宇宙中为什么存在2.73K微波黑体背景辐射?它是由什么东西组成的?

Question

宇宙中为什么存在2.73K微波黑体背景辐射?它是由什么东西组成的?

Answer 1

它们可能是早起宇宙大爆炸残留下的辐射温度的一种表现形式. 就在大爆炸时,宇宙体积被认为是零,所以是无限热.但是,辐射的温度随着宇宙的膨胀而降低.大爆炸后的1秒钟,温度降低到约为100亿度,这大约是太阳中心温度的1千倍, 亦即氢弹爆炸达到的温度.此刻宇宙主要包含光子、电子和中微子（极轻的粒子,它只受弱力和引力的作用）和它们的反粒子,还有一些质子和中子.随着宇宙的继续膨胀,温度继续降低,电子／反电子对在碰撞中的产生率就落到它们湮灭率之下.这样只剩下很少的电子,而大部分电子和反电子相互湮灭,产生出更多的光子.然而,中微子和反中微子并没有互相湮灭掉,因为这些粒子和它们自己以及其他粒子的作用非常微弱,所以直到今天它们应该仍然存在.如果我们能观测到它们,就会为非常热的早期宇宙阶段的图象提供一个很好的证据. 1948年,科学家乔治·伽莫夫和他的学生拉夫·阿尔法在合写的一篇著名的论文中,第一次提出了宇宙的热的早期阶段的图像.他们在此论文中作出了一个惊人的预言：宇宙的热的早期阶段的辐射（以光子的形式）今天还应在周围存在,但是其温度已被降低到只比绝对零度（一273℃） 高几度.这正是彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现的辐射. 以下是他们发现的过程： 60 年代初,为了改进卫星通讯,需要找出可能会干扰通讯的一切因素,尤其是噪声源.为此,彭齐亚斯和威尔逊建立了灵敏度很高的定向接收天线系统.他们发现,在一一估计了所有嗓声源之后,老是有大致相当于3.5K的噪声温度得不到解释,也无法消除.更加令人迷惑不解的是,这个残余温度没有方向变化,即所谓的各向同性；也没有周日变化,就是说与太阳无关；也不随季节交替而变化. 作为两名工程师,他们不清楚自己的发现在天体物理学上的意义.当时,美国普林斯顿大学的狄克小组,正准备筹建专门设备,来寻找前人预言的残余辐射,或者叫宇宙背景辐射.因此,当彭齐亚斯等的论文一发表,消息一传开,狄克等人立即意识到,这很可能就是他们打算要找的东西.事实也正是这样.多少人想找的东西,一直没有找到,两位工程师却在无意之间发现了它,正是：有心栽花花不开,无意插柳柳成行. 后来经过订正,背景辐射改为2.7K,习惯上称为3K 宇宙背景辐射.根据大爆炸宇宙学的观点,宇宙早期的温度在100 亿度以上,而现在已经很冷,微波背景辐射的发现恰恰是有力地支持了大爆炸理论. 微波背景辐射,不仅被看作是60 年代天文学四大发现之一,而且被认为是20 世纪天文学的一项重大成果,对宇宙学的研究具有深远影响.彭齐亚斯和威尔逊为此获得1978 年诺贝尔物理学奖金. 这些微波辐射的组成 ,上面已经提到了, 可能是由光子组成的.