1、13k輻射與宇宙起源輻射與宇宙起源2星空是美麗的，享受美麗的同時你是否曾經思考過：宇宙從何而來呢？3k背景輻射或許能給我們一些啟示3一、3k背景輻射的發現宇宙背景輻射是來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，也稱為微波背景輻射。二十世紀六十年代初，美國科學家彭齊亞斯和.威爾遜為了改進衛星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強度。4為了降低噪音，他們甚至清除了天線上的鳥糞，但依然有消除不掉的背景噪聲。他們認為，這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當于3.5。1965年，他們又訂正為3，并將這一發現公諸于世，為此獲1978年諾貝爾物理學獎金。 5二

2、何為3K背景輻射 由普朗克的黑體輻射公式可知，任何物體都要向外發射電磁波。而且，所發射電磁波的波長只與物體的溫度有關。普朗克公式為：U(,T)d=(V/2c3)(3/e/kT-1)d6而微波背景輻射的最重要特征是具有黑體輻射譜，在0.3厘米75厘米波段，可以在地面上直接測到；在大于100厘米的射電波段，銀河系本身的超高頻輻射掩蓋了來自河外空間的輻射，因而不能直接測到；在小于0.3厘米波段，由于地球大氣輻射的干擾，要依靠氣球、火箭或衛星等空間探測手段才能測到。7從0.054厘米直到數十厘米波段內的測量表明，背景輻射是溫度近于2.7的黑體輻射，習慣稱為3背景輻射。黑體譜現象表明，微波背景輻射是極大

3、的時空范圍內的事件。因為只有通過輻射與物質之間的相互作用，才能形成黑體譜。 8 由于宇宙膨脹，使得空間的物質密度極低，輻射與物質的相互作用極小，所以，我們今天觀測到的黑體譜必定起源于很久以前。微波背景輻射應具有比遙遠星系和射電源所能提供的更為古老的信息！9 微波背景輻射的另一特征是具有極高度的各向同性。這有兩方面的含義： 一小尺度上的各向同性。在小到幾十弧分的范圍內，輻射強度的起伏小于0.20.3。 二大尺度上的各向同性。沿天球各個不同方向，輻射強度的漲落小于0.3。 各向同性說明，在各個不同方向上，在各個相距非常遙遠的天區之間，應當存在過相互的聯系。否則，如果是巧合的話，那概率真的是太小太小

4、了！10 早在四十年代，伽莫夫、阿爾菲和海爾曼根據當時已知的氦豐度和哈勃常數等資料。發展了熱大爆炸學說，并預言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射，其溫度約為幾到幾十。3微波背景輻射的實測結果與理論預期大體相符。 微波背景輻射的發現被認為是二十世紀天微波背景輻射的發現被認為是二十世紀天文學的一項重大成就。文學的一項重大成就。11 現在不少科學家認為背景輻射起源于熱宇宙的早期，是對大爆炸宇宙學的支持。但這仍存巨大爭議。宇宙背景輻射究竟著什么，還是人類一個未解之謎。把它說清楚，先要談談大爆炸理論。 12三、大爆炸理論愛因斯坦自己率先利用廣義相對論引力場方程進行宇宙學研究。他發現，按照他自己的引力場方程，

5、算出來的宇宙是不穩定的，宇宙不是在膨脹便是在收縮。因此愛因斯坦在方程中憑空加上了額外的一個宇宙項，這個所謂的宇宙項具有斥力的效應，這樣就可以用宇宙項的排斥來抵消物質的吸引。換言之，由宇宙項產生的負時空曲率能抵消由宇宙中質量和能量產生的正時空曲率。 13哈勃紅移的發現證明愛因斯坦的靜態宇宙模型是錯誤的。后來紛紛出籠的宇宙模型都把哈勃紅移考慮在內。其中以美籍俄裔物理學家伽莫夫（George Gamow）等人提出的后來被稱作“大爆炸理論”的最為著名，該理論認為宇宙起源于高溫高密的“原始火球”的大爆炸。1929年美國天文學家哈勃（Edwin Hubble）提出了著名的“哈勃定律”，并由紅移現象（哈勃紅

