2006年诺贝尔物理学奖获得者的成果——宇宙微波背景辐射与宇宙学

收辐射 实际的发射和吸收是很
复杂的 理想的辐射体可以吸收
入射到它的一切波长的全部电磁
辐射 因而它是 黑 的 同时
它发射电磁辐射的效率最高 这
样的理想辐射体称为 绝对黑
体 简称 黑体 黑体从周围
吸收辐射能量 转换为热能 温
度升高 发射的辐射只跟温度有
关 常 热辐射 太阳的辐射近
似于绝对温度
的黑体辐射
在可见光波段最强 宇宙早期遗
物 物质 也有主要以能量形式 表现的物质 广义相对论的质 量 能量关系就说明质量与能量
宇宙学精确研究的 新进展
两种表现形式是等效的
暴
虽然
卫星探测宇宙背
涨 理论得到令人惊诧的结果 景辐射温度的精确度很高 但对
在宇宙的全部 物质 中 可见 于探 测 宇 宙 背 景 辐 射 的 各 向 异
物质仅占一小部分 而 暗物 性 涨落来说 它的分辨角
强度都下降 对于温度
的
黑体辐射 与最大强度对应的波
长是 毫米 在上世纪 年代
前期 用气球将红外探测器送入
高空 测量了 ! 毫米波长
上的辐射 结果表明强度存在最
大值 基本符合温度
的普
朗克分布
马瑟和斯穆特团队的宇宙背
景辐射探测器
的工作
标志第二个里程碑
有个
仪器 一是弥漫的红外背景实验
巡查宇宙红外背景辐
射 研究银河系结构和星际尘
分校博士学位 现为美国宇航局
戈达德航天中心高级天体物理学
家
斯穆特 生于
年
年获美国麻省理工学院博
士学位 现为加利福尼亚大学伯
克利分校教授
年 马瑟提出宇宙背
景辐射探测器
卫星项
目 在提议终于获得美国宇航局
的批准
年月日
卫星发射到太空 仪器工
作到
年 月 日 马瑟始
终领导和协调了这一项目 将宇
宙微波背景辐射谱分析提高到前
年 拟合观测 确定出宇宙的年
龄为 亿年 最新得出宇宙成
分是 暗能量占
暗物质占
可见物质 恒星 自由氢
氦 中微子等 约占
而欧洲
普朗克 卫星不久也将发射升
空 继续提高研究的精确度 它
们将进一步检验和推进包括 暴
涨 模型的宇宙学的研究 一些
专家推测在宇宙学这一前沿科学
领域还会再次获得诺贝尔奖 !
小辞典
黑体
任何物体都发射辐射 也吸
辐射而荣获
年诺贝尔物理
学奖
科学中国 !""# 第 $ 期 !%
谈天说地
宇宙背景辐射的三个探测里程碑
宇宙学进入精确 研究时代
宇宙背景辐射应当具有黑体
辐射的连续谱特征 普朗克分
布 为了验证 一些射电天文学
家紧接着在
!
厘米的
许多波长上做了测量 所得结果
都符合于温度 !
的黑体
辐射的普朗克分布 然而 普朗
克分布曲线有一个峰 峰的两侧
宇宙背景辐射成为 大爆炸宇宙
学 又一强力依据
年 贝尔实验室的彭
齐亚斯
和威
尔逊
为了查
明卫星通讯的天空干扰噪声原
因 用一架噪声极低和方向性很
强的天线 工作波长为
厘
米 测量了星空的无线电辐射
扣除所有已知的 地球大气 地
面辐射和仪器本身的 噪声源
外 各个方向总是接收到原因不
明的微波噪声 强度等效于温度
的黑体辐射 没有季节和
型 经过很多尝试 才得到现在
流行的 大爆炸宇宙学 标准模
型
年 爱因斯坦在以前
的实验和理论基础上创建了广义
相对论 并开始尝试用它来求解
宇宙模型 但有很大困难 于
是 采用了由观测抽象出来 称
为 宇宙学原理 的基本假
设 宇宙在大尺度上是均匀的
和各向同性的 尝试求解可能的
宇宙模型
年 哈勃发现
星系的远离速度跟其距离成正比
留气体的辐射基本上符合绝对温
度 的黑体辐射 在远红外的
微波最强 称为 宇宙 微波
背景辐射
绝对温度
在科学技术上 常用 绝对
温度 以 开
表示 绝对
温度
! 水的冰点是
!
水的沸点是 !
科学中国 !""# 第 $ 期 !%
所未有的的精确程度 并证明微
波背景辐射完全符合黑体辐射特
征 在这一项目中 斯穆特主要
负责测量微波背景辐射微小的温
度涨落
诺贝尔奖评审委员会的公报
说 马瑟和斯穆特借助
卫
星做出的发现 为有关宇宙起源
的大爆炸理论提供了支持 将有
助于研究早期宇宙 帮助人们更
多地了解恒星和星系的起源 他
们的工作使宇宙学进入了精确研
难 包括大爆炸后各向均匀膨胀
就不会在后来形成密聚区以及星
系和恒星 而 暴涨 理论却得
出 在大爆炸后 ! 秒到 !
