解读宇宙的起源——2006年诺贝尔物理学奖简介

 2006年度诺贝尔物理奖授予了在宇宙学研究领域取得杰出成果的美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特。他们发现的宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性强烈地支持了大爆炸宇宙学模型并开启了“精确宇宙学”时代的大门。COBE之后宇宙学研究取得了一系列重大的进展。近年WMAP、SDSS等天文观测更加坚实有力地支持了大爆炸宇宙学模型，并对物理学提出了一些重大的、尖锐的挑战，诸如什么是暗物质？暗能量的物理本质是什么？     

从2006年诺贝尔物理学奖谈起

2006年诺贝尔物理奖表彰马瑟和斯穆特教授,以他们为首的学者利用宇宙背景探索者卫星(COBE)的数据,证实宇宙微波背景辐射的黑体形式,并发现各向异性。这是对精确宇宙学这些重要成果的肯定。诺贝尔奖的网站记载了当天对斯穆特教授的电话采访:“作为这些观测的结果,作为被证实的大爆炸理论,现在很好地被接受了。是这样的吗?”斯穆特教授立即回答:“大爆炸理论是被接受的宇宙论。(我们)绝不能完全证实任何理论,不过,它是被接受的宇宙论。”在肯定大爆炸宇宙论的同时,斯穆特教授强调“绝不能完全证实任何理论”。这无疑是正确的;但也反映了以广…     

宇宙学标准模型浅释

一提起宇宙学,大家会觉得很玄,这是因为宇宙学主要是一种考古的学问。人们对于远古时代的一切因其陌生,又没有机会去留神,总不免产生许多悬念和玄机。其实,20世纪50年代初物理学家伽莫夫已经提出了宇宙大爆炸的假设,并预言了会有微波背景辐射的存在。一直到20世纪60年代,彭齐亚斯等人的无意的发现才使宇宙学得到人们的广泛相信和支持,乃至物理学家温伯格写了一本著名的     

第一讲微波背景辐射的各向异性、偏振及宇宙电离的历史

文章对微波背景辐射的各向异性、偏振及宇宙电离的历史给出了评述性介绍．从大爆炸理论的预言，到观测的发现，到其各向异性及偏振的探测，微波背景辐射(CMB)向人们揭示了丰富的宇宙学信息．文章在对基本理论作了简单介绍后，着重讲述了最新的CMB的观测结果及其物理意义．特别对微波背景各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP)的偏振观测及其对宇宙重新电离的限制给出了较详细的叙述．     

探索宇宙的起源——2006年诺贝尔物理学奖简介

John C．Mather和George F．Smoor因为发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而分享2006年度诺贝尔物理学奖．论文中从COBE卫星而来的详尽的观测报告推动了现代宇宙学的发展，使其成为一门精确科学．     

遗迹引力波对宇宙微波背景辐射极化的影响

根据宇宙大爆炸理论的预言,宇宙经历了由暴涨阶段到辐射阶段到物质阶段再到如今的加速膨胀阶段.在辐射阶段所残留的退耦的自由光子便形成了现在人们所观测到的宇宙微波背景辐射.如果没有扰动,微波背景辐射将是各向同性的,但是在宇宙形成的初期存在各种各样的扰动,因此宇宙微波背景辐射呈现各向异性.针对由遗迹引力波对微波背景辐射极化所产生的各向异性的影响,重点讨论电场型极化和磁场型极化. 关键词： 遗迹引力波 微波背景辐射 极化各向异性     

从央斯基到彭齐亚斯和威尔逊──纪念宇宙背景微波辐射发现26周年

美国贝尔实验室的无线电工程师央斯基在研究短波通讯系统的噪声问题时，发现了来自银心的射电辐射，开创了利用射电波研究天体的新方法．３０余年之后，贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊又发现了宇宙背景微波辐射，为大爆炸学说提供了有力的支持．本文旨在介绍贝尔实验室在射电天文学的部分成就，并说明工业实验室的“无利”研究的重要性．     

WMAP 和精确宇宙学

 WMAP 的全称是Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,译为威尔金森微波各向异性探测器。WMAP 是以研究宇宙背景辐射(简称CMB)的先躯者大卫·威尔金森命名的,是继COBE (COSMICBACKGROUND EXPLORER)卫星之后的,又一颗以测量CMB 为目的进行全天空扫描的空间探测卫星,于2001 年6 月30 日升空。2003 年初WMAP实验组公布了WMAP 卫星运行一年的观测数据和物理结果,引起了科学界和社会界的广泛关注。当年年底被《科学》评为世界十大科技进展之一。     

