第3.13节：宇宙微波背景：从“噪声黑化”的底片，到路径与地形的细纹

目录 ／ 第3章：宏观宇宙

名词约定

本节把“底片的来历—花纹的成因—沿途的改写—大尺度方向性—偏振双型”统一放在丝—海—张度框架下：早期宇宙中的广义不稳定粒子（GUP，见1.10节）不断生成与解构；其存续期叠加牵引共同塑形为统计张度引力（STG，见1.11节）的地形，其解构/湮灭以微弱波团回灌形成张度本地噪声（TBN，见1.12节）。以下正文起统一使用不稳定粒子、统计张度引力、张度本地噪声三种中文称谓。

开场：我们到底在看什么？

• 天空那张约 2.7 K 的“微波底片”极其均匀，却并非纯色：有规则的峰—谷节拍（声学峰），小尺度被揉圆变软（磨平），偏振分成E 模与更弱的B 模；在超大角尺度上还出现方向性线索（半球不完全对称、低阶对齐、冷斑等）。
• 三条主线索清晰可辨：早期定格（底色与节拍）、沿途再加工（镜片与磨砂）、超大尺度地形（弱方向性）。丝—海—张度将它们串为一条连续的物理链。

一、底色从何而来：为何早期的张度本地噪声会“黑化”为 CMB？（机制分解与时标排序）

结论先行

早期宇宙“海”极厚（强耦合、强散射、平均自由程极短）。不稳定粒子在“拉—散”循环中不断把能量以宽带、低相干微扰波包撒回介质（张度本地噪声）。这些波包在强耦合汤里被快速黑化为近乎完美的黑体底色。等到宇宙变透明，光子携带这张底片自由飞行至今。

• 厚锅：强耦合—强散射
  光子与带电物质的相互作用频繁，任何“碎能量”都会被吸收—再发射—再吸收地循环洗匀，方向与相位差被迅速抹平。
• 黑化：既调能量也调“配色”
  “配色”指不同频率的占比。强耦合汤把哪段更亮的偏好抹去，使辐射向黑体谱形收敛，消除偏色，仅保留一条温标。
• 时标排序：t_黑化 ≪ t_宏观演化 ≲ t_解耦
  黑化速度快于宇宙宏观条件变化，因而先黑化后慢变，底色得以“先立后守”。
• 温度定标：底色温标由注入能量锁定
  张度本地噪声的总注入量给黑体底色设定温度标尺；当“调配色”的微观通道陆续冻结，温标被锁死，随宇宙共同冷却至今日的 2.7 K。
• 透明后仍近黑体：无分色的路径项
  变透明后，沿途只发生对各频段同向的亮度偏移（“上坡下坡”的整体代价），故黑体形状保住，仅留角向起伏。
• 高度均匀的由来
  黑化发生在“最厚”年代，方向差异被高频交换洗平；解耦瞬间的微起伏被定格，此后只受轻度再加工。

小结

张度本地噪声 → 快速黑化 → 近黑体底色 + 统一温标，解释了 CMB 的“几乎完美黑体”与“高度均匀”。

二、花纹如何刻下：耦合期的压缩—回弹与相干标尺（声学鼓面）

• 压缩—回弹的“呼吸”
  光子—重子耦合介质在张度牵引与压力回弹之间周期振荡，形成声学振荡。这就是“鼓面”被轻按后出现的有节拍波纹。
• 相干窗与定尺
  并非所有尺度都同向叠加。只有特定波长能在“鼓面”上最强共振，留下今天温度与偏振功率谱上的规则峰—谷间距（声学标尺）。
• 定格瞬间的快照
  解耦时刻，“谁处压缩峰/回弹谷、振幅几何、节拍多密”被一次性拍下。奇偶峰对比记录了“介质的载重与跑速”（重子载重使压缩峰相对更高）。
• 读图要点
  峰—谷间距读当年的传播速度上限/几何标尺；奇偶峰高读重子载重—回弹效率；TE 相位关系校对声学节拍是否正确刻录。

