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为什么选择大爆炸,放弃稳恒态?微波背景辐射的秘密

在说今天的内容之前,我们先讨一个问题,一个科学理论如何才能被称为是一个准确的科学理论?您想一下。

首先它要包含旧的科学理论,或者是已经被不雅测证实的现象。好比开普勒的理论就包含了哥白尼的理论,那牛顿的理论就包含了开普勒的理论,爱因斯坦的理论又包含了牛顿的理论,可以看出旧理论和新理论之间的关系,就跟套娃是一样。

第二,新理论需要诠释旧理论无法诠释的现象,例如开普勒的理论就描述了行星活动纪律,牛顿的理论就诠释了行星的轨道为什么是椭圆,为什么周期的平方和半长轴的立方当作正比。爱因斯坦的理论就诠释了水星近日点进动每宿世纪43角秒的误差。可以看出,新理论和旧理论之间的关系并不是简单、粗暴地推翻,而是不竭地批改。

第三,新理论需要提出可被证伪的预言,而且获得不雅测实证。好比,开普勒的三大定律出来今后,人们初次精确的预言了熟行星的凌日现象,牛顿的理论所作出的预言就比力多了,当然爱因斯坦的更多,也加倍神奇。这些预言都获得了证实。

所以只要具备以上三条,我们就可以斗胆地认为这个理论临时性是准确的,没有问题。好,有了以上的共识,我们就说今天的内容,为什么人们选择了大爆炸,抛却了稳恒态。

上节课我们说,大爆炸和稳恒态都包含了两个主要的不雅测事实,宇宙膨胀以及宇宙学道理,所以在很长时候内,人们无法分辩出两个理论谁对谁错。

但益处是,两个理论对宇宙做出了分歧的预言,第一个是对氦来历的不合,大爆炸认为宇宙降生的时辰是从氢和氦起头的,而稳恒态认为所有的氦都是从恒星中发生的。

但事实上,宇宙中的氦的含量很是高,固然像太阳这样的恒星每秒就能发生5亿吨氦,可是就算是把宇宙中所有的恒星都加起来,也不足以诠释宇宙中氦的含量。

其次,若是氦真的只是从恒星中降生的话,那氦的分布应该跟恒星的分布紧密亲密相关,可是不雅测事实表白,氦要比恒星分布得加倍普遍,加倍平均。所以从氦的含量和分布就能看出,大爆炸理论关于核合当作的预言更合适不雅测事实。

第二个是对星系形当作时候的不合,大爆炸理论认为宇宙中的星系根基上是统一时候形当作的,所以我们在银河系四周就找不到婴儿星系,但只要我们往远处看,就能看到婴儿星系了。

而稳恒态理论认为,跟着宇宙的膨胀,星系在不竭地形当作,所以我们应该能在银河系的四周找到婴儿星系。

这个展望的不合,在上宿世纪的60年月就有告终果,因为人们这时已经拥有了一种新型千里镜,射电千里镜,比拟于光千里镜它更像是一台庞大的收音机,专门用来捕获来自遥远宇宙的无线电波,而且把他们转化当作可视图像,或者是声音,给人们供给了一种新型的不雅测手段,它可以看到光学千里镜看不到的气象。

因为射电波的能量很低,所以射电千里镜的直径一般很大,可以或许达到几十米,上百米。并且我们还能将分歧处所的射电千里镜毗连在一路,构成一个数千米宽的虚拟射电千里镜。

经由过程射电千里镜的不雅察,人们发现宇宙中良多的射电源距离地球很远,此中一个典型的例子就是类星体,意思就是看起来像恒星的一种天体,以前人们不知他们是啥,所以就给他先起了这样一个名字。

此刻我们知道,它就是婴儿星系,在它的中间有一个很是庞大,且正在大量吞噬物质的黑洞,所以在类星体的一侧都有一个物质喷流,我们发现他们距离我们至少30亿光年以上,从来没有银河系的四周找到过这样的天体。

其实类星体不仅能在射电千里镜中看到,可见光千里镜也可以,视亮度就跟通俗的恒星一样亮,甚至X射线波段的千里镜也能看到他们,这申明了啥?

