輻射與宇宙起源

1、13k輻射與宇宙起源輻射與宇宙起源2星空是美麗的，享受美麗的同時(shí)你是否曾經(jīng)思考過：宇宙從何而來呢？3k背景輻射或許能給我們一些啟示3一、3k背景輻射的發(fā)現(xiàn)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(jì)六十年代初，美國科學(xué)家彭齊亞斯和.威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng)。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強(qiáng)度。4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(rèn)為，這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5。1965年，他們又訂正為3，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為此獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎金。 5二

2、何為3K背景輻射 由普朗克的黑體輻射公式可知，任何物體都要向外發(fā)射電磁波。而且，所發(fā)射電磁波的波長只與物體的溫度有關(guān)。普朗克公式為：U(,T)d=(V/2c3)(3/e/kT-1)d6而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干擾，要依靠氣球、火箭或衛(wèi)星等空間探測手段才能測到。7從0.054厘米直到數(shù)十厘米波段內(nèi)的測量表明，背景輻射是溫度近于2.7的黑體輻射，習(xí)慣稱為3背景輻射。黑體譜現(xiàn)象表明，微波背景輻射是極大

3、的時(shí)空范圍內(nèi)的事件。因?yàn)橹挥型ㄟ^輻射與物質(zhì)之間的相互作用，才能形成黑體譜。 8 由于宇宙膨脹，使得空間的物質(zhì)密度極低，輻射與物質(zhì)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(yīng)具有比遙遠(yuǎn)星系和射電源所能提供的更為古老的信息！9 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： 一小尺度上的各向同性。在小到幾十弧分的范圍內(nèi)，輻射強(qiáng)度的起伏小于0.20.3。 二大尺度上的各向同性。沿天球各個(gè)不同方向，輻射強(qiáng)度的漲落小于0.3。 各向同性說明，在各個(gè)不同方向上，在各個(gè)相距非常遙遠(yuǎn)的天區(qū)之間，應(yīng)當(dāng)存在過相互的聯(lián)系。否則，如果是巧合的話，那概率真的是太小太小

4、了！10 早在四十年代，伽莫夫、阿爾菲和海爾曼根據(jù)當(dāng)時(shí)已知的氦豐度和哈勃常數(shù)等資料。發(fā)展了熱大爆炸學(xué)說，并預(yù)言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射，其溫度約為幾到幾十。3微波背景輻射的實(shí)測結(jié)果與理論預(yù)期大體相符。 微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是二十世紀(jì)天微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是二十世紀(jì)天文學(xué)的一項(xiàng)重大成就。文學(xué)的一項(xiàng)重大成就。11 現(xiàn)在不少科學(xué)家認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早期，是對大爆炸宇宙學(xué)的支持。但這仍存巨大爭議。宇宙背景輻射究竟著什么，還是人類一個(gè)未解之謎。把它說清楚，先要談?wù)劥蟊ɡ碚摗?12三、大爆炸理論愛因斯坦自己率先利用廣義相對論引力場方程進(jìn)行宇宙學(xué)研究。他發(fā)現(xiàn)，按照他自己的引力場方程，

5、算出來的宇宙是不穩(wěn)定的，宇宙不是在膨脹便是在收縮。因此愛因斯坦在方程中憑空加上了額外的一個(gè)宇宙項(xiàng)，這個(gè)所謂的宇宙項(xiàng)具有斥力的效應(yīng)，這樣就可以用宇宙項(xiàng)的排斥來抵消物質(zhì)的吸引。換言之，由宇宙項(xiàng)產(chǎn)生的負(fù)時(shí)空曲率能抵消由宇宙中質(zhì)量和能量產(chǎn)生的正時(shí)空曲率。 13哈勃紅移的發(fā)現(xiàn)證明愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型是錯(cuò)誤的。后來紛紛出籠的宇宙模型都把哈勃紅移考慮在內(nèi)。其中以美籍俄裔物理學(xué)家伽莫夫（George Gamow）等人提出的后來被稱作“大爆炸理論”的最為著名，該理論認(rèn)為宇宙起源于高溫高密的“原始火球”的大爆炸。1929年美國天文學(xué)家哈勃（Edwin Hubble）提出了著名的“哈勃定律”，并由紅移現(xiàn)象（哈勃紅