秒 宇宙在一切方向迅猛空间
膨胀约
倍 就可以解决这
些疑难 而且得到涨落 正是这
些涨落不均匀性 埋下 形成星
系及恒星的 种子 从广义相
对论可以得到满足宇宙学原理的
三类宇宙 封闭的宇宙 膨胀到
一定有限大小就会坍缩 开放的
谈天说地
撰文!胡中为
瑞典皇家科学院
年
月 日宣布 将本年度诺贝尔物
百度文库
理学奖授予美国科学家约翰 马
瑟
和乔
治 斯穆特
以表彰他们发现了宇
宙微波背景辐射的黑体形式和各
向异性 这是宇宙学研究的又一
个重要里程碑 有关的大爆炸宇
宙学知识开始走出科学殿堂 增
进社会公众分享宇宙探索的兴
趣
马瑟和斯穆特
马瑟 生于
年
年获美国加利福尼亚大学伯克利
二是差分微波辐射仪
灵
敏地测绘宇宙辐射涨落图 三是
远红外绝对分光光度测量
"
比较宇宙微波背景辐射与
准确的黑体谱 从
年升空
两个仪器工作到
年月
日 而 一直工作到
年
越 日 它们探测波长 微米!
厘米宇宙背景辐射的方向分布
和能量谱 搜寻跟完全各向同性
和理想黑体辐射谱的偏差
他们首先得到的宇宙背景辐
射 是符合于
温度
#
的黑
体辐射分布
证实了宇宙背
景辐射是黑体
辐射 更精确
测量发现背景
辐射的温度在
一个方向上比
相反的方向高
解
释为地球及银
河系有相对于整个膨胀宇宙背景
辐射的运动所致
接着 他们取得又一重大成
果 发现宇宙背景辐射的温度有
微小涨落 各向异性 这种涨
落正是宇宙极早期 暴涨 遗留
下来的 原来的大爆炸模型在宇
宙极早期遇到无法解决的几个疑
周日的变化 因而发现了各向同
性的宇宙微波背景辐射 真是
异曲同工 两个独立结果不谋
而合
年他们同时发表观
测结果和理论解释 微波背景辐
射 宇宙微波背景辐射 宇宙背
景辐射
背景辐射 背景辐
射 原始背景辐射都同样指这种
来自宇宙天空背景上各向同性的
辐射 这是宇宙微波背景辐射和
宇宙学的第一个里程碑 彭齐亚
斯和威尔逊因发现宇宙微波背景
变小 温度变低 发生一系列的
粒子物理过程 到了大爆炸后约
万年 光子和其它物质退耦
合 或者说宇宙变得透明 使得
我们可以观测到那时的光子
宇宙背景辐射 上世纪 年代
初 美国普林斯顿大学的迪克
和皮布尔斯
!
等的理论研究得出 宇
宙原始火球大爆炸后的宇宙背景
辐射等效温度约
并且制造
一架射电 天文学上常称无线电
为 射电 望远镜搜寻 因此
质 和有斥力作用的 暗能量
约 ! 还不够小
年末到
占大部分 但现在还不知道暗物
年初
毫
质和暗能量究竟是什么 有待探 米波河外辐射与地球物理气球观
索研究 这样 在大爆炸宇宙模 测台 飞行于南极上空 它的分
型上仅加了极早期的短暂 暴涨 辨角小 倍 可以探测宇宙背景
修补就使宇宙学研究前进了一大 辐射在更小范围的涨落 发现温
哈勃定律 这说明宇宙在膨
胀 追逆过去 宇宙最早就必然
紧密在很小 极热的 原始火
球
从而推断发生了
大爆炸 我们的宇宙
就开端了 应指出
只是我们宇宙开始极其剧烈膨胀
的比喻 跟炸弹爆炸时弹片四面
八方飞散完全不同 大爆炸是空
间自身膨胀 不是从那一点 而
是到处如此膨胀 在宇宙极早期
是光子和其它物质紧密耦合着的
混沌 随着宇宙膨胀 物质密度
究时代
斯穆特接受记者采访时说
那在一定意义上是一桩惊人的发
现 是一个令人难以置信的里程
碑 现在 我们获得了巨大荣誉
和认可
马瑟告诉记者说 与斯穆特
共事是一段愉快的经历 参与者
总计
人 所以说 今天
与我们一起 获得认可者 是
一个庞大的团队
大爆炸宇宙学与 宇宙背景辐射的发现
宇是空间 宙是时间 宇宙 就是客观存在的物质时空世界
度微小差别
的很
多热斑和冷斑 角
大小不到 !
在
的基础
上
威尔金森
微
波各向异性探测
器
已于
年 月 日进
入太空 对宇宙微
波背景辐射进行了
宇宙背景辐射的能量谱符合温度
的黑体辐射分布
更精确的 分辨角
为 角分 灵敏度提高 倍
探测 可以说是标志又一里程
碑 它已得到宇宙最老辐射的第
一批详细的全天图 它捕获的微
波辐射来自 大爆炸 后的 万
宇宙 一直无限的膨胀下去 平
直的宇宙 也会一直无限的膨胀
下去 原来的大爆炸模型不能确
定我们的宇宙属于那类 关键在
于物质密度 而加上宇宙极早期
的暴涨 则就可以确定我们的宇
宙是平直的 会一直膨胀下去
这得到近年一些观测证据的支
持 宇宙的一切都是物质的 既
!! 科学中国 !""# 第 $ 期
有以质量形式表现的平常 实 步
宇宙学 把可观测的全部物质 时空作为一个整体 来究总体性
!" 科学中国 !""# 第 $ 期
质和演化 因为宇宙信息是由
光 电波等各种辐射以光速来传
递的 观测遥远深空天体所见的
是它在久远过去的年轻时情况
简言之 观测深空就是了解宇宙
的过去 宇宙的性质极其复杂
必须从观测事实出发 作简化假
设 才可能从理论上建立宇宙模