陈若颖

噪声中的“大发现”

说起这个故事，我们需要先把目光转到1964 年美国的贝尔实验室。当时的实验室中，有两位研究员——阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊。为了跟踪卫星，他们架设了具有高灵敏度的喇叭状天线。为了测试天线的各种性能，他们尝试利用这些天线来接收银河系中的无线电信号。但是他们发现，在接收到的无线电信号当中，存在着一种无论如何也抹不掉的噪声。当他们把一些可能的干扰，如城市中传输的各种电磁波、核试验里的电磁波、大气中的放射性物质所产生的电磁波排除后，那种噪声依旧存在。于是，他们开始怀疑噪声是从天线内部发出来的。无奈之下，他们甚至爬到天线中去清理了鸽子窝和鸟粪。但即便如此，这个噪声还是顽强地存在着。更令他们困惑的是，这种噪声不是仅仅来自银河系盘面的方向，而是遍布宇宙，强度相当，还不随季节等因素而变化。

彭齐亚斯、威尔逊和他们架设的天线

困惑之下，彭齐亚斯和威尔逊开始向他人求助，在问到曾经担任过宇宙低温辐射搜寻小组领导人的罗伯特·狄克时，他们才意识到，自己无意中竟然搞出了一个大新闻。两个小组立即展开联合攻关。在1965年，彭齐亚斯和威尔逊在《天体物理学报》上发表了文章，宣布了他们的发现。随后，狄克等人在同一杂志上解释他们观测到的噪声其实就是“宇宙微波背景辐射”。就这样，作为20世纪60年代天文学四大发现之一的宇宙微波背景辐射被人们找到了。由于他们的重大发现，1978年，彭齐亚斯和威尔逊两位博士被授予了诺贝尔物理学奖。

宇宙微波背景辐射

那么看到这里你可能要问，宇宙微波背景辐射是什么？要解答这个问题，还得从更早说起。

20世纪初，科学家们就已经开始试图利用科学方法探尋宇宙从何而来、又将向何处去的问题。1912年，维斯托·斯里弗就发现绝大多数“星云”都在远离地球（当时的“星云”是指天空中所有云雾状的天体）。但因为当时人们不能确定这些天体是否位于银河系之内，所以人们没能立刻明了斯里弗的这个发现对于宇宙学的意义。直到1929年，爱德温·哈勃通过观测确定了河外星系的存在，并提出了著名的哈勃定律，才使人们认识到我们的宇宙正在膨胀。1931年，比利时物理学家乔治·勒梅特根据前人的发现，从宇宙膨胀倒推，认为宇宙的所有物质最开始都应该集中于一个很小的原生原子中，从而提出了“原生原子假说”，这也就是后来宇宙大爆炸理论的雏形。

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哈勃定律

20世纪20年代，爱德温·哈勃利用威尔逊山天文台中的天文望远镜观测发现，所有的河外星系都在远离我们，并且它们远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比。为了纪念哈勃的贡献，这个定律被称为哈勃定律。我们可以把哈勃定律简单地理解为：距离我们越远的星系正在以越快的速度远离我们。

基于以上观点，1948年美国宇宙学家乔治·伽莫夫提出了“热大爆炸理论”（以下简称大爆炸理论）。他认为，我们的宇宙应该是从一个高温、高热且致密的极小空间诞生的，经过大爆炸并一直不断膨胀，才成为今天这个样子。当然，这只是一个假说，因为谁也没有目睹过宇宙大爆炸的发生。

在理论模型中，最初的宇宙是十分炽热且混沌的，质子和电子混乱地充斥在整个空间中，爆炸的光无法在空间中自由传播。但膨胀使空间逐渐冷却，到达一个临界点后，质子和电子几乎在瞬间结合成氢原子，宇宙突然变得明朗起来，光在空间中便能够自由传播。

据理论推测，我们的宇宙拥有第一束光时，仅仅38万岁。今天，虽然宇宙已经成长了百亿年，但当时的光作为大爆炸的余晖，至今仍在宇宙中漫游着。所以，伽莫夫有一个预言：今天的宇宙均匀地布满温度约为5K的光（K即开尔文，是国际单位制中的温度单位，开氏度=摄氏度+273.15），也就是我们现在所说的宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景辐射

在宇宙中发光发热

说到这里就又牵涉两个问题：为什么这个光是均匀存在着的？为什么光不用亮度单位而用温度单位来表示？

首先，大家想象中的光应该是像太阳光那样，有一个明确的光源，光从光源发出后向四周散射，光源越远，照亮范围越广，某个点能够接收到的光就越少。但我们需要明白，宇宙的膨胀和我们常识中的膨胀不同，它是没有一个明确中心的，宇宙空间中的每个天体都在彼此远离。为了更好地理解这个现象，大家可以找一个气球，然后简单地把宇宙空间想象成气球表面（注意：是气球的那层橡胶表面，不包括里面的气体），在气球上随手用黑笔画几个点当作宇宙中的天体。我们在吹气球时，是不是就可以观察到气球上的黑点都在彼此远离，但我们并不能找到这些黑点共同的膨胀中心。因为宇宙是“均匀”膨胀的，所以当时的光也就形成了均匀的背景辐射。

