× × × ×
大爆炸學說最牛逼的地方就是預言宇宙背景輻射(CMB)存在。這預言有兩個要點:(1)
完美的黑體輻射光譜;(2)不完美的溫度各向同性。前者是說,光子能量分布有溫度特
征,如上所說的,光強隨頻率變化嚴格遵從普朗克分布律,無明顯偏差。後者說的是暴
脹紀元導致最早期宇宙物質密度分布的細微起伏,這些起伏演化到30萬年時稍具規模,
物質密度高的地方,能量密度也高,即溫度也相應地高,因此那批光子來自不同方位就
具有不同平均能量。
大爆炸理論誕生以來就沒少爭議,支持者反對者陣營鮮明,雙方亟需實驗證據。星系紅
移為基礎的哈勃膨脹是該理論最初的主要支撐。宇宙微波背景預言很牛逼,實驗觀測證
實它也就等於給大爆炸理論打一針強心劑了。CMB觀測實驗先後兩次產生諾貝爾獎獲得者,
由此可見它的重要性。CMB說法在1948年剛出台時沒什麼人注意,就是相信這理論的人也
覺得它太微弱了不可能觀測得到。到1964年,幾位蘇聯科學家發表論文說宇宙微波背景
可測。這年美國的普林斯頓大學幾位學者,其中一個叫狄克,動手安裝一台狄克式輻射
計準備進行測量,還沒裝完呢,就傳來了一道消息。話說貝爾實驗室兩位物理學家,彭
齊亞斯和威爾遜,使用20尺喇叭天線時無意中發現一些奇怪信號。他們原計劃是用這個
超靈敏天線進行射電天文學及衛星通訊研究,把天線對着天空進行調試,卻發現在波長
為7.35cm地方不論在天空哪個方位不論何時何日總有一定量噪音存在。後來多作一些
測量之後他們知道原以為是噪音的信號具有輻射特徵,於是把它歸於銀河系外傳來的一
種輻射。他們根本不知道有CMB這麼個說法,通過朋友才知道普林斯頓大學的狄克及其
同事在做CMB測量,於是就給狄克打了個電話,把他們的數據說了。狄克通完話,把電
話掛上之後跟那幾個同事說,“Boys,we've been scooped.”(我們被別人搶先了。)
日後這句話流傳開來,成了一句名言。狄克是個牛人,在射電天文學研究里發明了很多
方法和儀器,應用廣泛,貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜觀測到CMB所用儀器也正是狄克
式輻射計。狄克告訴彭齊亞斯和威爾遜,那個信號就是當今不少人正在尋找的宇宙背景
輻射。雙方合作而各自發表文章,最後諾貝爾獎落彭齊亞斯和威爾遜手裡。
但事情並非就這麼完。不贊同大爆炸理論的人不認為那信號就是CMB,他們說遠距離
星系傳來的星光散射也可以解釋這種背景輻射。於是大爆炸理論在上世紀七十年代初
就作出更詳細預言,即前面說過的完美的黑體輻射光譜和微小的溫度各向異性,這些
性質沒法用星光散射解釋。核實這些預言要求高精密度測量。地面上的測量會受到大
氣吸收的嚴重影響,而球載試驗,機載實驗,或探空火箭實驗也各有困難。美國宇航
局每幾年發布一次“機會通告”(Announcement of Opportunity),徵詢太空科研
項目,1974年那一次,兩個年輕人,一個叫馬瑟一個叫斯穆特,都是新出爐博士,還
在做博士後,分別遞交了關於在衛星上做精密CMB測量的研究計劃。計劃被選中,兩人
分別負責一個小組,研究安裝各自儀器,一個專攻完美黑體輻射光譜的測定,一個專
攻溫度各向異性的測量,兩儀器都載到一個衛星上,衛星命名為宇宙背景探測者
(COBE)。這項目歷時十幾年,終於在1989年COBE衛星升空。
