人类首次听到旅行到时空边缘的袅袅余音

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第24章袅袅余音大爆炸过去138亿年后，人类清晰地“听到”了它传来的袅袅余音烦人的“噪声”1962年，位于美国新泽西州的贝尔电话公司来了两位新人：哥伦比亚大学博士彭齐亚斯和加州理工学院博士威尔逊。高度的各向同性来自宇宙大爆炸信号的第一个特征必然是极其均匀—高度各向同性。宇宙大余弦COBE卫星的图像还体现出了地球在太空中的运动。这些探测结果为大爆炸理论提供了新的支持，使早期宇宙研究进入了更为精确的时代。

第24章　袅袅余音

大爆炸过去138亿年后，人类清晰地“听到”了它传来的袅袅余音

烦人的“噪声”

1962年，位于美国新泽西州的贝尔电话公司来了两位新人：哥伦比亚大学博士彭齐亚斯和加州理工学院博士威尔逊。那时候无线电技术正迅猛发展，彭齐亚斯和威尔逊设计了一台灵敏度很高的射电望远镜来探测天空。望远镜有一个喇叭形天线，有很强的方向性，当它朝向天空时，地面的无线电干扰影响很小；彭齐亚斯和威尔逊还把接收器放在液氦冷却的环境里，这使天线更加灵敏。

当他们把天线朝向天空时，记录到6.7开水平的噪声信号，扣除大气吸收、电阻损耗及残余地面噪声的影响之后，仍然有3.5开的噪声信号无法消除。这多余的信号来自哪里呢？他们两个做了大量实验，采取各种手段去消除这噪声，结果都无济于事。

彭齐亚斯和威尔逊不管把天线对着哪个方向，烦人的噪声总挥之不去，他们就想，既然噪声与方向无关，是不是天线本身的问题？他们仔细检查天线，发现里面住了一窝鸽子，弄得里面有很多鸽粪。彭齐亚斯和威尔逊以为找到了根源，他们撵走了鸽子，清除了鸽粪，然而，噪声并没有和鸽子一起飞离。

折腾了一年多时间，天线依然达不到他们理想中的静音状态，这使他们很是沮丧。一天，彭齐亚斯偶然和同行伯克聊起此事，伯克告诉彭齐亚斯，那让他们烦恼透顶的噪声，很可能是普林斯顿大学狄基小组正在寻找的东西。

狄基是一位很有思想的宇宙学家，他既不赞同霍伊尔的稳恒态宇宙，也不完全赞同勒梅特和伽莫夫的大爆炸宇宙，他认为宇宙处在一种膨胀、收缩的循环震荡中，大爆炸只是其中的一环。他也认为当宇宙收缩到极小的状态时，有极高的温度，当宇宙膨胀到今天的时候，整个宇宙会降到很低的温度，和伽莫夫预言的相差不多，大约有几开。

我们来回忆一下大爆炸的末尾。大爆炸38万年后，温度降到3000开以下，光子能量降低，不足以电离原子，电子和原子核稳定结合，自由电子大量消失，光子可以自由在空间穿行，它们从宇宙各处迸发出来，混沌初开，宇宙重现光明，这就是光子退耦。退耦后的光子，辐射峰值波长为1微米，它们形成了最早的宇宙背景辐射。宇宙从那时膨胀到现在，尺度膨胀了1000倍，温度下降了1000倍，背景辐射的光子波长也增大了1000倍，峰值波长从微米膨胀到了毫米波段，就是微波，对应的温度约为3开，这就是宇宙微波背景辐射，它是人类能够看到的来自宇宙的第一缕曙光。

狄基等人认为，当时天线的灵敏度应当能够接收到这种辐射，并开始着手研制相应的仪器设备，却被贝尔电话实验室无意中抢了先。

彭齐亚斯和威尔逊随即撰写了一篇只有600字的论文：《在4080兆赫处天线附加温度的测量》，宣布了他们的成果，发表在1965年美国《天体物理杂志》上，并因此获得了1978年诺贝尔物理学奖，颁奖决定这样写道：

“彭齐亚斯和威尔逊的发现具有根本意义：它使我们能够获得很久以前宇宙创生过程的信息。”

为什么说彭齐亚斯和威尔逊接收到的微波信号是来自宇宙大爆炸呢？它符合大爆炸要求的各项特征。

高度的各向同性

来自宇宙大爆炸信号的第一个特征必然是极其均匀—高度各向同性。微波背景辐射的发现，使“大爆炸”宇宙学迅速走红，天文学家们用多种方式来探测这信号，得到的结果是一致的—各个方向完全均匀，这确定了它们必然来自广阔的宇宙背景。道理很简单，如果背景辐射来自太阳系，太阳方向信号会最强；如果来自银河系，银河方向会最强；背景辐射在任何方向都均匀的特征，表明它只能来自整个宇宙背景。

