宇宙的密碼——宇宙大爆炸

探索·發(fā)現(xiàn)

在霍伊爾提出“如果大爆炸真的發(fā)生過，請問爆炸所遺留下來的痕跡在哪里”的質(zhì)疑以后，伽莫夫和他的學(xué)生就開始研究這個問題。伽莫夫和他的學(xué)生們堅信:高熱爆炸產(chǎn)生的輻射，即使是在100多億年后的今天，也不會完全消失。伽莫夫依據(jù)什么得出這樣的結(jié)論呢？

尋找遺留的“痕跡”——輻射

如果我們燒一堆篝火，或者進(jìn)行一次爆炸，都會產(chǎn)生明亮的光，這些光向四面八方飛去，以后我們自己再也沒有機會看到。但是假如有一個外星人在遙遠(yuǎn)的地方向這里眺望，他是可以看到這些光的。由于宇宙大爆炸是在整個宇宙中發(fā)生的過程，因此，無論我們向哪個方向看，都能看到這些光。隨著宇宙的膨脹，這些光的波長也在增加，現(xiàn)在處于毫米波的微波波段，溫度也已經(jīng)低到絕對零度（－273℃）以上幾度，所以肉眼看不見了，但還是應(yīng)該能用儀器探測到。

知道這一點，伽莫夫?qū)φ业酱蟊ㄟz留的輻射充滿信心。在前蘇聯(lián)，核武器設(shè)計負(fù)責(zé)人澤爾多維奇和他領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，在完成氫彈的設(shè)計研究工作后，也開始研究宇宙大爆炸理論，他們也注意到，大爆炸過后會有余光殘留下來?？捎檬裁从^測手段，才能找到這樣的輻射呢？由于長期從事國防研究，他們一直關(guān)注著美國在電子技術(shù)方面的最新進(jìn)展：美國貝爾實驗室建立了一座用于衛(wèi)星通信試驗的高靈敏度微波天線。蘇聯(lián)人注意到，這座天線的靈敏度應(yīng)該足以探測到大爆炸的遺跡。然而閱讀美國人關(guān)于這座天線的實驗論文，似乎并沒有提及這樣的熱輻射，這使蘇聯(lián)人一度認(rèn)為，宇宙大爆炸理論也許并不成立。

實際上，貝爾實驗室對這座天線性能的測試并不徹底，對衛(wèi)星通信來說這也不是必要的。衛(wèi)星通信實驗結(jié)束以后，貝爾實驗室的兩位科學(xué)家，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜希望用它做一些射電天文研究，在正式開始研究以前，他們決定先進(jìn)行嚴(yán)格的測試和校準(zhǔn)。

在進(jìn)行測試和校準(zhǔn)的過程中，他們意外地發(fā)現(xiàn)天線接收的信號里有多余的噪聲。他們不知道噪聲從何而來，也許傳輸線路和電子器件本身會有噪聲；也許噪聲來自大氣層或是地面輻射;還是城市的噪聲傳了過來？可這些可能性一一排除以后，噪聲依然存在。找不出問題的根源使他們非常著急。

奇怪的無線電噪聲讓威爾遜和彭齊亞斯用了一年的時間徹底檢查他們的天線。第二年，就在他們快要絕望的時候，彭齊亞斯偶然和同行伯克聊起此事，伯克說：他的一位朋友曾聽過普林斯頓大學(xué)一位叫皮伯斯的學(xué)者作過一個報告，他們發(fā)現(xiàn)的奇怪噪聲，可能正是普林斯頓大學(xué)狄基小組正在尋找的東西。于是彭齊亞斯趕緊給狄基打去電話。

