如何正确解读物理实验结果系列之九——宇宙微波背景辐射

卡卡西720

作者：彭晓韬
日期：2019.09.30

[文章摘要]：宇宙微波背景辐射被认定为宇宙大爆炸证据之一已被广泛接受。但事情真的是如此吗？本人通过对辐射产生的本质及其传递、接收过程的仔细研究发现：辐射必须是由带电体构成的介质产生，并在传递过程中遇到介质时会使介质成为新的辐射源而产生反射/散射、折射/透射和转换/热辐射类的新的辐射。真空或不带电的物质是不可能产生辐射，也不可能改造辐射的。因此，宇宙微波背景辐射并非真空条件下的真实背景辐射，而是宇宙空间中存在的介质产生或反射/散射、折射/透射和转换/热辐射方式而共同形成的。就像黑体辐射一样，所谓的宇宙微波背景辐射也是辐射体产生的，其峰值频率对应的温度为2.7K仅表明为地球周围辐射作出贡献的物质的平均温度为2.7K且各向基本同温、同分布密度而已。
一、宇宙微波背景辐射的由来

宇宙微波背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为微波背景辐射。二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年，他们又订正为3K。

宇宙微波背景辐射的特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。宇宙微波背景是宇宙背景辐射之一，为观测宇宙学的基础，因其为宇宙中最古老的光，可追溯至再复合时期。利用传统的光学望远镜，恒星和星系之间的空间（背景）是一片漆黑。然而，利用灵敏的辐射望远镜可发现微弱的背景辉光，且在各个方向上几乎一模一样，与任何恒星，星系或其他对象都毫无关系。这种光的电磁波谱在微波区域最强。1964年美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现宇宙微波背景 ，于1940年代开始研究。

宇宙微波背景在黑体辐射光谱的温度为2.72548±0.00057K。光谱辐射dEν/dν的峰值为60.2GHz，在微波频率的范围内（若光谱辐射的定义为dEλ/dλ，则峰值波长为1.063毫米。）

该光辉在所有方向中几乎一致，但细微的残留变化展现出各向异性，与预期的一样，分布相当均匀的炽热气体已经扩大到目前的宇宙大小。特别的是，在天空中不同角度的光谱辐射包含相同的各向异性，或不规则性，随区域大小变化。[摘自百度百科]
二、宇宙微波背景辐射的主要特点

1、具有2.7K黑体辐射谱的特征：从0.054厘米直到数十厘米波段内的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射；

2、具有极高度的各向同性特征：这有两方面的含义：首先是小尺度上的各向同性。在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2－0.3%；其次是大尺度上的各向同性。沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3%。
三、宇宙微波背景辐射的真实来源探讨

1、黑体辐射基本规律简介

理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射，并将这些辐射转化为热辐射，其光谱特征仅与该黑体的温度有关，与黑体的材质无关。

普朗克黑体辐射公式：

式中：Ｅ为辐射强度；h为普朗克常数；Ｔ为黑体温度；ν为辐射频率；Ｃ为真空中的光速；k为玻耳兹曼常数。

由上图一、图二和公式一可知：在黑体温度一定时，其辐射强度与辐射频率的关系成近似正态分布曲线；不同温度的黑体的辐射强度与辐射频率关系曲线形态基本类似，但峰值的强度随温度上升而快速上升，同时峰值对应的频率也提高（波长变短）。

2、宇宙微波背景辐射产生机制分析

从目前观测到的宇宙微波背景辐射谱与2.7K黑体辐射高度相符合的结果可知：宇宙微波背景辐射是由平均温度为2.7K物质产生、传递并到达地球的电磁辐射波。

由其各向同性的特点可知：能产生2.7K宇宙微波背景辐射并传递到地球的物质分布情况是：各个方向上的物质分布基本均匀。也就是平均温度为2.7K的物质在地球周围一定范围内的分布是基本均匀的。由此可见，这类物质分布范围应该远大于太阳系和银河系。即地球上接收到的宇宙微波背景辐射是由远大于银河系范围内的物质共同作用的结果。

宇宙微波背景辐射不可能是真空中产生的，我们也没有足够的理由认为宇宙存在边界且边界处存在2.7K的能产生或反射/散射电磁辐射的物质。因此，称其为宇宙微波背景辐射可能并不科学、合理，应该称其为宇宙空间2.7K体积分布物质辐射或宇宙平均温度辐射。
四、宇宙微波背景辐射的物理意义

1、宇宙空间并非真空，而是存在数量巨大的、平均温度在2.7K左右的物质

现有天文观测表明：在太阳系边缘存在的奥尔特云，其温度低于240℃，也就是低于32K。我们完全有理由相信，在距离太阳更遥远空间中的物质的温度会更低。而星系间的空域间也存在太量气态物质，其温度完全可能更接近于绝对零度。

