微波背景輻射

微波背景輻射（microwave background radiation) 來(lái)自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，也稱為宇宙背景輻射。

早在本世紀(jì)40 年代，伽莫夫等人根據(jù)熱大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)的觀點(diǎn)，預(yù)言宇宙空間應(yīng)該充滿著殘余輻射，它們的溫度已經(jīng)相當(dāng)?shù)土?，大致為幾k 或至多幾十k。“k”是開氏溫標(biāo)或者叫熱力學(xué)溫標(biāo)中的溫度單位“開耳芬”的符號(hào)，正像我們用“℃”來(lái)表示攝氏溫標(biāo)中的溫度的道理是一樣的。0 攝氏度（0℃）相當(dāng)于273.15k，3k 相當(dāng)于-270℃以下。

20 來(lái)年后，果然找到了這種殘余輻射，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論推算值大體相符，被稱為“微波背景輻射”。發(fā)現(xiàn)者是兩位美國(guó)工程師射電天文學(xué)家彭齊亞斯（1933-）和威爾遜（1936-）。當(dāng)時(shí)他們都受聘在美國(guó)新澤西州普林斯頓附近的貝爾電話實(shí)驗(yàn)室工作。

20世紀(jì)60年代初，美國(guó)科學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和r.w.威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號(hào)角式接受天線系統(tǒng)。1964年，他們用它測(cè)量銀暈氣體射電強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景噪聲。他們認(rèn)為，這些來(lái)自宇宙的的波長(zhǎng)為7.35厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5k。1965年，他們又訂正為3k，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)金獎(jiǎng)。

微波背景輻射

上古時(shí)代，人們以為地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一樣的事實(shí)，對(duì)于他們而言毫不足怪。然而，從哥白尼③時(shí)代開始，我們就被降級(jí)為繞著一顆非常平凡的恒星公轉(zhuǎn)的一顆行星，而該恒星又是繞著我們看得見的不過(guò)是一千億個(gè)星系中的一個(gè)典型星系的外邊緣公轉(zhuǎn)。我們現(xiàn)在是如此之謙和，我們不能聲稱任何在宇宙中的特殊地位。所以我們必須假定，在圍繞任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。這只有在如果宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同時(shí)才有可能。平均密度或膨脹率的大區(qū)域的任何變化都會(huì)使微波背景在不同方向上不同。這表明，宇宙的行為在非常大尺度下是簡(jiǎn)單的，而不是混沌的。因此我們可以預(yù)言宇宙遙遠(yuǎn)的未來(lái)。

19世紀(jì)以前，人們一直認(rèn)為，從天上來(lái)到人間的唯一信息是天體發(fā)出的可見光，從來(lái)沒(méi)有人想到，天體還會(huì)送來(lái)眼睛看不見的“光”——可見光波段以外的電磁波。不過(guò)，到了20世紀(jì)60年代，人們已經(jīng)開始通過(guò)大型無(wú)線電接收天線（射電望遠(yuǎn)鏡）對(duì)宇宙天體發(fā)出的電磁波進(jìn)行觀測(cè)。

1964年5月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位研究人員——阿諾·彭齊阿斯和羅伯特·威爾遜為了檢驗(yàn)一臺(tái)巨型天線的低噪聲性能，而把天線對(duì)準(zhǔn)了沒(méi)有明顯天體的天區(qū)進(jìn)行測(cè)量，竟出乎意料地收到了相當(dāng)大的微波噪聲。他們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論把天線指向何方，總能收到一定的噪聲。這種波長(zhǎng)為7．35厘米的微波噪聲既不是來(lái)自某個(gè)天體，也不是來(lái)自儀器的干擾，而是來(lái)自廣闊的宇宙空間，好像在宇宙空間存在著輻射背景。進(jìn)一步的精確測(cè)量顯示，這種輻射的溫度相當(dāng)于絕對(duì)溫度3k的黑體輻射。他們對(duì)自己的觀察結(jié)果雖然十分意外，卻一時(shí)無(wú)法解釋這多出來(lái)的溫度從何而來(lái)，所以沒(méi)有立即公布自己的發(fā)現(xiàn)。

