他們看到了“上帝的臉”

傅承啟

“即使不是有史以來最偉大的發(fā)現(xiàn)，它也是20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)。”

——史蒂芬·霍金

2006年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予了兩名美國(guó)天體物理學(xué)家約翰·馬瑟和喬治·斯莫特，以表彰他們發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的黑體譜及其不同方向上極其微小差別（即各向異性）的杰出貢獻(xiàn)。他們的研究基于宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星（COBE）進(jìn)行的觀測(cè)，它將現(xiàn)代宇宙學(xué)變成了一門精確測(cè)量的科學(xué)。

宇宙微波背景輻射已是第二次獲得諾貝爾獎(jiǎng)了。如果把諾貝爾獎(jiǎng)看作是對(duì)一種理論的正確性的最終評(píng)判的話，那么我們現(xiàn)在可以這么說：宇宙學(xué)走到今天，人類已經(jīng)逐漸看到了“上帝”的真面目。馬瑟和斯莫特的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)歷史標(biāo)志性事件，是一個(gè)新的科學(xué)階段的開始?，F(xiàn)在，人們有必要重新回眸宇宙學(xué)的百年發(fā)展史，這也有助于更好地理解馬瑟和斯莫特的工作。

從哲理思辨到科學(xué)：“白癡問題”的誕生

17世紀(jì)的學(xué)者們對(duì)星球在宇宙中的分布是有限還是無限、均勻還是不均勻有著截然不同的兩種主張，牛頓與萊布尼茲分別是這兩種主張的代表人物。牛頓主張星球只能分布在宇宙的有限空間里，否則宇宙是不穩(wěn)定的；萊布尼茲認(rèn)為星球必定均勻分布在宇宙的無限空間里，否則宇宙便會(huì)有邊界有中心。對(duì)此，康德卻認(rèn)為：（宇宙）有限無限問題本身毫無意義，根本不應(yīng)當(dāng)再討論它。

1917年正在構(gòu)造宇宙模型的愛因斯坦在給天文學(xué)家德西特的信中曾引用海涅“白癡才會(huì)期望有一個(gè)回答”的詩(shī)句嘲笑康德。其實(shí)，出于對(duì)天空神秘的恐懼和好奇，自古至今人類一直在思索宇宙的創(chuàng)生及其結(jié)構(gòu)。不過，在愛因斯坦之前，無論是牛頓、萊布尼茲，還是康德，對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)都只是基于直覺的臆測(cè)，無一例外地停留在思辨階段，有關(guān)宇宙的學(xué)說與其說是門科學(xué)還不如說是一種哲理思辨。

第一個(gè)使宇宙變成可以理論研究的科學(xué)的是愛因斯坦。他將廣義相對(duì)論用于宇宙結(jié)構(gòu)的研究，1917年發(fā)表了著名的愛因斯坦引力場(chǎng)方程，這是描述宇宙在物質(zhì)引力和宇宙結(jié)構(gòu)作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程。在宇宙物質(zhì)均勻分布和各向同性的假設(shè)（即宇宙學(xué)原理）下，愛因斯坦得到第一個(gè)理論宇宙模型——無限無界、平直而靜態(tài)的宇宙。愛因斯坦的工作開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)。

1929年哈勃發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們，星系越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離速度越快，這就是著名的哈勃定律。根據(jù)哈勃定律，顯而易見，我們的宇宙在膨脹。哈勃的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了現(xiàn)代觀測(cè)宇宙學(xué)。