三、沿途的“镜片与磨砂”：地形重定向、细纹再柔化、E→B 漏转（路径再加工）

1. 统计张度引力：厚玻璃的轻弯
   把大量细小牵引的叠加视作一块厚而微弯的玻璃：

• 小尺度磨平：峰谷被抹圆、功率向较大尺度缓移（温度/极化谱“变软”）。
• E→B 漏转：偏振主成分 E 在路上被拽弯旋出少量 B。
• 共图预期：B 模与会聚/剪切（κ/φ）地图呈正相关，尺度越小相关越强；四点函数（lensing 重建）与温度/极化谱的磨平量应共约束同一张地形底图。

2. 张度本地噪声：宽带磨砂
   现代宇宙的极弱弥散底噪不改黑体形状，却能进一步柔化小尺度边缘，并微助E→B 漏转。其强度与活跃结构的空间分布应呈弱相关，但不会形成强烈的色散特征。
3. 路径演化（无分色整体偏移）
   穿越缓慢演化的大体积张度地形时，进—出不对称导致整块视线偏冷/偏热。关键指纹是跨频段同向（无分色），可与尘埃等带颜色前景区分。

• 早期演化（物质—辐射转折）与晚期演化（结构加深/回弹）都可贡献该项。
• 与大尺度结构追踪（如 φ 图、星系密度）应见弱正相关。

4. 再电离的“薄磨砂”
   再电离时期的自由电子对温度小尺度有轻度抹平，并再生大角尺度 E 模；其效应与统计张度引力、张度本地噪声的贡献需联合分账。

判读清单

• 同一区域若多频段共冷/共热 ⇒ 路径演化项；
• 小尺度“变软”并随大尺度结构共变 ⇒ 统计张度引力主导；
• 额外轻度展宽而无明显色散 ⇒ 张度本地噪声残留。

四、超大尺度纹理与方向性：地形的“脊线—走廊”余影

• 方向偏好
  若超大尺度存在脊线/走廊/低谷，最低多极会出现取向对齐（半球差、低阶对齐）。这并非凭空异常，而是超标尺张度纹理的几何投影。
• 冷斑类整块偏移
  视线穿越正在演化的广域张度地形可呈现整块偏冷/偏热。与ISW 叠加、会聚图、距离指标做交叉相关，预期出现弱而同向的回声。
• 黑体不被破坏
  这些效应影响的是亮度与取向而非颜色配比，因此底色的黑体形状依然稳固。

五、偏振两型的来源拆解：E 为主脉络，B 为拽弯与漏转

1. E 模（主片）
   解耦瞬间“声学鼓面”的各向异性通过散射直接定格为有秩序的偏振主纹理，与温度花纹节拍一一呼应（TE 相关性是其指纹）。
2. B 模（路上生成为主）
   沿途的统计张度引力重定向把 E 模拽出少量 B；再叠加张度本地噪声引发的轻微漏转，形成今天观测到的弱 B 模。

• 因此 B 模很弱且与会聚/剪切存在尺度相关的空间相关。
• 若未来在大角尺度额外检测到显著 B 模，可视为早期横向弹性波（引力波类）的可能信号，但并非解释既有 B 模所必需。

六、看图指南（操作化提要）：从 CMB 抽取物理

• 看“尺”：峰—谷间距 ⇒ 声学标尺与传播上限。
• 看“载重”：奇/偶峰对比 ⇒ 重子载重—回弹效率；TE 的相位与幅度校核声学节拍。
• 看“磨平”：小尺度越柔 ⇒ 统计张度引力更厚或张度本地噪声更强；与 φ 图/四点函数的共约束能拆清配额。
• 看“方向”：是否现偏向轴/半球差；与弱透镜/BAO/超新星距离微差是否同向。
• 看“无分色”：跨频段共移 ⇒ 路径演化项；若呈分色 ⇒ 前景（尘、同步、游离—自由等）。
• 看“B—κ 相关”：更小尺度相关更强 ⇒ 路上镜片（统计张度引力）占主导；去镜片（delensing）后 B 模剩余约束张度本地噪声/横向弹性波。

