3K宇宙背景輻射

基本資訊

宇宙微波背景輻射（又稱3K背景輻射）是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。特徵和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同。頻率屬於微波範圍。宇宙微波背景輻射產生於大爆炸後的三十萬年.大爆炸宇宙學說認為，凞發生大爆炸時，凋宇宙的溫度是極高的，刃之後慢慢降溫，剛到現在約150億年後大約還殘留著3K左右的熱輻射。

概念

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。二十世紀六十年代初，美國科學家彭齊亞斯和R.W.威爾遜為了改進衛星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強度。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。他們認為，這些來自宇宙的波長為7.35釐米的微波噪聲相當於3.5K。1965年，他們又訂正為3K，並將這一發現公諸於世，為此獲1978年諾貝爾物理學獎。

特徵

微波背景輻射的最重要特徵是具有黑體輻射譜，在0.3釐米－75釐米波段，可以在地面上直接測到；在大

於100釐米的射電波段，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；在小於0.3釐米波段，由於地球大氣輻射的干擾，要依靠氣球、火箭或衛星等空間探測手段才能測到。從0.054釐米直到數十釐米波段內的測量表明，背景輻射是溫度近於2.7K的黑體輻射，習慣稱為3K背景輻射。黑體譜現象表明，微波背景輻射是極大的時空範圍內的事件。因為只有透過輻射與物質之間的相互作用，才能形成黑體譜。由於現今宇宙空間的物質密度極低，輻射與物質的相互作用極小，所以，我們今天觀測到的黑體譜必定起源於很久以前。微波背景輻射應具有比遙遠星系和射電源所能提供的更為古老的資訊。微波背景輻射的另一特徵是具有極高度的各向同性。這有兩方面的含義：首先是小尺度上的各向同性。在小到幾十弧分的範圍內，輻射強度的起伏小於0.2－0.3%；其次是大尺度上的各向同性。沿天球各個不同方向，輻射強度的漲落小於0.3%。各向同性說明，在各個不同方向上，在各個相距非常遙遠的天區之間，應當存在過相互的聯絡。

起因

1948年, 美國科學家阿爾弗(Ralph Alpher)和赫爾曼(Robert Herman)預言，宇宙大爆炸產生的殘系輻

射，由於宇宙的膨脹和冷卻，如今它所具有的溫度約為絕對零度以上5開，或者說5K(絕對零度等於攝氏零下273.15度，即-273℃)。但是他們的預言並未引起人們的普遍重視。

發展

但是多年以後，即1965年，美國紐澤西州貝爾實驗室的兩位無線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)卻十分意外地發現了這種宇宙輻射場，當時他們正在為跟蹤一顆衛星而校準一具很靈敏的無線電天線。與此同時，在附近的普林斯頓大學，由羅伯特·迪克(Robert Dicke)領導的一個科學家小組已獨立地重新發現了阿爾弗和赫爾曼早先作過的預言，並著手設計一臺探測器以供搜尋大爆炸的殘留輻射。他們聽說了貝爾實驗室這臺接收器中存在著無法闡明的噪聲，並立即將它解釋為源自大爆炸的殘餘輻射。它相當於在電磁波譜的微波部分波長為7．35釐米的某種無線電波訊號；如果假設它是熱輻射，那麼它所具有的能量就相應於2.7K的溫度--這與阿爾弗和赫爾曼富於靈感的估計非常接近。它被稱為"宇宙微波背景輻射"。宇宙微波背景輻射的存在，給大爆炸理論以有力的支援。

最新進展

2010年12月有英國天文學家發表論文稱，他們發現了我們所在宇宙很久之前曾受到其他平行宇宙“擠壓”的證據。

英國倫敦大學物理與天文學學院的史蒂夫·菲尼和他的研究團隊在研究了宇宙微波背景輻射圖後得出了這一驚人結論。研究團隊稱，他們在圖中發現了四個由“宇宙摩擦”形成的圓形圖案，這表明我們的宇宙可能至少四次進入過其他宇宙。

預測

1934年，Tolman發現在宇宙中輻射溫度的演化裡溫度會隨著時間演化而改變；而光子的頻率隨時間演化（即宇宙學紅移）也會有所不同。但是當兩者一起考慮時，也就是討論光譜時（是頻率與溫度的函式）兩者的變化會抵銷掉，也就是黑體輻射的形式會保留下來。

1948年，美國物理學家伽莫夫、阿爾菲和赫爾曼估算出，如果宇宙最初的溫度約為十億度，則會殘留有約5~10k 的黑體輻射。然而這個工作並沒有引起重視。1964年，蘇聯的澤爾多維奇、英國的霍伊爾、泰勒(Tayler)、美國的皮伯斯(Peebles)等人的研究預言，宇宙應當殘留有溫度為幾K的背景輻射，並且在釐米波段上應該是可以觀測到的，從而重新引起了學術界對背景輻射的重視。美國的狄克（Dicke）、勞爾（Roll）、威爾金森（Wilkinson）等人也開始著手製造一種低噪聲的天線來探測這種輻射，然而另外兩個美華人無意中先於他們發現了背景輻射。

