微波背景辐射的产生,创世遗迹

创世遗迹——微波背景辐射

长期以来，人们都在探寻宇宙的诞生问题，一直以来，有一种最有说服力的“大爆炸理论”在背后支撑着宇宙起源问题。它认为宇宙最初是一个质量极大、体积极小、温度极高的点，然后这个点发生了爆炸，随着体积的膨胀，温度不断降低。至今，宇宙中还有大爆炸初期残留的被称为“宇宙微波背景辐射”的宇宙射线。

微波背景辐射，是来自于宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，即宇宙微波背景辐射，又称3K背景辐射，它是一种充满整个宇宙的电磁辐射。由于这种辐射来源于宇宙的各个方向，又有着近乎同样的频率和强度，所以宇宙学家相信它们是由宇宙大爆炸遗留下来的，是创世遗迹。

宇宙微波背景辐射

1934年，托尔曼通过实验，偶然地发现了在宇宙中辐射温度的演化中，温度会随着时间的演化而发生改变，光子的频率也会随着时间的演化而有所不同。但若把这两个要素（即频率和温度的函数）放在一起考虑，这两者间的变化就会相互抵消掉，于是，黑体辐射的形式就被保留了下来。托尔曼也由此成为了第一个研究有关微波背景辐射的人。

阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊

1948年，由旅美的俄国物理学家伽莫夫带领的团队也开始了对宇宙微波背景辐射的探测，他们估算出，如果宇宙最初的温度约为10亿度，则会残留有5～10K的黑体辐射。然而这个发现工作并没有引起足够的重视。

到了1964年，苏联的泽尔多维奇，英国的霍伊尔、泰勒，美国的皮伯斯等人研究预言，根据他们的探测，宇宙中应当残留有温度为几K的背景辐射，并且在厘米波段上可以观测到，从而重新引起了学术界对背景辐射的重视。同时，美国的狄克、劳尔、威尔金森等人也开始着手制造一种低噪声的天线用以探测这种存在的辐射，然而另外两个美国人无意中先于他们发现了背景辐射。这就是美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊。

1964年的一天，工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在贝尔实验室里做实验。他们架设了一台喇叭形状的天线，想用来接收“回声”卫星的信号。为了能更好地接收卫星信号，他们必须检测这台天线的噪音性能。于是，他们将天线对准天空方向进行测量。结果发现，在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的信号存在，这个信号很奇怪，既没有周日的变化，也没有季节的变化，由此可以判定这个信号与地球的公转和自转无关。

在他们看到这个奇怪的信号后，刚开始还怀疑这个信号来源于天线系统本身。于是，在1965年初，他们对天线进行了彻底检查。他们清除干净了天线上的鸽子窝和鸟粪，重新开始检测，然而噪声仍然存在。针对这一奇怪现象，他们在《天体物理学报》上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表了一篇论文，正式宣布了这个发现。但无法对其进行科学的解释。

随后，狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文，对这个发现给出了正确的解释：这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。这个黑体辐射对应到一个3K的温度。之后再观测其他波长，推断出它们的背景辐射温度约为2.7K。

微波背景辐射示意图

微波背景辐射最重要的特性是它具有黑体辐射谱。所谓黑体，就是指能全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体。一般情况下，黑体发出的辐射在不同波长上的分布仅与黑体的温度有关。在宇宙大爆炸时，随着宇宙的不断膨胀，其背景辐射的温度也逐渐降低，目前相当于绝对温度2.7℃。而宇宙微波背景辐射与绝对温度2.7℃黑体辐射非常吻合。通常，黑体的辐射谱在0.3～75厘米波段，在地面上就可以直接测到；在大于75厘米的射电波段，来自于河外空间的辐射被银河系本身的超高频辐射掩盖了，因而不能直接测到；在小于0.3厘米波段，由于地球大气对黑体辐射产生了干扰，因此要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到。因背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，所以习惯称之为3K背景辐射。透过黑体辐射谱现象，可以看到微波背景辐射是属于极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的互相作用变得极为弱小，所以，我们今天能观察到的黑体谱必定起源于很久以前，能为人们探索宇宙的奥秘提供更为古老的信息。

宇宙微波背景辐射局部示意图

宇宙背景辐射的发现被认为是20世纪天文学的一项重大成就。它对现代宇宙学所产生的深远影响，可以与河外星系的红移的发现相比拟。对于近代天文学来说，它具有非常重要的意义，为“宇宙大爆炸理论”提供了一个有力的证据，并且与类星体、脉冲星、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学的“四大发现”。彭齐亚斯和威尔逊因为发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖，受到了天文学界的推崇。