导语对于宇宙天文爱好者来说，微波背景辐射图就如同宇宙的地图，这张图包含了宇宙天体的分布，揭示了宇宙从大爆炸中诞生的秘密。它是宇宙起源的最直接证据，而它又支持了宇宙大爆炸理论的普遍承认。 当然，这张图也被用来推测宇宙的年龄、大小和未来发展方向，因此是观测宇宙起源的最有价值的数据。然而它到底蕴含着怎样的信息，科学家们又是如何发现这张“地图”的? 一、宇宙微波背景辐射是怎么发现的?对宇宙微波背景辐射的第一次“直观”观测还得追溯到1964年，当时美国新泽西州的贝尔实验室科学家对一架没什么用的微波塔进行了一番改装:给它加上了一个折射表面，这样一来，它就可以像太阳那样接收微波信号了。 改造之后，塔上的新仪器依然没什么作用，因此就成了被无人理睬的空巢矮子。不过，在1964年三四月份，一名工程师对这个塔进行了维护，但是当时他还不知道，改变了折射器的角度之后，这个塔就成了第一个发现宇宙微波背景辐射的仪器。于是，这个仪器的第一次记录到的数据就成了第一个宇宙微波背景辐射的直观证据。 可能有人会奇怪，明明太阳都能发出微波，为什么我们却无法看到呢?其实这是因为，太阳产生的其他光线能量都很高，然而它产生的微波能量则非常微弱，因此在高能辐射的掩盖下，并没有仪器能够观测到。当然，这台改造后的仪器其实也接收不到。 它所观测到的是，天空中几乎没有任何微波信号……然而，显然，这不能算是一个“正常”的结果，因此科学家们对这个现象大为兴奋，于是他们就对这个“败笔”塔进行了一番大修。修好之后，这台仪器果然“奇迹”般地检测到了宇宙微波背景辐射，不仅如此，它还检测到了它的辐射温度和它的方向辐射性，这是任何一个对宇宙微波背景辐射感兴趣的科学家梦寐以求的数据。这个数据随后被确定，这个带有各种信息的数据就成了宇宙微波背景辐射的第一个完整的观测数据。 改造了这台仪器的两位科学家彭齐亚斯和威尔逊应该感到骄傲的是，他们的“失败”塔最终成功的记录下了宇宙微波背景辐射的数据，这个数据在之后的研究中更是被证实是宇宙大爆炸理论的最终证据。而这两位科学家也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。 二、微波背景辐射图究竟藏着哪些信息?如今，宇宙微波背景辐射的数据有了大量的记录，也有了很多图，它们可以分为两类:温度图和各向异性。其中前者是根据宇宙微波背景辐射的温度数据，生成的宇宙“温度”表，反映了宇宙的温度分布情况;而后者则是根据宇宙微波背景辐射的辐射数据，生成的宇宙“地图”，反映了宇宙各向异性的分布情况。这里主要介绍的是前者，因为它更具有实际的“大样本量”，而且它是从大爆炸时期开始的第一个物质——光子产生后、光子冷却消失的最后一个阶段——37万年到目前为止的宇宙发展的第一个温度表。 37万年前，宇宙完成了从炽热气体到凝聚成“透明”的气体的过程，此时，宇宙中的电子和质子合成成了“氢原子”，同时电子从质子上“脱离”下来，这就让光子没有了障碍，可以在宇宙中“自由飞翔”。因此，宇宙此时处于了一种“光子承载物质”状态，这种状态下，光子的温度直接就是宇宙的温度，因此，用光子的温度图来表示宇宙就是最直观的方法。 当然，光子冷却消失之后，宇宙就不再是100%“光子承载”的情况了，因此，此后的光子温度图会根据宇宙的演化情况，用新的温度变量来代替。当然，光子温度并不是我们平时所说的物体的温度，而是拥有量子特性的粒子运动的“热量”或能量。 在量子力学的影响之下，热量的传递变成了光子的能级的交换，而这些能级的变化会直接在分布图上体现:温度越高，能级越高，相应的“浓度”就越低，因此，分布图就会有更少的高温点。这也意味着，温度图中的温度最高的一部分是宇宙中的“最热”部分，而能量最高的那一小撮光子无疑就是从大爆炸光子的直接传承者——宇宙大爆炸的时候，光子们的温度约为3000K，因此这也算是大爆炸的最强辐射信号。这些光子用来记录当时的信息，同时这也算是获得大爆炸辐射信号的最好机会，因此“当时”的信息是很有价值的。 那么根据温度分布图，我们又能得到什么信息呢?首先，温度越高，光子的能级就越高，因此分布图上浓度越低，因此温度图上温度最高的那一小撮光子的光子密度就是宇宙中的“平均”光子密度。此外，温度分布图上还会有大量的分布块，不同的分布块的“平均”温度就是他们所代表的时期的宇宙的“光子温度”，这些分布块的数量和温度越高，说明这个时期的光子的温度越高。通过分布图，我们可以得知，宇宙大爆炸37万年之后，宇宙就进入了冷却时期，到现在，宇宙的平均温度降到了3K，也就是温度图上最低的一个温度块，标志着大爆炸之后光子冷却的最后一个时期结束了。 三、微波背景辐射的意义。之所以讲述起微波背景辐射的温度分布，是因为这也就是它的价值所在。我们之所以要研究物质发出的各种辐射，除了满足好奇心之外，更重要的是，一方面，辐射携带“能量”，从而携带“信息”;另一方面，不同条件下辐射的频谱和分布规律都是不一样的，当我们找到一种辐射的频谱和分布规律之后，我们就可以通过观察它的辐射去了解物质的分布规律和其它信息，甚至要是有运气好的话，还能发现规律之外的新信息。 当然，对于微波背景辐射而言，我们已经知道了它的频谱和分布规律，即所谓的“脸谱”，这也是通过研究和分析微波背景辐射的基础频谱和方向辐射性图得出的。通过这些数据，科学家们发现，正是它们直接支持了大爆炸理论，而大爆炸理论正是现有宇宙学理论的支柱之一，宇宙学也因此被称为“大爆炸宇宙学”。 它的“结晶”微波背景辐射正是宇宙大爆炸理论的最直接的证据，而微波背景辐射的温度图更是在“结晶”基础上的一次“验证”这张“结晶”的重要性，它时也是宇宙大爆炸理论的最后一块拼图，仿佛一个美好的结局。了解了探测微波背景辐射的研究过程之后，我们再来看这张“结晶”之后的研究有何新意。事实上，微波背景辐射的研究并没有因为它是理论的“解释”而显得多余:反而，因为宇宙微波背景辐射记录着大爆炸开始之后的所有信息，如今研究它恰恰有助于我们来了解宇宙的大爆炸以及之后的演化过程的本质。它同时还可以帮助我们确定宇宙的年龄、大小和未来的发展方向，因此，其实微波背景辐射的研究是宇宙研究的重要一环。 同时，这张图也是宇宙起源的“窗口”，有了它，我们就能看到大爆炸之后的宇宙的发展，这也就是研究它的“新意”所在。 结语微波背景辐射的意义不仅在于证实了宇宙大爆炸理论，更在于它是宇宙起源的“窗口”，使得我们能够从大爆炸之后的天体观测中得到大量信息，从而研究宇宙的起源和演化过程。 |
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