其實(shí)，早在1946年，美國(guó)核物理學(xué)家伽莫夫就曾提出過(guò)一個(gè)虛擬的宇宙模型，認(rèn)為宇宙起源于爆炸，作為大爆炸的遺跡，宇宙間可能存在著一種電磁輻射。1953年，他估計(jì)這種輻射溫度可能是5k，但是因?yàn)闆](méi)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一理論的正確性，一直被看作猜測(cè)，他的判斷未能引起人們的重視。

60年代，美國(guó)普林斯頓大學(xué)成立了一個(gè)由迪克領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，對(duì)這一理論進(jìn)行了多方面的探討。他們花了很多心血，卻一無(wú)所獲，伽莫夫的預(yù)言還是得不到確認(rèn)。研究小組中的皮伯斯在一篇論文中預(yù)言，在3厘米波長(zhǎng)處應(yīng)該接收到10k的噪聲，這是一種殘留的熱背景輻射。

1965年，彭齊亞斯和威爾遜間接地獲悉了普林斯頓大學(xué)研究小組的工作后，喜出望外。他們打電話告訴迪克教授，迪克教授給了他一篇皮伯斯的論文。雙方經(jīng)過(guò)深入討論后，彭齊亞斯和威爾遜初步斷定他們所觀察到的正是普斯頓大學(xué)研究的宇宙背景輻射；而迪克小組之所以探測(cè)不到微波背景輻射，是因?yàn)樘炀€靈敏度不夠。彭齊亞斯和威爾遜撰寫了一篇只有600字的論文：《在4080兆赫處天線附加溫度的測(cè)量》，宣布了他們的成果。

由于宇宙背景輻射為大爆炸宇宙學(xué)理論提供了有力的證據(jù)，所以微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)成為60年代世界天文學(xué)的“四大發(fā)現(xiàn)”之一。1978年，彭齊阿斯和威爾遜因此而榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 ^[1]

微波背景輻射—-基本特征

微波背景輻射的最重要特征是具有黑體輻射譜，在0.3～75厘米波段，可以在地面上直接測(cè)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(lái)自河外空間的輻射，因而不能直接測(cè)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(cè)手段才能測(cè)到。從0.054厘米直到數(shù)十厘米波段內(nèi)的測(cè)量表明，背景輻射是溫度近于2.7k的黑體輻射，習(xí)慣稱為3k背景輻射。黑體譜現(xiàn)象表明，微波背景輻射是極大的時(shí)空范圍內(nèi)的事件。因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)輻射與物質(zhì)之間的相互作用，才能形成黑體譜。由于現(xiàn)今宇宙空間的物質(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(cè)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。

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：①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0.2～0.3%；②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(shuō)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(guò)相互聯(lián)系。

除微波波段外，在從射電到γ射線輻射的各個(gè)波長(zhǎng)上，大都進(jìn)行過(guò)背景輻射探測(cè)，結(jié)果是微波波段的輻射最強(qiáng)，其強(qiáng)度超過(guò)其他所有波段的背景輻射的總和。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。它對(duì)現(xiàn)代宇宙學(xué)所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，可以與河外星系的紅移的發(fā)現(xiàn)相比擬。當(dāng)前，流行的看法認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對(duì)大爆炸宇宙學(xué)的強(qiáng)有力的支持。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(shuō)，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k或幾十k。3k微波背景輻射的實(shí)測(cè)結(jié)果與理論預(yù)期大體相符。此外，還有用其他模型或機(jī)制來(lái)解釋微波背景輻射的宇宙學(xué)說(shuō)。^[2]

微波背景輻射

1934年，tolman是第一個(gè)研究有關(guān)宇宙背景輻射的人。他發(fā)現(xiàn)在宇宙中輻射溫度的演化里溫度會(huì)隨著時(shí)間演化而改變；而光子的頻率隨時(shí)間演化(即宇宙學(xué)紅移)也會(huì)有所不同。但是當(dāng)兩者一起考慮時(shí)，也就是討論光譜時(shí)(是頻率與溫度的函數(shù))兩者的變化會(huì)抵銷掉，也就是黑體輻射的形式會(huì)保留下來(lái)。