七、与教科书叙事的对照：保留与新增（并给出可检承诺）

1. 保留
   • 早期强耦合声学阶段并被定格；
   • 后期存在透镜与再电离等轻度改写。
2. 新增/不同
   • 底色来历：近黑体底色来自张度本地噪声的快速黑化，无需诉诸额外成分；
   • 磨平预算：小尺度变柔由统计张度引力 + 张度本地噪声合成，而非单参数的“镜头力度”；
   • 异常归处：半球不对称、低阶对齐、冷斑是张度地形余纹的自然外观，应在多数据中见同向回声。
3. 可检承诺

• 一张共同地形底图应同时降低 CMB 透镜与星系弱透镜残差；
• B 模—会聚图相关随更小尺度增强；
• 无分色位移在多频段共移；
• 冷斑方向在ISW/距离/会聚中显现弱相关。

八、误差与系统学分离：如何把“地形/路径”与“前景/仪器”剥开

• 无分色 vs 分色：无分色偏移 ⇒ 路径演化项；分色 ⇒ 前景（尘、同步等）。
• B—κ 交叉：若 B 与会聚/剪切相关显著 ⇒ 统计张度引力重定向可信；反之警惕仪器偏振泄漏。
• 多频联合：用黑体曲线锁定底色形状；用频谱残差识别非黑体畸变（μ/y）并给张度本地噪声注入设上限。
• 四点函数/φ 重建：与 TT/TE/EE 的磨平量自洽 ⇒ 同一地形在“相位—幅度—非高斯性”三域共约束。

九、校验与前瞻（数据层面的“可证伪—可加固”清单）

• P1｜共底图校核：用同一 φ/κ 地图同时拟合 CMB 的磨平与星系弱透镜，残差若共向收敛，支持统计张度引力为主导镜片。
• P2｜delensing—剩余 B 光谱：去镜片后 B 的剩余若呈宽带、低相干缓坡，支持张度本地噪声有有限份额；若出现大角尺度“驼峰”，转而支持早期横向弹性波成分。
• P3｜无分色 ISW 交叉：CMB 大角尺度与 LSS/φ 图的交叉若为无分色共移，则路径演化解释加固。
• P4｜冷斑方向多数据回声：在该方向的ISW 叠加、距离指标、会聚图出现弱相关呼应，印证其为张度地形余纹而非偶噪。
• P5｜μ/y 畸变上限：更灵敏光谱任务若继续把 μ/y 压低到更小值，说明张度本地噪声晚期注入更弱，反之可量化其配额。

十、一个好记的比喻：鼓皮与磨砂玻璃

1. 鼓皮阶段：鼓皮很紧（张度高），上有细小水珠（不稳定粒子注入的微扰）。紧度与载重互动，鼓面出现有节拍的压缩—回弹。
2. 定格拍照：解耦一瞬，“那时那地”的纹理被拍成底片。
3. 透过玻璃看：之后你透过略起伏（统计张度引力）且带磨砂（张度本地噪声残留）的玻璃看这张底片：

• 起伏让图案揉圆；
• 磨砂让边缘更柔；
• 若玻璃缓慢变形，某片区域整体偏冷/偏热但不偏色。

这就是我们今天的 CMB。

十一、四句压缩版要点

• 底色从噪声而来：早期张度本地噪声在厚锅中快速黑化，立下近黑体底色与统一温标。
• 花纹源自节拍：强耦合阶段的压缩—回弹把相干节拍刻进底片（峰—谷与 E）。
• 沿途轻手术：统计张度引力使图案变圆并 E→B，张度本地噪声再柔化，路径演化留无分色偏移。
• 大尺度非“坏数据”：半球差、低阶对齐、冷斑是张度地形余纹，应在多观测见同向回声。

结语

• 以“噪声黑化的底片 + 张力地形的叠影 + 路上镜片的轻改写”这张统一图，我们既保留声学峰的教科书精华，又为磨平、B 模、方向性与异常提供物理归处与可检路径。
• 依照本节的“看标尺—看载重—看磨平—看方向—看无分色—看 B—κ 相关—看 delensing 剩余”七步读图法，可把零散特征连成一张连续、可互证的宇宙张度地图。