宇宙微波背景辐射发现始末

 杨天林

1946年4月，美国著名物理学家和宇宙学家伽莫夫（George Gamow，1904-1968）发表了题为“膨胀宇宙和元素起源”的论文，论文分析了化学元素起源与宇宙早期膨胀过程的关系，伽莫夫认为，在宇宙早期的膨胀过程中，高密度的自由中子迅速且持续地复合出各种核素，在以后较冷的状态下，这些核素又通过β衰变转变成各种不同的原子核，论文本身只是基于物理理论和数学计算的一个预测或设想，但却成为热大爆炸宇宙学思想的重要基石。

乔治·伽莫夫

也正是在那段时间，伽莫夫遇到了两个非常有天赋的学生，分别是拉尔夫· 阿尔菲（Asher Ralph Alpher，1921-2007）和罗伯特·赫尔曼（Robert Hermann‎，1914-1997），这两个人后来都成为著名物理学家和天文学家。

拉尔夫·阿尔菲（左）和罗伯特·赫尔曼（右）

两年后的1948年4月1日，《物理评论》杂志刊发了一篇伽莫夫团队的论文，论文的核心思想仍然是化学元素的起源，论文主要探讨宇宙中的核子如何逐步变成较复杂的原子核，论文署名是阿尔菲、贝特（Hans Bethe，1906-2005）和伽莫夫，这个署名背后有一段鲜为人知的有趣故事，本来，理论物理学家贝特并没有做任何工作，伽莫夫添上他的名字只是为了使作者署名取得α-β-γ的谐音效果，后辈科学家就将这个理论称为“α-β-γ理论”。贝特本人早年因为研究原子核物理理论已经闻名于世，早在1938年，他就指出恒星的能量来自其内部氢聚变为氦的过程，这也是他获得1967年度诺贝尔物理学奖的重要原因。

理论物理学家贝特在给学生上课

论文《The Origin of Chemical Elements》首页

有意思的是1948年4月1日恰恰是愚人节，正是这篇发表在愚人节且颇有娱乐色彩的α-β-γ论文首次正式提出了大名鼎鼎的宇宙大爆炸理论（严格地说应该叫做“宇宙热大爆炸”理论），学术界认为这篇论文的发表标志着现代宇宙学翻开了新的一页。

几个月后，阿尔菲和赫尔曼在《自然》杂志发表的一篇论文中首次预言了宇宙黑体辐射的存在，并以相当简洁的方法推算出现今的宇宙背景辐射温度为5K，遗憾的是，这个非常重要的结论被世人忽视了20年之久。

其实，自从大爆炸理论诞生后，科学家都会思考这样一个问题，如果这个理论成立，那我们宇宙的温度肯定随膨胀而降低，直到今天。无限但有界的宇宙最边沿的温度还剩多少呢？科学家说大致是绝对温标5K左右，这相当于摄氏温度负278℃，大家都知道，摄氏温度的负273℃相当于绝对温标的0K，可见这个温度有多么低了。预言固然重要，更重要的是你能不能观测到，天文学家的努力能否得到回报，包括阿尔菲和赫尔曼在《自然》杂志发表的论文中对宇宙黑体辐射的预言能否得到证实。

今天我们都知道，宇宙中的氦和其他元素是通过大爆炸产生的，与宇宙演化理论研究有关的最重要的天文观测结果还包括哈勃定律和微波背景辐射，这两个观测结果告诉我们，宇宙一直膨胀到现在，它的剩余温度正好是3K（摄氏负270℃）。

所谓宇宙微波背景就是宇宙大爆炸留下的遗迹，想想都让人头痛，一个在130多亿年前就爆炸的火球能留下什么东西？或许就是当初发出的那一束光，这当然是开玩笑，因为在宇宙创生之初，那一团火球过于炽热，处于游离状态的原子核和电子在原初的无序状态中不断地和光子相撞，处于囚禁状态的光子也不可能自由传播。大约几十万年后，原子核才与电子结合形成原子，光子才可以在宇宙中自由穿行，那时候宇宙的温度和创世之初相比已经很低了。历经130多亿年的悠悠岁月，这些最初的光终于辐射到宇宙的每个角落，而且波长还会被宇宙的膨胀之力拉长，天文学家才会在微波波段看到它们，它们就是宇宙微波背景。

根据大爆炸理论，宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background，CMB，又称3K背景辐射）产生于130多亿年前（即大爆炸发生之后的瞬间），那时候，炽热宇宙发出的辐射带有很明显的温度信号（黑体频谱），直到今天，这个辐射仍然存在。

