Nankai University

2006 年诺贝尔物理学奖

微波背景辐射和热大爆炸宇宙学Microwave background Radiation

参考书： 1. 俞允强， 物理宇宙学讲义 , 热大爆炸宇宙学

2. J. Peacock, Cosmological Physics

3. S. Dodelson, Modern Cosmology

Nankai University2006 年物理学诺贝尔奖

• 两位诺贝尔奖获得者：1.John Mather, Senior astrophysicist at NAS

A’s Goddard Space Flight Center

2. George Smoot, Professor of Physics at University of California, Berkeley

• 2006 年物理学诺贝尔奖是关于： Nobel prize for Big Bang research

Nankai UniversityJ. Matehr and G.Smoot

左边的是 J ohn C. Mather，来自 NASA Goddard Space Flight

Center；George F. Smoot，来自 University of California。

获奖原因 "f or thei r di scovery of the bl ackbody form and ani sotropy of the cosmi c mi crowave background radi ati on"。大概应该翻译成：因他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。

J ohn C. Mather at NASA.

J. Mather et al., 1990, Astrophys. J (Letter) 354, 37; G. Smoot et al., 1992, Astrophys. J (Letter) 396, 1

Nankai UniversityNobel 奖提名

Nankai UniversityNobel Prize

10-5K

Nankai UniversityThe main contents

• 1 。大爆炸宇宙学• 2 。早期宇宙概况• 3 。几个简单公式• 4 。光子的退耦• 5 。光子的背景辐射• 6 。多极各向异性和星系形成条件• 7 。宇宙中正反物质的不对称的形成• 8 。暗物质与暗能量• 9 。粒子物理， LHC 与 ILC• 10 。展望

Nankai University热大爆炸宇宙学

• 1 。热大爆炸宇宙学• 宇宙介质可以看成由星系为“分子”所构

成的“气体”，宇宙学原理认为宇宙介质在大尺度下是均匀的。

• Hubble 膨胀• 哈伯发现星系对银河中心的退行速度与距

离成正比

Nankai UniversityHubble 定理

1+z 是红移，是光的 Doppler 效应， v 是天体相对我们地球观测者的速度， Hubble 观测到的公式仅是近似。但这个观测的意义是否定了静止宇宙的理论，指出宇宙在膨胀，从而导致了热大爆炸理论。

Nankai University宇宙学

• H 是 hubble 常数• 牛顿认为成团• 爱因斯坦开始认为静止宇宙• 宇宙应起源于 120 － 150 亿年前，能量高

度密集的小区域通过热大爆炸形成今天的观测宇宙。

Nankai University宇宙形成于热大爆炸

• 2 。早期宇宙概况（ 1 ）远古的宇宙中不可能有星系（ 2 ）星系是均匀宇宙气体碎裂的产物 微小扰动会发展成局域结团（ 3 ）膨胀的宇宙来自大爆炸 （密度，温度无限？） “ Big

Bang”!（ 4 ）强子，质子，中子从夸克产生，是宇宙演化的产物，

E ＝ 200 MeV (T=1012K) t=10-4 s（ 5 ）化学元素也是演化的产物 , E=1-10 MeV (T=1010K) 3-30 min （ 6 ）原子和分子是宇宙演化中产生的 , E ＝ 13.6 eV (T=104 K)

Nankai University几个简单公式

• 3 。几个简单公式• 爱因斯坦广义相对论

空间 , 时间和物质 , 真空能的关系 λ 为宇宙常数

RW 度规

Nankai University 几个简单公式

• 起到斥力的作用，和普通物质的引力正好相反。

• 在辐射为主的早期宇宙

• 在物质为主的今天宇宙

Nankai UniversityDecoupling

• 4 。光子的退耦• 原子的复合过程 气体中的电子在与质子的热碰撞中会结合成

氢原子，同时放出光子，这过程是可逆的。

氢的结合能是 13.6 eV, 要把氢电离，光子能量要大于它。 只要高能光子足够多，反过程的发生率大于宇宙膨胀率，电离和复合达到统计平衡。

Nankai UniversityDecoupling

• 当温度下降后， (T=1eV), 高能光子处于 Planck 分布的高频尾巴，

• 能量超过 13.6eV 的光子 只有 10 － 4 ，但光子数比质子数多 9 个量级，

因而一个氢核仍被 105 高能光子包围，不会出现中性氢。但温度出现在指数上，温度再下降不多，但氢核周围的高能光子迅速减少，在 T ＝ 1eV 下复合过程变得重要。

Nankai University｀ Planck 分布

Planck 分布中的高能光子数

Nankai UniversityTemperature

今天的背景光子温度

在复合时的红移 , 那时宇宙年龄大约为 2 X105 年

在这段时间内变化非常快

Nankai UniversityDecoupling of Photon

• 等离子体气体中光子的退耦 光子主要是和自由电子散射

每个光子在单位时间内的碰撞次数是

在复合开始后自由电子密度的骤然下降使光子碰撞频率下降 , 光子开始退耦 .

