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twxz木蟲 (正式寫手)
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[交流]
【交流】宇宙學(xué)原理和微波背景輻射（1） 已有4人參與
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宇宙學(xué)原理和微波背景輻射（1） ‘宇宙學(xué)原理本來只是愛因斯坦的猜想，并沒有事實(shí)根據(jù)，后人沿用了下來，很大程度上是把它當(dāng)作一個(gè)方便的工作假設(shè)。因?yàn)槿绻钪娌皇蔷鶆虻�，那么研究宇宙�?dòng)力學(xué)的條件就更不成熟了。當(dāng)然，均勻假設(shè)到底是否符合事實(shí)是根本問題。膨脹的宇宙理論在60年代前一直得不到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，這基本假設(shè)沒有證據(jù)是重要原因。這方面證據(jù)的獲得是60年代后的事’。這是北京大學(xué)俞允強(qiáng)教授在他的‘熱大爆炸宇宙學(xué)’一書中討論宇宙學(xué)原理時(shí)的一段文字。其中60年代獲得的證據(jù)指的就是微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)。 下面圖1的 3幅小圖，是不同時(shí)期用于觀測微波背景輻射的設(shè)備和觀測結(jié)果圖。最上面一幅是1965年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師阿諾•彭齊亞斯(Penzias)和羅伯特•威爾遜(Wilson)發(fā)表觀測到微波背景輻射時(shí)射所用的喇叭形狀的天線（左邊）和強(qiáng)度分布圖（右邊）。下面兩幅分別是COBE和WMAP所用的觀測設(shè)備和發(fā)表的觀測結(jié)果。 圖1. •彭齊亞斯和羅伯特•威爾遜1965年的觀測設(shè)備和結(jié)果（上）；1992年COBE觀測設(shè)備和結(jié)果（中）；2003年WMAP的觀測設(shè)備和結(jié)果（下）。 1965年微波背景輻射的觀測結(jié)果發(fā)表后，它就被認(rèn)為是對大爆炸宇宙學(xué)和宇宙學(xué)原理的最有力的支持。因?yàn)樵谶@個(gè)觀測結(jié)果發(fā)表之前就有一些理論學(xué)家預(yù)言了它的存在，而且這個(gè)觀測結(jié)表明，它顯然是均勻和各向同性。圖中間那一小條白色帶子，那是我們銀河系的銀道面對背景產(chǎn)生的影響。 由于微波背景輻射對宇宙學(xué)研究具有重要的重要意義，1992年的COBE和2003年的WMAP又對微波背景輻射進(jìn)行了更深入的觀測研究。觀測設(shè)備的靈敏度和分辨率都有了很大的提高。觀測的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微波背景輻射溫度譜中存在有偶極矩成分。圖1中給出的COBE和WMAP的微波背景輻射結(jié)構(gòu)圖，實(shí)際上是對微波背景輻射的原始測量數(shù)據(jù)扣除了偶極矩成分后得到的結(jié)果。 彭齊亞斯和羅伯特•威爾遜1965年的觀測顯然并沒有發(fā)現(xiàn)微波背景輻射溫度譜中存在有這樣偶極矩的成分。彭齊亞斯和羅伯特•威爾遜1965年所用設(shè)備的靈敏度不足以發(fā)現(xiàn)這樣偶極矩的存在。發(fā)表時(shí)給出的等效黑體溫度數(shù)值的有效數(shù)字也可以證明這一點(diǎn)。因?yàn)槲⒉ū尘拜椛錅囟茸V中的偶極矩幅度只有 + - 4mk。 下面圖2和圖3清楚地說明，WMAP衛(wèi)星原始的觀測結(jié)果中包含有一個(gè)“二極矩”分布的噪聲。只有仔細(xì)地扣除“二極矩”成分和銀道面的影響，才能得到像圖3那樣均勻和各向同性的微波背景輻射結(jié)構(gòu)圖。最初發(fā)表的WMAP觀測結(jié)果中，還存在有四極矩和八極矩成分。原中科院李惕培院士（現(xiàn)在受聘為清華大學(xué)教授）和他的學(xué)生劉浩博士通過對原始數(shù)據(jù)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，四極矩和八極矩的出現(xiàn)，可能是由于原來數(shù)據(jù)處理過程中的一個(gè)小錯(cuò)誤所導(dǎo)致的。四極矩和八極矩的出現(xiàn)，曾被認(rèn)為是宇宙存在‘邪惡軸心’的結(jié)果。 這些圖都是引自Sheldon用松鼠會的名義于 2010-04-12 11:00發(fā)表于科學(xué)網(wǎng)的博客：‘宇宙的邪惡軸心’（上）和（下）。它們的地址是： http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=310752和311425 圖2：將差分?jǐn)?shù)據(jù)（注：是指WMAP衛(wèi)星原始的觀測數(shù)據(jù)）還原成溫度譜，得到的是一個(gè)“二極矩”的噪聲。 圖3：扣除由觀測者運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)和背景恒星等噪聲，才能得到CMB（宇宙微波背景輻射）的信號 細(xì)心的讀者會發(fā)現(xiàn)，圖3和圖1中最下面的那幅圖，雖然都是WMAP對微波背景輻射觀測結(jié)果，但兩者有一個(gè)差別，圖1中給出的WMAP的那幅圖，中間有一條明顯的不規(guī)則紅色帶子，那是銀道面的影響。但在圖3中它已經(jīng)被處理掉而消失了。由此可見，微波背景輻射觀測結(jié)果圖和數(shù)據(jù)處理過程有很大關(guān)系。而數(shù)據(jù)處理過程是和理論模型密切相關(guān)。從李惕培院士和他的學(xué)生劉浩博士的研究結(jié)果我們可以看到，數(shù)據(jù)處理過程的細(xì)小錯(cuò)誤，可能會導(dǎo)致‘差之毫厘，謬以千里’的結(jié)果。 由于微波背景輻射觀測結(jié)果中偶極矩成分的出現(xiàn)，我認(rèn)為不能再簡單地認(rèn)為：‘微波背景輻射是對大爆炸宇宙學(xué)和宇宙學(xué)原理的最有力的支持’。 WMAP衛(wèi)星原始的觀測結(jié)果中的偶極矩成分，被解釋成是由觀測者的空間運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)所形成的。根據(jù)已有的天文觀測，觀測者的空間運(yùn)動(dòng)包括：WMAP衛(wèi)星在繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在地心坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)；地球繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)地心在日心坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)；太陽系繞銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)日心在銀心坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)。WMAP衛(wèi)星在繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在地心坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)速度約為10 km/s，地心繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的速度大約是 30 km/s，太陽繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)的速度是 220 km/s。但對COBE和WMAP觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果只考慮這些運(yùn)動(dòng)合成后的多普勒效應(yīng)，處理后的結(jié)果中的偶極矩成分并沒有消失。只有引進(jìn)銀心還存在有空間運(yùn)動(dòng)，才能消除觀測結(jié)果中的偶極矩成分。北京大學(xué)俞允強(qiáng)教授在他的‘物理宇宙學(xué)講義’一書中，根據(jù)COBE的觀測結(jié)果，給出的數(shù)據(jù)是：銀河系中心的空間運(yùn)動(dòng)的速度是547 km/s，運(yùn)動(dòng)的方向指向銀經(jīng)266度，銀緯29度。 這就給物理學(xué)提出一個(gè)難題，銀河系中心為什么會發(fā)生空間運(yùn)動(dòng)？它的運(yùn)動(dòng)方向是不是宇宙空間中的一個(gè)特殊方向？ |
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