宇宙背景辐射的短波畸变

1987年2月23日,日本名古屋大学和美国加利福尼亚大学伯克利分校组成的合作小组.利用当天从日本发射的试探火箭,对宇宙背景辐射进行了高精确度测量.结果发现宇宙背景辐射在亚毫米波段大大偏离了黑体辐射.这与1981年Herbert Gush和 Mark Halpern报道的结果很相似. 根据大爆炸理论模型,宇宙背景辐射的光子产生于高红移时期.红移公式为1 Z=λ0/λe,其中λ0和λe分别是观测到的和发射的波长.在宇宙的早期,辐射与物质处于热平衡,产生的光子具有黑体辐射谱.到Z<10 6时,各种产生光子以维持热平衡的过程的产生率将变得不足以维持辐射的黑体谱.但是…     

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?     

宇宙背景辐射告诉我们什么

本文讨论宇宙背景辐射的发现和实测研究在热大爆炸宇宙理论的确立中的重要作用．它包括四个要点：一、证实了早期宇宙确曾热至４０００Ｋ以上，二、证实了宇宙物质分布确曾是高度均匀的，三、证实了银河系与其他屎系一样，在宇宙空间有自身的运动，四、证实了早期宇宙中确有结构形成的种子存在。     

宇宙背景辐射中各向异性测量的新结果

2.7K宇宙背景辐射的发现是现代天文学的重大成就之一.测量宇宙背辐射中大尺度的各向异性则是了解字苗整体性质的重要手段。 已经观测到宇宙背景辐射幅度为3mK的一阶(偶极)各向异性,这是由于我们相对于背景辐射运动的结果.有人在研究宇宙背景辐射更高阶(如四极)的各向异性,并曾报告过幅度为1mK的四极各向异性[1].四极各向异性可能起源于宇宙的密度涨落,如果这一结果能够得到证实,它将反映宇宙的大尺度结构,对宇宙学研究来说,会是很有价值的新发现. 美国加州大学及普林斯顿大学的 Lubin和 Fixsen等人近来分别在3mm及1.2cm波段对宇宙背景辐射…     

宇宙背景辐射各向导性测量的新结果

2.7K宇宙背景辐射的发现是现代天文学的重大成就之一。测量宇宙背景辐射中大尺度的各向异性则是了解宇宙整体性质的重要手段。已经观测到宇宙背景辐射幅度为3mk的一阶(偶极)各向异性。也有人在研究宇宙背景辐射更高阶(如四极)的各向异性,并曾报告过幅度为1mk的四极备向异性的结果[1]。如果这种四极各向异性能够得到证实,它将反映宇宙的大尺度结构,它可能起源于宇宙的密度涨落,因而对宇宙学研究来说,会是很有价值的新发现。 近年来,美国加州大学及普林斯顿大学的Lubin及 Fixsen等人分别在3mm及l.Zcm波段对宇宙背景辐射的各向异性进行了高精…     

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     

新的暴涨宇宙论

在过去的四年里,针对标准的宇宙大爆炸理论的某些缺点,发展了一个关于宇宙机早期历史的新模型.这个模型叫做新的暴涨宇宙.在宇宙演化的最初10～(-30)秒以后的全部时间内,这一模型与先前已为人们接受的对所观测到的宇宙的描述完全一致.然而它与大爆炸模型对宇宙的这个最初10～(-30)秒时间内的描述却显著不同.根据暴涨模型,宇宙经历了一个短期的、极为迅速的膨胀(或“暴涨”)阶段,在此期间,宇宙直径增大的程度比先前认为的程度的 10～50倍还大.在这个惊人的增长迸发期间,宇宙的所有物质和能量实际上是从无到有地被创造出来的.这一暴涨过程对今…     

