背景輻射:宇宙學中“大爆炸”遺留下來的電磁波輻射-中文百科頻道

簡介

宇宙背景輻射是來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，也稱為微波背景輻射。二十世紀六十年代初，美國科學家彭齊亞斯和R.W.威爾遜為了改進衛星通訊，建立了高靈敏度的号角式接收天線系統。

1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強度。為了降低噪音，他們甚至清除了天線上的鳥糞，但依然有消除不掉的背景噪聲。他們認為，這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當于3.5K。1965年，他們又訂正為3K，并将這一發現公諸于世，為此獲1978年諾貝爾物理學獎金。

“宇宙微波背景是我們宇宙中最古老的光，當宇宙剛剛380,000歲時刻在天空上。它顯示出微小的溫度漲落，對應着局部密度的細微差異，代表着所有未來的結構，是當今的恒星與星系的種子”。

特征

微波背景輻射的最重要特征是具有黑體輻射譜，在0.3厘米－75厘米波段，可以在地面上直接測到；在大于100厘米的射電波段，銀河系本身的超高頻輻射掩蓋了來自河外空間的輻射，因而不能直接測到；在小于0.3厘米波段，由于地球大氣輻射的幹擾，要依靠氣球、火箭或衛星等空間探測手段才能測到。

從0.054厘米直到數十厘米波段内的測量表明，背景輻射是溫度近于2.7K的黑體輻射，習慣稱為3K背景輻射。黑體譜現象表明，微波背景輻射是極大的時空範圍内的事件。

因為隻有通過輻射與物質之間的相互作用，才能形成黑體譜。由于現今宇宙空間的物質密度極低，輻射與物質的相互作用極小，所以，我們今天觀測到的黑體譜必定起源于很久以前。

微波背景輻射應具有比遙遠星系和射電源所能提供的更為古老的信息。微波背景輻射的另一特征是具有極高度的各向同性。這有兩方面的含義：首先是小尺度上的各向同性。

在小到幾十弧分的範圍内，輻射強度的起伏小于0.2－0.3%；其次是大尺度上的各向同性。沿天球各個不同方向，輻射強度的漲落小于0.3%。各向同性說明，在各個不同方向上，在各個相距非常遙遠的天區之間，應當存在過相互的聯系。

宇宙充滿了溫度剛剛超過開氏2.7度、能用地面射電望遠鏡和人造衛星上的儀器探測到的輻射之海。這被解釋為宇宙由之誕生的大爆炸火球的直接證據。因而背景輻射的發現，是自埃德溫·哈勃發現宇宙膨脹以來宇宙學方面最重要的觀測成就；然而這一發現可真是來之不易。

研究

喬治·伽莫夫

第一個試圖定量描述大爆炸物理條件的人是喬治·伽莫夫。他在1940年代應用當時正在發展的量子物理學知識，研究宇宙誕生時應該發生過的核相互作用類型，他發現原始氫應該已經部分轉變為氦(見αβγ理論)。

根據計算，通過這種方式産生的氦的數量，依賴于這些相互作用發生時大爆炸的溫度。它應該被一個熱的、取X射線和γ射線形态的短波黑體輻射火球填充。伽莫夫小組領悟到，對應這個火球的熱輻射，應該已經随着宇宙的膨脹而稀化和冷卻，但仍然以高度紅移了的射電波形态存在。

由于沒有‘宇宙之外’的地方讓這一輻射逃走，它就永遠充滿宇宙，宛如氣球内部的氣體永遠充滿氣球。如果拉扯氣球使它變大，但不讓更多的氣體進入，氣球内部氣體的密度将變小。

同樣，當宇宙膨脹時，充滿它的輻射的密度也将變小。這對應着溫度的降低和輻射波長的增加——紅移。但是，雖然輻射已經冷卻，它仍然應該像充滿氣球的氣體那樣均勻充滿宇宙。它應該從空間所有方向照射地球，而宇宙膨脹引起的輻射波長被拉開的量，決定了它今天的溫度。

拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼

伽莫夫的兩位學生——拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼——早在1948年發表的一篇論文中就計算出，要使大爆炸中‘烹調’的氦的數量匹配于光譜學揭示的老年恒星中氦的數量，大爆炸火球遺留下來的輻射現在應該具有僅僅5K的溫度。

伽莫夫自己1952年在他撰寫的《宇宙創生》一書中公布的數字要稍稍大些。

準确數字決定于對大爆炸物理條件所做的詳細假設，也依鞍于對宇宙年齡的估計。一種手工計算法則是，背景輻射的開氏溫度等于(1後面跟10個零)除以用秒數表示的宇宙年齡的平方根。

所以，在時間開始1秒後的溫度是100億度，100秒後是10億度，而1小時後就隻有1億7千萬度了。與此相比，我們太陽中心的溫度約1,500萬度。

但不論是伽莫夫還是他的同事都未能意識到，給宇宙‘量體溫’的技術在1950年代就已經存在了。他們既沒有敦促射電天文學家進行本來可以揭示存在背景輻射的觀測，看來也沒有哪位射電天文學家注意到預言存在這種輻射的文章。

然而稀奇的是，表明宇宙溫度非常接近3K的觀測，已經在1930年代用光譜方法做出來了。

那是對一種叫做氰(CN)的化合物做的光譜觀測，揭示了我們銀河系中星際物質雲的溫度。1940年，加拿大自治領天體物理台的安德魯·麥克凱勒(Andrew McKellar)解釋了這些觀測，得出星際雲的溫度約2.3K。

到1950年時，這一結果被寫進了标準的教科書。但是，甚至伽莫夫也沒有将它與預言的背景輻射溫度聯系起來。原因之一是，伽莫夫自己估計的溫度，比麥克凱勒公布的溫度和阿爾菲及赫爾曼估計的溫度都要高很多。

