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宇宙微波背景輻射:電視機的雜音真的來自宇宙大爆炸的影響嗎?
2023/07/28

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當我們調試舊式電視機時,屏幕上會出現一種顆粒感的靜態噪聲,這種噪聲在現代人的生活中已經相當罕見。但你知道嗎,科學家們聲稱,其中大約1%的噪聲實際上來源于宇宙的最初時刻,也就是大爆炸。一想到我們的日常生活中有這樣一種直接聯系到宇宙起源的元素,真是讓人感到既驚奇又驚嘆。那麼,電視機的雜音真的來自宇宙大爆炸嗎?在這篇文章中,我們將一探究竟。

電視機的噪聲在科學上被稱為背景噪聲,這是一種無規律的、具有寬頻譜特性的電磁信號。它可能來自各種各樣的源頭,比如電視機本身的電子設備,或者是遠處的電台和電視台。但科學家們發現,即使將電視機徹底隔離,使其遠離所有已知的人造信號源,背景噪聲依然存在。這就引出了一個神秘而深奧的科學問題,這部分噪聲的來源是什麼呢?

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宇宙大爆炸的概念

宇宙大爆炸理論是目前科學界對宇宙起源最廣為接受的解釋。根據這一理論,宇宙在約138億年前的一個極高密度、極高溫度狀態下開始膨脹,這個狀態被稱作「奇點」。隨著時間的推移,宇宙逐漸膨脹并冷卻,形成了我們今天所看到的一切,包括星系、恒星、行星,以及我們自己。

那麼,我們怎麼知道宇宙曾經經歷過大爆炸呢?主要有三個證據。首先,宇宙正在膨脹。這是由美國天文學家埃德溫·哈勃在1929年首次觀測到的,他發現,除了我們的本星系群,其他所有的星系都在迅速地離我們遠去,而且離我們越遠的星系,離去的速度越快。這一觀測結果被稱為哈勃定律,它支持了宇宙膨脹的理論。

第二個證據是宇宙的大規模結構。

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天文學家觀測到的星系分布并非隨機,而是形成了一種網狀結構,這個結構被稱為「宇宙網」。這種分布是由宇宙早期微小的密度擾動形成的,而這些擾動是在大爆炸過程中產生的。

最后一個也是最重要的證據,就是宇宙微波背景輻射。它是宇宙大爆炸留下的余熱,無論我們向哪個方向觀察,都能看到這一輻射。這種輻射的存在,直接驗證了大爆炸理論。

宇宙微波背景輻射的發現

宇宙微波背景輻射(CMB)的發現是科學史上的一項重大突破。在宇宙大爆炸之后的38萬年左右,宇宙冷卻到了允許電子和質子結合成氫的溫度。在這個過程中,光子(也就是光的粒子)從此自由地傳播,不再與物質發生頻繁的散射,這個時刻就被稱為「再結合時刻」

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。而從那時起,這些光子一直在宇宙中傳播,形成了我們今天觀察到的宇宙微波背景輻射。

然而,這項重要的發現并非是計劃內的,而是在1965年被阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜這兩位貝爾實驗室的科學家在進行完全不相關的實驗時偶然發現的。他們在嘗試查找一種天線雜音的來源時,發現無論怎麼調整設備或是清理設備,總是有一部分雜音消除不掉。這種雜音均勻的分布在天空的所有方向,不依賴于時間和方向。

經過排除各種可能的地球來源后,彭齊亞斯和威爾遜開始懷疑這個信號可能是來自于宇宙的。他們找到了普林斯頓大學的一組科學家,這組科學家在尋找大爆炸留下的背景輻射的證據。最終,他們確認這個信號正是宇宙微波背景輻射,這一發現為宇宙大爆炸理論提供了重要的證據。因此,彭齊亞斯和威爾遜因此發現在1978年獲得了諾貝爾物理學獎。

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電視機的雜音與微波背景輻射的關系

當我們談論電視機的雜音,我們通常指的是當電視機未接收到任何有效的廣播信號時,屏幕上顯示的白色噪聲。這種噪聲其實是由許多隨機的電子在電視機內部產生的,而這些電子會被電視機的電子束「讀取」并在屏幕上顯示出來。這就是我們所說的「雪花屏」。

但有趣的是,科學家估計約1%的電視機的「雪花屏」效應實際上是由宇宙微波背景輻射引起的。這是因為宇宙微波背景輻射在所有方向都是均勻的,而且無處不在,甚至能穿過你家的墻壁和電視機的塑料殼。因此,電視機的天線可能會接收到來自宇宙微波背景輻射的微弱信號,這些信號會和電視機內部產生的隨機電子混淆在一起,形成我們看到的「雪花屏」。

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科學實驗證據

1965年,阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在調試貝爾實驗室的一台大型射電望遠鏡時,無意中發現了微波背景輻射。他們原本試圖找出望遠鏡收到的神秘噪音來源,然而,無論他們如何清理設備或調整參數,這種持續的噪音都無法消除。最后,他們意識到這個噪音可能來自地球以外的某個地方,這就是微波背景輻射的首次發現,也是宇宙大爆炸理論得到的一項重要實證。

後來,通過更高級的技術設備,如科斯莫斯和普朗克衛星,科學家們得到了更加精確的微波背景輻射數據。這些衛星采集的數據表明,微波背景輻射的頻譜完全符合理論預期的黑體輻射曲線,這進一步支持了宇宙微波背景輻射的存在。

現在讓我們來看看電視機的雜音如何與微波背景輻射相聯系。在沒有信號輸入的情況下,電視機會顯示一種稱為「雪花」的隨機噪音。然而,不為人知的是,這其中約有1%的噪音實際上是由于電視機天線接收到的來自宇宙的微波背景輻射。

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雖然這個比例并不大,但確實證明了微波背景輻射在日常生活中的存在。此外,射電望遠鏡等設備也能接收和測量這些微波信號,從而幫助科學家更準確地研究和理解微波背景輻射。

這一發現對我們的影響

宇宙微波背景輻射的發現是天文學史上的一大里程碑,它在很大程度上改變了我們對宇宙起源和演化的理解。

首先,這個發現為宇宙大爆炸理論提供了強有力的證據。微波背景輻射的存在與宇宙大爆炸理論的預期完全相符,它表明宇宙曾經處于極高的溫度和密度狀態,之后經過數十億年的膨脹和冷卻,形成了今天我們所看到的宇宙。因此,微波背景輻射的發現被視為宇宙大爆炸理論的一個重要支持點。

其次,微波背景輻射的研究對理解宇宙的[[[[大尺度]]]]結構提供了寶貴的信息。

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科學家發現微波背景輻射在天空中的分布并不完全均勻,而是存在微小的波動。這些波動被認為是早期宇宙中密度差異的遺跡,它們在宇宙的膨脹過程中被放大,最終形成了我們今天所看到的星系和星系團。

最后,微波背景輻射的發現也影響了我們日常生活中的一些方面。電視機的「雪花」噪音雖然對大多數人來說可能只是一個小小的困擾,但它卻是宇宙最古老的信息之一。每次我們看到電視機的「雪花」噪音時,我們都在接觸到宇宙大爆炸發生后的遺跡,這種體驗無疑增加了我們對宇宙的驚奇和敬畏之感。

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