宇宙真空量子涨落、宇宙弦及宇宙不均匀性的起源

宇宙中的物质分布是相当不均匀的,有的地方密度高,有的地方密度低,形成各种尺度的成团结构.例如,星系、星系团、超星系团等是高密度区;巨洞则是低密度区.宇宙学中一个待解决的课题,就是说明为什么会有这种非均匀性. 首先,有很强的证据表明,宇宙在早期是相当均匀的,没有今天所观测到的非均匀性.最主要的证据是微波背景辐射的各向同性.观测证明,3K背景辐射的各向异性不超过万分之一,甚至十万分之一.背景辐射是宇宙早期遗留下来的,因此它的高度各向同性标志着宇宙早期物质分布的均匀性.其他的均匀性证据是:二.各种天体中的氦含量相当一致,按重…     

量子物理的发展

量子物理是从研究黑体光谱中能量分布的统计理论开始的。在一个封闭容器中,与物质处于平衡的辐射能谱通常叫做黑体辐射,因为它与一个完全吸收体发射出来的辐射相同。在1900年解释光谱中能量的分布曾经成为十分活跃的问题。值得指出,这个问题的历史颇为悠久。第一次应用热力学到黑体辐射问题上,要追溯到     

量子物理的发展

量子物理是从研究黑体光谱中能量分布的统计理论开始的。在一个封闭容器中,与物质处于平衡的辐射能谱通常叫做黑体辐射,因为它与一个完全吸收体发射出来的辐射相同。在1900年解释光谱中能量的分布曾经成为十分活跃的问题。值得指出,这个问题的历史颇为悠久。第一次应用热力学到黑体辐射问题上,要追溯到1859年,当时基尔霍夫第一次发展了他的关于辐射交换、辐射和吸收的联系、好的辐射体就是好的吸收体、坏的辐射体也就是坏的吸收体的一些思想。到1884年发现了我们现在叫做斯忒藩-玻耳兹曼的定律,就是说,总的辐射和绝对温度的四次方成正比例。这个定律是斯忒藩从试验中发现后经过玻耳兹曼从理论上给以解     

黑体辐射定律轶闻遐思——从普朗克一百年前的一段话说起

<正>Scientific discovery is no less logical than deduction.——Peter Caws在黑体辐射定律及量子论概念的产生过程中，有不少有趣的轶事令人遐想。这篇短文试图介绍一些常被轻描淡写或忽略的轶闻趣事，诸如鲁本斯的作用、普朗克的纠结、普朗克公式和实验的对照、宇宙本底微波辐射以及黑体辐射逆问题。     

中微子对宇宙大尺度结构的非线性效应

中微子的特性是现代物理学的重大问题之一。在粒子物理标准模型中有三类中微子,中微子振荡实验测量出不同中微子的质量平方差,表明中微子的质量总和不为零,并给出了中微子质量和的下限:0.05eV。中微子质量对宇宙演化有着复杂的影响。在宇宙早期,中微子为相对论性粒子,作为辐射能量密度,从而改变了物质辐射的能量密度比。基于此效应,宇宙微波背景辐射(CMB)的观测给出了中微子质量总和的上限:0.2eV。     

锶原子光晶格钟黑体辐射频移评估

在中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中,通常黑体辐射引起的频移是最大的一项.黑体辐射频移主要受周围环境温度的影响.针对国家授时中心的锶原子光晶格钟实验系统,通过理论分析、腔体表面温度的测量和软件模拟相结合的方法,评估了锶原子光晶格钟黑体辐射频移的修正量和不确定度.其中主要分析了锶原子炉、蓝宝石加热窗口、透过窗口片进入到真空腔体内的室温以及Zeeman减速装置对原子团处的热辐射引起的黑体辐射频移.在真空腔体外表面设置了5个测温点,利用校准过的铂电阻温度传感器监测真空腔体外表面的温度变化,用SolidWorks绘图软件建立腔体模型,通过有限元分析软件模拟出在真空腔体温度变化0.72 K时,原子团所处位置温度的波动为0.34 K.最终得到黑体辐射频移总的修正量为-2.13(1) Hz,不确定度为2.4×10~(-17).     

