第六百二十五章 辐射
在楚云的要求之下，他们来到了宇宙起源，宇宙相关的展区内，这回他们是围坐在有着茶水，看着中间虚拟大屏幕，一直在他们之间讲诉宇宙。
“在宇宙中，什么叫做背景辐射？”
四号懵懂地问道。
“我可不知道。”
楚云说道。
“我来说吧。”
五号说道。
“你知道就说。”
四号说道。
“你们要知道，宇宙中充满了温度刚刚超过开氏2.7度、能用地面射电望远镜和人造卫星上的仪器探测到的辐射之海。
这被解释为宇宙由之诞生的大爆炸火球的直接证据。
因而背景辐射的发现，是自埃德温·哈勃发现宇宙膨胀以来宇宙学方面最重要的观测成就，然而这一发现可真是来之不易。”
五号看着他们说道。
“怎么说？”
楚云好奇地问道。
“你们要知道，第一个试图定量描述大爆炸物理条件的人是乔治·伽莫夫。
他在1940年代应用当时正在发展的量子物理学知识，研究宇宙诞生时应该发生过的核相互作用类型，他发现原始氢应该已经部分转变为氦。”
五号说道。
“怎么说？”
四号问道。
“他根据计算，通过这种方式产生的氦的数量，依赖于这些相互作用发生时大爆炸的温度。
它应该被一个热的、取x射线和γ射线形态的短波黑体辐射火球填充。
伽莫夫小组领悟到，对应这个火球的热辐射，应该已经随着宇宙的膨胀而稀化和冷却，但仍然以高度红移了的射电波形态存在。
由于没有宇宙之外的地方让这一辐射逃走，它就永远充满宇宙，宛如气球内部的气体永远充满气球。”
五号说道。
“这个说法，不是说如果拉扯气球使它变大，但不让更多的气体进入，气球内部气体的密度将变小。
同样，当宇宙膨胀时，充满它的辐射的密度也将变小。
这对应着温度的降低和辐射波长的增加红移。
但是，虽然辐射已经冷却，它仍然应该像充满气球的气体那样均匀充满宇宙。
它应该从空间所有方向照射地球，而宇宙膨胀引起的辐射波长被拉开的量，决定了它今天的温度。”
虚妄补充道。
“如果我记得没错的话，伽莫夫的两位学生，拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼早在1948年发表的一篇论文中就计算出，要使大爆炸中烹调的氦的数量匹配于光谱学揭示的老年恒星中氦的数量，大爆炸火球遗留下来的辐射现在应该具有仅仅5k的温度。
伽莫夫自己1952年在他撰写的一书中公布的数字要稍稍大些”
李思特说道。
“这也就是说，准确数字决定于对大爆炸物理条件所做的详细假设，也依赖于对宇宙年龄的估计。”
虚妄说道。
“但你们不要忘记了，还有一种手工计算法则是，背景辐射的开氏温度等于10^10除以用秒数表示的宇宙年龄的平方根。
所以，在时间开始1秒后的温度是100亿度，100秒后是10亿度，而1小时后就只有1亿7千万度了。”
五号说道。
我们太阳中心的温度约1500万度。”
李思特提醒道。
“你们不要忘记了，不论是伽莫夫还是他的同事都未能意识到，给宇宙量体温的技术在1950年代就已经存在了。
他们既没有敦促射电天文学家进行本来可以揭示存在背景辐射的观测，看来也没有哪位射电天文学家注意到预言存在这种辐射的文章。”
五号说道。
“但你们不要忘记了，表明宇宙温度非常接近3k的观测，已经在1930年代用光谱方法做出来了。”
虚妄说道。
“怎么说？”
四号问道。
“那是对一种叫做氰的化合物做的光谱观测，揭示了我们银河系中星际物质云的温度。
1940年，天体物理台的安德鲁·麦克凯勒解释了这些观测，得出星际云的温度约2.3k。
到1950年时，这一结果被写进了标准的教科书。”
五号说道。
“但是，甚至伽莫夫也没有将它与预言的背景辐射温度联系起来。”
虚妄说道。
“为什么？”
四号问道。
“原因之一是，伽莫夫自己估计的温度，比麦克凯勒公布的温度和阿尔菲及赫尔曼估计的温度都要高很多。
1981年弗雷德·霍伊尔发表的一篇文章中，详细叙述了他1956年同伽莫夫交谈时如何提到麦克凯勒计算结果的情景。
霍伊尔是稳恒态假说的热烈支持者，他不相信曾经有过大爆炸，所以他当时认为不存在背景辐射。
伽莫夫则认为应该存在温度比5k高许多的背景辐射。
霍伊尔记得他向伽莫夫指出，麦克凯勒已经为任何这种背景辐射规定了3k的上限，因此伽莫夫错了。”
虚妄说道。
“所以，他们两人的想像力都未能跨出事后看来并非很大的一步，因而没有领悟到，背景辐射确实无处不在，不过它的温度低于伽莫夫的预计值。”
五号说道。
“但你不要忘记了，就在伽莫夫研究组1940年代发展他们的思想的同时，一组射电天文学家正在实际搜寻来自空间的低温辐射。
罗伯特·狄克和他的同事们使用一台由战时雷达技术演变而来的仪器，在微波频段研究天空，发现了温度低于20k，这是仪器规定的极限辐射的证据。
他们的结果于1946年发表在杂志上，而在这同一卷上也发表了伽莫夫研究组关于核合成的第一篇论文。
可是还要等待差不多20年才有人把它们联系起来。”
虚妄提醒他们道。
“但是到了1960年代初，几个研究组，包括发达国家的科学家们，已经开始考虑如何探测大爆炸的残留辐射。
伽莫夫小组的先驱工作基本上被人们忘记了，而每个组都重新看到了可能性。
在普林斯顿大学，一位年轻的科学家皮布尔斯不知情地重复阿尔菲和赫尔曼做过的计算，认识到宇宙应该充满温度为开氏几度的背景辐射之海。
他在这项工作中的导师狄克，也忘记了他自己在1940年代的开创性成果，却指定另两位研究者罗尔和威尔金森建造一具小射电望远镜来搜寻这一辐射。”
“五号说道。”
“这不是闹乌龙吗？”
“……”