11. 探寻宇宙的第一束光

使大多数科学家转变观点，认真思考以致最终接受大爆炸模型的，是宇宙微波背景辐射的发现，是这些围绕我们周围无处不在的“古老之光”。不难明白大多数人观点转变的原由：轻元素丰度的测量值和理论预言值的确吻合得很好，但那不过只是几个简单的数字，其力量不足以扭转人们对稳态宇宙根深蒂固的信念。至于从哈勃开始就一直观察到的宇宙正在膨胀的事实，也不足以让人相信由此而倒推回到137亿年之前的景象是“真实”的。并且，宇宙在不在膨胀，或是否加速膨胀，普通人看不见也感觉不到，只听天文学家们这么说，许多人总是有些将信将疑。

然而，微波背景辐射（或宇宙微波背景，简称为CMB）不同，它就在我们身边，尽管微波也不能被我们的肉眼看见，但人们，即使是非科学界人士，对这个名词并不陌生，基本上不会怀疑现代科学技术能够探测到它们。

当然，绝大多数人仍然相信“口说无凭、眼见为实”，即使不是亲眼见，也得有实验证据。所以当伽莫夫在40年代末从理论上预言微波背景辐射时，也没有多少人重视它，直到1964年美国贝尔实验室两位工程师的实验天线探测到它们，CMB才一跃而成为天文中的热门研究课题。

伽莫夫是个极为诙谐有趣的科学家，从列宁格勒大学时代开始，就喜欢开玩笑。即使人到中年，幽默感仍然有增无减，从他发表那篇大爆炸模型论文的过程便可见一斑。当年，伽莫夫和他的学生阿尔菲研究了大爆炸中元素的合成，并且认识到，宇宙的温度随着爆炸后其年龄的增长而逐渐降低。跟据阿尔菲的计算，从早期极热的状态（大约10⁹K）推算到今天，宇宙经过了漫长的岁月，应该冷却到绝对温度5K左右，这是对CMB的最早预言。论文发表之前，伽莫夫“玩”心大发，发现阿尔菲和他自己的名字第一个字母正好和α、γ谐音，心想中间再加个β就好了，可以拼凑成一个有意思的作者组合（希腊语开始三个字母）。于是便说服当时已经颇有名气但并未参加此项具体研究工作的汉斯·贝特入伙，又将论文在1948年4月1日愚人节那天发表，称为αβγ理论。此举当时就引起阿尔菲的不快，甚至多年后仍然微有怨言。

微波背景辐射的实验发现就更具戏剧性了。谈及这件事情时，人们总是津津乐道地说：“美国两位无线电工程师偶然发现了CMB”，但这种说法并不完全确切，对美国新泽西贝尔实验室两位诺奖得主当时（1964年）的资历和能力也有失公平。准确地说，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊不仅是工程师，也可算是科班出身的天文学家，他们分别从哥伦比亚大学和加州理工学院获得了博士学位。只不过他们那时对大爆炸理论的确一无所知，不是存心有准备的要探测宇宙中的CMB而已。

两位研究者的工作是射电天文学，他们看上了实验室附近克劳福德山上的一架废弃不用了的角锥喇叭天线。那是一个重达18吨的庞然大物，见图11-1b，原来是用来接收从卫星上反射回来的极微弱通讯信号的，不巧这个功能很快被之后发展得更为先进的通信卫星所替代。可以想象，那时候在研究经费上的分配，通讯领域一定是大大优于天文研究的。因而，两位专家花了大量的精力和时间，将这个喇叭天线改造成了一台高灵敏度低噪声的射电天文望远镜，准备用它来观测微弱的宇宙射电源。

图11-1：微波背景辐射的发现

与此同时，离他们不远的普林斯顿大学，倒是真有一位叫迪克（R.H. Dicke , 1916年- 1997年）的物理系教授，他领导了一个小组，包括他的学生D. Wilkinson等，正在建造一台3.2厘米的射电望远镜，雄心勃勃地准备探测CMB，即广漠无边的宇宙中的“微波背景”。

这个故事正应了那句“有心栽花花不发，无心插柳柳成荫”的俗话。迪克教授的“花”还未来得及“栽”下去，那边克劳福德山上的两位科学家却被他们的“低噪声”设备接收到的大量“噪声”所困惑，不知其为何物？不难揣测，当迪克教授听到这个消息驱车前往仅距1小时车程的克劳福德山并证实了两位工程师接收到的“噪声”正是他梦寐以求的CMB信号时，心情是何等复杂？固然免不了遗憾，但更多的应该是惊喜：终于抓到被伽莫夫所预言的“宇宙大爆炸的余辉”了！

实际上，当时的迪克等已经对伽莫夫的热爆炸理论作了很多深入研究，迪克甚至早于伽莫夫之前，就已经预测过空间中应该存在某种“来自宇宙的辐射”。上世纪60年代，他又带领学生重新投入这项研究，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊接受到额外的“噪声”后^【1】，迪克坦诚地告诉他们这个工作对宇宙学的重要性，迪克将CMB解释为大爆炸的印记，并为此作了不少理论工作，预测其光谱应该是如图11-2所示的黑体辐射谱^【2】。

