宇宙背景輻射

宇宙背景輻射

11/30/2019

 

哈勃發現的宇宙膨脹現象之後沒多久, 就發生第二次世界大戰 (1939 ~1945), 後續的發展就受到了耽擱。

 

直到1940年代中葉以後, 天文学的探討又再度熱絡起來, 很多天文學家認為爆炸之後, 宇宙越膨脹越大, 宇宙能量的總密度也會越來越低。不論空間怎麼大, 能量怎麼被稀釋, 能量密度只會越來越小, 但永遠不會變成零。因此, 宇宙中一定存在一個非常低的平均能量密度。

 

預測存在宇宙背景輻射

1940年代末期, 物理學家阿爾福（Alpher）伽莫（Gamow）和貝提（Bethe）根據地球和太陽系的年齡推算, 估計出宇宙的平均溫度應該在絕對溫度10度以下。根據物理上的說法, 所有具溫度的物體都會放出電磁波, 稱為「熱輻射」。因此只要向著宇宙中空無一物的地方去測量所謂的「黑體輻射」, 就可以求出宇宙的平均溫度。他們提出來的模型當時被稱為「阿爾發-貝他-加瑪（αβγ）」模型。

 

這個模型的主要精神就在闡釋宇宙大爆炸中誕生後, 不斷的膨脹, 如今冷卻成現在這個樣子。

那麼根據物理上熱輻射的現象, 宇宙中殘存的溫度必定也會發出熱輻射, 而且這樣的熱輻射應該是充滿全宇宙。依照當時他們計算, 宇宙的溫度在絕對溫度1~10度之間。這樣的溫度所發出來的熱輻射波長大約在微波的階段。

 

偶然檢測到宇宙背景輻射

一直到1964~65年間, 美國貝爾實驗室的兩位電機工程師潘賈士 (Arno Penzias) 和威爾森 (Robert W. Wilson), 他們的工作是如何消除無線電雜訊。衛星的微波訊號非常微弱, 未來衛星通訊必須要把這些雜訊除掉, 收訊才會清楚。他們試著把天線調向不同方向, 結果發現不管天線指向那個方向, 都可以測得到相同的雜訊。他們意識到這個微波雜訊的來源並不在地球上, 也不是由特定的天體所發出來的, 無論如何他們不知道這些雜訊到底是來自哪裡。

 

後來有人聽說了普林斯頓大學迪奇教授研究大爆炸後的宇宙背景輻射, 於是建議這兩位工程師去找迪奇教授。當他們把紀錄拿給迪奇教授看的時候, 迪奇教授才發現「宇宙背景輻射」已經被他們搶先一步獲得了。不過他還是幫助他們分析數據, 並且指導他們發表論文。1978年, 潘賈士和威爾森因此獲頒諾貝爾物理學獎。

 

迪奇教授根據潘賈士和威爾遜的數據分析的結果, 結論是宇宙整體的基本溫度是3K, 所以也被稱為「3K背景輻射」。大爆炸理論事先預測會有背景輻射, 成功的得到驗證。