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专业: 宇宙学

[交流] 【交流】评宇微波背景辐射

评宇微波背景辐射（1）---预言和发现

微波背景辐射一直被认为是大爆炸宇宙学的一个有力的观测证据，是宇宙大爆炸时高温火球在宇宙膨胀后留下的遗迹。存在微波背景辐射的预言是1948年伽莫夫等在美国《物理评论》杂志上发表了关于大爆炸宇宙学模型的文章中提出。他们认为宇宙是由甚早期温度极高且密度极大，体积极小的物质迅速膨胀形成的。这是一个由热到冷、由密到稀，不断膨胀的过程，尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸。根据伽莫夫理论，宇宙早期的温度和物质密度都很高，光子与物质间有充分热碰撞，因此，光子能谱分布为黑体谱。但随着宇宙的膨胀，光子能量随宇宙尺度增加而减少。经过宇宙百亿年的膨胀，光子温度已大大降低，目前应为50 k左右。由于这个温度的黑体辐射主要集中在微波波段，因此，伽莫夫预言，宇宙中应存在温度约为50 k的宇宙微波背景。伽莫夫的理论基础是: 宇宙暴胀刚结束非相对论性粒子经衰变或正-反粒子湮没，产生大量辐射，宇宙也随之被加热，成为辐射占主导的宇宙。宇宙核合成发生后，宇宙温度很高，这些元素处于电离状态，自由电子和光子因频繁的汤姆孙碰撞而紧紧地结合在一起。因此，重子物质和光子气体构成了一种流体，致使光子无法自由地在宇宙空间传播。
随着宇宙膨胀，宇宙温度和光子能量开始下降。在年龄为38万年时，光子再也无法克服原子核与电子间的电磁吸引力，结果，原子核与电子结合成中性原子。此后，光子与宇宙空间中的气体失去耦合，光子可以在宇宙空间中自由传播。所以，现在我们观测到的微波背景实际上是宇宙年龄为38万年时光锥面上的宇宙辐射分布。这个光锥面常被称作最后散射面。（上面这一段描述主要引自景益鹏先生2003年在科学(上海) 第55卷第03期的文章：WMAP：宇宙学研究的新纪元)。
微波背景辐射的发现则是在1948年伽莫夫等预言存在有温度约为50 k的宇宙微波背景16年后的1964年。当时美国贝尔实验室的彭齐亚斯（A. Penzias）和威耳逊（R. W. Wilson）在新泽西州为卫星通讯调试天线时，发现了温度约为3.50 k的几乎各向同性的微波噪声，于是天文学家和理论学家都不约而同地把彭齐亚斯和威耳逊所发现的这个温度约为3. 50 k的几乎各向同性的微波噪声和伽莫夫所预言的目前应为5开左右的，宇宙大爆炸时高温火球在宇宙膨胀后留下的遗迹联系起来。因此，微波背景辐射被认为是大爆炸宇宙学的一个有力的观测证据。

评宇微波背景辐射（2）---巧合和解释

伽莫夫等人1948年所预言的微波背景辐射和16年后的1964年为彭齐亚斯和威耳逊的发现很好地符合。因此，微波背景辐射被认为是大爆炸宇宙学的一个有力的观测证据。而在我的博文“评宇宙学原理的引进(4)---观测结果”中我又认为，也正是微波背景辐射这个观测结果对引进宇宙学原理的合理性提出了最为有力的不利证据。那么，我们又该如何解释微波背景辐射的存在？
我们知道，伽莫夫在预言50 k左右的微波背景辐射实际上是没有考虑在宇宙的演化过程中存在有再电离的过程。即认为在星系际的宇宙空间中的气体物质应当是处于低温的状态。光子与宇宙空间中的气体没有耦合作用。但是现在的观测表明，在星系际的宇宙空间中气体物质主要是处于高温的电离气体。由于这些高温电离气体的存在，光子与宇宙空间中的气体失去耦合这个假设前提显然无法成立！宇宙的再电离过程是宇宙学中长期悬而未决的重大问题之一，它对微波背景辐射的产生过程显然具有重大影响，已经观测到的星系团中高温电离气体对微波背景辐射的S-Z效应就是一个例子。1989年发射的ＣＯＢＥ卫星对微波背景辐射进行了精密的测量。天文学家和理论学家们宣称ＣＯＢＥ卫星的测量结果表明微波背景辐射在１０-4精度内是均匀、各向同性的黑体辐射。可是，对后发星系团的观测表明，后发星系团内的星系际空间存在有温度高达108摄氏度的高温电离气体。如果宇宙中存在有均匀、各向同性的黑体辐射，这些高温电离气体要对微波背景辐射的黑体辐射谱产生S-Z效应。计算表明，即使在后发星系团后面存在有原来具有黑体辐射谱的微波背景辐射，这样的微波背景辐射在通过后发星系团后也不可能保持黑体辐射谱！仅仅一个典型的星系团.就能使原来具有黑体辐射谱的微波背景辐射谱偏离黑体辐射谱达 1 mK。而我们现在对星系际宇宙空间中高温电离气体的确切分布并不完全清楚。因此，星系际宇宙空间中高温电离气体对微波背景辐射谱的S-Z效应无法进行有效的修正。因此彭齐亚斯和威耳逊所发现的这个温度约为3.5开的几乎各向同性的微波噪声不可能证明就是伽莫夫所预言的大爆炸时高温辐射在宇宙膨胀后留下的具有黑体辐射谱的余烬。彭齐亚斯和威耳逊所发现的微波背景辐射只能是宇宙空间中各种辐射和各种物质的多种相互作用机制综合平衡的结果。伽莫夫所预言的大爆炸时高温辐射在宇宙膨胀后留下的具有黑体辐射谱的余烬，在宇宙空间中传播时会被宇宙空间中存在的高温气体破坏而偏离黑体辐射谱。理论上微波背景辐射的谱应当如何分布现在还没有被很好地分析计算过。希望能有专家对所谓微波背景辐射的谱给出更好的观测结果和理论解释。本人也曾在科学网上发表过几篇有关博文来讨论宇宙空间中辐射和物质的相互作用机制。现在由于我的科学网博客被关闭，无法引用这些博文。以后我计划把这些博文整理出来在这里重新发表，和各位交流讨论。

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