由于宇宙空间中可视天体及物质总量、所占空域均很小，而无可视天体区域远大于前者。因此完全可能存在远大于可视天体的物质总量的超低温星际物质分布，且其分布相对比较均匀。当把宇宙空间各区域的物质温度进行平均时，可能出现各处平均温度均接近2.7K的情况。

2、宇宙空间存在的温度为2.7K左右的巨量物质基本不参与可见光波段的电磁相互作用

下表为2.7K、30K和6353K（太阳表面温度）三个不同温度的黑体辐射强度计算表。从表中可以发现：当辐射频率高于可见光频率的一半左右后，2.7K黑体的辐射强度基本等于0了。30K黑体在可见光波段的辐射强度也近似为0。也就是说，低于30K的大量星际物质不可能与可见光波段的电磁波发生相互作用而被我们观测到了。

3、理论计算的2.7K黑体辐射强度与同频率太阳辐射强度对比及与实际观测结果间的矛盾

从下表中最后一列可知：即使是在2.7K黑体辐射强度峰值频率附近，其辐射强度比太阳的辐射强度仍小三个数量级以上。但实际观测中发现：类似2.7K黑体辐射的宇宙微波背景辐射强度显著大于太阳产生的同频率辐射强度（否则，就不可能各向同性了）。

那么出现理论计算与实际情况完全不相符的根源是什么呢？它又隐含着什么玄机呢？

产生此种现象的根源是：普朗克黑体辐射公式只适用于表面辐射型黑体，而宇宙微波背景辐射属于体积型黑体辐射体。也就是说：宇宙微波背景辐射是由基本均匀分布于宇宙空间各个地方的、平均温度在2.7K左右的物质产生的。我们不是在黑体外部进行观测，而是在黑体内部进行观测的。因此，所观测到的是观测方向不同距离上的低温物质辐射强度的总和，其强度当然可以远大于太阳同频率的辐射强度。

4、宇宙中可见物质与不可见物质总质量比较分析

通过以上对不同温度的黑体在可见光波段辐射强度的对比分析可知：可产生或反射可见光的天体或物质可称其为可见质量。而绝对温度低于30K的物质或天体可能就应该属于不可见质量了。

宇宙微波背景辐射为类似2.7K左右的黑体辐射且其峰值频率辐射强度远大于太阳产生的同频率辐射强度表明：宇宙空间中存在体积分布的、各向近似均匀的、数量远大于可见物质的、平均温度在2.7K左右的不可见物质。按同频率辐射强度估算，不可见物质总量应该大于可见物质总质量的数百、甚至上千倍。这也可能就是前人在观测星系中天体运动速度异常并提出存在暗物质的原因所在。也就是说：暗物质应该就是宇宙中各处存在的温度低于30K的、难以与可见光发生相互作用的巨量低温不可见物质。
五、几点主要结论

1、宇宙微波背景辐射不可能是宇宙背景产生的或反射的宇宙大爆炸时期产生的辐射

如下图三所示：如果宇宙是由大爆炸所产生，则太阳系应该位于球壳状宇宙的某一方向上，其接收到的宇宙微波背景辐射不可能各向同性，因为从地球上看整个宇宙时，并不是球对称的。

2、宇宙微波背景辐射应该是宇宙中均匀分布的低温物质产生或反射的；

3、宇宙微波背景辐射证明：宇宙中可见物质总量应远小于不可见的低温物质总量；

4、暗物质概念提出过程中，用可见质量作为星系总质量是错误的，是导致所谓暗物质概念的根源。


原文地址：今日头条

风来时狂放

请相信宇宙有背景的朋友们解释一下：宇宙背景是由什么构成的？如果地球没有位于宇宙的中心，则宇宙背景辐射各个方向的强度还能一样吗？！

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同一个物理现象或实验观测结果可能存在多种解释方法，到底哪种方法的解释结果更贴近客观实际呢，这就需要进一步的研究与分析。因此，宇宙微波背景辐射到底是证明宇宙大爆炸理论正确的证据呢，还是相反呢？请详细阅读下文：

nshukwrd

如果宇宙微波背景辐射真的是类似2.7K温度的黑体辐射且强度大于同频率的太阳辐射数十倍的话，则宇宙空间应该存在巨量的、分布基本均匀的、平均温度在2.7K左右的、不怎么与可见光发生相互作用的物质。这很可能就是正在寻找的所谓暗物质。

dgd78

献礼中华人民共和国华诞七十周年！
暗物质终于有脚落了！
暗物质就是温度低于30K的正常物质，只因其基本不与可见光发生相互作用，因此，虽然其在宇宙空间中分布很广，数量巨大，但自身既不产生可见光，也不反射／散射可见光，致使常规探测手段难以发现它们的存在！