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刚刚获得诺贝尔奖的得主提出的“宇宙微波的黑体形式”是什么?

王朝知道·作者佚名  2009-08-16
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分類: 理工學科
 
問題描述:

如题

參考答案:

黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。

黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射,且发射电磁辐射的能力比同温度下的任何其它物体强。

黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关。

对于黑体的研究,使得自然现象中的量子效应被发现。

或许我们换一个角度来说:

所谓黑体辐射其实就是当地的状态光和物质达到平衡所表现出的现象:物质达到平衡,所以可以用一个温度来描述物质的状态,而光和物质的交互作用很强,而如此光和光之间也可以用一个温度来描述(光和光之间本身不会有交互作用,但光和物质的交互作用很强)。而描述这关系的便是普朗克分布(Plank distribution)。

而在现实上黑体辐射是不存在的,只有非常近似(好比在一颗恒星之中)。

举个例来说,我们观测到宇宙背景辐射(CMBR),对应到一个约3K的黑体辐射,

这暗示宇宙早期光是和物质达到平衡的。而随著时间演化,温度慢慢降了下来,但function的form却留了下来(还是blackbody)。(频率和温度的效应抵销)

1948年,阿尔弗和赫尔曼预言,从大爆炸散落的残余辐射由于宇宙膨胀

而冷却,如今它所具有的温度约为绝对零度以上5℃,或者说5开(绝对零

度等于摄氏零下273度,即—273℃).但是他们的预言并未引起人们的普遍

重视,而被埋没在浩瀚的物理学文献之中.另外几位科学家考虑了一个热的

膨胀宇宙之起源问题,但是他们谁也不知道阿尔弗和赫尔曼的论文.理由是

很明白的.当时的通讯,交流无法与今天同日而语.在40年代和50年代,

在大多数物理学家看来,再现宇宙早期史的细节并不是一种非常严肃的科学

活动.但是多年以后,即1965年,美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工

程师阿尔诺 彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特 威尔逊(Robert Wilson)

却十分意外地发现了这种宇宙辐射场,当时他们正在为跟踪第一颗"回声号"

(Echo)卫星而校准一具很灵敏的无线电天线.与此同时,在附近的普林斯

顿大学,由罗伯特 迪克(Robert Dicke)领导的一个科学家小组已独立地

重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言,并着手设计一台探测器以供搜

索大爆炸的残留辐射.他们听说了贝尔实验室这台接收器中存在着无法阐明

的噪声,并立即将它解释为源自大爆炸的残余辐射.它相当于在电磁波谱的

微波部分波长为7. 35厘米的某种无线电波信号;如果假设它是热辐射,那

么它所具有的能量就相应于2. 7K的温度——这与阿尔弗和赫尔曼富于灵

感的估计非常接近.它被称为"宇宙微波背景辐射".作为其预言与发现始

末的一项追记,我们应当提及:1983年,人们开始获悉前苏联无线电物理学

家什茂诺夫(Shmaonov)也许早在1957年就已发现了这种辐射,并用俄文公

布了这一事实.什茂诺失建造了一具对微波信号敏感的天线,并报道探测到

了某种在天空中各个方向上均匀的信号,与之相当的辐射所具有的温度介乎

1K和7K之间.当时无论是他本人或是其他任何人都不清楚这项发现的重要

性.事实上,什茂诺夫直到1983年才闻知大爆炸的预言以及彭齐亚斯和威尔

逊的发现,而这已经是后两人因18年前作出他们那项卓越的发现而荣获诺贝

尔奖之后5年的事情了.

这项发现是人们开始认真地研究大爆炸模型的一种信号.渐渐地,人们

对宇宙微波作了更多的观测,这些观测揭示了宇宙微波背景辐射的其他性

质.这种辐射在所有的方向上都有相同的强度,精度至少高达千分之一.而

且,人们在不同频率上测量了它的强度,开始揭示出其强度随频率变化的方

式(即它的"谱")具有纯热的特征.这样的辐射称为"黑体"辐射.不幸

的是,地球大气中的分子对于辐射的吸收和发射阻碍了天文学家去证实整个

背景辐射谱确为热辐射谱.人们仍然怀疑,它或许是由宇宙开始膨胀之后很

久发生的种种剧烈事件产生的,而并非产生于大约150亿年以前的膨胀之

始.只有在地球大气外观测这种辐射才能消除这些疑虑,而这正是美国国家

宇航局(NASA)的宇宙背景探测器(COBE)卫星于1989年开始从空间测量整

个背景辐射谱的第一项巨大成就(见图2.6).那是人们在自然界中所曾见

到的最完美的黑体谱,它非常引人注目地确认了宇宙过去曾比今天要热成千

上万度①.因为只有在如此极端的条件下,宇宙中的辐射才有可能呈黑体形式

而达到如此高的精度.

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