国外物理科普杂志精文提要

 COBE卫星就是宇宙背景探险者卫星(Comic Ba-ckground Explorer),它是1989年11月发射的.它取得了靠近银河北极处的9分钟观测数据.这些数据经过拟合,得到的温度是2.735±0.06K,这一结果与准确的黑体辐射谱无异.但最近几年,人们不断报告说,在波长小于1毫米的宇宙微波背景频谱中有大量正超,这一直令宇宙学家们感到困惑不解.今年1月,NASA戈达德空间飞行中心的约翰·马瑟在美国天文学会会议上发表了COBE的第一个频谱结果.     

中微子在其他学科研究中的应用

 目前宇宙学研究认为,中微子生成于137亿年前宇宙诞生后持续扩张、冷却的过程中。理论认为,这些中微子形成了绝对温度为1.9K(-271.2℃)的宇宙背景辐射(有别于另一种宇宙大爆炸理论所预言的"微波背景辐射",其温度为2.7K)。宇宙中其他能量的中微子源于星体活动和超新星爆发的过程。因此,随着宇宙的诞生,便有了中微子的存在。     

宇宙极早期的剧涨

 在为数众多的宇宙演化理论中,目前为大多数科学家所接受的就是热宇宙标准模型,即我们通常所说的大爆炸学说.大爆炸学说是建立在爱因斯坦的广义相对论和近代物理理论基础上的,它得到了与观察事实相符合的一系列结论,譬如:它可解释目前的宇宙处在膨胀之中和宇宙中氦的丰度等,并预言了宇宙中存在3K微波背景辐射(已于1965年由彭齐斯和威尔逊证实,他们俩为此荣获了1978年度的诺贝尔物理学奖金).但是,就像通常刚建立的物理理论一样,随着研究的进一步深入,科学家们发现了它的几个致命缺陷,这些缺陷可归纳为以下几点:一、视界问题.这是在解释可观察宇宙的大尺度均匀性时所遇到的问题.在微波背景辐射的研究中已证实宇宙有一个非常重要的特征量--宇宙等效温度,简称宇宙温度.根据微波背景辐射中已测出的辐射能量密度及其频率,再利用普朗克黑体辐射公式,就可知道当今的宇宙温度为2.7K;这说明了宇宙在大尺度范围内是处在热平衡之中的(否则就没有宇宙温度可言).但大爆炸理论诉告我们:在混沌初开时,宇宙是一个灼热的奇点.但随着爆炸过后,需要多长时间才能达到热平衡状态呢?     

宇宙红外背景辐射

与本文标题相关的一个话题“宇宙微波背景辐射”，大家已经比较熟悉了。它是大爆炸的余辉，对其各向异性的观察和研究将帮助宇宙学家深入了解大爆炸之后延续38万年的期间内所发生的那些事。我们今天所看到的微波背景辐射图像，其相应的红移z=200。     

威尔逊（R）（Wilson，Robert Woodrow，1936-）美国天文学家（Astronomer，America）

威尔逊（R）于1957年以优等成绩毕业于赖斯大学，进而于1962年在加利福尼亚理工学院取得哲学博士学位。他的大部分生涯是在贝尔实验室度过的。他因与彭齐亚斯合作探测无线电波背景而声名卓著，这种无线电波背景乃是很久以前那次大爆炸的遥远回声。此后，他又探测到星际尘埃云中的一氧化碳和其他分子，从而对了解星际尘埃云的化学组成作出了贡献；     

普朗克卫星:揭开宇宙深层次的秘密

文章对宇宙微波背景辐射这一学科做了简单的介绍,并根据普朗克卫星2015年的主要宇宙学结果,重点阐述了测定宇宙学参数、测量引力透镜、测量B-模式极化及其与南极BICEP实验的关系、检验宇宙暴胀模型、检测暗能量模型,以及寻找"丢失的重子物质"等问题,并对观测宇宙学未来的发展进行了展望。     

有关宇宙微波背景辐射的最新报告

2006年3月15日在普林斯顿大学的一个记者招待会上，WMAP^＊（威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星）小组发布了他们关于宇宙大爆炸后辐射残留的最新报告．报告提供了首张偏振宇宙微波辐射图谱，其内容有助于了解字宙诞生10埘秒之后的情况，也使标准宇宙模型通过了目前最严格的数据检验．他们还宣称我们生活在一个扁平状的宇宙中，这个宇宙仅含有4％的常规物质，但有22％的暗物质和74％的暗能量，这些结果与宇宙标准模型相吻合．WMAP成员Lyman Page说：     