微小的各向异性

来自宇宙大爆炸的信号也不能完全均匀，因为宇宙物质分布在大尺度上虽然很均匀，但并不完全均匀。如果早期宇宙物质能量密度完全均匀，就无法演化出后来的大尺度结构。宇宙早期背景辐射的微小起伏称为各向异性，在地面上完全观测不出来。

COBE卫星的宇宙微波背景辐射温度起伏（修正了银河辐射）

为了探测各向异性，1989年初冬，宇宙微波背景辐射卫星（COBE）发射升空。根据采集到的数据绘制出的宇宙微波背景辐射图像，就像一个宇宙蛋，它显示的是大爆炸结束时—38万年时的宇宙图像，红色代表温度较高的区域，蓝色代表温度较低的区域，温度的差异终于显现出来，它就代表了最初物质分布的不均匀性。

宇宙大余弦

COBE卫星的图像还体现出了地球在太空中的运动。我们知道，地球围绕着太阳运行，太阳又围绕着银河系中心运行，银河系又在本星系群运动，本星系群又围绕着室女座超星系团运行，室女座超星系团又被吸引向半人马座的沙利普引力体，这些运动造成的最终结果，是地球相对于宇宙背景辐射产生了一个运动。这运动会引起背景辐射强度在两个方向上产生微小变化：迎面而来的前方稍强一点，远离而去的后方会稍弱一些，就像人在无风的雨中奔跑，前胸一定比后背更湿一些。

COBE卫星的观测结果正是如此，它呈现出所谓的“宇宙大余弦”，在天空的某个方向，微波背景辐射稍稍强了一点，那就是地球前进而去的方向，它比地球背离的方向强了0.5％，由此计算出地球相对宇宙微波背景的运动速度是每秒600公里。

更精细的观测

“上帝的脸”—威尔金森号（WMAP）探测到的宇宙微波背景辐射

20世纪初，又有两个更精密的探测器发射升空，它们是威尔金森探测器（WMAP）和普朗克巡天者探测器，都运行在150万公里外的第二拉格朗日点上，探测器可以一直背向太阳、月亮和地球，完全指向深空，排除了太阳、地球和月亮的一切干扰。

WMAP的分辨本领比COBE高出33倍，它得到的图像被人们形容为“上帝的脸”；普朗克巡天者的灵敏度又比WMAP高了10倍。这些探测结果为大爆炸理论提供了新的支持，使早期宇宙研究进入了更为精确的时代。由于宇宙微波背景辐射的研究，约翰·马瑟和乔治·斯穆特获得了2006年诺贝尔物理学奖。

完美的黑体辐射特征

天文学家们相信微波背景来自宇宙大爆炸，还有一个最重要的原因，就是这个背景辐射具有完美的黑体辐射特征。

什么是黑体辐射呢？

物理学上有一个概念—绝对黑体，就是对能量能够100％吸收或发射的物体。理论家们认为，绝对黑体是物理学中的一个理想概念，如同光滑斜面、弹性小球、质点一样，实际上并不存在，即使孤立在太空的太阳也和绝对黑体相差很远。

但是，早期宇宙作为一个整体，是唯一可能存在的绝对黑体。因为在那里，全宇宙的物质都集中在一起，都处于同样的物理条件下，达到了高度的热平衡，而且没有任何“外部”的影响，所以，来自大爆炸早期的辐射必定和黑体辐射极为接近。

绝对黑体有一个很明显的特征，各个波长辐射的能量强度记录下来，是一条光滑的曲线；如果辐射曲线不光滑，就说明它不是绝对黑体。根据COBE卫星、威尔金森各向异性探测器、普朗克卫星的探测结果，宇宙微波背景辐射在各个波长的强度值完美地落在黑体辐射应有的光滑曲线上，这是大爆炸理论最硬的观测证据。当今依然有很多人反对宇宙膨胀和“大爆炸”理论，但宇宙背景的黑体辐射是其他理论根本无法解释的。

宇宙背景辐射在各个波长的强度值完美地落在了黑体辐射应有的光滑曲线上。

这个黑体辐射的峰值温度是2.725开，和大爆炸理论预言的宇宙背景温度相同，这就是宇宙大爆炸138亿年冷却下来后的余温—约-270℃。

宇宙有一个猛烈而高温的开端是相当可信的。它导致的结果是，今天的宇宙里充满了大爆炸留下的微波辐射，恰如微波炉中的微波，不过它的烹调温度相当低，比-270℃还要低一点，这就是今天的宇宙背景温度。背景辐射在宇宙中无处不在，任何普通电视天线都能捕捉到。你将电视机从正常频道调走，就会看到屏幕上全是跳动的白点，听到咝咝的噪音，这些白点和噪音称为天电，其中大约有1％就来自宇宙微波背景辐射，它是大爆炸直接播送过来的，传递的是138亿年前创世之初的宇宙信息。

人类首次听到旅行到时空边缘的袅袅余音

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