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twxz

木虫 (正式写手)

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[交流] 【交流】宇宙学原理和微波背景辐射（1）已有4人参与

宇宙学原理和微波背景辐射（1）
‘宇宙学原理本来只是爱因斯坦的猜想，并没有事实根据，后人沿用了下来，很大程度上是把它当作一个方便的工作假设。因为如果宇宙不是均匀的，那么研究宇宙动力学的条件就更不成熟了。当然，均匀假设到底是否符合事实是根本问题。膨胀的宇宙理论在60年代前一直得不到学术界的认可，这基本假设没有证据是重要原因。这方面证据的获得是60年代后的事’。这是北京大学俞允强教授在他的‘热大爆炸宇宙学’一书中讨论宇宙学原理时的一段文字。其中60年代获得的证据指的就是微波背景辐射的发现。
下面图1的 3幅小图，是不同时期用于观测微波背景辐射的设备和观测结果图。最上面一幅是1965年美国贝尔实验室的工程师阿诺•彭齐亚斯(Penzias)和罗伯特•威尔逊(Wilson)发表观测到微波背景辐射时射所用的喇叭形状的天线（左边）和强度分布图（右边）。下面两幅分别是COBE和WMAP所用的观测设备和发表的观测结果。

图1. •彭齐亚斯和罗伯特•威尔逊1965年的观测设备和结果（上）；1992年COBE观测设备和结果（中）；2003年WMAP的观测设备和结果（下）。

1965年微波背景辐射的观测结果发表后，它就被认为是对大爆炸宇宙学和宇宙学原理的最有力的支持。因为在这个观测结果发表之前就有一些理论学家预言了它的存在，而且这个观测结表明，它显然是均匀和各向同性。图中间那一小条白色带子，那是我们银河系的银道面对背景产生的影响。
由于微波背景辐射对宇宙学研究具有重要的重要意义，1992年的COBE和2003年的WMAP又对微波背景辐射进行了更深入的观测研究。观测设备的灵敏度和分辨率都有了很大的提高。观测的结果发现，微波背景辐射温度谱中存在有偶极矩成分。图1中给出的COBE和WMAP的微波背景辐射结构图，实际上是对微波背景辐射的原始测量数据扣除了偶极矩成分后得到的结果。
彭齐亚斯和罗伯特•威尔逊1965年的观测显然并没有发现微波背景辐射温度谱中存在有这样偶极矩的成分。彭齐亚斯和罗伯特•威尔逊1965年所用设备的灵敏度不足以发现这样偶极矩的存在。发表时给出的等效黑体温度数值的有效数字也可以证明这一点。因为微波背景辐射温度谱中的偶极矩幅度只有 + - 4mk。
下面图2和图3清楚地说明，WMAP卫星原始的观测结果中包含有一个“二极矩”分布的噪声。只有仔细地扣除“二极矩”成分和银道面的影响，才能得到像图3那样均匀和各向同性的微波背景辐射结构图。最初发表的WMAP观测结果中，还存在有四极矩和八极矩成分。原中科院李惕培院士（现在受聘为清华大学教授）和他的学生刘浩博士通过对原始数据仔细分析发现，四极矩和八极矩的出现，可能是由于原来数据处理过程中的一个小错误所导致的。四极矩和八极矩的出现，曾被认为是宇宙存在‘邪恶轴心’的结果。
这些图都是引自Sheldon用松鼠会的名义于 2010-04-12 11:00发表于科学网的博客：‘宇宙的邪恶轴心’（上）和（下）。它们的地址是：
http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=310752和311425

图2：将差分数据（注：是指WMAP卫星原始的观测数据）还原成温度谱，得到的是一个“二极矩”的噪声。

图3：扣除由观测者运动导致的多普勒效应和背景恒星等噪声，才能得到CMB（宇宙微波背景辐射）的信号
细心的读者会发现，图3和图1中最下面的那幅图，虽然都是WMAP对微波背景辐射观测结果，但两者有一个差别，图1中给出的WMAP的那幅图，中间有一条明显的不规则红色带子，那是银道面的影响。但在图3中它已经被处理掉而消失了。由此可见，微波背景辐射观测结果图和数据处理过程有很大关系。而数据处理过程是和理论模型密切相关。从李惕培院士和他的学生刘浩博士的研究结果我们可以看到，数据处理过程的细小错误，可能会导致‘差之毫厘，谬以千里’的结果。
由于微波背景辐射观测结果中偶极矩成分的出现，我认为不能再简单地认为：‘微波背景辐射是对大爆炸宇宙学和宇宙学原理的最有力的支持’。
WMAP卫星原始的观测结果中的偶极矩成分，被解释成是由观测者的空间运动导致的多普勒效应所形成的。根据已有的天文观测，观测者的空间运动包括：WMAP卫星在绕地球转动时在地心坐标系中的运动；地球绕太阳转动时地心在日心坐标系中的运动；太阳系绕银河系中心转动时日心在银心坐标系中的运动。WMAP卫星在绕地球转动时在地心坐标系中的运动速度约为10 km/s，地心绕太阳转动的速度大约是 30 km/s，太阳绕银心转动的速度是 220 km/s。但对COBE和WMAP观测结果发现，如果只考虑这些运动合成后的多普勒效应，处理后的结果中的偶极矩成分并没有消失。只有引进银心还存在有空间运动，才能消除观测结果中的偶极矩成分。北京大学俞允强教授在他的‘物理宇宙学讲义’一书中，根据COBE的观测结果，给出的数据是：银河系中心的空间运动的速度是547 km/s，运动的方向指向银经266度，银纬29度。
这就给物理学提出一个难题，银河系中心为什么会发生空间运动？它的运动方向是不是宇宙空间中的一个特殊方向？

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1楼2011-02-17 18:30:48

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