第二讲宇宙微波背景辐射

简单介绍了近年来关于宇宙微波背景辐射在观测上取得的重大进展，以及有关它的解释、理论和意义．宇宙微波背景是我们了解宇宙奥秘的一个至关重要的窗口．在未来几年，它还将扮演更加重要的角色．     

宇宙的起源与未来——大爆炸宇宙论简介

 大爆炸宇宙论的产生,得益于天文学家们三个主要观测结果。第一个,也是最值得注意的一个观测结果是:1929年,埃德温·哈勃发现,宇宙的主要成分--与我们的银河系相类似的星系,象宇宙弹片一样在巨大爆炸后正彼此逃离开。如果宇宙正在膨胀,一个似乎是不可避免的结论是:它的过去必定是非常小的。这要求必须将某个瞬间作为宇宙诞生的时刻,即膨胀开始之时,哈勃的发现是真正重要的发现,尽管宇宙已非常古老了,但它不会无限早地存在着。可以想象,膨胀倒转回去,象电影倒过来放映一样,天文学家们据此推断,宇宙大约诞生于150亿年前发生的一次大爆炸。第二个观测结果是所谓“宇宙背景辐射”--大爆炸火球冷却以后余辉的存在,它支持了大爆炸理论。令人惊讶的是,在大爆炸事件发生150亿年之后,这种宇宙背景辐射仍充满空间的每个空隙。     

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     

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?     

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：     

孤立纯光子系统与背景辐射

从能量角度论述了孤立纯光子系统是不稳定的. 它与观测到的宇宙微波背景辐射的光子平衡态是截然不同的. 所以, 正在膨胀着的宇宙不会来自一团“纯能量”. The unstability of any isolated pure photon system is indicated from the angle of energy. The nature of this system is completely different from the one of an equilibrium state of photons, which is just the cosmic microwave background radiation observed. Therefore, our expanding universe can not come from a group of pure energy.     

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     

第六讲超弦理论与宇宙学的挑战

超弦理论从根本上改变了人们对时空的看法，时空在弦论中只是一种宏观体现．弦论中的非经典时空影响早期宇宙的发展，在一些观测宇宙学的实验中人们也许会发现弦论的效应，例如微波背景辐射的功率谱的反常．最近发现的暗能量也对弦论宇宙学提出了挑战．     

宇宙是十二面体吗?

近来法国与美国的宇宙学家提出空间可能是有限的，形状像一个十二面体，他们宣称，对于测量到的宇宙微波背景辐射可以采用形如十二面体的宇宙来解释，而不能用普通形状的宇宙解释(Luminet J P et al．Nature，2003，425：593)。     

利用羊八井RPC‘地毯’测量哈勃常数和红外背景辐射的可能性

利用宇宙背景光子对河外高能γ射线的吸收,讨论了西藏羊八井RPC‘地毯’实验测量哈勃常数和宇宙红外背景辐射的可能性.指出羊八井RPC‘地毯’实验可以在1–3年内较精确地测量哈勃常数和红外背景辐射.     

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．     

浅议微波背景辐射探测中的系统误差

 四十年的历程--从三组科学家到两代卫星
当WMAP ( Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe,威尔金森微波各向异性探测器)于2003年发布首年探测结果时,许多人为之欢呼鼓舞,因为精确宇宙学的时代似乎终于到来了。这是一颗耗资巨大的天文卫星,工作在日地系统的第二拉格朗日点上,专门用于探测宇宙微波背景辐射的各向异性。它的前辈是著名的COBE 卫星,提到COBE 卫星,我们不得不上溯到1964 年美国科学家彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(RobertWilson)发现微波背景辐射的工作。当时他们在测试一套灵敏的天线系统时发现了意料之外的噪声,这噪声非常顽固,无论他们把天线转向何处都不会消失,而且不分白天黑夜,四季长存。他们想了很多办法,但无论如何都清除不掉,最后他们认为这只能是来自广袤空间的一种均匀分布的无线电背景信号。奇妙的是,早在16 年前美国科学家阿尔弗(Ralph Alpher)和赫尔曼(Robert Herman)就预言了这样一种信号的存在,并认为它是宇宙大爆炸在多年膨胀冷却后的残留。也许是当时信息传递不如现在这么迅速广泛,这一日后赫赫有名的预言在那时并非尽人皆知,至少彭齐亚斯和威尔逊就没有把这个同他们的工作联系起来。但幸运的是,在离他们不远的普林斯顿大学,由罗伯特·迪克(Robert Dicke)领导的另一个小组知道这一预言,并正在设法验证它。不过实验尚未开始,罗伯特·迪克便了解到了彭齐亚斯和威尔逊的工作。他意识到自己已经不必再把实验做下去了,因为彭齐亚斯和威尔逊实际上已经看到了他们企图搜寻的东西。在1965 年,三组科学家的工作连在了一起,为大爆炸宇宙学提供了最强有力的证据：微波背景辐射。     

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．     

宇宙重新加热能标对微波背景辐射效应的研究

研究了暴涨宇宙学中重新加热能标ρ_reh的不确定性对原初谱和宇宙微波背景辐射(CMB)的效应,并着重指出了在谱指数跑动大的模型中CMB观测可以给出ρ_reh一个很强的限制.     

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。     

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。     

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。     

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     

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．