背景辐射表示散热还是吸热?

首先,说“黑体主要吸收能量”是不恰当的。应该说,黑体吸收辐射的能力最大,同时,黑体发出辐射的能力也最强。

其次,什么是宇宙背景辐射?它从哪里来的?宇宙背景辐射是一大群光子,但这组光子的来源与普通光源不同。在后者中,光源(如果光源是黑体,它发出的光子群就是黑体辐射)和它发出的光子群是相互明确定义的。例如,太阳和阳光是两个明显不同的东西。但是前者,根本没有光源!在大爆炸开始时,某种形式的能量转化为光子、夸克、轻子和许多其他具有真空相变的基本粒子的大杂烩。这时候不仅光子只包含动能,其他具有静止质量的粒子也占了它们总能量的绝大部分——它们的性质几乎和光子一样(这时候所有的高能粒子其实都叫“辐射”,辐射和普通物质粒子的主要区别是动能的多少),它们频繁地互相共享。正是由于它们之间的强相互作用,使得整个一锅大杂烩处于非常均匀的热平衡状态,其中的光子群必然处于黑体辐射状态(见附件1)。

再次,背景辐射中的光子群早已与物质粒子解耦——它们之间的相互作用非常小,因为随着宇宙的冷却,所有的粒子都失去了大量的重量,不再能相互转化。这两组物质就像是孤立的系统,它们之间几乎没有能量交换。因此,去耦的背景辐射基本上既不吸热也不放热。

最后,辐射的能量密度与宇宙尺度的-4次方成正比,物质粒子的能量密度与宇宙尺度的-3次方成正比。因此,随着宇宙的膨胀,物理粒子的平均温度下降速度比辐射慢。所以如果真的要计算两者的弱相互作用,可以说背景辐射是吸热的。但需要注意的是,这种吸热与普通黑体的性质无关,因为背景辐射本身与普通黑体的性质无关,在背景辐射产生的过程中根本没有任何东西起到普通黑体的作用。

附件1:微波背景辐射与黑体光谱非常一致。

实验室用腔体上的一个小孔来模拟一个黑体,这个黑体比实际的黑色物体(比如碳黑)要暗一些,因为从小孔进入腔体的大量光子要在里面被多次吸收和反射,只有极小一部分有机会再次从小孔出来,相当于小孔吸收了几乎所有的入射光,所以是一个很好的黑体。既然是一个好的黑体,那么通过加热这个腔体,从它的孔隙中发出的辐射就是一个好的具有黑体光谱的热辐射。可以看出,当辐射和热物体多次相互作用,达到热平衡时(想想光子在腔内到处碰壁……被不断吸收和发射……),辐射就变成了具有良好黑体光谱特性的辐射。在宇宙大爆炸初期,光子与物理粒子的相互作用极其频繁,它们相互之间达到了很好的热平衡状态,所以此时光子的能量分布具有很好的黑体光谱特性,而在它们冷却下来之后——整个空间膨胀导致的多普勒红移使得各个波段同比例变宽——光子的分布模式仍然维持着黑体光谱。