您想一下,它距离我们起码30亿光年,退行速度可以达到光速的1/3,这申明了一个类星体的辐射功率可以或许达到一个星系的几万倍,它的辐射本家儿要就来自于黑洞的物质喷流。

若是在我们银河系四周来这么一个工具,即使距离我们数百万光年,它的辐射也能杀死地球上的任何一个细胞。所以说按照不雅测,大爆炸理论又胜一筹。

还有一个更为主要的展望不合,伽莫夫的原始火球预示着我们的宇宙空间有一个底层辐射,这个辐射的性质是这样的:在空间各个偏向都有,它的能量谱是一个黑体谱,温度为5K,处于微波波段。

这是伽莫夫在上宿世纪40年月做出的展望,但他那时认为这种辐射此刻已经检测不到了,并且在他的理论中也有一些错误的处所,所以伽莫夫的研究就走进了死胡同,慢慢的被人遗忘了。

但在普林斯顿大学有一个研究小组,由物理学家罗伯特·迪克带领,当作员包罗皮伯斯、威尔金森、若厄等人,他们也在研究宇宙大爆炸理论。

在上宿世纪60年月,他们计较出了关于布景辐射更多的细节,而且在普林斯顿大学地质系的楼顶上装了一台射电千里镜用来侦测这种辐射。

他们的千里镜是二战时候留下的雷达凑出来的,所以可想而知,这个设备自身的辐射干扰可能都比微波布景辐射要强,所以他们测不出来。

但在距离他们只有48公里的处所,有两小我也正在用一个外形奇异的号筒型天线对着天空寻找无线电旌旗灯号,但他们找的并不是空间的底层辐射。

而是在找气球上的旌旗灯号发射器发还的无限电波,这两小我是威尔逊和彭齐亚斯,他俩供职于新泽西州霍姆德尔镇的贝尔尝试室。

他俩进行的项目附属于美国水兵的一个科研项目,所以他们用的千里镜要比迪克他们的千里镜要好得多,但想要寻找微弱的电磁旌旗灯号,就需要解除一切其他杂波的干扰。

好比被大气电离层反射回来的无线电广播,雷达旌旗灯号,还有设备自身的热辐射,所以他俩就用液氮把探测设备的温度降到了4K,在解除了一切可能的干扰之后,他们老是可以或许在天空的任何一个偏向看到来历不明的热噪旌旗灯号。

这其实就是迪克他们苦苦寻找的微波布景辐射,但彭齐亚斯和威尔逊那时并不知道这是啥,他们没有读过伽莫夫的论文,也没有读过皮伯斯在1965年的《天体物理学期刊》上颁发的论文,在论文中皮伯斯具体的介绍了微波布景辐射细节的推导过程。

最后是经由过程一位射电天文学家伯克,牵线搭桥,才让两个团队互相知道对方的研究和发现,那威尔逊和彭齐亚斯也因为他们无意中的发现,稀里糊涂的获得了诺贝尔奖。

上图就是那时威尔逊和彭齐亚斯测量成果的模拟图,绿色就是微波布景,中心的一道白线是我们银河系的盘面,可以看出这幅图没有更多微波布景辐射的细节,看不到温度的波动,因为他们的天线那时只能在一个频点长进行测量。

不外那时按照他俩的测量仍是将微波布景辐射的温度批改到了3.5K,昔时伽莫夫展望的是5K,其实仍是比力接近的。

微波布景的发现是大爆炸理论的一个决议性的证据,也预示着稳恒态宇宙模子气数已尽,可是霍伊尔仍是做了最后的挣扎,他说:稳恒态也能展望出微波布景,但这不是大爆炸的余温,而是宇宙中的星光被星云散射今后形当作的。

确实有这种可能,究竟结果宇宙中的恒星良多,他们发出的光线也可以在空间中传布,然后被星云、尘埃散射,形当作一个低温布景。

但这里需要注重的是,恒星只是近似于黑体,而不是完美的黑体,就拿我们太阳来说,太阳作为一个整体,他从内到外的温度都纷歧样,并不是一个热均衡的状况,他里面的温度更高,外面的温度更低,所以太阳就是一个多层等离子体构成的火球。

是以太阳的辐射出来的能量,是多个黑体叠加在一路的辐射总和,所以恒星并不是完美的黑体,只是近似于黑体。

若是真如霍伊尔所说的那样,那么微波布景辐射就不是一个完美的黑体谱。不外要测量微波布景和黑体谱之间的差别,很是坚苦。

直到1989年我们才发射了第一颗卫星“微波布景探测器”(COBE),对微波布景进行了过更为详尽的测量,1992年发还来的数据显示,微波布景辐射在各个频段都都完美的合适黑体谱。而且把微波布景辐射的问题批改到了2.725K。

至此所有曾经与大爆炸抗衡的所有理论都鸣金收兵了。因为只有大爆炸理论可以囊括宇宙膨胀,宇宙学道理,而且只有他做出来的所有预言,合适我们的不雅测事实。

这就是为什么我们相信宇宙发源于大爆炸,因为大爆炸合适我们的科学方式。好了今天的内容就到这里。

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