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1、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
2、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。,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 t 10万年，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
3、 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
4、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
5、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
6、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 1 10-4. 从理论方面： 若CBR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 实际面貌。如： 星系应当多大(一个范围) 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： * 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 m = 0,2-1.0c c = 10 氢原子质量/m3. *
7、 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。 （注意：今天已知道这不对！）,利用T/T 1 10-4算下去，人们发现： 这样的小扰动演化到今天是 来不及形成星系的 。 可是星系已大量形成却是铁的事实。 我们正生活在某一个星系内呢！ 宇宙学遇到了天大的疑难 ！ puzzle！ 哪儿错了？,五。非重子暗物质观念的由来,今天大家已知道， 宇宙暗物质的主要组分不是重子。 暗物质以非重子为主的观念却产生于81年。 有趣的是它来源于一个错误的实验结果： 中微子有30eV的静质量。(Liubimov),宇宙家立刻意识到它的重大后果： 今天宇宙中存在背景中微子，100个/cm3.
8、粗略一估：它对宇宙密度的贡献比常规重子 物质高接近两个量级。 我们是生活在中微子为主的宇宙中！ 更重要的是： 中微子为主的宇宙中 小扰动增长要快得多。 星系至今来不及形成的疑难 会有很大的缓解。,很快粒子物理学家知道了 Liubimov的发现是个错误。 宇宙学家得到的启示是： 星系必须来得及形成，因此 宇宙以非重子为主很可能是事实。 至于它是否是中微子并不重要。 很大胆的假设！ 宇宙学家持之以恒地以此为前提研究结构形 成问题。艰苦而有成效地奋斗了20年。,他们首先意识到，若非重子为主， CBR上的温度起伏应当有 T/T 1 10-6 至80年代后期，小扰动测量的精度已提至 T/T 1 10-5
9、 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， 那么宇宙物质以非重子为主的观念 就必须放弃了。 COBE承担的又一使命就是回答这问题。,CBR上测量温度起伏很难， 测量后的数据处理也十分繁复。 到三年后的1992，结果才出来： T/T = 5 10-6 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。 理论家更确信： 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：WMAP,六。WMAP的使命和结果,Willkinson Microwave Anisotropy Probe的使命是： 高精度地测量CBR上的温度起伏。 想从它获取什么信
10、息？ 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： Hubble常数H0，真空能密度v， 实物总密度m，重子物质密度B,主要结果粗略地罗列如下： Hubble常数H0 = 70 Km/s /Mpc 真空能密度 v = 0.76c 总实物密度 m = 0.24c 重子物质密度 B = 0.04c 由这些基本参量可推断出很多派生量，如 宇宙年龄t0 = 140 亿年，等等,更重要的是如下两点： 宇宙总密度约为10氢原子质量/m3, 其中3/4来自真空的贡献。 2. 实物约占总密度的1/4, 其中重子物质只占1/6, 而非重子物质占5/6。 这两方面通常称为 暗物质和暗能量问题。
11、它引起物理界极大的兴趣和关注。,七。暗物质和暗能量问题,关于真空能（暗能量）问题： 真空怎么会有能量？ 什么叫测到了真空能？ 真空能肯定被测到了吗？,真空怎么会有能量？ 这是很复杂而需要小心对待的问题 何谓真空？ 经典物理：真空 = 完全没有物质 真空能密度只能是零 量子物理：真空 = 场处于基态 真空能密度不一定为零 若不为零，它将产生引力,什么叫测到了真空能？ 1. 真空产生的引力只能用广义相对论处理。 2. 真空产生的是斥性引力。 ( Repulsive gravity ) 3. 测到的是宇宙在加速膨胀。 人们把它作为真空能存在的证据。,真空能肯定被测到了吗？ 使今天物理学家困惑的是：
12、用量子场论做粗略理论估算， 真空能密度比实测值高10几个量级！ 于是产生两种研究方向： 一。若观测到的加速膨胀来自真空能， 它为什么这么小？ 二。若不是，斥性引力是什么 物质(exotic matter)产生的？ 这方面的探索将 给物理基础研究带来革命性的变革。,关于非重子暗物质问题,简单做几点说明： 1. 怎么知道有非重子物质存在？肯定吗？ 2. 重子物质不是宇宙主体，意外吗？ 3. 它的可能组分是什么？,非重子为主是肯定的吗? 回答是: Yes, absolutely! 实物总密度决定宇宙的膨胀进程, 重子物质密度决定CBR的形成. 理论上把它们当两个独立参量处理的. 若事实上一切实物都由
13、重子组成,拟合后将表 明它们接近相等. 现在的结果是: 两者差6倍!,这意外吗? 回答是: No, completely! 宇宙家绝不意外： 这是他们期盼出现的观测结果. 粒子物理学家不会感到意外： 尚未发现的粒子比已发现的更多. 若有一种稳定粒子构成宇宙的主角, 无可意外. 重要的是宇宙学表明：一定存在。,它可能是什么粒子? 从宇宙学和粒子物理看: 只要是稳定粒子,它今天就会大量存在. 只要它没有电磁作用和强作用,它的存在就不 容易被发现(表现为暗物质). 在已发现的粒子中没有合适的候选者。 在探索性的粒子理论中有若干候选者。 它实际是什么粒子？目前没有答案。,八。结束语,宇宙背景辐射是我们今天的主题。 我主要想说明几点： 一。什么微波背景辐射？ 早期宇宙曾没有恒星和星系， 那时它简单地是高温高密的均匀气体。 宇宙膨胀降温过程中一定会形成背景辐射。 今天观测到的是140亿年前留下的遗迹。,二。这理论可靠到什么程度？ 2006年获Noble物理奖的COBE 通过对其频谱的精确测量已把它的可信性 提高到了无可争辩的地步。 三。关注CBR的价值何在？ * 它标志着宇宙理论已走向成熟。 * 它正在影响整个物理学的发展。,这正是当今物理学家 普遍而深切地 关注宇宙学的原因所在.,谢谢大家,
