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宇宙往事(2)
送交者: 留言 2007年08月05日00:00:00 于 [茗香茶语] 发送悄悄话


× × × ×

大爆炸学说最牛逼的地方就是预言宇宙背景辐射(CMB)存在。这预言有两个要点:(1)
完美的黑体辐射光谱;(2)不完美的温度各向同性。前者是说,光子能量分布有温度特
征,如上所说的,光强随频率变化严格遵从普朗克分布律,无明显偏差。后者说的是暴
胀纪元导致最早期宇宙物质密度分布的细微起伏,这些起伏演化到30万年时稍具规模,
物质密度高的地方,能量密度也高,即温度也相应地高,因此那批光子来自不同方位就
具有不同平均能量。

大爆炸理论诞生以来就没少争议,支持者反对者阵营鲜明,双方亟需实验证据。星系红
移为基础的哈勃膨胀是该理论最初的主要支撑。宇宙微波背景预言很牛逼,实验观测证
实它也就等于给大爆炸理论打一针强心剂了。CMB观测实验先后两次产生诺贝尔奖获得者,
由此可见它的重要性。CMB说法在1948年刚出台时没什么人注意,就是相信这理论的人也
觉得它太微弱了不可能观测得到。到1964年,几位苏联科学家发表论文说宇宙微波背景
可测。这年美国的普林斯顿大学几位学者,其中一个叫狄克,动手安装一台狄克式辐射
计准备进行测量,还没装完呢,就传来了一道消息。话说贝尔实验室两位物理学家,彭
齐亚斯和威尔逊,使用20尺喇叭天线时无意中发现一些奇怪信号。他们原计划是用这个
超灵敏天线进行射电天文学及卫星通讯研究,把天线对着天空进行调试,却发现在波长
为7.35cm地方不论在天空哪个方位不论何时何日总有一定量噪音存在。后来多作一些
测量之后他们知道原以为是噪音的信号具有辐射特征,于是把它归于银河系外传来的一
种辐射。他们根本不知道有CMB这么个说法,通过朋友才知道普林斯顿大学的狄克及其
同事在做CMB测量,于是就给狄克打了个电话,把他们的数据说了。狄克通完话,把电
话挂上之后跟那几个同事说,“Boys,we've been scooped.”(我们被别人抢先了。)
日后这句话流传开来,成了一句名言。狄克是个牛人,在射电天文学研究里发明了很多
方法和仪器,应用广泛,贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊观测到CMB所用仪器也正是狄克
式辐射计。狄克告诉彭齐亚斯和威尔逊,那个信号就是当今不少人正在寻找的宇宙背景
辐射。双方合作而各自发表文章,最后诺贝尔奖落彭齐亚斯和威尔逊手里。

但事情并非就这么完。不赞同大爆炸理论的人不认为那信号就是CMB,他们说远距离
星系传来的星光散射也可以解释这种背景辐射。于是大爆炸理论在上世纪七十年代初
就作出更详细预言,即前面说过的完美的黑体辐射光谱和微小的温度各向异性,这些
性质没法用星光散射解释。核实这些预言要求高精密度测量。地面上的测量会受到大
气吸收的严重影响,而球载试验,机载实验,或探空火箭实验也各有困难。美国宇航
局每几年发布一次“机会通告”(Announcement of Opportunity),征询太空科研
项目,1974年那一次,两个年轻人,一个叫马瑟一个叫斯穆特,都是新出炉博士,还
在做博士后,分别递交了关于在卫星上做精密CMB测量的研究计划。计划被选中,两人
分别负责一个小组,研究安装各自仪器,一个专攻完美黑体辐射光谱的测定,一个专
攻温度各向异性的测量,两仪器都载到一个卫星上,卫星命名为宇宙背景探测者
(COBE)。这项目历时十几年,终于在1989年COBE卫星升空。