狄基教授是位很有思想的科學(xué)家(圖1)，在他看來，宇宙可能既不像霍伊爾所說的那樣永恒不變；也不像勒梅特和伽莫夫所設(shè)想的在某一時刻創(chuàng)生。宇宙可能是永恒存在卻循環(huán)往復(fù)：先膨脹然后再收縮，縮到一定程度再反彈，開始新一輪的膨脹（圖2）。他意識到在這樣的模型中，宇宙收縮后反彈的那一刻，溫度、密度也很高，其實非常類似伽莫夫的宇宙大爆炸條件。而且，他也意識到爆炸后會有熱輻射遺留下來。

（1）科學(xué)家狄基

（2）狄基認(rèn)為:宇宙可能是永恒的循環(huán)往復(fù)的

狄基教授在第二次世界大戰(zhàn)時，曾從事雷達(dá)研究，并發(fā)明了計量微波輻射的儀器。這個儀器正好在此次實驗當(dāng)中用上。他讓助手之一的皮伯斯從事理論計算；而另一位助手威爾金森則設(shè)計實驗儀器。他們將天線安裝到了普林斯頓大學(xué)的屋頂上。就在他們自信把探測儀器調(diào)試得完美無缺的時候，他們接到了羅伯特·威爾遜的電話。

電話鈴響的時候，普林斯頓大學(xué)研究組的成員都在狄基教授的辦公室。當(dāng)他們聽說了有關(guān)天線的事時，大家的耳朵都豎起來了。因為在他們聽來，貝爾公司擁有普林斯頓正在建造的設(shè)備，而且似乎也在做同樣的工作。狄基教授接完電話后對他的同事們說:“我們被人搶先了！”

狄基教授和他的同事們，立刻帶上自己的資料來到貝爾實驗室，他們要親身體會這個無線電波的噪聲。當(dāng)羅伯特·威爾遜和彭齊亞斯看到狄基教授帶去的儀器和記錄時，他們終于明白，那個推論中的宇宙大爆炸的“痕跡”，被他們無意中發(fā)現(xiàn)了。

宇宙微波背景輻射，也就是大爆炸“痕跡”的發(fā)現(xiàn)，以確鑿的證據(jù)證明了，宇宙的確曾經(jīng)處于與今天完全不同的高溫高密狀態(tài)，這是繼哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹之后，宇宙學(xué)研究上的又一個重大突破。

認(rèn)為宇宙起源于“原始原子”，并以此說服愛因斯坦的勒梅特，在他臨終前幾天聽到了這個消息。他的宇宙創(chuàng)生于“沒有昨天的那一天”的猜想，終于被科學(xué)所證明。而建立了完整的大爆炸理論，并對遺跡輻射溫度作出科學(xué)預(yù)言的伽莫夫，則以他特有的幽默來回應(yīng)人們的祝賀:“我也許確實丟過一分錢。但當(dāng)有人在街上撿到一分錢時，我也不能說那一定就是我丟的?！边@位謙遜的物理學(xué)家于1968年去世，而彭齊亞斯和威爾遜，也因為自己的發(fā)現(xiàn)，在13年后的1978年，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎（圖3）。

（3）發(fā)現(xiàn)了大爆炸“痕跡”的彭齊亞斯和威爾遜，于1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎

發(fā)現(xiàn)時空的“奇點”——黑洞

宇宙微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)的時候，斯蒂芬·霍金正在劍橋攻讀博士學(xué)位，這件事情很可能促使他選擇了大爆炸和愛因斯坦的相對論，作為博士論文的研究主題。

霍金剛到劍橋的時候是想拜霍伊爾為師的，但霍伊爾那時不收新學(xué)生，霍金轉(zhuǎn)投到了丹尼斯·希爾瑪門下。丹尼斯·希爾瑪開始也是穩(wěn)恒態(tài)理論的支持者，后來轉(zhuǎn)為支持大爆炸理論了，他對霍金的幫助很大。

研究活動剛開始，霍金就遇到了很大的麻煩：在劍橋，霍金并沒有一個好的開始，他剛被診斷出得了肌肉萎縮側(cè)向硬化癥，根本不知道能不能活到念完博士，而又一直找不到適當(dāng)?shù)恼撐念}材（圖4）。

