在这片混沌的等离子海洋中“开不了口”，无法将信息有效传递出去。宇宙被包裹在自己炽热的光芒牢笼里，一片模糊不清。

02

光子退耦：宇宙的“第一声啼哭”

宇宙并非静止，它在膨胀中冷却。大约在大爆炸后38万年，随着温度降至约3000开尔文（约2700摄氏度）以下，自由电子与质子结合的速度终于超过了被高能光子撞开的速度，它们结合形成了中性的氢原子,这个过程称为复合（Recombination）。

与自由的电子与质子相比，中性氢原子对光子的散射效率很低。宇宙从混沌、不透明的等离子体状态，变得可以观测了！被禁锢了38万年的光子第一次得以在宇宙空间中自由穿行，向所有方向发射出去。这便是宇宙的“开口”时刻，它发出了创世以来的“第一声”——原初光子。

三体中宇宙微波背景“闪烁”不可能的原因正是由于CMB的表现非常稳定，而且是各向同性的。（来源：《三体》剧照）

光子退耦这一事件在宇宙中形成了一个球面，所有观测到的CMB光子均来自这个球面，虽然我们将这个变化比喻成**“第一声啼哭”**，但是这个过程并不是一瞬间完成的，这一阶段大概持续了11.7万年，所以这个形成的球面也是有厚度存在。

03

红移与“嘶哑的喉咙”：百亿年的时空旅程

然而，这“第一声”并非我们今日所看到的CMB图像。

宇宙在持续膨胀，空间本身在拉伸。这些自由的光子在穿越不断膨胀的空间时，其波长也被拉长了。根据多普勒效应的宇宙学版本——宇宙学红移（Cosmological Redshift），光子的能量随之降低，对应的颜色（频率）从最初释放时的更高能的光，逐渐向光谱的红端移动，最终变成了能量极低的微波（Microwave）。

星系的红移和蓝移示意图。当星系向观测者运动，光谱会向蓝端移动，反之则向红端移动。光谱中间的黑线是一条吸收谱线，在静止坐标系里谱线的位置完全由原子物理决定，它可以作为测量光谱移动的探针。

根据能量密度公式可以推导出黑体辐射的冷却公式：

这个公式也解释了为什么随着膨胀宇宙温度会降低。

当然结合氦合成器的温度和重子质量密度计算可以得到现在的微波背景辐射约为3.47K。今日我们探测到的CMB温度仅为约2.745K，其辐射峰值位于微波波段（波长约1.9毫米）。

艾青诗中那只鸟，穿越风雨，喉咙变得嘶哑。宇宙的“歌声”同样在跨越百亿年的时空旅程中，被膨胀的时空无情地“拉伸”，能量被稀释，从最初耀眼的光芒“嘶哑”成了微弱、冰冷、几乎均匀弥漫于整个天空的微波背景噪音。

04

捕捉“嘶哑的回响”：人类的倾听与理解

1964年，美国贝尔实验室的两位工程师阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊，使用一台为卫星通讯设计的射电望远镜，意外地在微波波段探测到一种无法消除、各向同性的微弱“噪音”。他们排除了仪器故障、城市干扰，甚至一度以为是天线里的鸽子窝的影响，但是清理之后，噪音更加清晰了。这一结果令两人十分沮丧，实验的严密和精确已经达到了力所能及的极限，还找不到噪声产生的原因。

彭齐亚斯（右）与 威尔逊站在他们的天线旁

正在这时，实验站附近普林斯顿大学的实验天体物理学家迪克猜想宇宙在“振荡”过程中会留下可观测的背景辐射并建议两人进行观测，最终得到“有效的天顶噪声温度的测量，得出一个比预期高约 3.5 K 的值。在我们观察的限度以内，这个多余的温度是各向同性的，非偏振的，并且没有季节的变化。”

他们的发现（后获得诺贝尔物理学奖）这微弱得几乎被忽视的噪音，却蕴含着宇宙起源的惊人信息。通过精密测量CMB微小的温度涨落（各向异性），科学家们如同解读宇宙的“密码”，精确地描绘出宇宙的年龄（约138亿年）、几何形状（几乎平坦）、组成（约5%普通物质，27%暗物质，68%暗能量）以及早期密度扰动的种子。

05

结语：跨越维度的“拥抱”

彭齐亚斯和威尔逊最初面对神秘噪音时的困惑与不懈探索，不正如老舍笔下艺人的内心挣扎？最终捕捉并解读这微弱信号的壮举，则如那只鸟以嘶哑喉咙完成的歌唱。穆旦诗中“带血的手”拥抱站起的民族，象征着历经苦难后的新生与连接。人类理解CMB的过程，正是用最精密的科学仪器、最坚韧的理性意志，跨越百亿年时空，去“拥抱”宇宙诞生之初发出的信号。

宇宙微波背景辐射，这来自创世之初的微弱回响，是宇宙在物理法则下完成的一次艰难而伟大的表达。它证明了，即使在最混沌、最禁锢的环境中，信息终将挣脱束缚；即使表达的过程会被时空扭曲、能量衰减，变得微弱嘶哑，但其核心信息依然顽强地穿越时空；最终，它会被拥有求知意志和探索能力的倾听者捕捉、理解并赋予意义，让人类得以一窥那个时空遥远处的历史。

参考文献

[1] physicsteam， 物理学史，https://enjoyphysics.cn/Article3336

[2] https://www.zhihu.com/question/14511905379

[3]  Penzias, A. A., & Wilson, R. W. (1965). *“A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s”*. Astrophysical Journal, 142, 419–421.

[4] Singh, S. (2005). “Big Bang: The Origin of the Universe”. Harper Perennial.