作者：禅与计算机程序设计艺术
文章目录
1.简介2.宇宙学的科普2.1 宇宙的起源2.2 宇宙背景辐射2.2.1 激活效应辐射2.2.2 非激活效应辐射2.2.3 粒子辐射2.2.4 原子辐射2.2.5 中子辐射2.2.6 热辐射 2.3 宇宙背景辐射的危害2.3.1 临界效应2.3.2 健康危害 2.4 宇宙背景辐射检测技术2.4.1 红外技术2.4.2 近红外技术2.4.3 微波技术2.4.4 遥感技术2.4.5 辐射跟踪技术1.简介
宇宙学和宇宙背景辐射是现代物理领域两个非常重要的分支。无论是在科研、工程、制造、生活等领域都离不开这两个领域的知识。
宇宙学是研究宇宙中存在的一切事物和能量的基础学科。它从一系列的微观观察和宏观分析出发，探讨宇宙的组成、演化及其运动规律。宇宙学的理论在宇宙形成过程中扮演着重大而关键的角色，影响着我们对世界的认识。例如，在宇宙中存在大爆炸和黑洞时，宇宙学家发现了生命存在的秘密，为人类文明的进步奠定了坚实的理论基础。
宇宙背景辐射，又称为宇宙辐射或宇宙放射，是指物体在进入地球之后，会受到自然界广播的多种光谱波长的影响。不同于一般的电磁辐射，宇宙辐射是由于遥远星系间的相互作用所产生。宇宙中的物体随着时间推移都会向地球反射出越来越多的辐射，并继续受到宇宙背景辐射影响。通过观测宇宙背景辐射可以了解地球内部各种物质的分布情况，揭示地球物理过程的机理。
由于宇宙辐射带来的极端环境下恶劣天气、紫外线污染、温室效应、全球变暖、核武器危险等难题，当前许多国家和地区都在积极探索如何减少宇宙背景辐射的方法。
近年来，我国在宇宙背景辐射防治领域取得了一系列成果，其中最具代表性的是“千方百计排除辐射污染”的宣传活动。一些公众号甚至将“避险”作为排除辐射污染的第一步。但是，这一举措是否有效，还需要实践检验。
近些年来，中国有关部门及科技企业多次向社会发布关于“弱太阳引起的太阳能过剩”、“高温烈日会让水汽蒸发”、“太阳风速慢会消失”等一系列消息，呼吁人们一定要关注这类危害，采取相应的减少风险的措施。
本文试图通过向读者提供一个新的视角，全面、系统、客观地审视宇宙学和宇宙背景辐射的相关理论和应用，为此作者首先对宇宙学进行科普，然后介绍宇宙背景辐射的基本概念、原理以及应用。最后，作者还将阐述该理论在宇宙背景辐射检测上的实际意义以及一些未来的研究方向。
本文适合如下读者群体：
有相关工作经验或对宇宙学和宇宙背景辐射感兴趣的科研人员；对宇宙学有浓厚兴趣，希望进一步了解宇宙的基本构造、演化和运动规律，并且能基于这些理论做出科学的应用；想要了解宇宙背景辐射的危害，并提升自身防护能力的技术人士。
2.宇宙学的科普
2.1 宇宙的起源
宇宙的起源一直被认为是一个复杂的问题，但直到上世纪八十年代末期才由著名科学家爱因斯坦给予了一个肯定的回答——“宇宙中没有宇宙”。相信不少读者对这个答案颇为满意，毕竟，如果有“宇宙”，那么他应该是无限大的；至于其起源，那就不是一件简单的事情了。
具体说来，宇宙的起源可以追溯到早期的无机物中发现的元素，或者可以从物质成为单体，然后转化为多体的过程，这种转化为多体的过程即是物理学的本质。早期的冰河（海洋）可能是宇宙中存在的形态，但是最终还是演变成陆地、大气层、星球、行星……一系列不同的形态构成了宇宙的样貌。
宇宙学是对这一过程的研究，从各个角度揭示宇宙的组成、演化、运动规律。宇宙学家将其研究成果公之于世，形成了许多理论模型，如著名的爱因斯坦的宇宙学说，还有比如孔子的易学、牛顿的万有引力理论、弗里德里希·门捷列夫斯基的相对论……
宇宙的整个结构是由无数个相互作用的物体共同组成的，每个物体都带有自己独特的特性和行为模式，因此，宇宙中到处充斥着各种奇妙的现象。宇宙学就是研究这一复杂、无穷的系统，找寻其中的奥秘。
2.2 宇宙背景辐射
宇宙背景辐射，又称为宇宙辐射或宇宙放射，是指物体在进入地球之后，会受到自然界广播的多种光谱波长的影响。不同于一般的电磁辐射，宇宙辐射是由于遥远星系间的相互作用所产生。宇宙中的物体随着时间推移都会向地球反射出越来越多的辐射，并继续受到宇宙背景辐射影响。通过观测宇宙背景辐射可以了解地球内部各种物质的分布情况，揭示地球物理过程的机理。
