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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正确的科学理论?你想一下。

首先它要包含旧的科学理论,或者是已经被观测证实的现象。比如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,新理论需要解释旧理论无法解释的现象,例如开普勒的理论就描述了行星运动规律,牛顿的理论就解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成正比。爱因斯坦的理论就解释了水星近日点进动每世纪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,而是不断地修正。

第三,新理论需要提出可被证伪的预言,并且得到观测实证。比如,开普勒的三大定律出来以后,人们首次准确的预言了内行星的凌日现象,牛顿的理论所作出的预言就比较多了,当然爱因斯坦的更多,也更加神奇。这些预言都得到了证实。

所以只要具备以上三条,我们就可以大胆地认为这个理论暂时性是正确的,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放弃了稳恒态。

上节课我们说,大爆炸和稳恒态都包含了两个重要的观测事实,宇宙膨胀以及宇宙学原理,所以在很长时间内,人们无法分辨出两个理论谁对谁错。

但好处是,两个理论对宇宙做出了不同的预言,第一个是对氦来源的分歧,大爆炸认为宇宙诞生的时候是从氢和氦开始的,而稳恒态认为所有的氦都是从恒星中产生的。

但事实上,宇宙中的氦的含量非常高,虽然像太阳这样的恒星每秒就能产生5亿吨氦,但是就算是把宇宙中所有的恒星都加起来,也不足以解释宇宙中氦的含量。

其次,如果氦真的只是从恒星中诞生的话,那氦的分布应该跟恒星的分布密切相关,但是观测事实表明,氦要比恒星分布得更加广泛,更加均匀。所以从氦的含量和分布就能看出,大爆炸理论关于核合成的预言更符合观测事实。

第二个是对星系形成时间的分歧,大爆炸理论认为宇宙中的星系基本上是同一时间形成的,所以我们在银河系附近就找不到婴儿星系,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,随着宇宙的膨胀,星系在不断地形成,所以我们应该能在银河系的附近找到婴儿星系。

这个预测的分歧,在上世纪的60年代就有了结果,因为人们这时已经拥有了一种新型望远镜,射电望远镜,相比于光望远镜它更像是一台巨大的收音机,专门用来捕捉来自遥远宇宙的无线电波,并且把他们转化成可视图像,或者是声音,给人们提供了一种新型的观测手段,它可以看到光学望远镜看不到的景象。

由于射电波的能量很低,所以射电望远镜的直径一般很大,能够达到几十米,上百米。而且我们还能将不同地方的射电望远镜连接在一起,组成一个数千米宽的虚拟射电望远镜。

通过射电望远镜的观察,人们发现宇宙中很多的射电源距离地球很远,其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。

现在我们知道,它就是婴儿星系,在它的中心有一个非常巨大,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,从来没有银河系的附近找到过这样的天体。

其实类星体不仅能在射电望远镜中看到,可见光望远镜也可以,视亮度就跟普通的恒星一样亮,甚至X射线波段的望远镜也能看到他们,这说明了啥?

你想一下,它距离我们最少30亿光年,退行速度可以达到光速的1/3,这说明了一个类星体的辐射功率能够达到一个星系的几万倍,它的辐射主要就来自于黑洞的物质喷流。

如果在我们银河系附近来这么一个东西,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。所以说根据观测,大爆炸理论又胜一筹。

还有一个更为重要的预测分歧,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:在空间各个方向都有,它的能量谱是一个黑体谱,温度为5K,处于微波波段。

这是伽莫夫在上世纪40年代做出的预测,但他当时认为这种辐射现在已经检测不到了,而且在他的理论中也有一些错误的地方,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・迪克领导,成员包括皮伯斯、威尔金森、若厄等人,他们也在研究宇宙大爆炸理论。

在上世纪60年代,他们计算出了关于背景辐射更多的细节,并且在普林斯顿大学地质系的楼顶上装了一台射电望远镜用来侦测这种辐射。

他们的望远镜是二战时间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背景辐射要强,所以他们测不出来。

但在距离他们只有48公里的地方,有两个人也正在用一个形状奇怪的号筒型天线对着天空寻找无线电信号,但他们找的并不是空间的底层辐射。

而是在找气球上的信号发射器发回的无限电波,这两个人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实验室。

他俩进行的项目隶属于美国海军的一个科研项目,所以他们用的望远镜要比迪克他们的望远镜要好得多,但想要寻找微弱的电磁信号,就需要排除一切其他杂波的干扰。

比如被大气电离层反射回来的无线电广播,雷达信号,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,在排除了一切可能的干扰之后,他们总是能够在天空的任何一个方向看到来源不明的热噪信号。

这其实就是迪克他们苦苦寻找的微波背景辐射,但彭齐亚斯和威尔逊当时并不知道这是啥,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》上发表的论文,在论文中皮伯斯详细的介绍了微波背景辐射细节的推导过程。

最后是通过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。

上图就是当时威尔逊和彭齐亚斯测量结果的模拟图,绿色就是微波背景,中间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背景辐射的细节,看不到温度的波动,因为他们的天线当时只能在一个频点上进行测量。

不过当时根据他俩的测量还是将微波背景辐射的温度修正到了3.5K,当年伽莫夫预测的是5K,其实还是比较接近的。

微波背景的发现是大爆炸理论的一个决定性的证据,也预示着稳恒态宇宙模型气数已尽,但是霍伊尔还是做了最后的挣扎,他说:稳恒态也能预测出微波背景,但这不是大爆炸的余温,而是宇宙中的星光被星云散射以后形成的。

确实有这种可能,毕竟宇宙中的恒星很多,他们发出的光线也可以在空间中传播,然后被星云、尘埃散射,形成一个低温背景。

但这里需要注意的是,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不一样,并不是一个热平衡的状态,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组成的火球。

因此太阳的辐射出来的能量,是多个黑体叠加在一起的辐射总和,所以恒星并不是完美的黑体,只是近似于黑体。

如果真如霍伊尔所说的那样,那么微波背景辐射就不是一个完美的黑体谱。不过要测量微波背景和黑体谱之间的差异,非常困难。

直到1989年我们才发射了第一颗卫星“微波背景探测器”(COBE),对微波背景进行了过更为细致的测量,1992年发回来的数据显示,微波背景辐射在各个频段都都完美的符合黑体谱。并且把微波背景辐射的问题修正到了2.725K。

至此所有曾经与大爆炸抗衡的所有理论都销声匿迹了。因为只有大爆炸理论可以囊括宇宙膨胀,宇宙学原理,并且只有他做出来的所有预言,符合我们的观测事实。

这就是为什么我们相信宇宙起源于大爆炸,因为大爆炸符合我们的科学方法。好了今天的内容就到这里。