（4）身患嚴(yán)重疾病的霍金仍頑強地為科學(xué)而努力

斯蒂芬·霍金當(dāng)年的導(dǎo)師丹尼斯·希爾瑪，晚年住在意大利的威尼斯。他回憶那時的情景說:博士論文必須要包含大量的原創(chuàng)知識，這是一個很大的負(fù)擔(dān)。因為你必須要在3年時間內(nèi)作出這樣一篇論文，里面一定得要有成果。當(dāng)時正是宇宙學(xué)不很興盛的時候，斯蒂芬的進(jìn)度很慢。他找不到好的論文題目，而希爾瑪自己也沒有好的東西給他。

時間越來越少，在剩下不到一年的時候，斯蒂芬·霍金受牛津大學(xué)數(shù)學(xué)教授羅杰·彭洛斯的啟發(fā)，決定從愛因斯坦的相對論入手，看看它對宇宙還能預(yù)示些什么?；艚鸬膶?dǎo)師希爾瑪是彭洛斯的好朋友，希爾瑪就決定到牛津去，聽聽彭洛斯的意見。

彭洛斯正在研究愛因斯坦方程可能導(dǎo)致的另一種結(jié)果，即由于引力的驅(qū)使，大量的物質(zhì)，墜入一個密度極大的區(qū)域中，以致光都無法從中發(fā)出來，這個區(qū)域就是“黑洞”。黑洞中存在著一個密度無限大的點，在這里，一切已知的物理學(xué)定律，都要失效，這就是所謂時空的“奇點”（圖5）。

（5）圖組:（左）由于引力驅(qū)使，大量物質(zhì)墜入了一個密度極大的區(qū)域——黑洞中

（右）黑洞中的所謂時空的“奇點”

彭洛斯的研究結(jié)果顯示，宇宙中大質(zhì)量的物質(zhì)，即大質(zhì)量的恒星會坍塌，并最后被壓縮成“黑洞”，這一過程在所難免。霍金恰好就從這一點尋找到了突破，據(jù)他的導(dǎo)師希阿瑪回憶，霍金意識到，如果把彭洛斯所描繪的坍塌過程反轉(zhuǎn)過來，那么擴(kuò)張的宇宙也就是正在反向的坍塌。這恰好就是大爆炸發(fā)生的過程。

1970年，霍金和彭洛斯在論文中證明，如果廣義相對論和經(jīng)典物理學(xué)是正確的，那么，時空中一定存在著“奇點”。因此黑洞和宇宙大爆炸都不是奇怪的事，而且是不可避免的。

衛(wèi)星COBE的精確探測

宇宙微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)后，一些原來主張穩(wěn)恒態(tài)理論的人，轉(zhuǎn)而接受大爆炸理論。但是霍伊爾并沒有完全認(rèn)輸，他和持相同觀點的幾位科學(xué)家，一直嘗試用別的辦法解釋宇宙微波背景輻射。他們設(shè)想，普通星系發(fā)出的光，如果被宇宙中均勻分布的塵埃吸收，然后再以較低的能量發(fā)射出來，會不會也能產(chǎn)生我們看到的宇宙微波背景輻射呢？

霍伊爾所說普通星系發(fā)射的光，產(chǎn)生的輻射很難具有完美的黑體輻射譜。所謂黑體是指能夠吸收而不反射和透射所有波長電磁輻射的物體。這種輻射在室溫下因肉眼不可見而呈黑色，1000度左右呈紅色，隨溫度升高陸續(xù)轉(zhuǎn)為黃色、白色。煉鋼工人就是這樣從煉鋼爐窗口所看到的顏色來判斷爐溫的（圖6）。早期宇宙滿足黑體條件，它產(chǎn)生的輻射應(yīng)該有接近完美的黑體輻射譜。

