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2012年3月17日 星期六

與小女兒談談這個宇宙 – 宇宙大爆炸 IV - 宇宙微波背景輻射

我說:今天要談的是第二個非常重要的觀測證據,那就是觀測到宇宙微波背景輻射的存在。
她說:甚麼跟甚麼啊,這個詞聽起來就是有點鳥。
我說:我剛開始看也是啊!所以我們還是先回到基本原理。首先,回憶一下上一次談的,光的波長與顏色是相對的,彩虹的紅橙黃綠藍靛紫中,越接近紅色,波長越長,越接近藍色,波長越短。

她說:知道了
我說:好,現在讓我們回到宇宙爆炸後,也是宇宙誕生後的30萬年,那時原子開始出現了。可是那時為什麼原子終於才可以出現?”
她說:?
我說:回憶一下啦
她說:嗯,你說因為溫度降到大約3000度時,電子和原子核因飛行速度變更慢而終於結合成為原子。原子核是帶正電,電子是帶負電,飛行速度變慢的電子會被原子核擄獲而形成原子。溫度更高時,電子急速亂飛,沒辦法好好地繞著原子核。
我說:答對了。原子誕生前的宇宙,溫度是攝氏3000度以上,甚至高達1億度以上,那樣灼熱的宇宙,應該是要充滿

 她說:充滿,為甚麼?”
我說:因為任何有溫度的物體是會發""的,例如燒熱的木炭發的是紅光,我們看到紅色的藍色的星星,也是因為星星表面溫度的不同而發出不同色的光。因為當物體原子內的帶電粒子運動時,會產生熱,而當熱能轉成電磁輻射時,即稱為熱輻射。"
她說:可以了解了,以前看過電影,戴上紅外線眼鏡,就能在黑暗中找尋人類。所以?"
我說:所以,灼熱的宇宙,應該是要充滿。但是,那時候的在溫度高達3000度以上的環境是無法筆直前進的,為什麼?"
她說:嗯,那時電子亂亂飛,所以被那些亂亂飛的電子撞開嗎?"
我說:答對了。這和霧是不透明的道理是一樣的,你想想看..."
她說:我知道,霧把光擋住了"
我說:又答對了。霧其實是由很多很多的小小水滴聚集在一起的,而對面來的""會被這些水滴擋住而無法筆直前進,因此看不到對面的東西。同樣的道理,在原子誕生前的宇宙,亂飛的電子就像霧的一堆小小水滴,因此導致宇宙不透明。但是,當原子誕生後,空間中亂飛的電子會被原子核擄獲,這時就沒有亂飛的電子擋住光,於是光就能筆直前進了。這就相當於霧散了,於是宇宙終於變透明了。科學家估計那時應發生在宇宙誕生後的38萬年," 

她說:哇!好有趣喔,宇宙終於放晴了。"
我說:對啊,所以當宇宙終於放晴了,光就應無所不在。那我們現在應該可以"看到"這個時候的光啊!"
她說:” "看到了嗎?"
我說:是啊,就是我們今日的標題"
她說:"宇宙微波背景輻射??光就叫光,幹嘛用這樣怪名詞?"
我說:當時充滿宇宙的光,雖然旅行了這過去的137億年,應該還是充滿我們現在這整個宇宙,到達地球,對不對!"
她說:"嗯,有道理"
我說:所以稱為"背景輻射"。而這過去的137億年,宇宙膨脹了大概1000倍左右,意思是當時宇宙的光的波長也被拉長了1000倍,於是當初的可見光被拉長而變成為"微波""
她說:""微波"!和微波爐裡加熱的微波是一樣的嗎?"
我說:”Bingo”
她說:"真的啊!"
我說:"所以才叫這麼鳥的名字"宇宙微波背景輻射"。其實還有一個也挺鳥的名字,叫做"3K背景輻射"。因為其波長很長,相當於絕對溫度3(攝氏零下270)的電磁波"
她說:"那怎麼發現的呢?"
我說:"這說來有點好笑,是不小心偵測到的。有兩個貝爾實驗室的天文學家,他們本來準備測試微波接收機的性能,但卻發現有微波雜訊的干擾,而且來自各個方向,又找不到干擾的來源,不勝其擾。後來他們才知道宇宙論曾經預言會有宇宙微波背景輻射,因而他們才驚覺或許他們發現的就是這個東東,經由比對光譜而確認了這個重大的發現。他們也因此得到1978年的諾貝爾物理獎哦。
Penzias and Wilson, US astrophysicists
彭齊亞斯和威爾森
宇宙微波背景輻射的發現人,貝爾實驗室號角天線


她說:"怎麼這麼幸運啊!
我說:"用姊姊常用的口頭禪人生啊!,有人窮盡一生悶頭研究理論,有人則鎖在實驗室裡不斷進行各種實驗,但不見得有所得。不過科學研究就是如此,不管走了多少冤枉路,都是有貢獻的。畢竟就算是錯的理論,至少也證明了那條路不通,後人就可以省掉那條路了。
她說:"那下一次要談甚麼?”
我說:"應該是談關於星系演化和大尺度結構的觀測。我們對星系的分類和分布的詳細觀測為大爆炸理論提供了強有力的支持證據。但是這又是一個很大的題目,嗯或許我應該先讓你了解星星/星系/星團如何產生的好吧!我們下一次先談星星/星系/星團如何產生的。
威爾金森微波探測器(WMAP)拍攝到宇宙在大爆炸發生後宇宙微波背景的影像。顏色的差異是因為當初宇宙各處極為微小的溫度不均勻。
http://www.sciencephoto.com/media/410797/view

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