PPT《宇宙中的微波背景辐射北京大学 俞允强》

宇宙中的微波背景辐射北京大学 俞允强 一.

背景辐射的问题由来 现代宇宙学奠基于20年代.确立了两个要点:发现宇宙在膨胀(Hubble)建立了宇宙膨胀动力学(Freidmann).今天看来两者都很对,但是当时观测可靠度很低,导致了与事实不符的结果. 当时测出的Hubble常数比实际值大了7倍.于是推断出的宇宙年龄为实际值的1/7.T0 = 20亿年.它比地球年龄还小! 当时多数人认为这表明:宇宙膨胀理论不对.1950年,Gamow却用它研究了 宇宙的早期(最初十万年). 今天看,Gamow 的理论绝对是 Noble奖层次上的贡献:一.早期宇宙中不会有星系和恒星, 今天宇宙的物理状态是演化产生的.二.提出了一切星系形成前的宇宙是 均匀的高温高密气体的观念. 反对者讥讽地称它为大爆炸理论,并斥之为伪科学. 一个新物理理论要被人们普遍接受, 必须提出关键性的预言,等待将来的观测来证实或证伪.HBB的关键预言就是: 宇宙背景辐射(CBR). 这正是我们今天讨论的主题. 二.CBR的提出和发现 Gamow的想法:*星系不可能自古存在.*星系应来自均匀气体的碎裂(猜想).*时间越早,这均匀气体的温度越高.*当t105 K.气体为plasma.*热平衡的plasma必包含光子组分.*膨胀降温,核与电子必结成中性原子. 光子将退耦,并遗留至今.这就叫宇宙背景辐射. 背景辐射是早期宇宙留下的遗迹.问题在于它是否确实存在.遗留的光子没有热碰撞,但它依然随宇宙膨胀而降温.Gamow估出它今天温度应低于10 K.其主要辐射在射电和微波波段.其实当时很容易用射电天线观测到它,可是没有人想做这事. 这肯定是Noble奖的贡献. 可惜! 65年,Bell电话公司的Penzias and Wilson意外地在4070MHz上发现了一种背景信号,温度为3K.但他们完全不知道这信号来自什么.Princeton大学的宇宙学家Peebles等人指出它应当就是他们正在想找的CBR.这当然是对被斥之为伪科学的HBB的肯定.78年,很有眼力的评奖委员们决定 授他们予Noble物理奖. 三.COBE对遗留疑问一锤定音 为什么讲Noble评奖委员很有眼力?当时其实遗留一个很重要的疑问:凭什么认为所测到的背景辐射和 HBB预言的背景辐射是一回事?很多人意识到,应当全波段地测量辐射频谱. HBB预言的CBR应高度与Planck公式一致. 温度为3 K的热辐射的短波段为毫米波.由于有地球大气的干扰,来自远处的毫米波信号很难准确测量.当时不多的几个测量结果引起很大争议.有的结果表明所测到的背景辐射谱 与Planck谱有很大差别.要有清楚的回答,只能用观测卫星在地球大气之外做测量.COBE卫星应运而生. COBE是多目标的背景辐射观测卫星.其目标之一是全波段地测量 微波背景辐射的频谱.它在30几个波长上同时测量辐射强度,每个波长上设置了4个接收器.它上天不久,地面立刻得到了测量结果:实际存在的背景辐射谱与 T = 2.735 K的Planck热辐射谱高度相符. 这使HBB的可靠性得到了铁证! 凭什么这么说这是铁证?与Planck谱高度相符,表明辐射源有高度的热平衡.在已有星系或恒星的宇宙中 已不能存在高度热平衡的物体. 唯一只有早期宇宙才能是这样的源! 高度符合Planck公式的背景辐射 只能来自早期宇宙. 于是HBB完成了它成长的三部曲: * 最初被当作伪科学, * 65年后被认识到有一定道理, * COBE把它的可靠性证实到 无可置疑的地步.光凭这点就早该得Noble奖了!何况它的重大贡献不止于此. 四.宇宙结构的形成疑难 宇宙早期是没有结构的均匀气体(球),宇宙学必须回答:后来的结构怎么形成的.定性回答简单而清楚: 自引力不稳定性使小扰动发展成物质结团.这样,背景辐射上应能观测到 密度(温度)的微小起伏. 70年代后期,若干组做了这样的探测.得到的都是零结果.于是知道:T/T <