宇宙膨胀来自大爆炸，背景辐射源于小余热，本文主要内容关键词为：余热论文,大爆炸论文,宇宙论文,背景论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
《圣经》里的“创世纪”，讲的是上帝怎样创造了世界，但是它说不出一个道理来。各派宗教编造的“创世日”显然不足为取，因为它们没有科学依据。第一位真正从科学出发来探讨“创世”问题的是英国地质学家赖尔，他在三卷本巨著《地质学原理》中，列举了确凿有力的证据，说明地球上诸如高山的崛起和风化、河道的冲刷和形成等自然过程，从古到今都以一定的速率缓慢进行。由此推算，要产生出今天这样的自然景观所花的时间，至少数以百万年计。继赖尔之后，科学家们又提出了各种科学分析地球年龄的方法。例如，从沉积岩的厚度估算出地球年龄至少有5亿年；从海水含盐率估算出地球年龄为10亿年； 从岩石里的放射性元素估算出岩石的年龄（因而也是地球年龄）可达40亿年。现在比较公认的地球年龄是47亿年。
地球是太阳系的一员，由地球的年龄自然会想到太阳的年龄。据科学测算，太阳至少已“活”了50亿年以上。那么，太阳所在的银河系的年龄有多大？宇宙会不会也有生死问题？
宇宙在膨胀
我们所获得的对于遥远天体的知识（组成、结构、运动等），大多来自对由天体发光所形成的光谱的研究。例如，根据物理学中的多普勒效应，把某个恒星或星系的光谱跟正常光谱相比较，如果它的光谱线一起向低频的红端移动（红移），则表明该恒星（或星系）正背离我们而去；反之亦然。1868年，天文学家首次应用多普勒效应发现，天狼星以每秒46.5千米的速度背离我们而去。此后，银河系的主要恒星都被用此方法检验一番，看它们究竟是朝我们而来，还是背我们而去。后来，这种检验又扩大到银河系之外的星系。在研究河外星系光谱时，天文学家发现大部分星系的光谱都存在着红移现象，而且这些星系离我们的退行速度比喷气式飞机快得多。不仅如此，天文学家还发现，星系距离我们越远它的光谱的红移量越大。1929年，美国天文学家哈勃提出了著名的“哈勃定律”：一个星系的退行速度与它离我们的距离成正比，呈有规律的增大。
哈勃定律不断得到新的天文观测数据。 1960 年， 天文学家利用5.08米望远镜观测到一些非常遥远的天体， 它们的退行速度达到每秒24万千米，这个速度已很接近光速（每秒30万千米）了。巨大的星系以这么高的速度在太空中飞行，真是不可思议。
哈勃定律揭示的情况意味着什么？它表明宇宙在膨胀。何以见得？设想有一只表面上画着许多小黑点的气球，未充气以前，这些黑点彼此十分靠近。当我们把气球吹膨胀时，这些黑点便逐渐分开；气球膨胀得越大，这些黑点彼此间距离就越大。这种情况对于气球上的任何一点来说，都是成立的。宇宙是由许许多多的星系组成的，我们所在的银河系不过是其中之一。通过气球膨胀的例子，再联系到各星系彼此离散而去的事实，天文学家认为宇宙在膨胀。
宇宙大爆炸
从宇宙膨胀的事实，有人就用逆向思维方式沿时间倒回去考虑：既然宇宙在膨胀，那么它的过去要比现在小，由此推理当宇宙在遥远过去的某个时刻开始存在之初，一定是一个非常致密的物质团，有人戏称为“宇宙蛋”。“宇宙蛋”怎么会变成今天这么多的星系、恒星之类的“宇宙碎片”？最合乎逻辑推理的解释是：正在膨胀着的宇宙是最初宇宙一次大爆炸的结果。本世纪初，比利时数学家勒梅策就提出过这样的宇宙大爆炸假设。