目前，人们观测到的宇宙背景辐射主要包括激活效应辐射、非激活效应辐射、粒子辐射、原子辐射、中子辐射以及热辐射等。
2.2.1 激活效应辐射
激活效应辐射是指对于某种波长范围内的激发原子、微生物、电磁波等的辐射。由于某种物质的存在，会对周围的空间产生可观测的辐射效应，这一现象称为激活效应。例如，地球在月亮下暴露出的蓝色天空光，就是一种激活效应辐射。
激活效应辐射的主要特征有以下几点：
强度很高。例如，地球上的氢原子反复碰撞引发的硅烧伤的激活效应辐射，其强度达到了数十兆瓦级。发散方向均匀分布。平均分布和方向不固定。持续时间较短。一般在几秒钟内就可以被观测到。
2.2.2 非激活效应辐射
非激活效应辐射则是指对于某种波长范围之外的辐射，属于不可控的辐射源。由于太阳光速极快，在宇宙任何地方都不可能靠近。因此，任何物体通过太阳光必须要经过一个宇宙中不可避免的过程。这一过程可能会导致两极地区物质的断裂、流逝，也会发生连锁反应，从而产生辐射效应。例如，太阳光通过大气层反射到地球上时会发生流体的排放，出现火花，以及氢气云的释放等效应，这些都是非激活效应辐射。
非激活效应辐射的主要特征有以下几点：
发散方向偏离均匀分布。发散方向具有随机性。在整个宇宙中无处不在。影响面广。发散方向任意改变。
2.2.3 粒子辐射
粒子辐射是指物质的离子、电子、氮体等离粒子带来的辐射，它们能够穿透大气层、云层和太阳光等激活效应辐射，并呈现出多种多样的光谱特征。由于离粒子带来的辐射无处不在，而且在速度快、方向任意的情况下投放出去，因此其辐射强度很高，辐射通道也比较复杂。例如，蜂蜇、鸟、鱼、卵生物等会生成粒子辐射的生物也是罕见例外。
粒子辐射的主要特征有以下几点：
辐射强度很高。10-100倍于激活效应辐射。数量巨大。每天都会产生数百万亿级的粒子。发散方向任意改变。生命活动区域也会产生粒子辐射。例如，果树、草场、矿井都会释放出粒子辐射，这样在海洋中形成潮湿的液态。
2.2.4 原子辐射
原子辐射是指电子、质子等原子之间的相互作用所引起的辐射。原子之间存在的动力学约束使得原子之间产生强烈的粘聚力。原子辐射的强度很高，可达数百兆瓦级。
原子辐射的主要特征有以下几点：
辐射强度很高。发散方向任意改变。方向均匀。可变方向、角度多。表现为角度聚集、簇聚、旋转、扩散。中心性很强。影响面广，波长广泛。
2.2.5 中子辐射
中子辐射是指超大质量的粒子，它们可以高度准确的穿透各种物质，并以大型的尺度而非微小粒子的尺度作研究。中子辐射的强度极高，达到数百万兆瓦级。
中子辐射的主要特征有以下几点：
辐射强度很高。数量巨大。每天都会产生数万亿级的中子。发散方向任意改变。影响面广，波长广泛。中心性很强。不仅仅局限于原子层。宇宙中其他所有层面的中子也会带来辐射效应。可以看到源头，使得定位、跟踪变得困难。
2.2.6 热辐射
热辐射是指大气中宇宙热引起的辐射，在空间和时间上的任何位置都可以观察到热辐射。热辐射的主要原理是太阳光从太阳系温度区间温度最低的一个地区，经过大气层再到达地球，并传到海洋，最后到达人们的手臂上。因此，热辐射的辐射强度随着地球温度的升高而上升。
热辐射的主要特征有以下几点：
辐射强度随温度升高而上升。发散方向任意改变。在空间和时间上任意方向皆可观测到。影响面广，波长广泛。热辐射由大气产生，污染物质广泛。热辐射容易被天气影响，造成实际上的降雨或污染。
2.3 宇宙背景辐射的危害
2.3.1 临界效应
临界效应是指由于材料或辐射源极其昂贵而无法承载的辐射，它会破坏宇宙中其他物质的正常运作。临界效应所造成的损害有巨大、难以估量。当前世界上各种环境污染事件占据了世界总量的三分之一以上。世界各国都在加大抗击灾害和环境污染的科技投入，但仍然无法阻止一些危害性的临界效应。
2.3.2 健康危害