弗雷德·霍伊爾

1981年弗雷德·霍伊爾在《新科學家》發表的一篇文章中，詳細叙述了他1956年同伽莫夫交談時如何提到麥克凱勒計算結果的情景。霍伊爾是穩恒态假說的熱烈支持者，他不相信曾經有過大爆炸，所以他(當時)認為不存在背景輻射。伽莫夫則認為應該存在溫度比5K高許多的背景輻射。

霍伊爾記得他向伽莫夫指出，麥克凱勒已經為任何這種背景輻射規定了3K的上限，因此伽莫夫錯了。他們兩人的想像力都未能跨出事後看來并非很大的一步，因而沒有領悟到，背景輻射确實無處不在，不過它的溫度低于伽莫夫的預計值。

更奇怪的是，就在伽莫夫研究組1940年代發展他們的思想的同時，一組射電天文學家正在實際搜尋來自空間的低溫輻射。羅伯特·狄克和他的同事們使用一台由戰時雷達技術演變而來的儀器，在微波頻段研究天空，發現了溫度低于20K——這是儀器規定的極限——輻射的證據。

他們的結果于1946年發表在《物理學評論》雜志上(70卷，340頁)，而在這同一卷上也發表了伽莫夫研究組關于核合成的第一篇論文(70卷，572頁)——可是還要等待差不多20年才有人把它們聯系起來。

聯合小組

到1960年代初，幾個研究組，包括美國、英國和蘇聯的科學家們，已經開始考慮如何探測大爆炸的殘留輻射——伽莫夫小組的先驅工作基本上被人們忘記了，而每個組都重新看到了可能性。

在普林斯頓大學，一位年輕的科學家皮布爾斯(P.J.E. Peebles)不知情地重複阿爾菲和赫爾曼做過的計算，認識到宇宙應該充滿溫度為開氏幾度的背景輻射之海。

他在這項工作中的導師狄克，也忘記了他自己在1940年代的開創性成果，卻指定另兩位研究者——羅爾(P.C. Roll)和威爾金森(D.T. Wilkinson)——建造一具小射電望遠鏡來搜尋這一輻射。

1965年，就在他們一切準備就緒時，狄克接到阿爾諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)從30英裡外的新澤西州霍姆代爾的貝爾研究實驗室打來的電話。

彭齊亞斯與他的同事羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)當時正在準備将一台本來是為回聲通訊衛星設計的20英尺喇叭天線用于射電天文觀測。他們發現了一個頑固的幹擾源——均勻來自整個天空的微波射電噪聲。他們想問問狄克及其同事們對這種噪聲可能是什麼有何見解。

當然，那就是背景輻射。理論和觀測終于走到一起了。兩個兩人小組立即聯合攻關。

普林斯頓小組很快證實了這些觀測結果。兩個小組的論文同時刊登在《天體物理學報》上。在随後20年左右時間裡，越來越多的觀測，使用各種不同的儀器，在很多波段上，都證明了背景輻射的存在，将溫度定格在2.7K，并且證明它是完美的黑體輻射。

彭齊亞斯和威爾遜因這一偶然發現于1978年獲諾貝爾獎。正是背景輻射的發現和解釋，才使大多數天文學家承認确實曾經發生過大爆炸，它也使宇宙學成了一門興旺的學科。

困惑

1980年代前，仍有一個與背景輻射有關的問題令人困惑。從太空所有方向來的輻射具有完全相同的溫度，這太平滑和完美了。

現在已經得到可靠證明的大爆炸理論認為，從宇宙誕生大約30萬年後的時刻以來，這一輻射應該沒有發生過變化(紅移和冷卻除外)。而宇宙誕生30萬年後，整個宇宙冷卻到溫度約6,000K，這大緻是今天太陽表面的溫度。在那個溫度下，個别電子和核子能夠結合形成穩定的原子，而原子沒有任何淨電荷。因為原子是電中性的，它們不能與電磁波強烈相互作用，所以從那時以來背景輻射沒有受到幹擾。

如果宇宙像背景輻射平滑性暗示的那樣，在它誕生30萬年後是完全平滑的話，那麼星系、恒星和人類這樣的事物是從哪裡來的呢？我們要能存在，則宇宙在進入30萬歲之前，一定已經含有一些不規則性——太空中的氣體雲，它們在自身重力作用下應該很快聚集、坍縮而形成星系和恒星。

理論

理論聲稱，這些不規則性存在的結果，是背景輻射中應該有漣漪，也就是儀器指向天空不同部位時，溫度應該有細微差異。預言的差異非常小，隻能從高出地球大氣幹擾的太空進行測量。1992年4月，美國宇航局宣布COBE(宇宙背景探險者)衛星發現了漣漪，大小正好與标準大爆炸模型預言的準确符合。這個發現被歡呼為大爆炸理論的最後勝利，它證實宇宙真正是在一個确定的時刻、在一個熱輻射火球中起源的。

因此，宇宙誕生方式的一個結果，是它今天充滿了微波背景輻射，恰如微波爐中的微波，不過它的烹調溫度相當低，比-270℃還要低一點。其實你并不需要用射電望遠鏡探測它。

由于背景輻射在宇宙中無處不有，任何普通電視天線都能捕捉到。如果你将你的電視機調諧到電視台播送節目所用頻率之間的某個頻率，你将看到屏幕上全是跳動的白點，聽到咝咝的噪聲，這些白點和噪聲有時稱為天電。引起跳動的白點和咝咝的噪聲的外來‘信号’中，大約1%實際上是宇宙微波背景輻射，它是大爆炸直接播送到你居室中的。