宇宙微波背景辐射是一种充满整个宇宙的电磁辐射，频率集中在微波范围，特征和绝对温标为2.725K的黑体辐射相同。微波背景辐射是宇宙大爆炸之后的遗留能量，它均匀地分布在宇宙空间，测量宇宙中的微波背景辐射，似乎可以追溯宇宙的“婴儿时代”，有助于我们了解宇宙中恒星和星系的形成过程。

根据宇宙微波背景辐射的观测绘制的图像

20世纪60年代以前，一些天体物理学家就认为，如果宇宙大爆炸这个前提真实，就应该残留有温度为几开（几K）的背景辐射，并且在厘米波段上可以被观测到。当初阿尔菲和赫尔曼根据大爆炸理论估算，宇宙微波背景的温度应该在5K附近，要命的是当时人类所掌握的技术不可能探测到宇宙微波背景，所以压根儿就没有人相信和理睬两个人的预言，如果有人提到宇宙微波背景，绝大多数人会认为它是一种玄学。

这正是宇宙大爆炸理论出笼之后又很快陷入沉寂的主要原因，大约15年后，又有一些天文学家开始关注宇宙大爆炸理论，其中一个叫罗伯特·迪克（Robert Dicke，1916-1997）的美国人表现最积极，迪克是普林斯顿大学天文系的教授，他指导自己的研究生专门探测宇宙微波背景，在这些研究生中最有才华的一个是詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles，1935-）。

 天文学家罗伯特·迪克

                   天文学家詹姆斯‧皮布尔斯

1964年，迪克与皮布尔斯在一篇论文中再次预言了宇宙微波背景的存在，所不同的是论文中认为宇宙微波背景的温度应该是3K左右。奇怪的是论文只字未提阿尔菲和赫尔曼的工作，好像他们自己的论文才是原创性的工作，所过年代并非太久，实际上阿尔菲和赫尔曼曾经做过相同的研究，迪克与皮布尔斯两个人主要还是对前辈工作的深化和发展。

因为沉寂得太久，宇宙微波背景的再预言就显得很重要。有一天，当迪克和他的团队成员在吃中午饭的时候接到了一个电话，打电话的是美国贝尔实验室的犹太裔射电天文学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Allan Penzias，1933-）和物理学家罗伯特·威尔逊（Robert Wilson，1937-），1965年夏天的那个电话似乎让迪克关于宇宙微波背景的梦想化为泡影。

阿诺·彭齐亚斯（左）和罗伯特·威尔逊（右）

原来在一年前，在贝尔实验室的经费支持下，彭齐亚斯和威尔逊建造了一个大型的射电望远镜，目的是接收远距离无线通讯信号，他们希望测试技术能带来质的突破。这台射电望远镜有一个巨大的喇叭口，操作人员可以任意调整喇叭口的方向，使其里面的天线能接收到来自任何方向的无线电和微波信号。

从一开始，彭齐亚斯和威尔逊就遇到了一个问题，他们在接听信号的时候，喇叭口里的接收天线总是始终不断地发出嗡嗡嗡的噪音，不管两个人如何调整天线的方向，噪音都不会消失，这意味着噪音来自于宇宙的每一个方向，更奇怪的是噪音完全不受昼夜和季节的影响。

是不是望远镜本身出了问题，两个人花了大量时间排除故障，有一天，他们发现一对鸽子在喇叭口里筑了窝，还在天线上拉了很多鸽子屎，他们以为这就是“症结”所在，所以，两个人花了几天时间清理了鸽子窝和鸽子屎，还把整个喇叭口擦拭一新。等再次打开仪器测试时，那个折腾了他们很长时间的噪音依然存在，噪音犹如竖立在彭齐亚斯和威尔逊面前的巨大障碍，令他们无比沮丧。

两个人被这种神秘噪音折磨得有些精疲力尽，恰在此时，一个在麻省理工学院工作的朋友寄来了一篇论文，论文的作者正是迪克与皮布尔斯，这就是前面预言宇宙微波背景辐射的那篇论文。看完论文后，彭齐亚斯终于明白自己发现了什么，原来折磨他们将近一年的神秘噪音不是什么命运的诅咒，恰恰是上天的眷顾。

彭齐亚斯和威尔逊的超大射电望远镜

这才有了那天中午午餐时的那个电话，彭齐亚斯和威尔逊在电话中告诉迪克，他们已经发现了迪克想要寻找的东西，迪克团队意识到他们关于宇宙微波背景的研究已经被别人抢先了一步，不过，在迪克这里，宇宙微波背景的梦想并非都化为泡影。

