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第五节 宇宙微波背景辐射

彭齐亚斯和威尔逊的贡献

1978年,彭齐亚斯(Penzias)和威尔逊(Wilson)获得了诺贝尔物理学奖,此奖项缘于1963年初,二人为了进行射电天文学研究,将一台卫星通信接收设备改装成射电望远镜。为了达到更高更好的研究效果,必须不厌其烦地屡次提升测量的精度并降低系统的噪声温度,直到天线温度测量值的整体误差小到0.3K,3.5K的宇宙背景辐射才显现于人们的视野。因为它是宇宙大爆炸时余留下来的残骸,所以成为大爆炸理论的最具价值的观测证据。关于现代宇宙学的伟大发现,第一可说是哈勃发现河外星系的红移,第二就是当之无愧的3.5K的宇宙背景辐射。这个20世纪的伟大成就得到了大众的一致认可,瑞典科学院指出,此发现具有根本性的价值和意义,也通过它了解到宇宙开创时期的相关讯息。

迪克与发现失之交臂

1978年,彭齐亚斯和威尔逊的发现获得了诺贝尔物理学奖,正是因为他们的发现,迪克错失了良机。自研究宇宙学开始,迪克就不认可伽莫

夫提出的大爆炸宇宙学。他认为宇宙是重复地膨胀和收缩的永久振荡模型,而现在的宇宙正值膨胀阶段。他让研究生皮布尔斯计算振荡模型里宇宙温度的变化方式,因为他做了一个大胆的猜想,能够观测的背景辐射会在宇宙的“振荡”过程中留有余存,而最终的计算结果得出宇宙中布满了温度为10K的背景辐射。但有趣的是,迪克早在20年前就发现了温度为20K的“宇宙物质辐射”,突然意识到这种微波背景辐射极有可能就是“振荡”过程中残存下来的。故而,****年,他鼓动两位研究生对这种辐射进行探寻,尽管已经为此制作了射电望远镜,但还没等到观测就已经被彭齐亚斯和威尔逊早一步完成了。

彭齐亚斯和威尔逊的同事、工程师奥姆(E.A.Ohm)也和迪克一样,与这次发现失之交臂。奥姆利用贝尔实验室的喇叭状天线进行测量时,不仅发现了3.3K的多余噪声温度,而且在1961年时于《贝尔系统技术杂志》上发表出来,但遗憾的是,并没有引起大众的关注,毕竟实验误差远远大于这个

多余的噪声温度,而且对通信也并没有什么影响。

大发现

20世纪60年代,彭齐亚斯和威尔逊在贝尔实验室所做的射电天文研究其实与天文并无关联。当时的研究任务就是为回声卫星计划而建造的6米角形反射天线进行调试。所测的亮度必须是天线指向天顶时的亮度,才能对背景噪声加以界定。而温度又是用来对天线所测亮度的表示,也就是在这个温度下相同频率的黑体辐射的亮度。彭齐亚斯和威尔逊测到的温度中有2.3K源自大气层,0.9K源于天线内的欧姆耗损,但总共是6.7K,那么,余下的3.5K就找不到根源了。

贝尔实验室除了彭齐亚斯和威尔逊这两个人以外,其他的人都不在意天线中不明噪声这个老问题,两个执着的人,为此付出了很多心力。为了弄清楚它的来路,尝试过很多的方法,竟然有一次还把天线拆开,的确有所收获,意外地发现了一个鸽子窝,铲除了它们的粪便,让它们搬了家,可尽管如此依旧没有找到噪声的源头。由于多次努力和尝试都没有在电线本身发现问题,于是,二

人便断定此噪声必定来源于远处的辐射信号,但也仅仅如此,对于它的重大意义并没有意识到。普林斯顿大学的宇宙学家们很清楚温度是3K的微波背景所具备的深意,而对于彭齐亚斯和威尔逊这两个人来说,无疑是一件头等幸运的事,因为贝尔实验室与普林斯顿大学邻近。二人在与宇宙学家们探讨后,双方都撰写了关于此事的论文,并在同一期的《天体物理杂志》上发表。

大爆炸宇宙论的预言因微波背景辐射的发现而得以印证,人们也逐渐开始认识宇宙的图像。所以,微波背景辐射毫无疑问地成为宇宙发展史上的重大事件之一。

地球上我们所见的物质由分子构成,分子由原子构成,原子核由质子和中子构成。原子核周围环绕着电子和质子,它们的数目是相等的,但被电离时,原子周围的一些电子会被剥掉。原子是可以发光的,我们通过对星光的观察,不难看出,原子组成了恒星。天文学家做了一个假设物质形式,叫作暗物质,是一种因为过暗而不能被辐射,从而不能被人们观测到的物质。为什么天文学家会做出

这样的假设呢?因为在他们观测星系外部或者是整个星系团这种更大的天体时,发现了一个问题,发光的气体环绕恒星中所见的物质量无法凭借引力将这些天体牵制起来。

最新的观测数据表明,临界值是物质和能量的总密度取平坦宇宙的所需值。总临界值中,本质未知的暗能量约占2/3,物质约占1/3。普通物质是总数的5%,明亮恒星却仅仅是0.5%。那么问题就产生了,普通物质既然不在明亮恒星中,那又身居何处呢?Con-X将会检验那些失踪的普通物质,其主要的构成备选是热星系际气体的假设。而更大的难解之谜则是那些并非由原子构成的暗物质的

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