（6）如同煉鋼爐中的顏色，隨著溫度升高而變化

彭齊亞斯和威爾遜的觀測只是在一個波長處進(jìn)行的，雖然與絕對溫度3度的黑體輻射在該波長的強度相符，但要進(jìn)一步證實它是不是大爆炸的遺跡，是否具有完美的黑體輻射譜，還需要在其他各個波長，特別是毫米波段進(jìn)行精確測量。1975年，美國航空航天局決定，采納本局戈達(dá)德航天中心物理學(xué)家約翰·馬瑟等人的意見，專門研制一顆衛(wèi)星，用以對宇宙微波背景輻射進(jìn)行精確測量。這顆衛(wèi)星被命名為COBE。馬瑟負(fù)責(zé)輻射譜儀的研制，還擔(dān)任了COBE衛(wèi)星的總負(fù)責(zé)人（圖7）。

（7）COBE衛(wèi)星總負(fù)責(zé)人馬瑟

1989年一個多風(fēng)的早晨，美國航空航天局將COBE衛(wèi)星送上了太空。COBE 最初9分鐘的觀測結(jié)果就表明，宇宙微波背景輻射確實具有完美的黑體輻射譜，大爆炸理論得到了進(jìn)一步的證實。

大爆炸理論已接近完整。但是仍然有一個重要的問題:如果要形成星系，最初的宇宙必須不是完全均勻的。彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的輻射，應(yīng)該能夠反映這一點。但它卻似乎與方向無關(guān)，如果大爆炸理論正確，那么各方向上的輻射必定有所不同，這一定要有觀察的證明。

今天的宇宙并不是完全均勻的。早在哈勃和茲威基的時代，從事觀測的天文學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，在他們得到的照相底片上，星系的分布并不是完全均勻的，而是有的地方密一些，有的地方稀一些。但是，星系在空間中究竟是怎樣分布的呢？

20世紀(jì)80年代，幾個研究小組分別測量了幾千個星系的紅移。其中影響最大的是哈佛－史密思天體物理中心的觀測。這些觀測揭示了星系的三維空間分布（圖8）。

（8）從星系的分布示意圖看，星系的分布不是完全均勻的

星系結(jié)構(gòu)的不均勻分布，導(dǎo)致宇宙空間呈現(xiàn)一種大尺度的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這一點，尤其在河外星系表現(xiàn)得非常明顯。河外星系的空間尺度之大，經(jīng)常要以10億光年來計算。那么，這些大尺度結(jié)構(gòu)又是怎樣形成的呢？

美國的皮伯斯和前蘇聯(lián)的澤爾多維奇等人認(rèn)為，早期宇宙中，物質(zhì)密度可能存在一些非常微小的不均勻性，它們在引力的作用下逐漸成長為星系、星系團(tuán)、以及更大尺度的結(jié)構(gòu)。如果是這樣，宇宙早期的背景輻射必須在各方向上有一些微小的起伏，天文學(xué)家稱之為各向異性。而探測宇宙微波背景輻射中的各向異性，是COBE衛(wèi)星的另一個重要任務(wù)。

這個任務(wù)，落到了美國伯克利大學(xué)教授——喬治·斯穆特的肩上。喬治·斯穆特是一位宇宙學(xué)家，他認(rèn)為，這項工作是一個大的挑戰(zhàn)。如果能找出宇宙微波背景輻射在不同方向上的微小變化，宇宙形成及擴(kuò)張的秘密，將進(jìn)一步解開。

斯穆特用一個類似普林斯頓大學(xué)使用過的定向號角天線，開始了一系列試驗。他希望做出一張詳細(xì)的地圖來標(biāo)出大爆炸殘留的遺跡，并勾畫出銀河及宇宙的結(jié)構(gòu)。隨后，斯穆特和他的小組，研制出了一套能消除包括地球大氣層干擾在內(nèi)的，具備高靈敏度的儀器。為了把這樣精密的儀器帶出大氣層，他們最早嘗試使用充氦的氣球。但是氣球很不可靠，而且容易受風(fēng)的影響改變方向。他們又選擇改用U2飛機，但很快發(fā)現(xiàn)飛機不能像氣球那樣停留在同一個位置，再加上燃料的限制，使用飛機的計劃也只好放棄。

