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1、 宇宇 宙宙 中中 的的 微微 波波 背背 景景 辐辐 射射 北京大学北京大学 俞允强俞允强 一 背景辐射的问题由来一 背景辐射的问题由来 现代宇宙学奠基于现代宇宙学奠基于2020年代 年代 确立了两个要点 确立了两个要点 发现宇宙在膨胀发现宇宙在膨胀 Hubble Hubble 建立了宇宙膨胀动力学建立了宇宙膨胀动力学 Freidmann Freidmann 今天看来两者都很对 今天看来两者都很对 但是当时观测可靠度很低 但是当时观测可靠度很低 导致了与事实不符的结果 导致了与事实不符的结果 当时测出的当时测出的HubbleHubble常数比实际值大了常数比实际值大了7 7倍 倍 于是推断出
2、的宇宙年龄为实际值的于是推断出的宇宙年龄为实际值的1 71 7 T T 0 0 20 20亿年 亿年 它比地球年龄还小 它比地球年龄还小 当时多数人认为这表明 当时多数人认为这表明 宇宙膨胀理论不对 宇宙膨胀理论不对 19501950年 年 GamowGamow却用它研究了却用它研究了 宇宙的早期 最初十万年 宇宙的早期 最初十万年 今天看 今天看 Gamow Gamow 的理论绝对是的理论绝对是 NobleNoble奖层次上的贡献 奖层次上的贡献 一 早期宇宙中不会有星系和恒星 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 今天宇宙的物理状态是演化产生的 二 提出了一切星系
3、形成前的宇宙是二 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 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 反对者讥讽地称它为大爆炸理论 并斥之为并斥之为伪科学伪科学 一个新物理理论要被人们普遍接受 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 必须提出关键性的预言 等待将来的观测来证实或证伪 等待将来的观测来证实或证伪 HBBHBB的关键预言就是 的关键预言就是 宇宙背景辐射 宇宙背景辐射 CBR CBR 这正是我们今天讨论的主题 这正是我们今天讨论的主题 二二 CBRCBR的提出和发现的提出和发现 GamowGamow的想法 的想法 星系不可能自古存在 星系不
4、可能自古存在 星系应来自均匀气体的碎裂 猜想 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 时间越早 这均匀气体的温度越高 当 当 t 10t 10万年 万年 T T 1010 5 5 K K 气体为气体为plasma plasma 热平衡的 热平衡的plasmaplasma必包含光子组分 必包含光子组分 膨胀降温 核与电子必结成中性原子 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 光子将退耦 并遗留至今 这就叫宇宙背景辐射 这就叫宇宙背景辐射 背景辐射是早期宇宙留下的遗迹 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 问题在于它是否确实存在 遗留的光子
5、没有热碰撞 遗留的光子没有热碰撞 但它依然随宇宙膨胀而降温 但它依然随宇宙膨胀而降温 GamowGamow估出它今天温度应低于估出它今天温度应低于10 K 10 K 其主要辐射在射电和微波波段 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 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 可是没有人想做这事 这肯定是这肯定是NobleNoble奖的贡献 奖的贡献 可惜 可惜 6565年 年 BellBell电话公司的电话公司的Penzias and WilsonPenzias and Wilson 意外地在意外地在4070MHz4070MHz上发现了一种背景信号 上发现了一
