宇宙大爆炸中的背景辐射及其重要性

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陕西理工学院毕业论文
行一番了解，在人类了历史上出现了多种说法，而今最被人们接受的科学的说法有地心说， 日心说，银河系等学说。也正是基于前人的说法，从而对于近现代科学研究宇宙起源提供了 铺垫， 使得人类对于宇宙的认识有了更加科学的观测和证实， 这对于人类更深一步的研究宇 宙大爆炸所引发背景辐射具有极为重要的意义。 由于对宇宙大爆炸的进一步研究， 随之出现 了，对于宇宙模型的认识积极探索，并在之后发现了宇宙背景辐射的证据，本文将从背景辐 射所带来的黑体谱和各向异性展开， 基于前任的研究， 我们将更加深入的去了解并追寻其真 实性。最后，基于全文的认识，将做一个疏浅的背景辐射在未来的展望。
指导教师：王剑华
[摘 要] 关于宇宙起源的解释，在人类历史发展的进程中，曾经出现过多种不同的想象和神话传说，但
是宇宙的起源终究是一个科学的问题。在相对论的产生以后，科学家提出了大爆炸宇宙学模型。本文首先 通过回顾人类的宇宙观，介绍了宇宙大爆炸模型的提出和建立过程。然后讨论了宇宙大爆炸过程中产生背 景辐射的原因以及人们对于它的观测情况。最后探讨了背景辐射作为宇宙大爆炸模型的四个重要证据的重 要性。
2 大爆炸宇宙模型的提出和建立
大爆炸宇宙学是现代宇宙系中最有影响的一种学说。 在与其他宇宙模型相比较之下， 它 可以说明较多的观测事实。 大爆炸宇宙学的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的 转化过程。在此时期，宇宙体系并不是静止不动的，而恰恰是在不断地膨胀，使得物质密度 从密到稀地不断演化。 如同一次规模巨大的爆发这一过程的爆发从热到冷、 从密到稀在反复 进行。由大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程大体是：在宇宙的早期，宇宙自身温度极 高，大约在 100 亿度以上。其内部物质密度也相当大，整个宇宙体系至此达到平衡状态。而 此时的宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是由于 整个体系在不断膨胀，结果使得其内部温度很快下降。而当温度下降到 10 亿度左右时，中 子自身开始失去自由存在的条件，此时它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素 存在；而我们所知道的化学元素就是从这一时期开始形成并存在的。当温度进一步下降到 100 万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论） 。在爆炸之初，物质只能以 中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温 度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常 意义上的气体。这些气体逐渐凝聚成为星云，星云进一步发展形成各种各样的恒星和星系， 并最终形成我们如今所看到的宇宙。 像历史学家一样， 宇宙学家也渐渐意识到开启未来的钥 匙在于过去，不在现在。大爆炸理论的建立基于两个最基本假设：宇宙学原理和物理定律的 普适性。 宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。 起初这些观点是作为先验的 公理被人们引入的， 而现如今已有相关科学研究工作试图对它们进行验证。 爱因斯坦宇宙模 型：1917 年爱因斯坦将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构，其中 为宇宙学常数，
[关键词] 宇宙观；宇宙大爆炸模型；背景辐射；哈勃定律.
引言
在近代天文学史上宇宙背景辐射的发现具有非常重要的意义， 它为大爆炸提供了一个有 力的证据，并且与类星体、脉冲星、星际有机分子一道，并称为 20 世纪 60 年代天文学“四 大发现” 。 是宇宙学中 “大爆炸” 遗留下来的热辐射。 宇宙背景辐射是为观测宇宙学的基础， 因其为宇宙中最古老的光，可追溯至再复合时期。利用传统的光学望远镜，恒星和星系之间 的空间（背景）是一片漆黑。然而，利用灵敏的辐射望远镜可发现在各个方向上几乎一模一 样微弱的背景辉光，与任何恒星，星系或其他对象都毫无关系。这种光的电磁波谱在微波区 域最强。它显示出微小的温度涨落，对应着局部密度的细微差异，代表所有未来的结构，是 [1] 当今的恒星与星系的种子 宇宙背景辐射很好地解释了宇宙早期发展所遗留下来的辐射， 它 的发现被认为是一个检测大爆炸宇宙模型的里程碑。 这是一个非常活跃的研究领域， 科学家 同时寻求更好的数据（例如，普郎克卫星）和更好的宇宙膨胀初始条件。虽然许多不同的过 程都可产生黑体辐射的一般形式，但没有比大霹雳模型更能解释涨落。 近代以来，科学家对于宇宙背景辐射的研究始终未曾间断过，1948 年，伽莫夫计算温 度为 50 K（假设为 3 亿岁的宇宙)评论“...这是对星际空间实际温度合理的认同”，但未提及 背景辐射。1957 年，迪格兰夏玛诺夫（Tigran Shmaonov）报告说，“绝对有效的辐射放射背 景温度 ……为 4±3K”[2] 。值得注意的是， “ 测量结果表明，辐射强度与时间或观测方向独 立……显然夏玛诺夫在波长 3.2 公分处观测宇宙微波背景”[3]。