太空守望者——记2006年诺贝尔物理学奖获得者约翰·马瑟和乔治·斯穆特

John C.Mather浩瀚天宇,灿烂星河,深邃而又神秘,人类对太空的探索从未曾中断过.2006年10月3日,瑞典皇家科学院宣布将今年的诺贝尔物理学奖授予了美国科学家约翰·马瑟(JohnC.Mather)和乔治·George F.Smoot斯穆特(George F.Smoot),他们因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而赢得了这一殊荣.颁奖者认为他们的研究有助于人类了解宇宙的开始及星系、恒星的起源,并使得宇宙形成的大爆炸理论得到进一步支持.本刊编辑通过电子邮件向两位获奖者表示了祝贺,并分别采访了马瑟和斯穆特.1少年的梦想乔治·斯穆特,1945年出生于美国佛罗里…     

红外测温

一、红外测温的理论基础我们知道 ,自然界的一切物体都不断地辐射着红外线 ,它是由物质内部分子或原子的能级发生跃迁时产生的电磁辐射。随着人们对光学研究的深入 ,建立了基本的辐射定律 ,为红外科学奠定了理论基础 ,红外测温成为应用的一个重要方面。红外测温是辐射式测温的一种 ,是利用物体的热辐射来测量物体温度的。红外辐射的基本定律是斯忒藩、玻尔兹曼、普朗克等人的黑体辐射定律。黑体是一种理想模型 ,它能吸收全部入射的辐射而没有反射 ,是计算热辐射理论最简单的情况。辐射定律就是根据黑体研究出来的。其形式为 :Ｅ0 (Ｔ) =σＴ…     

发现最早形成的星系

<正>大爆炸后的37万年,宇宙随着膨胀而冷却,温度降至3000 K,从以辐射为主转而进入以物质为主的时代。自由电子被质子俘获,形成中性氢原子,于是空间对黑体电磁辐射变得透明。此后的宇宙,其外形就像是一个被逐步吹大的气球,不过没有外皮,但全部物质以及残余的辐射都被限制在一个有限的范围内。再往后,直到今天宇宙138亿岁,所有后来形成的     

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．     

红外测温

 一、红外测温的理论基础我们知道,自然界的一切物体都不断地辐射着红外线,它是由物质内部分子或原子的能级发生跃迁时产生的电磁辐射。随着人们对光学研究的深入,建立了基本的辐射定律,为红外科学奠定了理论基础,红外测温成为应用的一个重要方面。红外测温是辐射式测温的一种,是利用物体的热辐射来测量物体温度的。红外辐射的基本定律是斯忒藩、玻尔兹曼、普朗克等人的黑体辐射定律。黑体是一种理想模型,它能吸收全部入射的辐射而没有反射,是计算热辐射理论最简单的情况。辐射定律就是根据黑体研究出来的。     

双色反射技术在温度测量上的应用

本文以铁镍合金为例,介绍了一种测量金属表面温度的光学测量方法。试验以黑体为反射辐射源,采用FTIR光谱辐射计测量了试样在中温状态的发射辐射以及包含了黑体反射能量的有效辐射。通过建立包含反射辐射的方程组,并运用MATLAB内建的求根模型求解得到了试样表面温度。     

宇宙背景探索者(COBE)卫星未发现宇宙微波谱中存在过剩

今年一月华盛顿召开的美国天文学会会议上,美国航空航天局戈达德空间飞行中心的J.Mather 报告了COBE的首次波谱观测结果.当COBE得到的宇宙微波背景谱(见图1)被投影仪显示出来时,拥挤的报告厅顿时爆发出经久不息的掌声.整个 1cm—0.5 mm测量范围内,观测结果在1%精度内与(2.735±0.06)K的普朗克黑体谱完全吻合. 这一结果是由COBE上面的远红外绝对谱仪(FIRAS),在沿接近北银极方向仅九分钟的观测得到的.在COBE的液氦致冷器停止工作前,FIRAS将在今后一年中对全天宇宙背景辐射谱进行测量.最终它可以探测到小到峰值0.1%的与黑体谱的偏…