從此，宇宙學(xué)成為了一門科學(xué)，一門不僅可以理論研究也可以進(jìn)行觀測(cè)的科學(xué)。

宇宙在爆炸？

在愛因斯坦時(shí)代，流行的依然是宇宙靜止、永恒的傳統(tǒng)觀念，它與宇宙膨脹觀念水火不容。于是，為了解釋哈勃的發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)中葉又出現(xiàn)了兩類截然不同的宇宙模型。一類是由靜止宇宙演變而來的“穩(wěn)恒態(tài)膨脹宇宙模型”，它以英國(guó)科學(xué)家霍伊爾、戈?duì)柕潞桶畹蠟槭?。這種模型認(rèn)為，宇宙是永恒不變的，為了彌補(bǔ)膨脹造成的物質(zhì)稀疏，物質(zhì)從虛無中源源不斷地產(chǎn)生，大約每立方米空間每10億年產(chǎn)生一個(gè)氫原子。另一類是大爆炸宇宙模型，它們以比利時(shí)神父勒梅特、俄裔美籍物理學(xué)家伽莫夫?yàn)榇怼＠彰诽卦?932年提出了一種原初原子宇宙模型，今天的宇宙是這個(gè)原初原子蛻變、膨脹的結(jié)果。受勒梅特思想的啟發(fā)，伽莫夫與他的學(xué)生阿爾法在1948年提出了宇宙誕生于原始火球的膨脹模型，現(xiàn)今被稱為大爆炸宇宙模型，其名得自于它的敵手霍伊爾。在一次演說中，霍伊爾將伽莫夫模型貶低為是 “一聲巨大的砰嘭理論”，此后人們用“大爆炸”來稱呼伽莫夫這一類的宇宙模型。

兩類模型各自都有相當(dāng)數(shù)量的支持者，一時(shí)難辨真?zhèn)?。?zhēng)論從20世紀(jì)40年代一直延續(xù)到1964年發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射。

按照大爆炸宇宙學(xué)說，宇宙經(jīng)過一個(gè)由熱到冷、由密到疏的誕生和演化過程。最初宇宙如同一個(gè)原始火球，處于高溫高密狀態(tài)，后來發(fā)生了一次大爆炸，能量轉(zhuǎn)換成了粒子。初期的宇宙就像一鍋基本粒子湯，由光子、中微子、電子、質(zhì)子和中子組成。隨著宇宙的膨脹，宇宙開始變冷，質(zhì)子和中子形成了氘核、氦核和少量的鋰鈹原子核，這個(gè)過程在大爆炸后的最初3分鐘就完成了（這就是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者溫伯格“宇宙最初3分鐘”的來歷）。此時(shí)宇宙密度溫度極高，光子和各種粒子不斷發(fā)生碰撞、交換能量動(dòng)量，宇宙處于熱平衡狀態(tài)，各種粒子具有相同的溫度。

大爆炸后數(shù)十萬年，宇宙冷卻到3000K，輻射大大減弱，自由電子與質(zhì)子、氘核、氦核結(jié)合成原子。自此宇宙變得非常透明，光子幾乎可以自由飛行而不與物質(zhì)發(fā)生作用，從此輻射與物質(zhì)走上各自膨脹、冷卻和演化之路。隨著宇宙膨脹和冷卻，原子物質(zhì)在引力作用下凝聚，最后形成今天的星系和恒星世界，而3000K的原始黑體輻射也得以保留下來，并冷卻成今天溫度為5K（阿爾法和赫爾曼預(yù)言）或50K（伽莫夫預(yù)言）的背景輻射，充滿著整個(gè)宇宙。這種輻射位于微波波段，故而被稱為宇宙微波背景輻射。

顯然，尋找、探測(cè)宇宙微波背景輻射成為解決兩類模型之爭(zhēng)的關(guān)鍵。遺憾的是，整個(gè)20世紀(jì)50 年代都沒有找到這種輻射，人們漸漸淡忘了阿爾法和伽莫夫的預(yù)言。

找到大爆炸的余輝

1964年，事情有了重大變化。美國(guó)兩位無線電專家彭齊亞斯和威爾遜在測(cè)試一架衛(wèi)星通訊天線改裝的射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)，發(fā)現(xiàn)始終存在一種3.5K溫度的額外噪聲，無論望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)什么方向，無論采取什么辦法都不能消除，他們?yōu)榇嗣曰蟛唤?。一次偶然的機(jī)會(huì)，他們得知這種額外噪聲就是宇宙學(xué)家夢(mèng)寐以求尋找的宇宙微波背景輻射。1978年彭齊亞斯和威爾遜獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是因宇宙微波背景輻射獲得的第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。大爆炸模型因此獲得了強(qiáng)有力的觀測(cè)證據(jù)，許多穩(wěn)恒態(tài)宇宙的支持者紛紛倒戈。

