辐射与宇宙起源

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，2024年2月25日，星期天一、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，2024年2月25日，星期天为了降低噪音，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，2024年2月25日，星期天二﹑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)(ћω3/eћω/kT-1)dω第5页,共27页，2024年2月25日，星期天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，2024年2月25日，星期天从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，2024年2月25日，星期天由于宇宙膨胀，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，2024年2月25日，星期天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，2024年2月25日，星期天早在四十年代，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，2024年2月25日，星期天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，2024年2月25日，星期天三、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，2024年2月25日，星期天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，2024年2月25日，星期天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的支持。第14页,共27页，2024年2月25日，星期天四、广义相对论的奇点问题根据爱因斯坦的广义相对论可以计算出,一个密度足够大的天体会使周围的空间发生强烈的弯曲，并将这一空间与宇宙其余部分割裂开来。当光线靠近这个天体时也发生严重转向，光子只能绕着天体打转而不能进入外部宇宙。因此，这样一个天体不能发光，是黑的。1969年美国物理学家约翰·惠勒（JohnWheeler）很形象地把这样的天体叫做“黑洞”。第15页,共27页，2024年2月25日，星期天从1965年到1970年间，霍金跟彭罗斯进行了密切的合作，证明了广义相对论的奇性不可避免。也就是说，按照广义相对论，宇宙必然起源于一个大爆炸奇点。同时，在黑洞中必然存在无限大密度和无限大时空曲率的奇点。这样，时间起始于大爆炸奇点，终止于大挤压奇点！！！第16页,共27页，2024年2月25日，星期天但是考虑到量子力学的测不准原理，一些基本量度，譬如长度和时间具有测不准性。测不准的程度由普朗克常数确定，从该常数可以定出最小的长度量子，即普朗克长度，为10E－33厘米，这远远小于原子核的尺度。测量任何长度不可能比这个更精确，而且比普朗克长度更短的长度是没有意义的。同样，作为时间量子的最小间隔，即普朗克时间，为10E－43秒。没有比这更短的时间存在。第17页,共27页，2024年2月25日，星期天这就是说，我们不可能把黑洞缩减为数学上的一个点，同样也不能追溯到大爆炸的真正开始时刻。直径比普朗克长度更小的体积是没有意义的，所以零体积点和无限密度点的概念也没有意义了。啊！！！第18页,共27页，2024年2月25日，星期天在宇宙诞生之时，尽管物质密度高得惊人，但不会是无限大。这样，宇宙诞生之初的无限性和奇点被消除，就有可能找到一组方程来描述宇宙的起源和结局。第19页,共27页，2024年2月25日，星期天这样，在宇宙大爆炸模型中，我们可以看到，物理中不允许奇点存在，而正是因为有了量子力学的修正，才避开了奇点。因此，量子力学排除了奇点。

上网查了一下最近很热的一种理论---弦理论。我感觉这两种理论的核心思想有着很大的相似形，不知弦理论是否真的始于量子力学中的测不准原理！

第20页,共27页，2024年2月25日，星期天微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的重大成就，它对现代宇宙学产生的深远影响，可以与河外星系的红移的发现相并论。目前的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力支持。3K背景辐射与四十年代伽莫夫、海尔曼和阿尔菲根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射理论相符。第21页,共27页，2024年2月25日，星期天五、本文中的几个重要人物普朗克霍金爱因斯坦第22页,共27页，2024年2月25日，星期天普朗克因发现能量子（量子理论），从而对物理学的发展作出了巨大贡献，他关于能量子想法被爱因斯坦成功的用来解释了光电效应。普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlank1858~1947）获得了1918年度诺贝尔物理学奖。第23页,共27页，2024年2月25日，星期天爱因斯坦爱因斯坦（AlbertEinstein,1879-1955）因在数学物理方面的成就，尤其是发现了光电效应的规律，获得了1921年度的诺贝尔物理学奖。但我认为，他的更加重要的成就是他所创立的相对论，尤其是广义相对论。爱因斯坦是20世纪最有影响的科学家，物理学革命的先驱，狭义和广义相对论以及现代宇宙学的创建者，量子论的主要奠基者之一。第24页,共27页，2024年2月25日，星期天史蒂芬‧霍金(StephenHawking)于1942年1月8日生于牛津，七十年代，他和彭罗斯证明了著名的奇性定理，并在1988年共同获得沃尔夫物理奖。他还证明了黑洞的面积