宇宙空間黑體背景輻射

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1、宇宙微波背景輻射宇宙微波背景輻射（又稱3K背景輻射）是一種充滿整個(gè)宇宙的電磁輻射。特征和絕對溫標(biāo)2.725K的黑體輻射相同。頻率屬于微波范圍。1934年，Tolman是第一個(gè)研究有關(guān)宇宙背景輻射的人。他發(fā)現(xiàn)在宇宙中輻射溫度的演化里溫度會(huì)隨著時(shí)間演化而改變；而光子的頻率隨時(shí)間演化(即宇宙學(xué)紅移)也會(huì)有所不同。但是當(dāng)兩者一起考慮時(shí)，也就是討論光譜時(shí)(是頻率與溫度的函數(shù))兩者的變化會(huì)抵銷掉，也就是黑體輻射的形式會(huì)保留下來。1948年，由旅美的俄國物理學(xué)家伽莫夫帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)估算出，如果宇宙最初的溫度約為十億度，則會(huì)殘留有約5~10k?的黑體輻射。然而這個(gè)工作并沒有引起

2、重視。1964年，蘇聯(lián)的澤爾多維奇(Zel'dovich)、英國的霍伊爾(Hoyle)、泰勒(Tayler)、美國的皮伯斯(Peebles)等人的研究預(yù)言，宇宙應(yīng)當(dāng)殘留有溫度為幾開的背景輻射，并且在厘米波段上應(yīng)該是可以觀測到的，從而重新引起了學(xué)術(shù)界對背景輻射的重視。美國的狄克(Dicke)、勞爾(Roll)、威爾金森(Wilkinson)等人也開始著手制造一種低噪聲的天線來探測這種輻射，然而另外兩個(gè)美國人無意中先于他們發(fā)現(xiàn)了背景輻射。宇宙微波背景輻射-發(fā)現(xiàn)1964年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師阿諾·彭齊亞斯(Penzias)和羅伯特·威爾遜(Wilson)架設(shè)了

3、一臺喇叭形狀的天線，用以接受“回聲”衛(wèi)星的信號。為了檢測這臺天線的噪音性能，他們將天線對準(zhǔn)天空方向進(jìn)行測量。他們發(fā)現(xiàn)，在波長為7.35cm的地方一直有一個(gè)各向同性的訊號存在，這個(gè)信號既沒有周日的變化，也沒有季節(jié)的變化，因而可以判定與地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)無關(guān)。起初他們懷疑這個(gè)信號來源于天線系統(tǒng)本身。1965年初，他們對天線進(jìn)行了徹底檢查，清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，然而噪聲仍然存在。于是他們在《天體物理學(xué)報(bào)》上以《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》為題發(fā)表論文正式宣布了這個(gè)發(fā)現(xiàn)。1948年,?美國科學(xué)家阿爾弗(Ralph?Alpher)和赫爾曼(Robert?H

4、erman)預(yù)言，宇宙大爆炸產(chǎn)生的殘系輻射，由于宇宙的膨脹和冷卻，如今它所具有的溫度約為絕對零度以上5開，或者說5K(絕對零度等于攝氏零下273度，即-273℃)。但是他們的預(yù)言并未引起人們的普遍重視。??但是多年以后，即1965年，美國新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位無線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯(Arno?Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert?Wilson)卻十分意外地發(fā)現(xiàn)了這種宇宙輻射場，當(dāng)時(shí)他們正在為跟蹤一顆衛(wèi)星而校準(zhǔn)一具很靈敏的無線電天線。與此同時(shí)，在附近的普林斯頓大學(xué)，由羅伯特·迪克(Robert?Dicke)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科學(xué)家小組已獨(dú)立地重新發(fā)現(xiàn)

5、了阿爾弗和赫爾曼早先作過的預(yù)言，并著手設(shè)計(jì)一臺探測器以供搜索大爆炸的殘留輻射。他們聽說了貝爾實(shí)驗(yàn)室這臺接收器中存在著無法闡明的噪聲，并立即將它解釋為源自大爆炸的殘余輻射。它相當(dāng)于在電磁波譜的微波部分波長為7．35厘米的某種無線電波信號；如果假設(shè)它是熱輻射，那么它所具有的能量就相應(yīng)于2.7K的溫度--這與阿爾弗和赫爾曼富于靈感的估計(jì)非常接近。它被稱為"宇宙微波背景輻射"。宇宙微波背景輻射的存在，給大爆炸理論以有力的支持。緊接著狄克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在同一雜志上以《宇宙黑體輻射》為標(biāo)題發(fā)表了一篇論文，對這個(gè)發(fā)現(xiàn)給出了正確的解釋：即這個(gè)額外的輻射就是宇宙微波

6、背景輻射。這個(gè)黑體輻射對應(yīng)到一個(gè)3k的溫度。之後在觀測其他波長的背景輻射推斷出溫度約為2.7K。宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)在近代天文學(xué)上具有非常重要的意義，它給了大爆炸理論一個(gè)有力的證據(jù)，并且與類星體、脈沖星、星際有機(jī)分子一道，并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。彭齊亞斯和威爾遜也因發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射而獲得1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。后來人們在不同波段上對微波背景輻射做了大量的測量和詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)它在一個(gè)相當(dāng)寬的波段范圍內(nèi)良好地符合黑體輻射譜，并且在整個(gè)天空上是高度各相同性的，只是具有一個(gè)微小的偶極各相異性：在赤經(jīng)?11.3±0.1?h，赤緯?4±2°的

7、地方溫度略高，在相反的方向溫度略低，人們認(rèn)為這是由銀河系運(yùn)動(dòng)帶來的多普勒效應(yīng)所引起的。在與彭齊亞斯、威爾遜實(shí)驗(yàn)觀測的同時(shí)，另一些人也在對同一目標(biāo)搜尋著。他們是以迪克（Dicke，Robert?Henry?1916～）為首的普林斯頓大學(xué)的一個(gè)研究小組，正在開展一項(xiàng)有關(guān)宇宙學(xué)的探索性研究。1941年，迪克從羅徹斯特大學(xué)獲得博士學(xué)位。1946年前，他在普林斯頓大學(xué)物理系執(zhí)教。迪克成名于他的一項(xiàng)重要成果——標(biāo)量-張量場論的提出①。這一理論與愛因斯坦的引力理論并駕齊驅(qū)，也能成功地解釋引力研究中的一些觀測現(xiàn)象，以致在引力場研究中，誰是誰非還一時(shí)難見分曉。在?60年代，隨

8、著宇宙學(xué)研究的興起，迪克對伽莫夫的宇宙原始大爆炸理論