遺憾的是，作為大爆炸模型鼻祖的勒梅特和伽莫夫沒有享受到這份殊榮，他們先后于1966年和1968年去世，按諾貝爾獎(jiǎng)的規(guī)定，它從不授予已去世的人。

問題并未完全解決。按照大爆炸模型，原先處于熱平衡的光與物質(zhì)不再發(fā)生作用，所以宇宙背景輻射應(yīng)當(dāng)保持黑體譜的形狀，即普朗克在1900年提出的黑體輻射公式所描繪的形狀，它惟一地決定于黑體的溫度。大量的地面、火箭和氣球觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙微波背景輻射的峰值位于1～2毫米波長(zhǎng)，然而這些測(cè)量大多在長(zhǎng)波段上進(jìn)行，因?yàn)榈厍虼髿獾奈蘸桶l(fā)射使得短波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)十分缺乏，僅有的一些觀測(cè)又表明短波段的背景輻射嚴(yán)重偏離黑體譜。因此，發(fā)展空間觀測(cè)成為判斷兩類宇宙模型的當(dāng)務(wù)之急。

宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃（COBE）就誕生在這種背景下。COBE計(jì)劃在1974年提出， 80年代因挑戰(zhàn)者航天飛機(jī)的爆炸而推遲了數(shù)年，1989年11月18日，COBE衛(wèi)星被成功送入了軌道，開始了它長(zhǎng)達(dá)4年的觀測(cè)。衛(wèi)星上載有3架儀器，其中遠(yuǎn)紅外絕對(duì)分光光度儀（FIRAS）用來測(cè)量宇宙微波背景輻射譜的形狀，另一架差分微波輻射計(jì)（DMR）測(cè)量不同方向上微波背景輻射的微小溫差。

作為美國(guó)宇航局戈達(dá)德航天中心高級(jí)天體物理學(xué)家的馬瑟，正是這項(xiàng)COBE計(jì)劃主要負(fù)責(zé)人和FIRAS儀器的負(fù)責(zé)人；而身為加利福尼亞大學(xué)伯克利分校天體物理學(xué)教授的斯莫特則是DMR儀器的負(fù)責(zé)人。

COBE計(jì)劃的整個(gè)研究工程團(tuán)隊(duì)超過千人，前后幾乎化費(fèi)了20多年時(shí)間。但衛(wèi)星上天后，最初9分鐘的觀測(cè)就已證明宇宙微波背景輻射完全遵循普朗克黑體譜，其符合程度如此之精美，表明它是迄今為止最完美的黑體，無論是在實(shí)驗(yàn)室還是在大自然。進(jìn)一步的觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理表明，這種輻射的溫度為2.735 K（即絕對(duì)溫標(biāo)2.735度，或零下270.415攝氏度），誤差只有0.06K，而不同方向上的微小溫差只有十萬分之一。從而證實(shí)了宇宙背景輻射譜的宇宙學(xué)起源，連同哈勃膨脹、宇宙化學(xué)豐度，它們成為大爆炸宇宙模型強(qiáng)有力的三大觀測(cè)支柱。

COBE的不朽功績(jī)

經(jīng)過對(duì)COBE數(shù)據(jù)的重新處理，馬瑟得到了2.726K的背景輻射溫度，誤差也被縮小到0.01K。繼COBE的任務(wù)之后，2001年發(fā)射的威爾金森各向異性探測(cè)衛(wèi)星（WMAP）對(duì)這種極其微弱的背景輻射溫度作了更精確的測(cè)定，得到2.725K的溫度，誤差僅有0.002K。毫不夸張地說，COBE的觀測(cè)開創(chuàng)了精確測(cè)定宇宙的時(shí)代。

