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2006年诺贝尔物理学奖 微波背景辐射和热大爆炸宇宙学 Microwave background Radiation 2006年物理学诺贝尔奖 两位诺贝尔奖获得者： 1.John Mather, Senior astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center 2. George Smoot, Professor of Physics at University of California, Berkeley 2006年物理学诺贝尔奖是关于： Nobel prize for Big Bang research J. Matehr and G.Smoot Nobel 奖提名 Nobel Prize The main contents 1。大爆炸宇宙学 2。早期宇宙概况 3。几个简单公式 4。光子的退耦 5。光子的背景辐射 6。多极各向异性和星系形成条件 7。宇宙中正反物质的不对称的形成 8。暗物质与暗能量 9。粒子物理，LHC与ILC 10。展望 热大爆炸宇宙学 1。热大爆炸宇宙学 宇宙介质可以看成由星系为“分子”所构成的“气体”，宇宙学原理认为宇宙介质在大尺度下是均匀的。 Hubble膨胀 哈伯发现星系对银河中心的退行速度与距离成正比 Hubble 定理 宇宙学 H是hubble 常数 牛顿认为成团 爱因斯坦开始认为静止宇宙 宇宙应起源于120－150亿年前，能量高度密集的小区域通过热大爆炸形成今天的观测宇宙。 宇宙形成于热大爆炸 2。早期宇宙概况 （1）远古的宇宙中不可能有星系 （2）星系是均匀宇宙气体碎裂的产物 微小扰动会发展成局域结团 （3）膨胀的宇宙来自大爆炸 （密度，温度无限？） “Big Bang”! （4）强子，质子，中子从夸克产生，是宇宙演化的产物， E＝200 MeV (T=1012K) t=10-4 s （5）化学元素也是演化的产物, E=1-10 MeV (T=1010K) 3-30 min （6）原子和分子是宇宙演化中产生的, E＝13.6 eV (T=104 K) 几个简单公式 3。几个简单公式 爱因斯坦广义相对论 几个简单公式 起到斥力的作用，和普通物质的引力正好相反。 在辐射为主的早期宇宙 在物质为主的今天宇宙 Decoupling 4。光子的退耦 原子的复合过程 气体中的电子在与质子的热碰撞中会结合成氢原子，同时放出光子，这过程是可逆的。 氢的结合能是13.6 eV, 要把氢电离，光子能量要大于它。 只要高能光子足够多，反过程的发生率大于宇宙膨胀率，电离和复合达到统计平衡。 Decoupling 当温度下降后，(T=1eV), 高能光子处于Planck分布的高频尾巴， 能量超过13.6eV 的光子 只有10－4，但光子数比质子数多9个量级，因而一个氢核仍被105高能光子包围，不会出现中性氢。但温度出现在指数上，温度再下降不多，但氢核周围的高能光子迅速减少，在T＝1eV下复合过程变得重要。 ｀Planck 分布 Temperature Decoupling of Photon 等离子体气体中光子的退耦 光子主要是和自由电子散射 每个光子在单位时间内的碰撞次数是 在复合开始后自由电子密度的骤然下降使光子碰撞频率下降,光子开始退耦. 光子得完全退耦 退耦的发生使碰撞率Γ与宇宙膨胀率H竞争的结果 当复合率Xp=0.1(np/(np+nH)) 时Γ/H=15,90%原子已复合,但仍有足够的自由电子以维持光子的热平衡,退耦发生在复合之后 当Xp=4X10-3时光子退耦,2.4X105年,从这时起光子成了无碰撞组分,它将在由中性原子组成的气体中飞行,当然它今天应当存在。 黑体辐射 黑体辐射 光在黑体中多次散射，成热平衡状态。 黑体辐射的光源是 t=2.4X105年时星系为形成前中性原子气体 由于这个最后散射面是均匀且等温，观测到的背景辐射应高度各向同性。由于光子从有频繁碰撞到失去碰撞的转化很快，从最后散射面放出的光子动量分布是Planck分布。 我们看到的黑体辐射就是宇宙光子背景辐射。 一个故事 新的Nobel 奖 星体起源 COBE的另一个结果 多极各向异性（偶极各向异性主要是由于银河系运动产生的红移改变）预示宇宙介质不能完全均匀。 早期宇宙各处温度和密度有微小起伏，它是后来结构形成的种子。 正是因为这种小起伏，由引力构成今天的星体。 Nobel奖的工作 然而从1977年起的十年中，分析四极各向异性的强度，受到精度限制得到零的结果。到80年代末，这上限异缩小到 宇宙中元素 大爆炸核合成BBN 这是一个比较复杂的核反应链