1948年，由旅美的俄國(guó)物理學(xué)家伽莫夫帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)估算出，如果宇宙最初的溫度約為十億度，則會(huì)殘留有約5~10k 的黑體輻射。然而這個(gè)工作并沒(méi)有引起重視。

1964年，蘇聯(lián)的澤爾多維奇(zel\’dovich)、英國(guó)的霍伊爾(hoyle)、泰勒(tayler)、美國(guó)的皮伯斯(peebles)等人的研究預(yù)言，宇宙應(yīng)當(dāng)殘留有溫度為幾開的背景輻射，并且在厘米波段上應(yīng)該是可以觀測(cè)到的，從而重新引起了學(xué)術(shù)界對(duì)背景輻射的重視。美國(guó)的狄克(dicke)、勞爾(roll)、威爾金森(wilkinson)等人也開始著手制造一種低噪聲的天線來(lái)探測(cè)這種輻射，然而另外兩個(gè)美國(guó)人無(wú)意中先于他們發(fā)現(xiàn)了背景輻射。

1964年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師阿諾·彭齊亞斯(penzias)和羅伯特·威爾遜(wilson)架設(shè)了一臺(tái)喇叭形狀的天線，用以接受“回聲”衛(wèi)星的信號(hào)。為了檢測(cè)這臺(tái)天線的噪音性能，他們將天線對(duì)準(zhǔn)天空方向進(jìn)行測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)，在波長(zhǎng)為7.35cm的地方一直有一個(gè)各向同性的訊號(hào)存在，這個(gè)信號(hào)既沒(méi)有周日的變化，也沒(méi)有季節(jié)的變化，因而可以判定與地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。

起初他們懷疑這個(gè)信號(hào)來(lái)源于天線系統(tǒng)本身。1965年初，他們對(duì)天線進(jìn)行了徹底檢查，清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，然而噪聲仍然存在。于是他們?cè)凇短祗w物理學(xué)報(bào)》上以《在4080兆赫上額外天線溫度的測(cè)量》為題發(fā)表論文正式宣布了這個(gè)發(fā)現(xiàn)。

緊接著狄克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在同一雜志上以《宇宙黑體輻射》為標(biāo)題發(fā)表了一篇論文，對(duì)這個(gè)發(fā)現(xiàn)給出了正確的解釋：即這個(gè)額外的輻射就是宇宙微波背景輻射。這個(gè)黑體輻射對(duì)應(yīng)到一個(gè)3k的溫度。之後在觀測(cè)其他波長(zhǎng)的背景輻射推斷出溫度約為2.7k。

宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)在近代天文學(xué)上具有非常重要的意義，它給了大爆炸理論一個(gè)有力的證據(jù)，并且與類星體、脈沖星、星際有機(jī)分子一道，并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。

微波背景輻射探測(cè)器

“微波背景輻射”是存在于整個(gè)宇宙空間的、各向同性的、在微波波段的電磁輻射，這是美國(guó)射電天文學(xué)家彭齊亞斯（arnopenzias, 1933~）和威爾遜（robert woodrow wilson, 1936~）于1964年偶然發(fā)現(xiàn)的（詳見第三章第五節(jié)）。當(dāng)時(shí)他們建立了一個(gè)靈敏度極高的定向接收系統(tǒng)來(lái)探測(cè)宇宙，發(fā)現(xiàn)從天空中任何方向都接收到一種強(qiáng)度完全相同的微波波段電磁輻射“干擾”，后來(lái)被認(rèn)定這種輻射并非來(lái)自任何星系，而是存在于整個(gè)宇宙背景之中，因此稱它為宇宙背景輻射。他們做了大量的實(shí)驗(yàn)又確認(rèn)這種輻射相當(dāng)于溫度為2.7k的輻射，彭齊亞斯和威爾遜因此而獲1978年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。

建立宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)的伽莫夫等人預(yù)言，作為大爆炸過(guò)程的遺跡，目前的宇宙中應(yīng)該無(wú)處不有、各向同性地充滿了等效溫度大約為3k的黑體輻射。由于這輻射的峰值波長(zhǎng)在1毫米附近，處于微波波段，故又稱為“微波背景輻射”。