地球正在变得越来越加疯狂，由于运输、储存、处理等各种设备的过度增长，地球变得越来越贫瘠，环境变得越来越恶化。近几年，由于太阳能利用率的持续增加、城市居民的消费生活方式的改善、经济全球化的进程加快、海洋资源的无限丰富，加之大气污染、空气污染的日益蔓延，地球正遭遇越来越严重的健康问题。
近年来，由于环境污染和健康问题的突出，欧美各国开始推行一系列政策鼓励环保和健康，并向消费者传递健康知识。然而，环保政策和宣传大都只是减少、忽略了环境污染问题。对于环境污染问题，包括清洁生产、节约用水、使用低碳能源、戴口罩、用纸袋包装等方面，仍然需要进一步的政策支持和社会行动。
另外，由于临界效应的迅速扩散和庞大规模，导致了多种恶性疾病的诞生。例如，尘肺病、肝癌、结直肠癌、乙肝等疾病的发生率都在快速攀升。尽管对一些疾病的预防措施已经得到提高，但仍不能完全解决这一问题。对这一问题的预警仍然依赖于精准的监测、分析和预报，及时介入及时救治。
2.4 宇宙背景辐射检测技术
2.4.1 红外技术
红外技术是一种基于电波的生物探测技术，它主要用于近距离侦测几乎所有红外波段的物体。红外技术最先应用于军事侦察领域，之后逐渐扩展到环境监测领域。在环境监测领域，红外技术可以通过测量植被或者建筑物的遮挡程度、光照强度、污染物浓度、人员活动状态等环境参数，实现环境数据的精确监测。
与其他环境数据采集方法相比，红外技术的优势在于对环境参数的测量、对遮挡物、模糊物、电磁干扰物等各种环境噪声、变化对环境的影响均有一定的抗性。
红外技术检测地球背景辐射主要使用的是红外光谱仪。红外光谱仪采用二极天线制成的特殊设计，能够同时接收红外波长和可见光波长，为探测地球背景辐射提供了极其广泛的能见度。通过红外光谱仪收集的数据，可以精确地测量环境辐射，探测到各种来源、分布和高度的辐射。
红外技术能够对地球辐射进行精确的测量、快速、高效地数据采集。但是，它也存在一定的缺陷。首先，需要购买专业的红外光谱仪，成本较高。其次，红外技术只能探测到单一波段的辐射，且只能探测到陆地辐射。第三，当地球大气压力增加时，红外光谱仪的接收范围会变小，探测效果会受到影响。第四，探测范围有限，对天气条件、复杂的地形不利。
2.4.2 近红外技术
近红外技术是指在频谱上仅保留红外波段信息，通过适当的光路整形，降低接收信号强度，将不可见光转换成可见光。近红外技术可以探测红外波段和其它波段的辐射，并测量陆地、海洋、金属、石墨等物质的辐射。与红外光谱仪相比，近红外技术不需要高昂的成本和高能耗的仪器，可以满足大众的需求。但是，它的检测能力、探测范围有限，对日常环境没有什么实际意义。
2.4.3 微波技术
微波技术是指利用电磁波长的变化，通过传播、传导等各种方式，发出短距离的微弱波长射线，从而使目标物体或区域产生微弱的反射波，从而达到探测地球背景辐射的目的。微波技术目前用于固定和移动目标的侦测，尤其适用于在高空探测复杂的建筑物。
微波技术主要应用在电子产品领域，如激光打印、RFID技术、微型芯片、激光阅读器等，也可以用于环境监测领域。但由于微波波长的特性，它无法探测到不同波长的辐射。
2.4.4 遥感技术
遥感技术是指利用地球大气的影像，通过影像处理、计算机算法和大数据技术，对地球上各种环境数据进行分析，从而实现数据的提取和监测。遥感技术可以实现全球范围、高精度、高时效的数据获取。与其他技术相比，遥感技术可以在任何时候、任何地点，根据需求获取地球的各种环境数据。但由于要处理大量的图像数据，因此成本也相对较高。
2.4.5 辐射跟踪技术
辐射跟踪技术是指利用无线电技术，探测到地球上的微弱辐射源并跟踪它，记录它随时间的变化。它的好处是可以实现对固体、固化物、尘埃、气团等辐射源的跟踪，同时还可以分析其辐射特征、运行轨迹、路径。
由于高能耗的无线电技术要求部署在低能耗位置，因此无法实时跟踪地球上的微弱辐射源。它通常用于地震、山火、交通堵塞等复杂环境中探测微弱辐射源的活动轨迹。
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