這衛星上的測量深受眾人關注,大爆炸理論支持者反對者都等着看結果。前些年裡,
一些科學家用探空火箭做實驗,在亞毫米波段的數據里有一個明顯偏離分布曲線的小
坎,這就等於否定完美黑體輻射光譜的預言了,它是近年觀測實驗結果接二連三對大
爆炸理論的打擊之一,整得一幫理論物理家們東碰西撞地修補理論,但這種倉卒應景
的帶補丁理論很難說服人。微小溫度各向異性方面也出岔子。理論對它最早估計是千
分之一的起伏,但氣球載試驗以萬分之一精密度作測量,並沒有發現任何起伏,使得
大爆炸理論提倡者憂心忡忡。後來人們把暗物質對宇宙結構演變的影響也考慮進去,
往回推算出當初的密度,得出更微小起伏的結論。COBE上測量溫度各向異性的儀器號
稱有百萬分之三的靈敏度,“到時再測不出溫度起伏,我們這些標準暴脹模型的鼓吹
者都得負罪自殺,”一個理論物理學家如是說。
COBE升空後幾個星期里就往地面發送了大量數據。1990年一月美國天文學會在華盛頓
開年會,馬瑟在一個會議分場發言,公布黑體輻射光譜方面的測量結果。大廳里擠滿
聽眾,兩邊陣營不少人都來了,主持會議分場的是一個德高望眾人物,叫伯比奇,時
為大爆炸理論反對派的主力干將之一。馬瑟報告內容包括0.5毫米到一厘米波長範圍內
測量的68個不同波長的數據,全落在一條2.735+/-0.06K的溫度線上,頻譜曲線平滑
漂亮,看不出任何坎坷。當馬瑟打出這張曲線的幻燈片時,全場起立鼓掌。掌聲多來
自大爆炸理論主張者,該理論逃過大劫,令他們如釋重負。主持人波比奇看着滿場激
動人群,喃喃自語,“這幫人是連鈎帶線帶墜子一胡嚕吞肚裡了。”其後一年裡,馬
瑟的數據不斷增多,平均下來,最後結果是CMB溫度2.725+/-0.001K。斯穆特的數據
也出來了,他們給出清晰的天球溫度分布的勘測圖,溫度漲落為30微K,即偏離完美
各向同性有大約十萬分之一的起伏。大爆炸學說關於CMB的兩個預言於是得到證實。
大爆炸理論斷定,早期宇宙不斷地銷毀、再造光子,以至於一歲時宇宙就給充分熱化
了。馬瑟的實驗數據表明宇宙第一年後再也沒有新能源或熵源注入宇宙過,要不然宇
宙輻射場的溫度平衡體系就給擾亂了。斯穆特的數據確認了宇宙30萬歲時的密度微擾
結構,因而證實大爆炸理論的這麼一個假設:引力場足以將一個幾近均勻的宇宙演變
為當今充滿星系的疙瘩結構,而這僅用140億年而已。假如COBE實驗結果不是那樣的
話,我們還得啟用一種或多種長程力來解釋星系的形成,那樣就違反廣義相對論了。
從當年的年輕博士後到2006年諾貝爾物理獎獲得者,馬瑟和斯穆特走過了幾十年的人
生黃金年代,一直做跟CMB有關的工作。如今兩人已經滿頭銀絲或一把白鬍鬚。想當年,
馬瑟在西海岸的伯克利大學讀完博士就橫穿美國大陸跑到東海岸的哥倫布大學做博士
後,而斯穆特則在東海岸的麻省理工學院拿到博士學位後跑到西海岸勞倫斯伯克力國
家實驗室做博士後。兩人交臂而過。然後他們分別從東西兩海岸向美國宇航局遞交CMB
研究計劃。兩人做相關事情卻很少在一起。如今馬瑟在位處東海岸的美國宇航局工作,
而斯穆特在伯克利大學做教授,仍然彼此隔着幾千哩的美國大陸。似乎他們兩個人大
半輩在地理位置意義上一直對着幹了。馬瑟當年去伯克利讀博士有個說法:讀完大學
後他曾考慮去普林斯頓大學讀研究生,但那時有這麼一個說法:普林斯頓大學女學生
太少,且馬瑟有個朋友從伯克利大學寄來相片,一月份里還在穿短袖衣,青年馬瑟就
奔加州去了。