6、种背景信号 温度为温度为3K 3K 但他们完全不知道这信号来自什么 但他们完全不知道这信号来自什么 PrincetonPrinceton大学的宇宙学家大学的宇宙学家PeeblesPeebles等人指出等人指出 它应当就是他们正在想找的它应当就是他们正在想找的CBR CBR 这当然是对被斥之为伪科学的这当然是对被斥之为伪科学的HBBHBB的肯定 的肯定 7878年 年 很有眼力的很有眼力的评奖委员们决定评奖委员们决定 授他们予授他们予NobleNoble物理奖 物理奖 三 三 COBECOBE对遗留疑问一锤定音对遗留疑问一锤定音 为什么讲为什么讲NobleNoble评奖委员评奖委员很有眼力很有眼
7、力 当时其实遗留一个很重要的疑问 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凭什么认为所测到的背景辐射和 HBBHBB预言的背景辐射是一回事 预言的背景辐射是一回事 很多人意识到 很多人意识到 应当全波段地测量辐射频谱 应当全波段地测量辐射频谱 HBBHBB预言的预言的CBRCBR应高度与应高度与PlanckPlanck公式一致公式一致 温度为温度为3 K3 K的热辐射的短波段为毫米波 的热辐射的短波段为毫米波 由于有地球大气的干扰 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 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 当时不多的几个测量结
8、果引起很大争议 有的结果表明所测到的背景辐射谱有的结果表明所测到的背景辐射谱 与与PlanckPlanck谱有很大差别 谱有很大差别 要有清楚的回答 只能用观测卫星在地球大要有清楚的回答 只能用观测卫星在地球大 气之外做测量 气之外做测量 COBECOBE卫星应运而生卫星应运而生 COBECOBE是多目标的背景辐射观测卫星 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其目标之一是全波段地测量 微波背景辐射的频谱 微波背景辐射的频谱 它在它在3030几个波长上同时测量辐射强度 几个波长上同时测量辐射强度 每个波长上设置了每个波长上设置了4 4个接收器 个接收器 它上天不久 地面立刻得到了
9、测量结果 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实际存在的背景辐射谱与 T 2 735 KT 2 735 K的的PlanckPlanck热辐射谱高度相符热辐射谱高度相符 这使这使HBBHBB的可靠性得到了铁证的可靠性得到了铁证 凭什么这么说这是铁证 凭什么这么说这是铁证 与与PlanckPlanck谱高度相符 谱高度相符 表明辐射源有高度的热平衡 表明辐射源有高度的热平衡 在已有星系或恒星的宇宙中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 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 唯一只有早期宇宙才能是这样的源 高度符合高度符合PlanckPla
10、nck公式的背景辐射公式的背景辐射 只能来自早期宇宙只能来自早期宇宙 于是于是HBBHBB完成了它成长的三部曲 完成了它成长的三部曲 最初被当作伪科学 最初被当作伪科学 6565年后被认识到有一定道理 年后被认识到有一定道理 COBECOBE把它的可靠性证实到把它的可靠性证实到 无可置疑的地步 无可置疑的地步 光凭这点就早该得光凭这点就早该得NobleNoble奖了 奖了 何况它的重大贡献不止于此何况它的重大贡献不止于此 四四 宇宙结构的形成疑难宇宙结构的形成疑难 宇宙早期是没有结构的均匀气体宇宙早期是没有结构的均匀气体 球球 宇宙学必须回答 后来的结构怎么形成的 宇宙学必须回答 后来的结构怎
11、么形成的 定性回答简单而清楚 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 自引力不稳定性使小扰动发展成物质结团 这样 这样 背景辐射上应能观测到背景辐射上应能观测到 密度密度 温度温度 的微小起伏 的微小起伏 7070年代后期 若干组做了这样的探测 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 得到的都是零结果 于是知道 T T 1 10T T 1 10 4 4 从理论方面 从理论方面 若若CBRCBR上的小扰动已知 后来它们随宇宙膨上的小扰动已知 后来它们随宇宙膨 胀而演化至今天 应当可以算出今天宇宙的胀而演化至今天 应当可以算出今天宇宙的 实际面貌 如 实际面貌
