宇宙微波背景輻射的提出、發(fā)現(xiàn)與探測(cè)（下）

郭紅鋒

自從伽莫夫團(tuán)隊(duì)提出宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)并給出了理論推導(dǎo)，甚至預(yù)言了大爆炸冷卻后的殘留輻射溫度，很多研究小組都在想辦法尋找大爆炸留下的痕跡——宇宙背景輻射的觀測(cè)證據(jù)，其中就有普林斯頓大學(xué)的狄克教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組。

此時(shí)又有一段佳話登場(chǎng)。

20世紀(jì)60年代初，當(dāng)時(shí)人類已經(jīng)有了人造衛(wèi)星，并且發(fā)展起了衛(wèi)星通訊，但受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制和多種因素干擾，通訊效果并不太好。為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊質(zhì)量，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊亞斯和威爾遜利用靈敏度很高的喇叭筒式無(wú)線電接收天線，測(cè)量各種噪聲來(lái)源以便消除其對(duì)通訊的干擾。他們?cè)诠ぷ髦邪l(fā)現(xiàn)了一些出乎預(yù)料的噪音，便想盡辦法進(jìn)行甄別和排除。彭齊亞斯和威爾遜為了排除這些奇怪的噪音，進(jìn)行了鍥而不舍的努力。

他們轉(zhuǎn)動(dòng)天線朝向各個(gè)方向，觀察了人類活動(dòng)的噪聲源和自然天氣、季節(jié)等的影響。他們甚至懷疑鴿子在天線內(nèi)留下的糞便是這些噪音的元兇，因而在1965年初把天線全部拆開(kāi)，進(jìn)行了一次徹底的清理。然而，所有的努力都不能消除這種神秘的來(lái)自天空各個(gè)方向、性質(zhì)相同、波長(zhǎng)7.35厘米（相當(dāng)于3K背景輻射）的噪音源。

正在這時(shí)，彭齊亞斯和威爾遜聽(tīng)說(shuō)，距離他們50千米的普林斯頓大學(xué)狄克教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，正在研究宇宙早期留下的“殘余的輻射”問(wèn)題。狄克小組甚至已經(jīng)建造了一臺(tái)低噪音的天線著手去測(cè)量這種輻射。彭齊亞斯和威爾遜請(qǐng)狄克教授幫助分析他們接收到的噪聲來(lái)源，雙方討論后一致得出結(jié)論：這揮之不去的噪音正是普林斯頓狄克小組煞費(fèi)苦心要尋找的“宇宙背景輻射”。于是，這2個(gè)小組分別寫了文章，發(fā)表在1965年7月的《天體物理學(xué)月刊》上，受到全球科學(xué)界極大的關(guān)注。

宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為20世紀(jì)60年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一，是20 世紀(jì)天文學(xué)的一項(xiàng)重大成果，對(duì)宇宙學(xué)的研究具有深遠(yuǎn)影響。宇宙背景輻射的觀測(cè)有助于研究早期宇宙，并能幫助人們更多地了解星系和恒星的起源，為宇宙起源的大爆炸理論提供了有力的支持。彭齊亞斯和威爾遜因此獲得1978 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

彭齊亞斯和威爾遜都有學(xué)習(xí)和研究天體物理的背景，他們來(lái)到貝爾實(shí)驗(yàn)室是因?yàn)檫@臺(tái)特別靈敏的喇叭筒式天線。他們的工作目標(biāo)雖然是測(cè)量無(wú)線電通訊的噪聲，但他們的專業(yè)素養(yǎng)、對(duì)未知事物的敏感以及對(duì)工作精益求精的態(tài)度，使他們?cè)诮邮盏搅宋⑷醯奈粗肼曅盘?hào)后并沒(méi)有因儀器誤差、信號(hào)微弱、不穩(wěn)定等因素忽略探索，而是千方百計(jì)地尋根朔源。正是他們?cè)诠ぷ髦胁缓雎匀魏渭?xì)節(jié)和鍥而不舍的探究精神使他們贏得了科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)。雖然經(jīng)常有人說(shuō)這是偶然的無(wú)心插柳，但卻隱含著必然的結(jié)果成蔭。

彭齊亞斯和威爾遜測(cè)量到的宇宙背景輻射，只是地球表面可以接受到的很窄的波段?？茖W(xué)家想要知道在地球之外宇宙更廣大的空間里那些殘留輻射的情況。于是，美國(guó)國(guó)家航空航天局（以下簡(jiǎn)稱為NASA）在1989年發(fā)射了COBE衛(wèi)星（宇宙背景探測(cè)器）。它攜帶的儀器之一測(cè)量了整個(gè)天空中波長(zhǎng)為0.1至10毫米的微波輻射強(qiáng)度，于1992年發(fā)表的觀測(cè)數(shù)據(jù)出乎意料地與理論數(shù)據(jù)吻合，被科學(xué)家譽(yù)為 “就像看到了上帝的指紋”。

隨后NASA于2001年又發(fā)射了威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP），進(jìn)一步確定了宇宙的年齡和組成。

2009年，歐空局發(fā)射了普朗克衛(wèi)星。該衛(wèi)星以更高的分辨率測(cè)繪了宇宙微波背景的各向異性。2013年，從該探測(cè)器收到的數(shù)據(jù)又提供了一些關(guān)于宇宙年齡、暗物質(zhì)、普通物質(zhì)、暗能量含量的驚人結(jié)果，并測(cè)量了哈勃常數(shù)的數(shù)值。

目前為科學(xué)界所普遍接受的宇宙起源理論認(rèn)為，宇宙誕生于距今約137億年前的一次“大爆炸”，宇宙微波背景輻射是“大爆炸”的“余燼”，大尺度上均勻地分布于整個(gè)宇宙空間。

宇宙微波背景輻射探測(cè)器數(shù)據(jù)繪制的全天空?qǐng)D中溫度的微小波動(dòng)，對(duì)應(yīng)著微小的物質(zhì)密度過(guò)低和過(guò)高，最終導(dǎo)致了我們今天在宇宙中看到的大規(guī)模結(jié)構(gòu)。較紅的區(qū)域代表高于平均溫度，較藍(lán)的區(qū)域表示比平均溫度更冷。這些印記反映了在宇宙存在的早期就出現(xiàn)的漣漪。目前的理論是，這些漣漪產(chǎn)生了目前由星系團(tuán)和暗物質(zhì)組成的巨大宇宙網(wǎng)絡(luò)。