宇宙背景辐射
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从理论方面： 若CBR上的小扰动已知，后来它们随宇宙膨 胀而演化至今天，应当可以算出今天宇宙的 实际面貌。如： 星系应当多大(一个范围) 单位体积内星系平均应当有多少个？等等。
这种计算需要输入两方面信息： * 今天宇宙物质的平均密度多大？ 当时只知道：宇宙平均密度为 ρm = 0,2---1.0ρc ρc = 10 氢原子质量/m3.
何况它的重大贡献不止于此。
四。宇宙结构的形成疑难
宇宙早期是没有结构的均匀气体(球)， 宇宙学必须回答：后来的结构怎么形成的。
定性回答简单而清楚：
自引力不稳定性使小扰动发展成物质结团。
这样，背景辐射上应能观测到
密度(温度)的微小起伏。
70年代后期，若干组做了这样的探测。 得到的都是零结果。于是知道： △T/T < 1 10-4.
宇宙中的
微波背景辐射
北京大学 俞允强
一。背景辐射的问题由来
现代宇宙学奠基于20年代。 确立了两个要点： * 发现宇宙在膨胀(Hubble)， * 建立了宇宙膨胀动力学(Freidmann)。 今天看来两者都很对， 但是当时观测可靠度很低， 导致了与事实不符的结果。
当时测出的Hubble常数比实际值大了7倍。 于是推断出的宇宙年龄为实际值的1/7。
这就叫宇宙背பைடு நூலகம்辐射．
背景辐射是早期宇宙留下的遗迹。 问题在于它是否确实存在。
遗留的光子没有热碰撞， 但它依然随宇宙膨胀而降温。 Gamow估出它今天温度应低于10 K. 其主要辐射在射电和微波波段。
其实当时很容易用射电天线观测到它， 可是没有人想做这事。
这肯定是Noble奖的贡献。
可惜！
65年，Bell电话公司的Penzias and Wilson 意外地在4070MHz上发现了一种背景信号， 温度为3K. 但他们完全不知道这信号来自什么。
Princeton大学的宇宙学家Peebles等人指出 它应当就是他们正在想找的CBR. 这当然是对被斥之为伪科学的HBB的肯定。 78年，很有眼力的评奖委员们决定 授他们予Noble物理奖。
三。COBE对遗留疑问一锤定音
为什么讲Noble评奖委员很有眼力？
当时其实遗留一个很重要的疑问： 凭什么认为所测到的背景辐射和 HBB预言的背景辐射是一回事？
更重要的是：
中微子为主的宇宙中 小扰动增长要快得多。 星系至今来不及形成的疑难 会有很大的缓解。
很快粒子物理学家知道了 Liubimov的发现是个错误。
宇宙学家得到的启示是： 星系必须来得及形成，因此
宇宙以非重子为主很可能是事实。
至于它是否是中微子并不重要。
很大胆的假设！
宇宙学家持之以恒地以此为前提研究结构形 成问题。艰苦而有成效地奋斗了20年。
五。非重子暗物质观念的由来
今天大家已知道， 宇宙暗物质的主要组分不是重子。
暗物质以非重子为主的观念却产生于81年。 有趣的是它来源于一个错误的实验结果： 中微子有30eV的静质量。(Liubimov)
宇宙家立刻意识到它的重大后果： 今天宇宙中存在背景中微子，100个/cm3. 粗略一估：它对宇宙密度的贡献比常规重子 物质高接近两个量级。 我们是生活在中微子为主的宇宙中！
T0 = 20亿年。
它比地球年龄还小！
当时多数人认为这表明： 宇宙膨胀理论不对。 1950年，Gamow却用它研究了 宇宙的早期（最初十万年）。
今天看，Gamow 的理论绝对是 Noble奖层次上的贡献： 一．早期宇宙中不会有星系和恒星， 今天宇宙的物理状态是演化产生的． 二．提出了一切星系形成前的宇宙是 均匀的高温高密气体的观念． 反对者讥讽地称它为大爆炸理论，
并斥之为伪科学。
一个新物理理论要被人们普遍接受， 必须提出关键性的预言， 等待将来的观测来证实或证伪． HBB的关键预言就是：
宇宙背景辐射(CBR). 这正是我们今天讨论的主题．
二．CBR的提出和发现
Gamow的想法：
