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為什么老式電視的雪花可以證明宇宙大爆炸?

2019-11-14  |  火星一號 原創 收藏(16)  | 

在二十世紀,隨著觀測技術的進步,宇宙學領域有了重大進展。根據空間膨脹、宇宙微波背景輻射、宇宙元素豐度、宇宙大尺度結構和星系演化等一系列獨立證據,表明宇宙在138億年前起源于一個熾熱致密的時空奇點。

在宇宙大爆炸理論的證據中,宇宙微波背景輻射是最為重要的一個,首次發現這一現象的兩位天文學家很快也獲得了諾貝爾物理學獎。雖然直到20世紀60年代,天文學家才通過射電望遠鏡探測到宇宙微波背景輻射,但其實普通人可以在最不可能的地方探測到這些宇宙最古老的光子:一臺普通的電視機上。

膨脹的宇宙

為了解背后的原理,需要先來認識一下宇宙微波背景輻射。當我們觀測宇宙時,能夠看到非常多的星系。我們附近的星系看起來與銀河系比較類似,它們都是由相似的恒星組成。但我們觀測遙遠的星系時,情況將會變得不同。

哈勃太空望遠鏡曾經對準一小塊天區進行長時間的觀測,結果看到了極為遙遠的星系。因為光速是有限的,我們看得越遠,回溯的時間越久。最遠可以觀測到的星系距離可達134億光年,它存在于宇宙才4億年的時候。

遙遠星系的一個明顯特征是發育不全,形狀各異的早期星系遠不像現在這樣擁有成熟的結構。這意味著星系一直在演化,星系是從原始氣體云中形成的,這一事實支持了宇宙大爆炸理論。

遙遠星系的另一個明顯特征是光譜高度紅移。根據多普勒效應,當光源遠離我們時,朝向我們運動的光的波長會被拉長,出現光譜紅移的現象。退行速度越快,紅移值越高,這意味著遙遠星系都在快速遠離我們。

不僅如此,距離越遠的星系,紅移值越高,對應的退行速度與距離成正比。這種現象表明,星系不是單純的在空間中快速遠離我們,而是因為空間自身結構在均勻膨脹,導致星系互相退行。隨著時間的推移,宇宙不斷膨脹,在空間中傳播的光線的波長會被逐漸拉長。光傳播的時間越長,由于宇宙膨脹導致的紅移就越大,從而出現了我們所觀測到的哈勃定律。

宇宙的第一縷光

在星系誕生之前,宇宙會是怎樣的呢?根據宇宙大爆炸理論,宇宙在最初幾分鐘合成了大量的氫和氦元素。在早期宇宙中,中性原子無法存在,它們都會因為高溫而被電離成原子核和電子,同時會釋放出電磁輻射,也就是光子。

由于早期宇宙的密度和溫度極高,那些光子會與帶電粒子不斷發生碰撞,它們無法自由在宇宙中傳播。直到宇宙大爆炸之后38萬年,宇宙冷卻到2700攝氏度,光子得以在宇宙中自由傳播,它們成了宇宙的第一縷光。

當時宇宙的每個點都是光子的輻射源,所以這些光子會均勻地散播到宇宙中。它們即便在138億年之后的今天仍然還在只是無法通過肉眼看到。

不是所有的光都能被我們的眼睛感知到,只有一小段波長的光能被看到,這就是可見光。用于通信的無線電波、用于探測傷情的X射線都是光,只是它們的波長要么太長了,要么太短了,人眼無法看到。但借助其他觀測工具,我們可以探測到這些電磁波。

宇宙中最早的光原先是波長非常短的高能電磁輻射,但它們在膨脹的空間中不斷傳播,導致波長持續被拉長。經過138億年之后,這些光已經紅移成微波,它們可以被射電望遠鏡探測到。觀測結果表明,宇宙微波背景輻射十分均勻,溫度漲落非常小,它們現在的溫度只比絕對零度高了大約2.725度,這與宇宙大爆炸的預言完全一致。

通過老式電視來證明宇宙大爆炸

早期電視機配備了電磁波接收裝置,通過天線可以接收到電視信號,再將其還原為音視頻信號,這樣就能看到電視節目。在電視的某些頻道,并沒有電視節目,取而代之的是滿屏嘶嘶響的“雪花”。這些雪花的來源不僅有人造信號的干擾,而且還有來自宇宙的干擾,太陽、脈沖星、宇宙輻射,甚至黑洞都會發出電磁輻射。

然而,如果能屏蔽掉所有其他的電磁信號,還有一個信號仍然存在。雖然這個信號只占雪花信號的1%,但沒有辦法消除掉,這其實就是來自于宇宙大爆炸的余輝。當我們在看電視雪花時,其實是在實時觀測宇宙微波背景輻射。

來自宇宙微波背景輻射的雪花信號不僅無法消除,而且也不會隨著天線方向的改變而發生任何變化,因為宇宙微波輻射是各向同性的。最早的黑白電視廣播出現在20世紀30年代,所以在無意間,人們其實比天文學家更早30年證明了宇宙大爆炸,只是那時大家并不知道這個事實而已。

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