宇宙3K辐射的发现过程是怎样的？有何意义？

自从哈勃在20世纪20年代发现星系红移以来，天文学家开始认识到了宇宙正在膨胀，并且提出了宇宙大爆炸理论。根据这个理论，宇宙的最初时刻只有一个体积无限小的奇点，然后宇宙万物从极高温的大爆炸中创生。宇宙学家拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼认为，早期宇宙的密度和温度极高，那么，随着宇宙空间的膨胀，物质逐渐分散，宇宙的温度也会随之下降，至今还应该残留着极低温度的热辐射。他们估算出的宇宙微波背景的温度大约为5 K（K=273.15+℃），即在微波波段可以探测到宇宙大爆炸的热残余。不久后，射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊意外地探测到了宇宙微波背景辐射，温度大约为3 K，与理论预测值很接近。根据目前最精确的测量，宇宙微波背景的温度大约为2.725 K。

宇宙微波背景辐射的发现具有十分重大的意义，它们被誉为“宇宙大爆炸的回声”，这是宇宙大爆炸理论的最强证据，表明宇宙早期确实经历过极端高温。宇宙微波背景具有极高的各向同性，其差异仅为十万分之一。这意味着宇宙微波背景在强度上的变化是非常微小的，并且十分均匀，表明宇宙大爆炸理论的正确性。因此，发现宇宙微波背景辐射的两位射电天文学家获得了诺贝尔物理学奖。

在现代宇宙学中，精确测量宇宙微波背景十分重要。基于此，天文学家得以计算出宇宙的年龄和大小。根据目前的观测数据，宇宙可以追溯到138亿年之前，可观测宇宙的半径高达465亿光年。

3K宇宙背景辐射

基本信息

宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年.大爆炸宇宙学说认为，凞发生大爆炸时，凋宇宙的温度是极高的，刃之后慢慢降温，刚到现在约150亿年后大约还残留着3K左右的热辐射。

概念

宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为微波背景辐射。二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年，他们又订正为3K，并将这一发现公诸于世，为此获1978年诺贝尔物理学奖。

特征

微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在0.3厘米－75厘米波段，可以在地面上直接测到；在大

于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测到；在小于0.3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到。从0.054厘米直到数十厘米波段内的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。这有两方面的含义：首先是小尺度上的各向同性。在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2－0.3%；其次是大尺度上的各向同性。沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3%。各向同性说明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互的联系。

起因

1948年, 美国科学家阿尔弗(Ralph Alpher)和赫尔曼(Robert Herman)预言，宇宙大爆炸产生的残系辐

射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度以上5开，或者说5K(绝对零度等于摄氏零下273.15度，即-273℃)。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视。

发展

但是多年以后，即1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)却十分意外地发现了这种宇宙辐射场，当时他们正在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线。与此同时，在附近的普林斯顿大学，由罗伯特·迪克(Robert Dicke)领导的一个科学家小组已独立地重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言，并着手设计一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐射。他们听说了贝尔实验室这台接收器中存在着无法阐明的噪声，并立即将它解释为源自大爆炸的残余辐射。它相当于在电磁波谱的微波部分波长为7．35厘米的某种无线电波信号；如果假设它是热辐射，那么它所具有的能量就相应于2.7K的温度--这与阿尔弗和赫尔曼富于灵感的估计非常接近。它被称为"宇宙微波背景辐射"。宇宙微波背景辐射的存在，给大爆炸理论以有力的支持。

最新进展

2010年12月有英国天文学家发表论文称，他们发现了我们所在宇宙很久之前曾受到其他平行宇宙“挤压”的证据。

英国伦敦大学物理与天文学学院的史蒂夫·菲尼和他的研究团队在研究了宇宙微波背景辐射图后得出了这一惊人结论。研究团队称，他们在图中发现了四个由“宇宙摩擦”形成的圆形图案，这表明我们的宇宙可能至少四次进入过其他宇宙。

预测

1934年，Tolman发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随着时间演化而改变；而光子的频率随时间演化（即宇宙学红移）也会有所不同。但是当两者一起考虑时，也就是讨论光谱时（是频率与温度的函数）两者的变化会抵销掉，也就是黑体辐射的形式会保留下来。

1948年，美国物理学家伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼估算出，如果宇宙最初的温度约为十亿度，则会残留有约5~10k 的黑体辐射。然而这个工作并没有引起重视。1964年，苏联的泽尔多维奇、英国的霍伊尔、泰勒(Tayler)、美国的皮伯斯(Peebles)等人的研究预言，宇宙应当残留有温度为几K的背景辐射，并且在厘米波段上应该是可以观测到的，从而重新引起了学术界对背景辐射的重视。美国的狄克（Dicke）、劳尔（Roll）、威尔金森（Wilkinson）等人也开始着手制造一种低噪声的天线来探测这种辐射，然而另外两个美国人无意中先于他们发现了背景辐射。

研究史

1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊架设了一台喇叭形状的天线，用以接受“回声”卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空方向进行测量。他们发现，在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在，这个信号既没有周日的变化，也没有季节的变化，因而可以判定与地球的公转和自转无关。

起初他们怀疑这个信号来源于天线系统本身。1965年初，他们对天线进行了彻底检查，清除了天线上的鸽子窝和鸟粪，然而噪声仍然存在。于是他们在《天体物理学报》上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文正式宣布了这个发现。不久狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文，对这个发现给出了正确的解释，即：这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。

宇宙背景辐射的发现在近代天文学上具有非常重要的意义，它给了大爆炸理论一个有力的证据，并且与类星体、脉冲星、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。

进一步的研究

后来人们在不同波段上对微波背景辐射做了大量的测量和详细的研究，发现它在一个相当宽的波段范围内良好地符合黑体辐射谱，对应温度大约为2.7K（近似为3K），并且在整个天空上是高度各向同性的，只是具有一个微小的偶极各向异性：在赤经 11.3±0.1 h，赤纬 4±2°的地方温度略高，在相反的方向温度略低，人们认为这是由银河系运动带来的多普勒效应所引起的。

宇宙3K辐射指的就是微波背景辐射，宇宙微波背景辐射产生于宇宙大爆炸之后三十万年，和绝对温标2.725K的黑体辐射相同，处于微波波段。这也是我们研究宇宙的一种途径，微波背景辐射分布图已经被绘制出现，科学家从这幅微波背景辐射分布图中找到了关于宇宙大爆炸的证据。

说到微波背景辐射的发现，1965年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊在一个微波探测器上检测到了比预计大得多的噪声。起初他们认为是探测器上的鸟粪引起的，但在清除了鸟粪之后，噪声依然存在。那么噪声究竟是从哪里来的呢？

他们发现，不管探测器朝向哪个方向，噪声都是一样的。要知道，如果噪声是来自地球大气层的话，探测器斜着指向天空时的噪声会大于垂直时的噪声，因为倾斜方向的大气层厚度更大。而且，不管是在白天还是黑夜，也不管夏季还是冬季，噪声都是一样的。这就排除了地球自转和公转的影响，说明噪声是来自太阳系之外，甚至是在银河系之外的。他们公布了这一发现，不久之后，其他科学家对此给出了解释：这个噪声来自于宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射也称为宇宙大爆炸的余温，是大爆炸之后留下的，其研究意义肯定是非同凡响的，科学家能够根据宇宙微波背景辐射的分布找出一些暗斑点，这里可能是一些没有物质的宇宙空间。