＊星系不可能自古存在． ＊星系应来自均匀气体的碎裂（猜想）． ＊时间越早，这均匀气体的温度越高． ＊当 t < 10万年，T＞105 K.气体为plasma. ＊热平衡的plasma必包含光子组分． ＊膨胀降温，核与电子必结成中性原子． 光子将退耦，并遗留至今．
他们首先意识到，若非重子为主， CBR上的温度起伏应当有 △T/T > 1 10-6 至80年代后期，小扰动测量的精度已提至 △T/T < 1 10-5 相信非重子为主的宇宙家到了关键时刻。 若测量精度再提高一个量级依然是零结果， 那么宇宙物质以非重子为主的观念 就必须放弃了。
很多人意识到， 应当全波段地测量辐射频谱。 HBB预言的CBR应高度与Planck公式一致。
温度为3 K的热辐射的短波段为毫米波。 由于有地球大气的干扰， 来自远处的毫米波信号很难准确测量。
当时不多的几个测量结果引起很大争议。 有的结果表明所测到的背景辐射谱 与Planck谱有很大差别。
要有清楚的回答，只能用观测卫星在地球大 气之外做测量。
* 宇宙中暗物质的主要组分是哪几种？
当时认为：暗物质总归也是重子所组成。 （注意：今天已知道这不对！）
利用△T/T < 1 10-4算下去，人们发现：
这样的小扰动演化到今天是 来不及形成星系的 。 可是星系已大量形成却是铁的事实。
我们正生活在某一个星系内呢！
宇宙学遇到了天大的疑难 ！ puzzle！ 哪儿错了？
COBE卫星应运而生。
COBE是多目标的背景辐射观测卫星。 其目标之一是全波段地测量 微波背景辐射的频谱。 它在30几个波长上同时测量辐射强度， 每个波长上设置了4个接收器。 它上天不久，地面立刻得到了测量结果：
实际存在的背景辐射谱与 T = 2.735 K的Planck热辐射谱高度相符。
这使HBB的可靠性得到了铁证！
凭什么这么说这是铁证？ 与Planck谱高度相符， 表明辐射源有高度的热平衡。 在已有星系或恒星的宇宙中 已不能存在高度热平衡的物体。 唯一只有早期宇宙才能是这样的源！
高度符合Planck公式的背景辐射 只能来自早期宇宙.
于是HBB完成了它成长的三部曲：
* 最初被当作伪科学， * 65年后被认识到有一定道理， * COBE把它的可靠性证实到 无可置疑的地步。 光凭这点就早该得Noble奖了！
这种计算需要输入两方面信息： * 今天宇宙物质的平均密度多大？ 当时只知道：宇宙平均密度为 ρm = 0,2---1.0ρc ρc = 10 氢原子质量/m3.
何况它的重大贡献不止于此。
四。宇宙结构的形成疑难
宇宙早期是没有结构的均匀气体(球)， 宇宙学必须回答：后来的结构怎么形成的。
定性回答简单而清楚：
自引力不稳定性使小扰动发展成物质结团。
这样，背景辐射上应能观测到
密度(温度)的微小起伏。
70年代后期，若干组做了这样的探测。 得到的都是零结果。于是知道： △T/T < 1 10-4.
宇宙中的
微波背景辐射
北京大学 俞允强
一。背景辐射的问题由来
现代宇宙学奠基于20年代。 确立了两个要点： * 发现宇宙在膨胀(Hubble)， * 建立了宇宙膨胀动力学(Freidmann)。 今天看来两者都很对， 但是当时观测可靠度很低， 导致了与事实不符的结果。
当时测出的Hubble常数比实际值大了7倍。 于是推断出的宇宙年龄为实际值的1/7。
这就叫宇宙背பைடு நூலகம்辐射．
背景辐射是早期宇宙留下的遗迹。 问题在于它是否确实存在。
遗留的光子没有热碰撞， 但它依然随宇宙膨胀而降温。 Gamow估出它今天温度应低于10 K. 其主要辐射在射电和微波波段。
其实当时很容易用射电天线观测到它， 可是没有人想做这事。
这肯定是Noble奖的贡献。
可惜！
65年，Bell电话公司的Penzias and Wilson 意外地在4070MHz上发现了一种背景信号， 温度为3K. 但他们完全不知道这信号来自什么。
Princeton大学的宇宙学家Peebles等人指出 它应当就是他们正在想找的CBR. 这当然是对被斥之为伪科学的HBB的肯定。 78年，很有眼力的评奖委员们决定 授他们予Noble物理奖。
三。COBE对遗留疑问一锤定音
