宇宙17|为什么选择大爆炸,放弃稳恒态?微波背景辐射的秘密( 二 )


宇宙17|为什么选择大爆炸,放弃稳恒态?微波背景辐射的秘密
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如果在我们银河系附近来这么一个东西 , 即使距离我们数百万光年 , 它的辐射也能杀死地球上的任何一个细胞 。 所以说根据观测 , 大爆炸理论又胜一筹 。
还有一个更为重要的预测分歧 , 伽莫夫的原始火球预示着我们的宇宙空间有一个底层辐射 , 这个辐射的性质是这样的:在空间各个方向都有 , 它的能量谱是一个黑体谱 , 温度为5K , 处于微波波段 。
这是伽莫夫在上世纪40年代做出的预测 , 但他当时认为这种辐射现在已经检测不到了 , 而且在他的理论中也有一些错误的地方 , 所以伽莫夫的研究就走进了死胡同 , 慢慢的被人遗忘了 。
宇宙17|为什么选择大爆炸,放弃稳恒态?微波背景辐射的秘密
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但在普林斯顿大学有一个研究小组 , 由物理学家罗伯特·迪克领导 , 成员包括皮伯斯、威尔金森、若厄等人 , 他们也在研究宇宙大爆炸理论 。
在上世纪60年代 , 他们计算出了关于背景辐射更多的细节 , 并且在普林斯顿大学地质系的楼顶上装了一台射电望远镜用来侦测这种辐射 。
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他们的望远镜是二战时间留下的雷达凑出来的 , 所以可想而知 , 这个设备自身的辐射干扰可能都比微波背景辐射要强 , 所以他们测不出来 。
但在距离他们只有48公里的地方 , 有两个人也正在用一个形状奇怪的号筒型天线对着天空寻找无线电信号 , 但他们找的并不是空间的底层辐射 。
而是在找气球上的信号发射器发回的无限电波 , 这两个人是威尔逊和彭齐亚斯 , 他俩供职于新泽西州霍姆德尔镇的贝尔实验室 。
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他俩进行的项目隶属于美国海军的一个科研项目 , 所以他们用的望远镜要比迪克他们的望远镜要好得多 , 但想要寻找微弱的电磁信号 , 就需要排除一切其他杂波的干扰 。
比如被大气电离层反射回来的无线电广播 , 雷达信号 , 还有设备自身的热辐射 , 所以他俩就用液氮把探测设备的温度降到了4K , 在排除了一切可能的干扰之后 , 他们总是能够在天空的任何一个方向看到来源不明的热噪信号 。
这其实就是迪克他们苦苦寻找的微波背景辐射 , 但彭齐亚斯和威尔逊当时并不知道这是啥 , 他们没有读过伽莫夫的论文 , 也没有读过皮伯斯在1965年的《天体物理学期刊》上发表的论文 , 在论文中皮伯斯详细的介绍了微波背景辐射细节的推导过程 。
最后是通过一位射电天文学家伯克 , 牵线搭桥 , 才让两个团队互相知道对方的研究和发现 , 那威尔逊和彭齐亚斯也因为他们无意中的发现 , 稀里糊涂的获得了诺贝尔奖 。
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上图就是当时威尔逊和彭齐亚斯测量结果的模拟图 , 绿色就是微波背景 , 中间的一道白线是我们银河系的盘面 , 可以看出这幅图没有更多微波背景辐射的细节 , 看不到温度的波动 , 因为他们的天线当时只能在一个频点上进行测量 。
宇宙17|为什么选择大爆炸,放弃稳恒态?微波背景辐射的秘密】不过当时根据他俩的测量还是将微波背景辐射的温度修正到了3.5K , 当年伽莫夫预测的是5K , 其实还是比较接近的 。
微波背景的发现是大爆炸理论的一个决定性的证据 , 也预示着稳恒态宇宙模型气数已尽 , 但是霍伊尔还是做了最后的挣扎 , 他说:稳恒态也能预测出微波背景 , 但这不是大爆炸的余温 , 而是宇宙中的星光被星云散射以后形成的 。
宇宙17|为什么选择大爆炸,放弃稳恒态?微波背景辐射的秘密
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确实有这种可能 , 毕竟宇宙中的恒星很多 , 他们发出的光线也可以在空间中传播 , 然后被星云、尘埃散射 , 形成一个低温背景 。
但这里需要注意的是 , 恒星只是近似于黑体 , 而不是完美的黑体 , 就拿我们太阳来说 , 太阳作为一个整体 , 他从内到外的温度都不一样 , 并不是一个热平衡的状态 , 他里面的温度更高 , 外面的温度更低 , 所以太阳就是一个多层等离子体组成的火球 。
因此太阳的辐射出来的能量 , 是多个黑体叠加在一起的辐射总和 , 所以恒星并不是完美的黑体 , 只是近似于黑体 。
如果真如霍伊尔所说的那样 , 那么微波背景辐射就不是一个完美的黑体谱 。 不过要测量微波背景和黑体谱之间的差异 , 非常困难 。