12、 如 星系应当多大星系应当多大 一个范围一个范围 单位体积内星系平均应当有多少个 等等 单位体积内星系平均应当有多少个 等等 这种计算需要输入两方面信息 这种计算需要输入两方面信息 今天宇宙物质的平均密度多大 今天宇宙物质的平均密度多大 当时只知道 宇宙平均密度为当时只知道 宇宙平均密度为 m m 0 2 1 0 0 2 1 0 c c c c 10 10 氢原子质量氢原子质量 m m 3 3 宇宙中暗物质的主要组分是哪几种 宇宙中暗物质的主要组分是哪几种 当时认为 暗物质总归也是重子所组成 当时认为 暗物质总归也是重子所组成 注意 今天已知道这不对 注意 今天已知道这不对 利用利用 T T
13、1 10T T 1 10T T 1 10 6 6 至至8080年代后期 小扰动测量的精度已提至年代后期 小扰动测量的精度已提至 T T 1 10T T 1 10 5 5 相信非重子为主的宇宙家到了关键时刻 相信非重子为主的宇宙家到了关键时刻 若测量精度再提高一个量级依然是零结果 若测量精度再提高一个量级依然是零结果 那么宇宙物质以非重子为主的观念那么宇宙物质以非重子为主的观念 就必须放弃了 就必须放弃了 COBECOBE承担的又一使命就是回答这问题承担的又一使命就是回答这问题 CBRCBR上测量温度起伏很难 上测量温度起伏很难 测量后的数据处理也十分繁复 测量后的数据处理也十分繁复 到三年后的
14、到三年后的19921992 结果才出来 结果才出来 T T 5 10T T 5 10 6 6 这当然是又一个异常重要的结果 这当然是又一个异常重要的结果 它明显地支持了非重子为主的猜想 它明显地支持了非重子为主的猜想 理论家更确信 理论家更确信 宇宙以非重子为主很可能是事实 宇宙以非重子为主很可能是事实 遗留的问题留给了下一颗卫星遗留的问题留给了下一颗卫星 WMAPWMAP 六 六 WMAPWMAP的使命和结果的使命和结果 Willkinson Microwave Anisotropy ProbeWillkinson Microwave Anisotropy Probe的使命是 的使命是 高精
15、度地测量高精度地测量CBRCBR上的温度起伏 上的温度起伏 想从它获取什么信息 想从它获取什么信息 通过测量结果与理论的比较 通过测量结果与理论的比较 可推算出若干重要的宇宙学参量 如 可推算出若干重要的宇宙学参量 如 HubbleHubble常数常数H H 0 0 真空能密度 真空能密度 v v 实物总密度实物总密度 m m 重子物质密度 重子物质密度 B B 主要结果粗略地罗列如下 主要结果粗略地罗列如下 HubbleHubble常数常数 H H 0 0 70 Km s Mpc 70 Km s Mpc 真空能密度真空能密度 v v 0 76 0 76 c c 总实物密度总实物密度 m m
16、0 24 0 24 c c 重子物质密度重子物质密度 B B 0 04 0 04 c c 由这些基本参量可推断出很多派生量 如由这些基本参量可推断出很多派生量 如 宇宙年龄宇宙年龄 t t 0 0 140 140 亿年 等等 亿年 等等 更重要的是如下两点 更重要的是如下两点 1 1 宇宙总密度约为宇宙总密度约为1010氢原子质量氢原子质量 m m 3 3 其中其中3 43 4来自真空的贡献 来自真空的贡献 2 2 实物约占总密度的实物约占总密度的1 4 1 4 其中重子物质只占其中重子物质只占1 6 1 6 而非重子物质占而非重子物质占5 65 6 这两方面通常称为这两方面通常称为 暗物质和暗能量问题 暗物质和暗能量问题 它引起物理界极大的兴趣和关注 它引起物理界极大的兴趣和关注 七 暗物质和暗能量问题七 暗物质和暗能量问题 关于真空能 暗能量 问题 关于真空能 暗能量 问题 真空怎么会有能量 真空怎么会有能量 什么叫测到了真空能 什么叫测到了真空能 真空能肯定被测到了吗 真空能肯定被测到了吗 真空怎么会有能量 真空怎么会有能量 这是很复杂而需要小心对待的问题 这是很复杂而需要小心对