其次，光怎么能用温度单位来表示呢？这是因为物体会发出与其温度相对应的光。比如说太阳表面的温度约为6000K，它发出的光就大部分分布在可见光波段。我们人体也可以发出光，不过由于体温比较低，所以发出来的光不在可见光波段，而在红外线波段。如今我们常见的红外线体温计就是利用我们身体的这个特性进行体温检测的。总而言之，物体会根据不同的温度而改变其发光特征，所以我们就可以用温度来描述光。

太阳辐射波段

一般来说，物体发出的光不会只是一种波长的，而是很多波长的光的叠加，并且物体温度越高，发出的光的波长越短;温度越低，发出的光的波长越长。于是，伽莫夫进一步预言：这些光会随着宇宙的膨胀，能量越来越小、波长越来越长，到现在它已冷却成一种比可见光波长还要长的光。因为这种波长的光属于微波范畴，由此得名宇宙微波背景辐射。可以说，宇宙微波背景辐射就是宇宙中最古老的光，它穿越了漫长的时间与空间后成为“微波”，充盈在整个宇宙空间里，而且分布之均匀犹如宇宙的“背景”。

找寻宇宙微波背景辐射

通过以上的描述，我们了解到宇宙微波背景辐射来源于宇宙大爆炸。那么反过来，如果我们能够观测到宇宙微波背景辐射，就可以为宇宙大爆炸这一当时还不为人所接受的理论提供有力的支持了。因此，在宇宙大爆炸理论提出后，科学家们都在积极探索观测方法来寻找宇宙微波背景辐射。但因为伽莫夫所预估的温度比宇宙微波背景辐射实际的温度要高，所以科学家们使用各种方法，在他所说的范围内都没能找到。直到20年后，这种微波辐射才被彭齐亚斯和威尔逊二人在3K左右的温度处发现。之后，美国于1989年发射了用于精确探测宇宙微波背景辐射信息的COBE卫星，发现宇宙微波背景辐射的实际温度约为2.73K，并且几乎完美符合理论模型。为了深入探测，科学家们于2001年发射了精确度更高的WMAP衛星，随后又在2009年发射了普朗克卫星，期望能够了解更多的细节，从中获取关于早期宇宙的更多信息。

Cobe卫星、WMAP卫星和普朗克卫星拍摄的宇宙微波背景辐射图像对比

通过观察这几个卫星的探测图像，我们会发现宇宙微波背景辐射在全天并不完全均匀，而是有一些微小的涨落。但我们可以说，宇宙微波背景辐射在大体上是均匀的，只是在局部有细小的差别。也因为宇宙微波背景辐射反映了早期宇宙的状态，所以我们推测：宇宙在诞生之初，物质基本上也是均匀分布的，只是在局部有着微小的分布不均，这些分布不均也成为后来星系、恒星等天体起源的重要原因。同时，依据宇宙微波背景辐射推测出的信息，也与现在观测到的宇宙大尺度结构相似。这同样也证明了我们现在的理论模型大体上是正确的。

宇宙微波背景辐射不仅帮助科学家们验证了宇宙大爆炸这一假说，还启发他们修改了当时的理论模型，预言了暗能量的存在。我们知道，空间的曲率与物质的质量有关，越重的天体会使它所在的空间越弯曲。而宇宙微波背景辐射现在能够分布得如此均匀，就证明了宇宙空间基本是平坦的，物质质量分布也是均匀的。早在20世纪30年代，科学家们已经通过观测一些天体系统的运动，如太阳系、银河系，发现当时所有已知的物质质量相加，都不足以产生足够的引力将天体束缚在系统中。因此，科学家们认为应该还有人类所不知道的物质参与了天体的引力作用。他们把这种观测不到的物质称为“暗物质”。通过WMAP卫星精确测量宇宙微波背景辐射，科学家们能够分别求出普通物质和暗物质的质量。但是，即便把二者的质量全部加起来，也不足以让宇宙空间如此平坦。也就是说，一定还有某种形式的能量在宇宙中存在，这种能量后来被命名为“暗能量”。根据观测数据，在宇宙中普通物质约占4.9%，暗物质约占26.8%，暗能量约占68.3%。科学家们现在普遍认为，正是这种未知的能量在加速着宇宙的膨胀。

宇宙结构示意图

宇宙微波背景辐射帮助我们解释了很多有关宇宙的问题，可以说，它不仅是现代宇宙学的中心课题，在未来也将继续帮助人类了解宇宙。那么，就让我们一起等待宇宙中最古老的光为我们讲述更多宇宙故事吧。