6、移），發(fā)現(xiàn)宇宙是在不斷膨脹的！14該理論還預(yù)言了大爆炸的一個(gè)結(jié)果，在今天的整個(gè)宇宙中有一種剩余輻射，它各向同性，溫度為絕對零度以上5度（5K）。 普林斯頓大學(xué)的迪克（Robert H. Dicke）根據(jù)伽莫夫的理論進(jìn)行研究，在1964年他也預(yù)言了高于絕對零度以上幾度的背景輻射。而宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)對大爆炸理論正是一個(gè)有力的支持。15四、廣義相對論的奇點(diǎn)問題根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論可以計(jì)算出,一個(gè)密度足夠大的天體會使周圍的空間發(fā)生強(qiáng)烈的彎曲，并將這一空間與宇宙其余部分割裂開來。當(dāng)光線靠近這個(gè)天體時(shí)也發(fā)生嚴(yán)重轉(zhuǎn)向，光子只能繞著天體打轉(zhuǎn)而不能進(jìn)入外部宇宙。因此，這樣一個(gè)天體不能發(fā)光，是黑的。19

7、69年美國物理學(xué)家約翰惠勒（John Wheeler）很形象地把這樣的天體叫做“黑洞”。16從1965年到1970年間，霍金跟彭羅斯進(jìn)行了密切的合作，證明了廣義相對論的奇性不可避免。也就是說，按照廣義相對論，宇宙必然起源于一個(gè)大爆炸奇點(diǎn)。同時(shí)，在黑洞中必然存在無限大密度和無限大時(shí)空曲率的奇點(diǎn)。這樣，時(shí)間起始于大爆炸奇點(diǎn)，終止于大擠壓奇點(diǎn)！17但是考慮到量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，一些基本量度，譬如長度和時(shí)間具有測不準(zhǔn)性。測不準(zhǔn)的程度由普朗克常數(shù)確定，從該常數(shù)可以定出最小的長度量子，即普朗克長度，為10E33厘米，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原子核的尺度。測量任何長度不可能比這個(gè)更精確，而且比普朗克長度更短的長度是沒有

8、意義的。同樣，作為時(shí)間量子的最小間隔，即普朗克時(shí)間，為10E43秒。沒有比這更短的時(shí)間存在。18這就是說，我們不可能把黑洞縮減為數(shù)學(xué)上的一個(gè)點(diǎn)，同樣也不能追溯到大爆炸的真正開始時(shí)刻。直徑比普朗克長度更小的體積是沒有意義的，所以零體積點(diǎn)和無限密度點(diǎn)的概念也沒有意義了。19在宇宙誕生之時(shí)，盡管物質(zhì)密度高得驚人，但不會是無限大。這樣，宇宙誕生之初的無限性和奇點(diǎn)被消除，就有可能找到一組方程來描述宇宙的起源和結(jié)局。20這樣，在宇宙大爆炸模型中，我們可以看到，物理中不允許奇點(diǎn)存在，而正是因?yàn)橛辛肆孔恿W(xué)的修正，才避開了奇點(diǎn)。因此，量子力學(xué)排除了奇點(diǎn)。上網(wǎng)查了一下最近很熱的一種理論-弦理論。我感覺這兩種理論

9、的核心思想有著很大的相似形，不知弦理論是否真的始于量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理！21微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是二十世紀(jì)天文學(xué)的重大成就，它對現(xiàn)代宇宙 學(xué)產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，可以與河外星系的紅移的發(fā)現(xiàn)相并論。目前的看法認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學(xué)的強(qiáng)有力支持。3K 背景輻射與四十年代伽莫夫、海爾曼和阿爾菲根據(jù)當(dāng)時(shí)已知的氦豐度和哈勃常數(shù)等資料預(yù)言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射理論相符。22五、本文中的幾個(gè)重要人物普朗克霍金愛因斯坦23普朗克因發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論），從而對物理學(xué)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，他關(guān)于能量子想法被愛因斯坦成功的用來解釋了光電效應(yīng)。普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Plank 18581947）獲得了1918年度諾貝爾物理學(xué)獎。24愛因斯坦愛因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）因在數(shù)學(xué)物理方面的成就，尤其是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的規(guī)律，獲得了1921年度的諾貝爾物理學(xué)獎。但我認(rèn)為，他的更加重要的成就是他所創(chuàng)立的相對論，尤其是廣義相對論。愛因斯坦是20世紀(jì)最有影響的科學(xué)家，物理學(xué)革命的先驅(qū)，狹義和廣義相對論以及現(xiàn)代宇宙學(xué)的創(chuàng)建者，量子論的主要奠基者之一。 25史蒂芬 霍金 (Stephen Hawk