他們發(fā)現(xiàn)，最好的選擇是使用人造衛(wèi)星。因為人造衛(wèi)星完全在地球大氣層之外工作，又可以停留在地球同步軌道的任何位置上，既具有必要的穩(wěn)定性，又不用擔(dān)心來自大氣層的干擾。

幾年之后，美國太空總署給了斯穆特機會，這就是COBE衛(wèi)星。COBE衛(wèi)星升空不久，就發(fā)回來了準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)。在第一天快要結(jié)束的時候，斯穆特教授得到了一張清晰度前所未見的宇宙照片。他和他的小組花了一整年的時間，收集了3億個觀測數(shù)據(jù)，用計算機繪制出了一張宇宙微波背景輻射的圖像，斯穆特將它稱之為“宇宙蛋”。

這個宇宙蛋所顯示的，是大爆炸結(jié)束時宇宙的圖像（圖9），粉紅和藍(lán)色的區(qū)域分別表示溫度的變化。宇宙微波背景輻射是非常均勻的，但是如果我們?nèi)サ艟鶆虻谋尘埃涂梢钥吹礁飨虍愋?。紅色代表溫度較高的區(qū)域，藍(lán)色代表溫度較低的區(qū)域。在這幅圖中，我們看到，由于地球相對于宇宙微波背景輻射的運動，多普勒效應(yīng)導(dǎo)致一邊溫度更高，這里用紅色表示。我們再除去地球的運動。中間的紅色帶是由于銀河系輻射的污染。再去掉這一塊，剩下的就是宇宙微波背景輻射的“皺紋”。形成星系所不可缺少的，大爆炸后存留于宇宙不同方向上的，溫度細(xì)微變化的證據(jù)被找到了。

（9）顯示大爆炸結(jié)束時宇宙的圖象——宇宙蛋

斯穆特當(dāng)時還不敢完全相信這個結(jié)果，他因此請求組里一位同事再重新單獨處理一下COBE發(fā)回來的數(shù)據(jù)，但是他沒有告訴這位同事他自己已經(jīng)得到的結(jié)果。第二天早上，斯穆特在自己辦公室的門下看到一張計算機圖像，這張圖和斯穆特自己用計算機繪制出來的圖，一模一樣。上面還貼著一張寫有希臘文“Eureka”字樣的紙條，這個希臘詞“Eureka”，是阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力原理以后說的。意思是“我找到了，我發(fā)現(xiàn)了” ！

COBE的探測結(jié)果，使大爆炸的理論再次得到觀測的證實，大爆炸也終于被大多數(shù)人所接受。斯穆特教授籌建了一個博物館來紀(jì)念這項發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，COBE的成功也有約翰·馬瑟的功勞。由于約翰·馬瑟和喬治·斯穆特在宇宙微波背景輻射研究中的貢獻(xiàn)，他們在2006年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。在馬瑟和斯穆特獲得諾貝爾獎的31年前，也就是1975年，斯蒂芬·霍金也因為大爆炸理論，得到了羅馬教皇的接見。宇宙產(chǎn)生于一次大爆炸的觀點，在科學(xué)和宗教兩方面，都能找到認(rèn)同。然而，大爆炸的理論并非就此完美無缺，它仍然還有一些問題需要解決。

1978年11月13日，美國普林斯頓大學(xué)的狄基教授，來到康奈爾大學(xué)做關(guān)于宇宙學(xué)的學(xué)術(shù)報告。在狄基的聽眾中，有一位是在粒子物理學(xué)研究組做博士后的阿倫·古思。誰也沒有想到，就是這場報告，在當(dāng)時名不見經(jīng)傳的古思心里，埋下了一顆種子。不久之后，古思提出了關(guān)于宇宙起源的新理論，使人們對宇宙大爆炸的認(rèn)識，又深入了一步。