辐射与宇宙起源.ppt

关于辐射与宇宙起源星空是美丽的，享受美丽的同时你是否曾经思考过：宇宙从何而来呢？3k背景辐射或许能给我们一些启示…第2页,共27页，星期六，2024年，5月一、3k背景辐射的发现宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为微波背景辐射。二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和Ｒ.Ｗ.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度。第3页,共27页，星期六，2024年，5月为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5Ｋ。1965年，他们又订正为3Ｋ，并将这一发现公诸于世，为此获1978年诺贝尔物理学奖金。第4页,共27页，星期六，2024年，5月二﹑何为3K背景辐射由普朗克的黑体辐射公式可知，任何物体都要向外发射电磁波。而且，所发射电磁波的波长只与物体的温度有关。普朗克公式为：

U(ω,T)dω=(V/π2c3)(?ω3/e?ω/kT-1)dω第5页,共27页，星期六，2024年，5月而微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在0.3厘米－75厘米波段，可以在地面上直接测到；在大于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测到；在小于0.3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到。第6页,共27页，星期六，2024年，5月从0.054厘米直到数十厘米波段内的测量表明，背景辐射是温度近于2.7Ｋ的黑体辐射，习惯称为3Ｋ背景辐射。黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。第7页,共27页，星期六，2024年，5月由于宇宙膨胀，使得空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息！第8页,共27页，星期六，2024年，5月微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。这有两方面的含义：一﹑小尺度上的各向同性。在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2－0.3％。二﹑大尺度上的各向同性。沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3％。各向同性说明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互的联系。否则，如果是巧合的话，那概率真的是太小太小了！！！

第9页,共27页，星期六，2024年，5月早在四十年代，伽莫夫、阿尔菲和海尔曼根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料。发展了热大爆炸学说，并预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射，其温度约为几Ｋ到几十Ｋ。3Ｋ微波背景辐射的实测结果与理论预期大体相符。微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的一项重大成就。第10页,共27页，星期六，2024年，5月现在不少科学家认为背景辐射起源于热宇宙的早期，是对大爆炸宇宙学的支持。

但这仍存巨大争议。宇宙背景辐射究竟着什么，还是人类一个未解之谜。把它说清楚，先要谈谈大爆炸理论。第11页,共27页，星期六，2024年，5月三、大爆炸理论爱因斯坦自己率先利用广义相对论引力场方程进行宇宙学研究。他发现，按照他自己的引力场方程，算出来的宇宙是不稳定的，宇宙不是在膨胀便是在收缩。因此爱因斯坦在方程中凭空加上了额外的一个宇宙项，这个所谓的宇宙项具有斥力的效应，这样就可以用宇宙项的排斥来抵消物质的吸引。换言之，由宇宙项产生的负时空曲率能抵消由宇宙中质量和能量产生的正时空曲率。第12页,共27页，星期六，2024年，5月哈勃红移的发现证明爱因斯坦的静态宇宙模型是错误的。后来纷纷出笼的宇宙模型都把哈勃红移考虑在内。其中以美籍俄裔物理学家伽莫夫（GeorgeGamow）等人提出的后来被称作“大爆炸理论”的最为著名，该理论认为宇宙起源于高温高密的“原始火球”的大爆炸。1929年美国天文学家哈勃（EdwinHubble）提出了著名的“哈勃定律”，并由红移现象（哈勃红移），发现宇宙是在不断膨胀的！第13页,共27页，星期六，2024年，5月该理论还预言了大爆炸的一个结果，在今天的整个宇宙中有一种剩余辐射，它各向同性，温度为绝对零度以上5度（5K）。普林斯顿大学的迪克（RobertH.Dicke）根据伽莫夫的理论进行研究，在1964年他也预言了高于绝对零度以上几度的背景辐射。而宇宙微波背景辐射的发现对大爆炸理论正是一个有力