1965年7月，《天体物理学期刊》上发表了两篇论文，第一篇论文的作者是彭齐亚斯和威尔逊，论文报告了他们发现的微波噪音，噪音来自宇宙且无处不在，这意味着星空背景普遍存在着微波背景辐射（2.7K），这种辐射在天空中是各向同性的，这一发现的重要意义在于为热大爆炸宇宙理论提供了直接的定量支持；第二篇论文的作者是迪克和皮布尔斯，论文结合他们在1964年发表的研究成果和彭齐亚斯和威尔逊的发现，将大爆炸理论与宇宙微波背景的预言进行关联，正是这两篇论文让沉寂了很多年的宇宙大爆炸理论又一次深入人心，也正是由于这个史诗般的发现才使宇宙学成为一门真正意义上的现代科学。

总体来看，彭齐亚斯和威尔逊的贡献更大些，这一发现同由理论预言的热大爆炸遗留下的余热相符，有利地支持了大爆炸宇宙学的观点。宇宙微波背景辐射的发现在近代天体演化学方面具有非常重要的意义，为宇宙大爆炸理论提供了一个有力的证据，彭齐亚斯和威尔逊也因这一发现而获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

又过了41年，皮布尔斯也获得诺贝尔物理学奖，诺贝尔奖组委会在他的获奖理由中说：“他从上世纪60年代中期起发展起来的理论框架，成为我们当前理解宇宙的基础。”所以，他的获奖理由仍然与大爆炸理论和微波背景辐射有关。 

2019年10月8日，詹姆斯‧皮布尔斯在瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖颁奖会场

宇宙微波背景辐射的研究并未到此止步，在这个领域做出重要贡献的还有两个人，美国天体物理学家约翰·马瑟(John C. Mather，1945-)和物理学家乔治·斯穆特(George F. Smoot，1945-)。

我们还记得，大爆炸理论有一个预测，微波背景辐射具有黑体辐射的特性，但这有待于实验观测和证实。在马瑟和斯穆特之前，科学家对微波背景辐射的测量均在地面上进行，结果很难做到精确，早在1974 年，马瑟就提议发射一颗专门用于探索宇宙微波背景的卫星，随后取名为宇宙背景探测者（Cosmic Background Explorer，简称 COBE卫星），美国国家航空航天局（NASA）很快批准了这一计划。作为卫星远红外线绝对光度计的负责人，马瑟在揭示宇宙微波背景辐射黑体形式的实验中承担主要工作，斯穆特负责探寻微波背景辐射在不同方向的微小温差。

　        约翰·马瑟                

乔治·斯穆特

经过长时间的准备，1989年11月18日，探测宇宙微波背景辐射的卫星（ COBE卫星）被送入太空，借助于COBE卫星，马瑟和斯穆特领导的研究团队首次完成了对宇宙微波背景辐射的太空观测研究。

在1990年1月的一次学术会议上，马瑟和斯穆特展示了卫星探测到的辐射光谱曲线，他们对 COBE卫星测量结果进行分析计算后发现， COBE卫星观测到的宇宙微波背景辐射谱与温度为 2.74K 的黑体辐射谱非常符合，计算结果比以前更精确地验证了宇宙微波背景辐射的黑体谱形的特征，与大爆炸宇宙学所预言的结果非常一致。

在分析了卫星传回的数据后，斯穆特发现了宇宙微波背景辐射的各向异性（所谓的“涟波辐射”），即宇宙微波背景辐射温差为十万分之几，真的是令人难以置信，这个在不同方向的辐射温度存在极其微小的差异竟然表明了宇宙早期存在微波的不均匀性。

2006年10月3日，瑞典皇家科学院宣布将诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰·马瑟(John C. Mather，1945-)和乔治·斯穆特(George F. Smoot，1945-)，颁奖理由是他们关于“宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性”的研究为有关宇宙起源的大爆炸理论提供了某种支持，有助于人类了解早期宇宙的状态，帮助天文学家更好地理解恒星和星系的起源。

在写这一段文字的时候，我们当然没有忘记热大爆炸宇宙学之父伽莫夫，虽然他没能获得诺贝尔物理学奖，不会忘记阿尔菲和赫尔曼，他们是最早预言宇宙微波背景的人，也不会忘记迪克，他和皮布尔斯是最早发明探测宇宙微波背景仪器和试图获得微波背景辐射信号的人，正是他们的工作照亮了科学的前路。