这卫星上的测量深受众人关注,大爆炸理论支持者反对者都等着看结果。前些年里,
一些科学家用探空火箭做实验,在亚毫米波段的数据里有一个明显偏离分布曲线的小
坎,这就等于否定完美黑体辐射光谱的预言了,它是近年观测实验结果接二连三对大
爆炸理论的打击之一,整得一帮理论物理家们东碰西撞地修补理论,但这种仓卒应景
的带补丁理论很难说服人。微小温度各向异性方面也出岔子。理论对它最早估计是千
分之一的起伏,但气球载试验以万分之一精密度作测量,并没有发现任何起伏,使得
大爆炸理论提倡者忧心忡忡。后来人们把暗物质对宇宙结构演变的影响也考虑进去,
往回推算出当初的密度,得出更微小起伏的结论。COBE上测量温度各向异性的仪器号
称有百万分之三的灵敏度,“到时再测不出温度起伏,我们这些标准暴胀模型的鼓吹
者都得负罪自杀,”一个理论物理学家如是说。

COBE升空后几个星期里就往地面发送了大量数据。1990年一月美国天文学会在华盛顿
开年会,马瑟在一个会议分场发言,公布黑体辐射光谱方面的测量结果。大厅里挤满
听众,两边阵营不少人都来了,主持会议分场的是一个德高望众人物,叫伯比奇,时
为大爆炸理论反对派的主力干将之一。马瑟报告内容包括0.5毫米到一厘米波长范围内
测量的68个不同波长的数据,全落在一条2.735+/-0.06K的温度线上,频谱曲线平滑
漂亮,看不出任何坎坷。当马瑟打出这张曲线的幻灯片时,全场起立鼓掌。掌声多来
自大爆炸理论主张者,该理论逃过大劫,令他们如释重负。主持人波比奇看着满场激
动人群,喃喃自语,“这帮人是连钩带线带坠子一胡噜吞肚里了。”其后一年里,马
瑟的数据不断增多,平均下来,最后结果是CMB温度2.725+/-0.001K。斯穆特的数据
也出来了,他们给出清晰的天球温度分布的勘测图,温度涨落为30微K,即偏离完美
各向同性有大约十万分之一的起伏。大爆炸学说关于CMB的两个预言于是得到证实。

大爆炸理论断定,早期宇宙不断地销毁、再造光子,以至于一岁时宇宙就给充分热化
了。马瑟的实验数据表明宇宙第一年后再也没有新能源或熵源注入宇宙过,要不然宇
宙辐射场的温度平衡体系就给扰乱了。斯穆特的数据确认了宇宙30万岁时的密度微扰
结构,因而证实大爆炸理论的这么一个假设:引力场足以将一个几近均匀的宇宙演变
为当今充满星系的疙瘩结构,而这仅用140亿年而已。假如COBE实验结果不是那样的
话,我们还得启用一种或多种长程力来解释星系的形成,那样就违反广义相对论了。

从当年的年轻博士后到2006年诺贝尔物理奖获得者,马瑟和斯穆特走过了几十年的人
生黄金年代,一直做跟CMB有关的工作。如今两人已经满头银丝或一把白胡须。想当年,
马瑟在西海岸的伯克利大学读完博士就横穿美国大陆跑到东海岸的哥伦布大学做博士
后,而斯穆特则在东海岸的麻省理工学院拿到博士学位后跑到西海岸劳伦斯伯克力国
家实验室做博士后。两人交臂而过。然后他们分别从东西两海岸向美国宇航局递交CMB
研究计划。两人做相关事情却很少在一起。如今马瑟在位处东海岸的美国宇航局工作,
而斯穆特在伯克利大学做教授,仍然彼此隔着几千哩的美国大陆。似乎他们两个人大
半辈在地理位置意义上一直对着干了。马瑟当年去伯克利读博士有个说法:读完大学
后他曾考虑去普林斯顿大学读研究生,但那时有这么一个说法:普林斯顿大学女学生
太少,且马瑟有个朋友从伯克利大学寄来相片,一月份里还在穿短袖衣,青年马瑟就
奔加州去了。


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