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宇宙微波背景辐射(又称3K背景辐射)是一种充满整个宇宙的电磁辐射 。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。现在已经得到可靠证明的大爆炸理论认为 ,从宇宙诞生大约30万年后的时刻以来,这一辐射应该没有发生过变化(红移和冷却除外) 。而宇宙诞生30万年后,整个宇宙冷却到温度约6,000K ,这大致是今天太阳表面的温度。在那个温度下,个别电子和核子能够结合形成稳定的原子,而原子没有任何净电荷。因为原于是电中性的 ,它们不能与电磁波强烈相互作用,所以从那时以来背景辐射没有受到干扰 。 如果宇宙像背景辐射平滑性暗示的那样,在它诞生30万年后是完全平滑的话 ,那么星系 、恒星和人类这样的事物是从哪里来的呢?我们要能存在,则宇宙在进入30万岁之前,一定已经含有一些不规则性——太空中的气体云 ,它们在自身重力作用下应该很快聚集、坍缩而形成星系和恒星。 大爆炸理论声称,这些不规则性存在的结果,是背景辐射中应该有涟漪,也就是仪器指向天空不同部位时 ,温度应该有细微差异。预言的差异非常小,只能从高出地球大气干扰的太空进行测量 。1992年4月,美国宇航局宜布COBE(宇宙背景探险者)卫星发现了涟漪 ,大小正好与标准大爆炸模型预言的准确符合。这个发现被欢呼为大爆炸理论的最后胜利,它证实宇宙真正是在一个确定的时刻、在一个热辐射火球中起源的。
最早发现宇宙背景辐射的人是谁
宇宙微波背景辐射(CMB)确实是电磁辐射,它与温度的关系可以通过热辐射理论和黑体辐射的概念来理解 。以下是它们之间的联系的详细解释:
1. 黑体辐射与温度的关系在物理学中 ,黑体是一个理想的吸收体,它可以吸收所有入射的电磁辐射,不会反射任何光。黑体也会发出辐射 ,称为黑体辐射,并且它的辐射特性只与温度有关。
根据普朗克辐射定律,黑体辐射的频谱(电磁辐射的分布)取决于物体的温度。辐射的频率越高 ,温度也越高 。黑体辐射的峰值波长(即最强的辐射波长)可以通过维恩位移定律与温度直接相关联:
其中:
λmax 是辐射峰值的波长。
b 是维恩位移常数,约为 2.897×10? 米·开尔文。
T 是物体的绝对温度(单位为开尔文,K) 。
在宇宙学中,宇宙微波背景辐射可以被认为是来自大爆炸后的早期宇宙的黑体辐射 ,其温度大约是 2.725 K,因此它在微波波段达到了最大辐射。
2. 宇宙微波背景辐射与温度宇宙微波背景辐射可以看作是大爆炸早期宇宙中炽热物质冷却后的“余辉”,它在宇宙中均匀地存在于各个方向。起初 ,大爆炸后的宇宙温度非常高,处于等离子状态,光子与自由电子和质子相互作用 ,不能自由传播 。当宇宙膨胀并冷却到大约 3000 K 左右时(大爆炸后约 38 万年),宇宙中的物质开始形成中性氢原子,光子得以脱离物质并开始自由传播 ,这一事件被称为再结合(Recombination)。这些光子经过宇宙膨胀逐渐“冷却 ”至今天的微波波段,表现出约 2.725 K 的温度。
CMB 的温度表征了这些光子在早期宇宙冷却后能够自由传播的那一刻的能量状态 。通过对 CMB 的观测,发现其频谱极其接近一个理想的黑体辐射 ,并且对应的温度大约为 2.725 K。这意味着,尽管它是电磁辐射,但我们可以用温度来描述这种辐射的平均能量状态和分布。
3. CMB 的温度与各向异性CMB 的温度大约是 2.725 K,但通过精确观测 ,我们可以看到它在不同方向上存在极小的温度起伏(各向异性),这些温度起伏反映了早期宇宙中物质密度的微小不均匀性 。这些不均匀性后来发展为今天的星系和宇宙大尺度结构。温度的微小差异只有几百万分之一(大约 ±0.00001 K),但它们包含了宇宙学模型中的重要信息 ,能够帮助我们理解宇宙的起源 、构成和演化。
总结宇宙微波背景辐射本质上是电磁辐射,但它与温度密切相关,因为它可以被视为大爆炸后早期宇宙形成的黑体辐射。
宇宙微波背景辐射的温度(约为 2.725 K)代表了它的能量状态 ,并且通过黑体辐射理论可以很自然地将这种辐射与温度联系起来 。
温度的微小波动代表了早期宇宙的密度不均匀性,是后续结构形成的起点,这对于理解宇宙的演化极为重要。
因此 ,虽然 CMB 是一种电磁辐射,但用温度来描述它的性质和特征是符合物理学规律的,它是描述辐射强度和能量分布的一种自然方式。
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 。
1964年,美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊架设了一台喇叭形状的天线,用以接受“回声”卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能,他们将天线对准天空方向进行测量。他们发现 ,在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在,这个信号既没有周日的变化,也没有季节的变化 ,因而可以判定与地球的公转和自转无关 。
起初他们怀疑这个信号来源于天线系统本身。1965年初,他们对天线进行了彻底检查,清除了天线上的鸽子窝和鸟粪 ,然而噪声仍然存在。于是他们在《天体物理学报》上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文正式宣布了这个发现 。不久狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文,对这个发现给出了正确的解释,即:这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。
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