令人遺憾的是，這一重要預(yù)言在提出后的10多年中竟未引起人們的認(rèn)真關(guān)注。1964年，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯和威爾遜，在新澤西州用一架噪聲極低的角狀反射天線測(cè)量高銀緯區(qū)（即銀河平面的以外區(qū)域）發(fā)出的射電波。這種測(cè)量最大的困難在于怎樣將有用的信號(hào)與來(lái)自大氣干擾、天線結(jié)構(gòu)及放大電路的各種噪聲信號(hào)區(qū)分開來(lái)。在采用了種種降低噪聲的措施后，他們本打算驗(yàn)證一下，在7.35cm 波長(zhǎng)上天線自身的噪聲可以忽略不計(jì)，爾后再到21cm波長(zhǎng)上去觀測(cè)星系的射電波。但是，出乎預(yù)料的事發(fā)生了：在7.35cm波長(zhǎng)上，他們收到了相當(dāng)強(qiáng)的與方向無(wú)關(guān)的微波噪聲。在隨后的一年里他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這一微波噪聲既不隨時(shí)日變化，也不隨季節(jié)張落，它顯然不是來(lái)自銀河系，似乎來(lái)自更為廣闊的宇宙背景。

無(wú)線電工程師常用“等效溫度”描寫射電噪聲的強(qiáng)度。彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)他們收到的微波射電噪聲的等效溫度在2.5-4.5k之間，但是他們并不清楚自己發(fā)現(xiàn)的意義。后來(lái)，普林斯頓大學(xué)的青年物理學(xué)家皮伯斯(p.e.j.peebles)得知了這一消息，皮伯斯早先曾經(jīng)在一次學(xué)術(shù)報(bào)告中發(fā)布，早期的宇宙應(yīng)該留下一個(gè)10k的背景輻射（他將等效溫度估計(jì)高了）。

在得到消息的當(dāng)時(shí)，普林斯頓大學(xué)的幾位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家迪克(r.h.dicke)、羅爾(p.g.roll)h和威金森(d.t.wilkinson)正在著手裝置一架低噪聲的小型天線，以便觀測(cè)皮伯斯所說(shuō)的早期宇宙遺留下來(lái)的輻射。在迪克等人尚未完成測(cè)量裝置之前，得知了彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)，立即認(rèn)識(shí)到這正是他們夢(mèng)寐以求的宇宙背景輻射。

微波背景輻射探測(cè)器

為了“驗(yàn)明正身”，20多年來(lái)，全世界天文學(xué)家對(duì)這種輻射的頻譜、方向及黑體輻射性進(jìn)行了大規(guī)模的調(diào)查驗(yàn)證，獲得了充分的數(shù)據(jù)支持。1972年，康奈爾火箭小組和麻省理工學(xué)院氣球小組在大氣層外測(cè)量的結(jié)果表明，輻射頻譜符合大約為3k的黑體輻射分布。1974年一個(gè)伯克利氣球小組還肯定了在0.25-0.06cm 波段（即7.35cm之外），輻射譜偏離峰值后下降。

1989年，美國(guó)宇航局專門發(fā)射了宇宙背景探測(cè)者衛(wèi)星，第一批外空間測(cè)量數(shù)據(jù)表明：在從0.5毫米到5毫米的整個(gè)波段上，該輻射的譜分布與溫度為2.735±0.06k的理想黑體完全相合。

在扣除運(yùn)動(dòng)效應(yīng)以后，天空不同方向的相對(duì)誤差小于十萬(wàn)分之一。這就無(wú)容置疑地證明了微波背景輻射的黑體性和普遍性。微波背景輻射是宇宙大爆炸模型最令人信服的證據(jù)。

在現(xiàn)代宇宙學(xué)中這一發(fā)現(xiàn)可與宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)相媲美。如果說(shuō)，哈勃的發(fā)現(xiàn)打開了宇宙整體動(dòng)力學(xué)演化研究的大門，那么彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)則打開了宇宙整體物理演化研究的大門。

經(jīng)過(guò)了10年左右的多次反復(fù)驗(yàn)證，微波背景輻射被科學(xué)界完全確認(rèn)。最初的發(fā)現(xiàn)者彭齊亞斯和威爾遜分享了1978年的諾貝爾物理獎(jiǎng)金。 ^[3]