1964 年美国射电天文学家阿 诺· 彭齐亚斯和罗伯特· 威尔逊偶然发现宇宙微波背景，于 1940 年代开始研究，并于 1978 年 获得诺贝尔奖。1990 年，FIRAS 在宇宙背景探测者上以高精密度测量由宇宙背景光谱的黑 体辐射。1999 年，首次由 Toco，Boomerang，和 Maxima Experment 的宇宙微波背景各向异 性角功率谱中测量声学振荡。2005 年，拉尔夫 A.阿尔菲因他在核融合和预测宇宙的膨胀留 下背景辐射，提供给宇宙大爆炸理论一个模型，如此开创性的工作，被授与美国国家科学奖 章。 在 2006 年，因 COBE 的两个主要调查， 乔治· 斯穆特和约翰· 马瑟，获得诺贝尔物理奖， 以表扬他们精密测量宇宙微波背景的工作。2014 年，对 BICEP2 实验合作研究人员于 3 月 17 日公布第一个检测到宇宙暴胀的直接证据。可是，同样团队于 6 月 19 日在《物理评论快 报》 正式发布的论文承认， 由于仍旧存在重要问题未解决， 对于这结果的正确性持保留态度。 本文将从宇宙的起源展开， 对于宇宙开始的说法在各界都有其力证的说法， 这样的问题 始终存在并仍将争论下去， 在对宇宙起源的讨论过程中， 我们必须也一定要来对人类宇宙进
毕 业 论 文 (设 计 ）
题目 学生姓名 所在学院 专业班级 指导教师 完成地点
宇宙大爆炸中的背景辐射及其重要性 康丹 学号 1210014068
物理与电信工程学院 物理学专业 1202 班 王剑华 陕西理工学院
陕西理工学院毕业论文
宇宙大爆炸中的背景辐射及其重要性
康丹
（陕西理工学院物理与电信工程学院物理 1202，陕西 汉中 723000）
1 人类宇宙观的回顾
宇宙的起源同样类似于这个古老的问题:是先有鸡呢？还是先有蛋。我们不禁要问何物创生 宇宙，又是何物创生该物呢?在我看来对于宇宙，或者创生它的东西早已存在很久很久，它 并不需要被创造产生，它确实存在。科学家们时而还在这样的问题上采取回避态度，觉得与 其说宇宙起源问题是属于科学问题， 到不如将其归类为形而上学或宗教的问题， 人们在过去 的几年研究发现，科学定律甚至在宇宙的开端也是成立的而并不违背科学。在这种情形下， 宇宙完全可以是自足的， 这由科学定律所可以完全确定。 在整个记载的历史长河中宇宙的启 示始终贯穿其中。最终基本上存在两个思想学派。因此宁愿相信宇宙已经存在了无限久。某 种不朽的东西也许比某种必须被创生的东西更加趋于完美。 人类经历了漫长的过程才真正认识到宇宙以及地球在宇宙中的地位， 这一艰辛的过程与 历史上诸多著名学者的辛勤劳动， 无私奉献， 细致的观测和深入的理论研究是密切不可分的。 被大多数所推崇的当属以下几个学说， 地心说： 地心说在古代欧洲是非常盛行的一类宇宙学 说。它是由古希腊学者欧多克斯提出，而后由亚里多德、托勒密进一步发展引申而逐渐建立 和完善起来。亚里士多德、托勒密：公元前 4 世纪，地心说就已经被古希腊哲学家亚里士多 德所提出。在公元 140 年，古希腊天文学家托勒密发表了他的巨著《天文学大成》，这本书 以前人的基础作为铺垫， 系统的确立了地心说。 不可否认的是地心说是世界上第一个行星体 系模型。虽然其将地球错误的当作宇宙中心，然而它对历史功绩却是不可抹杀的。地心说认 为地球是“球形”的，并从恒星中将行星区别出来，着力于探索和揭示行星的运动规律，这 对于人类认识宇宙是一大进步。 地心说在运用数学计算行星的运行的这一方法是非常重要的 成就， 托勒密通过第一次提出 “运行轨道” 这样的概念， 设计出了一个模型。 按照这个模型， 人们对行星的运动进行定量计算，并随之推测行星所在的大致位置。在一定时期里，人们可 以依据这个模型在一定程度上正确地预测天象， 基于这一学说， 球形是居于宇宙中心而且静 止不动，其他天体都在绕着地球转动。这一学说不仅仅解释了日月星辰每天东升西落、周而 复始的现象， 又在另一方面符合是上帝创造人类、 地球必然处在宇宙中居于至高无上地位的 宗教教义。日心说：日心说将宇宙的中心从地球上转移到太阳，这似乎是个很简单的事情， 但实际上对于自然科学的演进却是一项非凡的创举。 哥白尼:在 1543 年， 波兰天文学家哥白 尼在其临终时发表了一部具有历史意义的著作《天体运行论》，并在之前的理论上完整地提 出了“日心说”这一理论。其认为，一切行星都绕太阳这个宇宙中心不停旋转。地球同样也 是一颗行星， 它一方面在上面像陀螺一样自转， 而另一面又和其他行星一样在围绕着太阳转 动。分析并验证了行星、太阳、地球之间的关系，从而计算出了行星轨道的相对大小以及倾 角等，凭借与此，日心说最终代替了地心说。 银河系：银河系是否已经将宇宙的全部内容 所包含了呢？赫歇尔在尝试确定银河系结构之前， 人们就已经将观测到天空中除恒星外还存 在着一些暗弱而又模糊的云雾状天体取名为“星云”。可是由于当时人们对星云的精细结构 知之甚少，结论更无从定义。20 世纪初，美国威尔逊山天文台建成并投用了当时世界上最 大口径的 2.5 米天文望远镜。 美国天文学家哈勃于 1923 年 10 月 6 日利用这台望远镜观察并 拍摄了仙女星云的照片，从照片上显示，可以看出星云的外缘已被分解成一颗颗恒星。哈勃 从中观察并发现了多颗这类变星。 之后利用这些造父变星， 哈勃精确地推算出仙女星云的距 离为 225 万光年，这远远超出银河系的范围。河外星系的存在使得最终得以确认，也从而确