研究史

1964年，美國貝爾實驗室的工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜架設了一臺喇叭形狀的天線，用以接受“回聲”衛星的訊號。為了檢測這臺天線的噪音效能，他們將天線對準天空方向進行測量。他們發現，在波長為7.35cm的地方一直有一個各向同性的訊號存在，這個訊號既沒有周日的變化，也沒有季節的變化，因而可以判定與地球的公轉和自轉無關。

起初他們懷疑這個訊號來源於天線系統本身。1965年初，他們對天線進行了徹底檢查，清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，然而噪聲仍然存在。於是他們在《天體物理學報》上以《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》為題發表論文正式宣佈了這個發現。不久狄克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在同一雜誌上以《宇宙黑體輻射》為標題發表了一篇論文，對這個發現給出了正確的解釋，即：這個額外的輻射就是宇宙微波背景輻射。

宇宙背景輻射的發現在近代天文學上具有非常重要的意義，它給了大爆炸理論一個有力的證據，並且與類星體、脈衝星、星際有機分子一道，並稱為20世紀60年代天文學“四大發現”。彭齊亞斯和威爾遜也因發現了宇宙微波背景輻射而獲得1978年的諾貝爾物理學獎。

進一步的研究

後來人們在不同波段上對微波背景輻射做了大量的測量和詳細的研究，發現它在一個相當寬的波段範圍內良好地符合黑體輻射譜，對應溫度大約為2.7K（近似為3K），並且在整個天空上是高度各向同性的，只是具有一個微小的偶極各向異性：在赤經 11.3±0.1 h，赤緯 4±2°的地方溫度略高，在相反的方向溫度略低，人們認為這是由銀河系運動帶來的多普勒效應所引起的。

宇宙3K輻射指的就是微波背景輻射，宇宙微波背景輻射產生於宇宙大爆炸之後三十萬年，和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同，處於微波波段。這也是我們研究宇宙的一種途徑，微波背景輻射分佈圖已經被繪製出現，科學家從這幅微波背景輻射分佈圖中找到了關於宇宙大爆炸的證據。

說到微波背景輻射的發現，1965年，美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜在一個微波探測器上檢測到了比預計大得多的噪聲。起初他們認為是探測器上的鳥糞引起的，但在清除了鳥糞之後，噪聲依然存在。那麼噪聲究竟是從哪裡來的呢？

他們發現，不管探測器朝向哪個方向，噪聲都是一樣的。要知道，如果噪聲是來自地球大氣層的話，探測器斜著指向天空時的噪聲會大於垂直時的噪聲，因為傾斜方向的大氣層厚度更大。而且，不管是在白天還是黑夜，也不管夏季還是冬季，噪聲都是一樣的。這就排除了地球自轉和公轉的影響，說明噪聲是來自太陽系之外，甚至是在銀河系之外的。他們公佈了這一發現，不久之後，其他科學家對此給出瞭解釋：這個噪聲來自於宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射也稱為宇宙大爆炸的餘溫，是大爆炸之後留下的，其研究意義肯定是非同凡響的，科學家能夠根據宇宙微波背景輻射的分佈找出一些暗斑點，這裡可能是一些沒有物質的宇宙空間。

自從哈勃在20世紀20年代發現星系紅移以來，天文學家開始認識到了宇宙正在膨脹，並且提出了宇宙大爆炸理論。根據這個理論，宇宙的最初時刻只有一個體積無限小的奇點，然後宇宙萬物從極高溫的大爆炸中創生。宇宙學家拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼認為，早期宇宙的密度和溫度極高，那麼，隨著宇宙空間的膨脹，物質逐漸分散，宇宙的溫度也會隨之下降，至今還應該殘留著極低溫度的熱輻射。他們估算出的宇宙微波背景的溫度大約為5 K（K=273.15+℃），即在微波波段可以探測到宇宙大爆炸的熱殘餘。不久後，射電天文學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜意外地探測到了宇宙微波背景輻射，溫度大約為3 K，與理論預測值很接近。根據目前最精確的測量，宇宙微波背景的溫度大約為2.725 K。

宇宙微波背景輻射的發現具有十分重大的意義，它們被譽為“宇宙大爆炸的回聲”，這是宇宙大爆炸理論的最強證據，表明宇宙早期確實經歷過極端高溫。宇宙微波背景具有極高的各向同性，其差異僅為十萬分之一。這意味著宇宙微波背景在強度上的變化是非常微小的，並且十分均勻，表明宇宙大爆炸理論的正確性。因此，發現宇宙微波背景輻射的兩位射電天文學家獲得了諾貝爾物理學獎。

在現代宇宙學中，精確測量宇宙微波背景十分重要。基於此，天文學家得以計算出宇宙的年齡和大小。根據目前的觀測資料，宇宙可以追溯到138億年之前，可觀測宇宙的半徑高達465億光年。