互动科普

光与温度有着怎样的关联呢？

物体会发出与其温度相对应的光。比如说，太阳的表面温度大约是6000℃，它发出的光就分布在可见光波段，而木炭燃烧时温度较低，发出的则是红色的光。人类看不见自己发出的光，但实际上在身体对应的温度上（约36℃）也会发出一种光，它不在可见光波段，被称为红外线。很多人都知道用红外线相机可以看到人的身体。

也就是说，物体会根据温度的变化而改变其发光特征。反之，如果了解物体的发光特征，也就知道了物体的温度。

这里所说的“光的特征”，是指在不同的波长上光的强度（光谱）。一般来说，物体发出的光并不是单一波长的，而是很多波长的光的叠加。所谓特征，是指当物体的温度变高的时候，它所发出的光的最强波段，会向着更短波长的方向移动。反之，当物体的温度降低的时候，所发出的光的最强波段就会向着更长波长的方向移动。

 物体会放出与温度对应的光

太阳表面温度大约为6000℃，发出的光集中在可见光的黄色光部分。温度比太阳低得多的木炭发出的光，大多在红色光部分。虽然人体不能发出可见光，但是用红外线相机去看的话，就能发现人体会发出红外线。在大爆炸时，宇宙空间发出的光的温度是很高的，但是随着空间的膨胀波长被渐渐拉长，到现在传播到地球时，相当于是3K（-270℃）左右的微波。

无法消除的噪声是大爆炸的证据

伽莫夫预言，大爆炸时刻发出了“最古老的光”，相应地，今天也应该能够探测到一个温度为5K的宇宙背景辐射。大爆炸时发出的光在宇宙中传播了约138亿年（当时是不知道宇宙的正确的年龄的）后，终于在今天到达了地球，并被我们观测到。

那么，作为炙热的大爆炸的残光，宇宙背景辐射的温度为什么会如此之低呢？这是由于宇宙空间一直在膨胀，光的波长被拉长而造成的。而如果能观测到宇宙背景辐射，就会有力地支持当时还未被普遍接受的大爆炸理论。

在20世纪60年代，也就是大爆炸理论提出20年后，人们第一次观测到了宇宙背景辐射。

1964年，美国的阿诺·彭齐亚斯博士和罗伯特·威尔孙博士为了跟踪卫星而架设了高灵敏度的天线，然后用它接收银河系中的无线电信号，以测试天线性能。但他们发现，在接收到的信号中，存在一个无论如何也去除不掉的“噪声”。

为了查明这个噪声的性质，他们对各种可能的噪声源进行了仔细的排查，比如大都市传出的电磁波，核试验中大气里的放射性物质发出的电磁波等等。在各种可能性都被排除后，他们开始怀疑噪声是从天线内部来的，甚至为此清扫了天线内的鸟粪，但即便如此，噪声还是消除不掉。

更奇怪的是，这种噪声并非只来自银河系的盘面（在夜空中看到的天河）的方向，而是遍布宇宙的各个方向，强度也都差不多。当时两人并不知道宇宙背景辐射这回事，正束手无策的时候，听说别的研究组正在准备观测宇宙背景辐射，由此，他们才第一次知道自己想要解决的噪声，其实正是大爆炸的证据。

两人推测出噪声（宇宙背景辐射）的温度是3K左右，这与伽莫夫预言的5K的数值很接近。就这样，宇宙背景辐射被发现了，并被视为大爆炸宇宙学的有力证据。由于这个贡献，他们两人被授予了1978年的诺贝尔物理学奖。

宇宙的历史和宇宙背景辐射的发射原理

宇宙刚刚诞生后，处于被称为暴胀的急速膨胀阶段，之后进入了大爆炸的炙热状态。由于宇宙的高温，光在行进中经常与电子发生碰撞，无法直线前进。但是在38万年后，宇宙的温度变成只有3000K左右，在这个温度下，质子（氢的原子核）和电子结合成原子。而光不与原子发生碰撞，终于可以直线前进了。这个时候产生的光传播了138亿年后到达了地球，就是我们所观测到的宇宙背景辐射。

（本文发表于《科学世界》2013年第5期）