Nankai University光子得完全退耦

• 退耦的发生使碰撞率 Γ 与宇宙膨胀率 H竞争的结果

当复合率 Xp=0.1(np/(np+nH)) 时 Γ/H=15,90% 原子已复合 , 但仍有足够的自由电子以维持光子的热平衡 , 退耦发生在复合之后

当 Xp=4X10-3时光子退耦 ,2.4X105年 , 从这时起光子成了无碰撞组分 , 它将在由中性原子组成的气体中飞行 , 当然它今天应当存在。

Nankai University黑体辐射

• 黑体辐射 光在黑体中多次散射，成热平衡状态。黑体辐射的光源是 t=2.4X105 年时星系为形成前中

性原子气体由于这个最后散射面是均匀且等温，观测到的背景

辐射应高度各向同性。由于光子从有频繁碰撞到失去碰撞的转化很快，从最后散射面放出的光子动量分布是 Planck 分布。

我们看到的黑体辐射就是宇宙光子背景辐射。

Nankai University一个故事

那么今天的 Teff 大约为 2.3-2.7K

发现和证实： Princeton 大学的 Dicke 和 Peebles 认识到背景辐射对热大爆炸宇宙学的重要，准备寻找，

Penzias 和 Wilson 在调试频率为 4080MHz 的角形天线，在没有信号时测定了本底，拟合温度为

T(θ)=(4.4+2.3secθ)K

发现它是无法排除的来自远处的噪声。

从而得到诺贝尔奖。

但它仅是一个频率上的，由于实验很困难，大气影响很难排除，不能在地球上完成

Nankai University新的 Nobel 奖

这是 COBE 测量的最后结果。在星系形成后的宇宙中，不同部分有了不同温度，宇宙介质已没有了统一的热平衡。例如太阳的热辐射谱合黑体辐射谱相差很大。 只有在早期，宇宙才能是整体达到高度热平衡的系统。背景辐射谱与黑体辐射谱的高度一致指出它是来自早期宇宙，支持了热大爆炸理论。

Nankai University星体起源

• COBE 的另一个结果 多极各向异性（偶极各向异性主要是由于银

河系运动产生的红移改变）预示宇宙介质不能完全均匀。

早期宇宙各处温度和密度有微小起伏，它是后来结构形成的种子。

正是因为这种小起伏，由引力构成今天的星体。

Nankai UniversityNobel 奖的工作

• 然而从 1977 年起的十年中，分析四极各向异性的强度，受到精度限制得到零的结果。到 80 年代末，这上限异缩小到

如果测量精度再高一个数量级后仍然得到零结果，那么这样过小的密度起伏奖来不及再今天形成星系，也就没有我们了。

COBE 使用仪器 DMR 在 1992 年测到了微波背景温度的四极各向异性为

完全支持了热大爆炸宇宙学理论。

Nankai University宇宙中元素

• 大爆炸核合成 BBN

这是一个比较复杂的核反应链但大爆炸理论预言中子数与质子数之比为1 ： 7 ， 这个比例是由于中子与质子的质量差为 1.29 MeV ，转化停止的冻结温度为 0.8 MeV 。这结果意味今天 He 丰度为质子的1/4 。测量之为大约 0.23-0.25 。

Nankai University正反物质不对称性

7 。宇宙中正反物质的不对称性 观测宇宙中只有质子，中子和带负电的电子，

而不存在它们的反粒子。从热大爆炸理论它们应该存在。

Sakharov 提出三个必须的条件1 存在破坏重子数（轻子数 ) 守恒的相互作用2 CP 破坏3 宇宙对热平衡的偏离（至少在演化某一阶段）

Nankai UniversityAMS 计划

但也存在其他可能性，反物质存在于我们广阔宇宙的另一部分，它是和我们居住的部分完全分开的。那么就有可能一些暗物质颗粒会脱离它们的世界而飞到我们这儿来。我们的任务是找到它们。

AMS 计划Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 由丁肇

中领导的庞大的计划在太空中寻找反物质流。

Nankai University宇宙学的困难

8 。暗物质与暗能量宇宙中可观测的发光物质，或重子物质只占

宇宙总能量的 5 ％以下，暗物质（冷暗物质）占 23 ％， 70 ％以上是所谓的暗能量。

暗物质是什么？历史上开始认为是中微子（热暗物质），现在认为最可能是超对称粒子 neutralino ， 或 axion, axionino 等。

如何在地球上的探测器上检验暗物质流？

Nankai University宇宙学的困难

方法是让暗物质粒子与探测器中质子或电子碰撞，我们测量带电的质子或电子的反冲轨道。测量是非常困难的。

1972 年我国云南高山宇宙线观测站看到的一个特别事例。

Nankai University宇宙学的困难

暗能量更是一个非常难以理解的问题新的观测结果指出宇宙在加速膨胀！那么必须存在相当于斥力的作用，从前面公

式可以看出，宇宙常数和真空能都可以起到斥力作用。但这有带来新的问题， (hierarchy problem) 。是否应该有人择原理？新的探讨 , quintessense, quintessensino, phantom, varying-mass neutrinos 等等

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Nankai University哲学，物理学

图：大蛇图宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量，非常长的时间，是超出宏观的宇观物理

粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的能量（相对而言），非常短的时间，是微观物理。

但它们却是紧密相关的。因而我们有可能在地球的探测器上对宇宙学进行研究。

Nankai University粒子物理宇宙学

LHC ， ILC 和 RHICLHC ， 14 TeV, 2007 年开始运行，寻找 Hig

gs ， 超对称粒子， 等新物理的信号ILC ， 1 － 2 TeV ， ？，精确研究新物理的

性质，探索更新的物理世界RHIC ， 寻找夸克－胶子等离子体，模拟早

期宇宙 (Little bang)为进一步检验理论，提出新的物理思想奠定实验基础

Nankai University粒子物理宇宙学

10 。 展望热大爆炸宇宙学取得了巨大成功，得到了天文学观测的支持，今天没有人怀疑这个理论的正确性

还有许多未解决的问题， 宇宙早期的 Inflation 阶段，暗物质，暗能量，正反物质的不对称等

留给 21 世纪年轻学者去探索和解决！

Nankai University物理

细推物理须行乐何用浮名绊此身 杜甫， 曲江二首

细推物理日复日疑难得解乐上乐 李政道， 借杜甫诗意

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谢谢

Thanks