CMB的发现对稳恒态宇宙理论是一个致命的打击，其代表人物霍伊尔试图用别的理论来解释它。比如说，他们认为，CMB也许是普通星系发出的光被宇宙中的尘埃吸收散射后的结果。但这点很快就被CMB光谱图的进一步测量结果否定了。因为结果表明，CMB具有近乎完美的（2.72548±0.00057 K）附近的黑体辐射谱，宇宙中普通尘埃的散射光谱则很难满足这点。1990年，远红外光谱仪FIRAS在宇宙背景探测者（COBE）上以高精密度的测量，证明了宇宙微波背景光谱精确符合黑体辐射的规律（图11-2c）。

图11-2：黑体辐射谱

黑体辐射是一个热力学物理术语，听起来有点玄乎，这儿的“黑体”并不一定要是“黑”色的，它是一个理想化了的物理名词，指的是只吸收不反射的理想物体，不反射不折射但仍然有辐射，那就是黑体辐射。绝对的黑体在现实中是不存在的，但实际上许多常见物体的辐射都可以近似地用黑体辐射谱来描述。我们知道，很多物体都会辐射电磁波：大到太阳，小到灯泡、烤箱、火炉，甚至还包括我们自己的身体在内，人体便是一个不停地向外辐射红外线的辐射源。

当新泽西的两位工程师第一次接收到CMB时，他们的接收器调谐到一个很窄的频率（160 Ghz），对应的波长在1.9 mm附近。但是，物体辐射的电磁波不会是一个单一的波长，而是按照不同强度分布在一段波长范围内，称之为“谱”。黑体辐射谱的规律就是如图11-2所示的曲线，它们具有特定的形状，为什么是这种形状？量子力学的先驱者普朗克回答了这个问题，正是因为普朗克对黑体辐射谱的研究而导致了量子力学的创立，我们在此不表。

如图11-2a所示，形状类似的黑体辐射曲线，在“强度-波长”的坐标图中移来移去，它的位置只取决于一个参数：黑体的温度T。那是因为黑体辐射是光和物质达到热平衡时的热辐射，因而只与温度有关。黑体辐射峰值的波长随黑体温度的降低而增加。反之，如果黑体的温度升高，其辐射波长便降低，光谱像蓝光一端移动。这个现象在日常生活中屡见不鲜，比如放进炉子中的拨火棍，温度升高时，颜色从黑变红，再变成橙、黄、蓝、白等。

根据热爆炸理论，早期宇宙（几分钟时）处于辐射为主的完全热平衡状态，光子不断被物质粒子吸收和发射，从而能够形成一个符合普朗克黑体辐射规律的频谱。但是，太早期的宇宙对光子是不透明的，也就是说，那时候的光子只是不断地湮灭和产生，没有长程的传播，直到宇宙膨胀温度降低到大约3000K时，电子开始绕核旋转，与原子核复合而形成稳定不带电的中性原子结构，大大降低了光子湮灭和产生的几率而开始在膨胀的宇宙空间中传播，亦即宇宙对光子而言逐渐成为“透明”。这时宇宙的年龄大约为38万岁左右，称之为“最后散射”时期。这是大爆炸之后，得以在宇宙空间中“传播”的“第一束光”！

这古老的“第一束光”，其频谱应该符合3000K的黑体辐射，遗憾那时候星系尚未形成，没有高等生物，没有仪器探测到它们，也不可能被记录下来。不过，这些辐射一直存留在宇宙空间中，见证了宇宙137亿年膨胀演化的历程。如今，1964年开始，终于被人类发现并且能够捕捉到了。

137亿年过去了，“第一束光”的波长因为宇宙膨胀而“红移”，峰值波长从靠近可见光波长的数值，红移到了微波的范围，见图11-2b。因为CMB所有电磁辐射的波长都发生宇宙红移，所以，表示黑体辐射规律的谱线形状并未改变。图11-2c是COBE在上世纪90年代测量到的2.725K的微波背景辐射谱，图中可见，实验测量值与理论值非常准确地符合。

微波背景辐射的黑体辐射谱，是对大爆炸宇宙模型的强有力支持，否则很难说明这种四面八方到处都存在的电磁波来自何处？只有2.725K（約為零下 270℃）的微波，却准确地符合黑体辐射谱线，辐射源到底在哪儿呢？无论你对大爆炸理论信或不信，好像目前只有它能对此给出让人接受的，较为合理的解释。科学不是政治，不同于党派之争，也不是宗教信仰，它是无数科学家共同的心血和结晶。真正的科学家不是只为了维护某一个学说而奋斗，也不会把打倒某个理论当作目标，他们的目的是实话实说，认识自然，纠正错误，探索真理。

（下一篇继续介绍CMB）

参考资料：

【1】Penzias, A.A.; Wilson, R.W. A Measurement of ExcessAntenna Temperature at 4080 Mc/s. Astrophysical Journal. 1965, 142: 419–421.

【2】Dicke, R. H.; Peebles, P. J. E.; Roll, P. G.; Wilkinson,D. T. (1965). "Cosmic Black-Body Radiation". Astrophysical Journal142: 414–419.