为什么讲Noble评奖委员很有眼力？
当时其实遗留一个很重要的疑问： 凭什么认为所测到的背景辐射和 HBB预言的背景辐射是一回事？
更重要的是：
中微子为主的宇宙中 小扰动增长要快得多。 星系至今来不及形成的疑难 会有很大的缓解。
很快粒子物理学家知道了 Liubimov的发现是个错误。
宇宙学家得到的启示是： 星系必须来得及形成，因此
宇宙以非重子为主很可能是事实。
至于它是否是中微子并不重要。
很大胆的假设！
宇宙学家持之以恒地以此为前提研究结构形 成问题。艰苦而有成效地奋斗了20年。
五。非重子暗物质观念的由来
今天大家已知道， 宇宙暗物质的主要组分不是重子。
暗物质以非重子为主的观念却产生于81年。 有趣的是它来源于一个错误的实验结果： 中微子有30eV的静质量。(Liubimov)
宇宙家立刻意识到它的重大后果： 今天宇宙中存在背景中微子，100个/cm3. 粗略一估：它对宇宙密度的贡献比常规重子 物质高接近两个量级。 我们是生活在中微子为主的宇宙中！
T0 = 20亿年。
它比地球年龄还小！
当时多数人认为这表明： 宇宙膨胀理论不对。 1950年，Gamow却用它研究了 宇宙的早期（最初十万年）。
今天看，Gamow 的理论绝对是 Noble奖层次上的贡献： 一．早期宇宙中不会有星系和恒星， 今天宇宙的物理状态是演化产生的． 二．提出了一切星系形成前的宇宙是 均匀的高温高密气体的观念． 反对者讥讽地称它为大爆炸理论，
并斥之为伪科学。
一个新物理理论要被人们普遍接受， 必须提出关键性的预言， 等待将来的观测来证实或证伪． HBB的关键预言就是：
宇宙背景辐射(CBR). 这正是我们今天讨论的主题．
二．CBR的提出和发现
Gamow的想法：
＊星系不可能自古存在． ＊星系应来自均匀气体的碎裂（猜想）． ＊时间越早，这均匀气体的温度越高． ＊当 t < 10万年，T＞105 K.气体为plasma. ＊热平衡的plasma必包含光子组分． ＊膨胀降温，核与电子必结成中性原子． 光子将退耦，并遗留至今．
他们首先意识到，若非重子为主， CBR上的温度起伏应当有 △T/T > 1 10-6 至80年代后期，小扰动测量的精度已提至 △T/T < 1 10-5 相信非重子为主的宇宙家到了关键时刻。 若测量精度再提高一个量级依然是零结果， 那么宇宙物质以非重子为主的观念 就必须放弃了。
很多人意识到， 应当全波段地测量辐射频谱。 HBB预言的CBR应高度与Planck公式一致。
温度为3 K的热辐射的短波段为毫米波。 由于有地球大气的干扰， 来自远处的毫米波信号很难准确测量。
当时不多的几个测量结果引起很大争议。 有的结果表明所测到的背景辐射谱 与Planck谱有很大差别。
要有清楚的回答，只能用观测卫星在地球大 气之外做测量。
* 宇宙中暗物质的主要组分是哪几种？
当时认为：暗物质总归也是重子所组成。 （注意：今天已知道这不对！）
利用△T/T < 1 10-4算下去，人们发现：
这样的小扰动演化到今天是 来不及形成星系的 。 可是星系已大量形成却是铁的事实。
我们正生活在某一个星系内呢！
宇宙学遇到了天大的疑难 ！ puzzle！ 哪儿错了？
COBE卫星应运而生。
COBE是多目标的背景辐射观测卫星。 其目标之一是全波段地测量 微波背景辐射的频谱。 它在30几个波长上同时测量辐射强度， 每个波长上设置了4个接收器。 它上天不久，地面立刻得到了测量结果：
实际存在的背景辐射谱与 T = 2.735 K的Planck热辐射谱高度相符。
这使HBB的可靠性得到了铁证！
凭什么这么说这是铁证？ 与Planck谱高度相符， 表明辐射源有高度的热平衡。 在已有星系或恒星的宇宙中 已不能存在高度热平衡的物体。 唯一只有早期宇宙才能是这样的源！
高度符合Planck公式的背景辐射 只能来自早期宇宙.
于是HBB完成了它成长的三部曲：
* 最初被当作伪科学， * 65年后被认识到有一定道理， * COBE把它的可靠性证实到 无可置疑的地步。 光凭这点就早该得Noble奖了！