1946～1948年，俄国出生的美国物理学家伽莫夫等人，把现代核物理、基本粒子的知识同宇宙膨胀的事实相结合，提出了宇宙大爆炸理论。这一理论认为，我们今天所看到的膨胀着的宇宙，开始于150 亿年前一次猛烈的大爆炸。当时的宇宙是十分致密的物质团，并处于一种极端高温（10[32]K）状态。这种状态只维持了一个极短的瞬间（10[－43]秒）， 在宇宙发展史上这么短暂的时期称为“普朗克阶段”。 这以后，宇宙一方面急剧膨胀，另一方面它又快速降温，这一阶段，宇宙中生成了夸克、反夸克和轻子，然后再由它们合成质子、中子等基本粒子。大爆炸1秒钟后，宇宙温度降到10[10]K，此时开始形成原子（元素）。大约在大爆炸100万年后，宇宙温度降到3000K时，原先混沌的宇宙逐渐变得透明起来了。
伽莫夫他们提出的宇宙大爆炸理论，由于缺乏天文观测证据的直接支持，后来渐渐被冷落了。
宇宙背景辐射
俗话说：“有心栽花花不开，无心插柳柳成荫”。支持宇宙大爆炸的证据不是来自天文观测，而是来自无线电研究。
我们在听收音机时会听到一些噪音，这些噪声有的来自收音机的晶体管或其他元件，有的则来自传播无线电波的太空。搞无线电通信的工程技术人员为了提高通信的效率，长期致力于消除各种噪声的研究。美国电话电报公司的贝尔电话实验室是世界上研究无线电通信的权威机构。该实验室有一架卫星通信用的喇叭形天线，可以用来测量天空中各种原因造成的噪声，例如，天空中的雷电，太阳黑子等等造成的无线电噪声。
1965年5月，贝尔实验室的两位科研人员彭齐亚斯和威尔逊， 开始利用这架方向性很好的天线，来查清天空中各种原因造成的噪声，这就要测量天空的有效噪声温度。无线电工程师为了使用方便，常用温度来标志噪声的程度。例如，地面温度为300K（相当于23℃）时，它在无线电接收系统（如天线）中会造成20～30K的噪声，这20～30K就是度量噪声的“噪声温度”。
最初，彭齐亚斯和威尔逊测得天空有效噪声温度是6.7K，扣除大气吸收、地面噪声等方面的影响后，最后得到了3.5K的剩余。在此后一年的测量中，无论他们如何改进仪器，仔细操作，都不能消除这个剩余的噪声温度。他们还发现，这个消除不掉的噪声是各向同性的，不论他们把天线对准太空中的哪个方向，都能接收到同样温度的噪声，而且一年四季都一样，没有任何季节性的变化。
过去，人们都以为宇宙空间一无所有，它冷到接近绝对零度，那么，是什么原因造成这种3.5K的宇宙噪声的呢？这两位无线电工程师没法回答。正当这两位工程师对此现象迷惑不解时，彭齐亚斯有一次无意中了解到，普林斯顿大学物理系教授迪克等人写过一篇论文，这篇论文根据大爆炸理论预言，在大爆炸后应当留下余热——辐射遗迹。这就好比在寒冷的冬天，我们在屋里生起火炉取暖，即使火炉熄灭了，屋里仍会因为火炉的余热而温暖一段时间。只是大爆炸产生的辐射当初处于可见光和红外波段，由于宇宙膨胀所产生的多普勒红移效应，它们的波长发生了红移，落到了比红外线频率更低的微波波段上。所以，时至今日大爆炸应当留下10K温度的余热，它是波长为3厘米的微波辐射。
于是，彭齐亚斯和威尔逊赶紧向迪克等发出邀请，请他们到贝尔实验室访问。在经过一系列相互访问和深入研讨后，彭齐亚斯和威尔逊确信，他们所发现的这种消除不掉的微波噪声，正是迪克的研究组根据大爆炸理论所预言并准备寻找的“辐射遗迹”。这是一种宇宙背景辐射，它们蔓延分布在整个宇宙的每个角落。他们俩的这一发现轰动了全世界，并使宇宙大爆炸理论得到了强有力的支持，还因此而共享了1978年度的诺贝尔物理学奖。
综上所述，我们的宇宙是在大约150 亿年前所发生的一次大爆炸中诞生的。混沌初开之后，经过大约100万年的膨胀和冷却， 光辐射破雾而出，宇宙变得透明了。这以后，宇宙的膨胀使宇宙的范围越来越大，宇宙背景辐射的红移也越来越厉害，一直变成了今天的处在微波波段的3.5K的微弱辐射。