宇宙微波背景辐射是大爆炸理论的重要依据(宇宙微波背景辐射为什么存在这么久)
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大爆炸理论断言,宇宙之初,宇宙中的光辐射具有特定的能量分布,这种能量分布被称为“黑体辐射”。黑体辐射是物质吸收和产生电磁辐射的理想情况。如果一种物质能够吸收照射到它上面的所有辐射而不透射和反射,那么这种物质就叫做黑体。例如,在室温下,黑碳、煤烟等物质几乎可以吸收所有可见光,因此呈现黑色,可以近似视为理想黑体。黑体不仅吸收光子,还辐射不同能量的光子,辐射光子能量的分布与黑体的温度有关。德国科学家普朗克在假设辐射是量子的情况下,从理论上推导出理想黑体产生的辐射能谱。宇宙早期的辐射应该是温度极高的黑体辐射。
大爆炸后,宇宙不断膨胀冷却,但早期宇宙的黑体辐射能量分布模式依然存在。今天依然是黑体辐射光谱,只是辐射能谱的特征从高温黑体光谱变成了低温黑体光谱,最大亮度时的波长移到了微波波段。1989年发射的COBE卫星,通过远红外自由谱仪(FIRAS)的实验,精确测量了宇宙微波背景辐射的能谱,证明这确实是一个理想的黑体谱。如果宇宙微波背景辐射不是来自BIGBANG,而是,比如大量恒星产生的辐射被尘埃吸收,然后以微波的形式辐射出去,那么就无法如此精确地呈现黑体辐射光谱。因此可以断定微波背景辐射来自BIGBANG,这是BIGBANG的又一证据。因为这项成就,FIRAS的主任约翰马瑟获得了2006年诺贝尔物理学奖。
不同温度下的黑体谱COBE卫星测量的宇宙微波背景辐射谱
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