根據(jù)WMAP的精確測(cè)定，宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸后約38萬年的余輝。因此，COBE的結(jié)果第一次展現(xiàn)出一幅宇宙早期——“嬰兒時(shí)代”的圖像，有人把它形象地譬喻成“就像看到了上帝的臉”，象征看到了宇宙創(chuàng)世期的圖像。那個(gè)時(shí)期宇宙正處于高溫高密的粒子時(shí)代，因此也將成為檢驗(yàn)粒子物理理論的最佳場(chǎng)所。

COBE的結(jié)果還回答了一個(gè)重大的宇宙學(xué)問題：今天觀測(cè)到的燦爛繽紛的星系世界和恒星世界從何而來？宇宙學(xué)家們推測(cè)，由于地球相對(duì)于背景輻射的運(yùn)動(dòng)，極其均勻的宇宙背景輻射應(yīng)當(dāng)有千分之一的溫度變化，扣除這種變化和其他一些因子，并考慮到宇宙中暗物質(zhì)的存在，宇宙背景輻射應(yīng)有十萬分之一的各向異性，它們作為物質(zhì)聚集的種子，隨宇宙的膨脹演化成今天的恒星和星系，乃至更大尺度上的結(jié)構(gòu)。這正是COBE衛(wèi)星DRM儀器獲得的另一個(gè)重要結(jié)果，它證明我們今天的物質(zhì)世界正是由當(dāng)年極其微小的不均勻演化而來，并且還間接地證實(shí)了暗物質(zhì)的存在。

自從發(fā)現(xiàn)宇宙背景輻射以來，宇宙學(xué)家就疑惑不解，不同方向上宇宙微波背景輻射為什么如此精確相同？宇宙年齡是有限的，光的作用范圍也是有限的，超出這個(gè)作用范圍的兩個(gè)地方為什么會(huì)有幾乎相同溫度的輻射？這就是所謂的宇宙“視界問題”。在企圖回答這整個(gè)問題的眾多模型中，最引人注目的是暴漲模型：宇宙在極早期（大爆炸后1千億億億億分之一秒）曾經(jīng)發(fā)生了短暫的指數(shù)式超光速膨脹。暴漲模型能夠解決視界問題和其他一些宇宙學(xué)問題。因此，驗(yàn)證模型的正確與否成為認(rèn)識(shí)宇宙極早期的關(guān)鍵。這正是宇宙微波背景輻射所能揭開的：按照暴漲學(xué)說，暴漲會(huì)產(chǎn)生引力波，在某些情況下測(cè)量宇宙微波背景輻射的偏振能夠間接地探測(cè)到是否存在這種引力波，從而研究宇宙極早期的情形。

宇宙微波背景輻射各向異性的觀測(cè)已經(jīng)證實(shí)今天的宇宙在加速膨脹，并且主要由暗能量及暗物質(zhì)組成，它們各占宇宙總物質(zhì)的73％和23％，而我們見到的星系、恒星、星云等明亮物質(zhì)僅僅占4％，暗能量是什么？暗物質(zhì)又是什么？膨脹加速會(huì)永遠(yuǎn)繼續(xù)下去嗎？……等等重大的問題等待我們的回答，它們已向現(xiàn)代物理學(xué)、向當(dāng)代的科學(xué)家發(fā)出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

“即使不是有史以來最偉大的發(fā)現(xiàn)，也是20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)?！边@是著名物理學(xué)家霍金于1992年對(duì)COBE出色成果的由衷贊美。不過，現(xiàn)代宇宙學(xué)還面臨許多新的基本而重大的問題需要回答，許多關(guān)鍵細(xì)節(jié)遠(yuǎn)未弄清，“白癡問題”肯定還能贏來更多的贊美。2007年，一顆新的測(cè)量宇宙背景輻射的衛(wèi)星——普朗克衛(wèi)星將從歐洲的上空升起，前所未有的0.000001K的測(cè)定誤差將為解開宇宙怎樣誕生，怎樣演化到今天的形態(tài)，未來向什么方向演化等等重大宇宙之謎提供更多、更新的線索。

（作者為上海天文臺(tái)研究員）