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last_modified: "2026-10-24"
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[测量宇宙膨胀的历史](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/#cosmology)

天文 · 宇宙学 · 引力

# 检查完天线，天空仍有一层微波底噪

Sandbox Physics · 2026-10-24

接收机里解释不了的几度温度，为什么成了早期热宇宙的证据？

1. 把喇叭天线与冷参考源比较
2. 估计大气与天线的辐射
3. 找到持续存在的额外信号
4. 与热宇宙的预言相接

1965 年的测量与宇宙学解释刊在相邻论文中，1978 年的奖表彰了这项发现。

## 安静的接收机仍然听见了天空

1964 至 1965 年，Arno Penzias 和 Robert Wilson 在美国新泽西州 Holmdel 的贝尔实验室使用一副大型喇叭天线。他们想弄清，灵敏接收机听到的微弱噪声分别从哪里来。已知来源逐项算过，仍有一部分留下。天线换个方向，它还在；季节变了，它也还在。1965 年的论文把额外天线温度记为 3.5 开尔文，不确定度为 1.0 开尔文。

这副天线有个好处：主要听正前方，背后的响应很弱，温暖地面带来的干扰较小。测量频率为 4.08 吉赫兹，波长约 7.35 厘米，比可见光长得多。这些微波很暗，接收机却足够灵敏，能够把它们与冷参考源细细比较。

来源：[1]

## 这里的“温度”是一把噪声尺

接收机能听到许多热辐射：自己的零件会发，天线有损耗也会发，大气同样会添上一份。射电天文学家常把噪声写成等效温度：一个热源要有多暖，才能在这段频率内送来同样多的噪声功率？用“天线温度”表示，几种微弱来源就能摆到同一把尺上。

两人用液氦冷却的参考端与天线比较。把天线抬高、放低，视线穿过的大气厚度随之改变，便能估计大气贡献。他们还检查金属结构的电损耗，以及地面辐射能否绕到天线背后。连喇叭的接缝也贴上铝胶带试过，测量结果没有可见改变。

原始论文写得很具体：天顶方向总天线温度为 6.7 开尔文，大气约占 2.3 开尔文，天线损耗和后向响应约占 0.9 开尔文。剩下约 3.5 开尔文，来源仍待解释。1964 年 7 月至 1965 年 4 月的观测中，它没有明显的方向偏好、偏振偏好或季节变化。若猜它来自附近某样东西，这样东西还得同时满足这些表现。

来源：[1]

## 另一支团队正在想，热宇宙会留下什么

附近普林斯顿大学的 Robert Dicke、James Peebles、Peter Roll 和 David Wilkinson，正在研究早期热宇宙。如果过去的宇宙又热又密，物质与辐射就会频繁交换能量。宇宙后来膨胀，光的波长被拉长，温度降低，这团旧日辐射仍会充满空间，只是变成了很冷的微波。

两边的工作恰好接上。贝尔实验室有一份怎么查都还在的额外信号，也详细了解自己的接收系统；普林斯顿团队则提出，为什么整个天空应该有一层背景。两篇论文紧挨着刊在 1965 年 7 月的《天体物理学报》：前一篇解释宇宙背景，后一篇报告天线测量。发现的关键，在于微弱信号出现在许多方向，持续覆盖着天空。

热辐射解释还预言了一件更具体的事：换到不同频率测量，亮度应沿着同一条热谱曲线变化。一个频率上的额外噪声，尚不足以画出整条曲线。后来的实验因而有了明确目标：跨过许多波长，看看能否用同一个温度解释。

来源：[2] [1]

## 从微弱背景走向早期宇宙

后续观测逐渐确定，背景温度约为 2.7 开尔文，频谱极接近黑体。黑体谱是物质与辐射达到热平衡时的特定形状，比单一频率上的微弱信号更容易辨认来源。再往后，全天图上极小的温差又打开了另一个问题：早期宇宙几乎处处一样，后来为何能长出星系和星系团？

Penzias 与 Wilson 因发现宇宙微波背景获得 1978 年诺贝尔物理学奖。阅读原论文时，3.5 开尔文须与当时的误差和测量频率放在一起；精密的热力学温度测量属于后续工作。最初那一步之所以有力，是因为仪器、大气和天线都经受了检查，全天背景仍然留下，而热宇宙解释又给出了下一次实验可以检验的预言。

来源：[3] [4]

## 接着探索相关模型

选一个模型，亲手试试文章里的物理想法。

### [从尘埃前景中分出宇宙辐射](https://sandboxphysics.com/zh/labs/cmb-spectrum-thermometer/)

加入尘埃分量，比较两种温度拟合。

合成频谱包含 Planck 黑体、尘埃前景与已知噪声。

## 来源与阅读说明

1. [Penzias & Wilson (1965), A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s](https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1965ApJ...142..419P)

   阅读观测频段、各项温度、接缝试验，以及剩余 3.5 ± 1.0 开尔文天线温度。

2. [Dicke, Peebles, Roll & Wilkinson (1965), Cosmic Black-Body Radiation](https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1965ApJ...142..414D)

   与 Penzias—Wilson 测量在同一期相邻刊出的热宇宙解释。

3. [Fixsen et al. (1996), The Cosmic Microwave Background Spectrum from the Full COBE/FIRAS Data Set](https://arxiv.org/abs/astro-ph/9605054)

   阅读差分黑体比较、前景处理，以及相对峰值亮度小于百万分之五十的残差均方根。

4. [The Nobel Prize in Physics 1978](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1978/summary/)

   Penzias 与 Wilson 的获奖部分属于宇宙微波背景辐射发现。

[我们怎样读懂宇宙](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/) [COBE 把天空与人造黑体放在一起比较](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/cobe-blackbody-spectrum/) [COBE 天空图里微小的温度差](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/cobe-sky-anisotropy/) [从平滑的微波天空到结成团的星系](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/peebles-growing-universe/) [遥远超新星揭示了加速膨胀的宇宙](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/supernova-accelerating-universe/)