6、移），發現宇宙是在不斷膨脹的！14該理論還預言了大爆炸的一個結果，在今天的整個宇宙中有一種剩余輻射，它各向同性，溫度為絕對零度以上5度（5K）。 普林斯頓大學的迪克（Robert H. Dicke）根據伽莫夫的理論進行研究，在1964年他也預言了高于絕對零度以上幾度的背景輻射。而宇宙微波背景輻射的發現對大爆炸理論正是一個有力的支持。15四、廣義相對論的奇點問題根據愛因斯坦的廣義相對論可以計算出,一個密度足夠大的天體會使周圍的空間發生強烈的彎曲，并將這一空間與宇宙其余部分割裂開來。當光線靠近這個天體時也發生嚴重轉向，光子只能繞著天體打轉而不能進入外部宇宙。因此，這樣一個天體不能發光，是黑的。19

7、69年美國物理學家約翰惠勒（John Wheeler）很形象地把這樣的天體叫做“黑洞”。16從1965年到1970年間，霍金跟彭羅斯進行了密切的合作，證明了廣義相對論的奇性不可避免。也就是說，按照廣義相對論，宇宙必然起源于一個大爆炸奇點。同時，在黑洞中必然存在無限大密度和無限大時空曲率的奇點。這樣，時間起始于大爆炸奇點，終止于大擠壓奇點！17但是考慮到量子力學的測不準原理，一些基本量度，譬如長度和時間具有測不準性。測不準的程度由普朗克常數確定，從該常數可以定出最小的長度量子，即普朗克長度，為10E33厘米，這遠遠小于原子核的尺度。測量任何長度不可能比這個更精確，而且比普朗克長度更短的長度是沒有

8、意義的。同樣，作為時間量子的最小間隔，即普朗克時間，為10E43秒。沒有比這更短的時間存在。18這就是說，我們不可能把黑洞縮減為數學上的一個點，同樣也不能追溯到大爆炸的真正開始時刻。直徑比普朗克長度更小的體積是沒有意義的，所以零體積點和無限密度點的概念也沒有意義了。19在宇宙誕生之時，盡管物質密度高得驚人，但不會是無限大。這樣，宇宙誕生之初的無限性和奇點被消除，就有可能找到一組方程來描述宇宙的起源和結局。20這樣，在宇宙大爆炸模型中，我們可以看到，物理中不允許奇點存在，而正是因為有了量子力學的修正，才避開了奇點。因此，量子力學排除了奇點。上網查了一下最近很熱的一種理論-弦理論。我感覺這兩種理論

9、的核心思想有著很大的相似形，不知弦理論是否真的始于量子力學中的測不準原理！21微波背景輻射的發現被認為是二十世紀天文學的重大成就，它對現代宇宙 學產生的深遠影響，可以與河外星系的紅移的發現相并論。目前的看法認為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學的強有力支持。3K 背景輻射與四十年代伽莫夫、海爾曼和阿爾菲根據當時已知的氦豐度和哈勃常數等資料預言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射理論相符。22五、本文中的幾個重要人物普朗克霍金愛因斯坦23普朗克因發現能量子（量子理論），從而對物理學的發展作出了巨大貢獻，他關于能量子想法被愛因斯坦成功的用來解釋了光電效應。普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Plank 18581947）獲得了1918年度諾貝爾物理學獎。24愛因斯坦愛因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）因在數學物理方面的成就，尤其是發現了光電效應的規律，獲得了1921年度的諾貝爾物理學獎。但我認為，他的更加重要的成就是他所創立的相對論，尤其是廣義相對論。愛因斯坦是20世紀最有影響的科學家，物理學革命的先驅，狹義和廣義相對論以及現代宇宙學的創建者，量子論的主要奠基者之一。 25史蒂芬 霍金 (Stephen Hawk