Science评出2003年度十大科学成就:找到暗物质和暗能量存在的新证据位居榜首

今年，Wilkinson微波背景各向异性探测器(WMAP)和Sloan数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了大爆炸宇宙学模型，这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就，这些精确测量推动了宇宙学的研究进入一个黄金时代，其发     

2006年诺贝尔物理学奖——宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性

相传约137亿年前我们的宇宙起源于“盘古开天地式的大爆炸”，能量密度和温度均超高无比，却绝无什么特殊的“爆炸”中心，在足够大的尺度上均匀且各向同性，一直持续膨胀至今．刚开始的时候，随着宇宙温度的迅速降低，若干基本粒子物质相继浮现，宇宙早期的核合成过程制备形成了宇宙时空中第一代恒星形成之前的大致原初元素丰度分布．宇宙“大爆炸”发端时空中的能量场应当有量子涨落；耦合演化到后来呈现的物质场中，这些微弱而此起彼伏的涨落逐渐被引力在各种不同层次上放大，从而最终形成宇宙时空中不同尺度的物质结构系统（包括超星系团、星系团、星系、球状星团、恒星、行星等）．伴随着宇宙膨胀，有一个温度不断下降的热电磁辐射场被“捂”在物质场中；大约在389000年以后，这个热电磁辐射场基本不再与物质相互耦合作用，但它依然带有早期物质场中各处涨落的信息烙印．基于Einstein创立发展的广义相对论（1915年），Einstein（1917年）、Friedmann（1922年）、Lemaitre（1927年）、de Sitter（1932年）开辟了近代理论宇宙学的先河．Hubble（1929年）公布了遥远的星系退行速度正比于它们到我们的距离的划时代观测事实．基于宇宙元素丰度和核合成物理，Gamow，Alpher和Herman于1940—1950年大胆设想了宇宙“大爆炸”的物理框架图像．Penzias和Wilson（1964年）在贝尔试验室从事微波天线研究时意外地发现了2．7K宇宙微波背景辐射．经过多年的精心设计和准备，Mather和Smoot（1989—1994年）领导的“宇宙背景探索器”（COBE）空间试验精确地测量宇宙微波背景辐射的黑体谱和微弱的各向异性涨落；他们俩因此荣获2006年度的物理诺贝尔奖．90年来，科学家们众说纷纭，唇枪舌战，搜索证据，编造理论．随着地面、高空和空间综合试验及理论研究的持续迅速发展，精确宇宙学的时代已经到来．     

宇宙幼年的照片——2006年度诺贝尔物理学奖

讨论了诺贝尔物理学奖与天体物理的关系，指出2006年度诺贝尔物理学奖已经是第8个年度、第11个天体物理项目、第14、15个天体物理学家获得诺贝尔物理学奖（见正文表1）．这个奖授予宇宙微波背景辐射的黑体谱形和各向异性的发现，强有力地支持了大爆炸宇宙学．文章也讨论了这个领域近年来的重大成就．     

南极望远镜首次探测到宇宙微波背景辐射中的B-模式光偏振

<正>一个观测团队使用南极望远镜(SPT),已经对宇宙微波背景辐射(CMB)中的B-模式光偏振做出了首次探测(见图1)。在CMB中,这种具有微妙卷曲特性的偏振光组分早已被预言存在。作为宇宙大爆炸模型的关键预言之一,它的被证实将为暴胀理论的最终测试铺平道路。Chuck Bennett是美国马里兰州霍普金斯大学CMB观测站的首席科学     

中国科学有发现电荷-宇称-时间反演对称性破缺迹象

 一个由中国科学院高能物理所和中国科学院国家天文台科研人员组成的研究小组,通过一种用宇宙微波背景辐射偏振检验CPT对称性的新方法,取得了重要成果：发现电荷-宇称-时间反演(CPT)对称性破缺迹象。据介绍,现代宇宙学的研究表明,宇宙中存在着一种神秘的暗能量。如果这种暗能量随宇宙的膨胀而演化,并与电磁场有某种相互作用(陈省身·西蒙斯相互作用),就有可能破坏CPT定理成立的条件,这会使光子的偏振方向传播中发生改变。宇宙微波背景辐射光子是我们能看到的来自宇宙最遥远的光子,研究小组设计出了一种用宇宙微波背景辐射偏振检验CPT对称性的新方法,使检测灵敏度大大提高。在用这种方法分析了美国WMAP卫星和Boom