宇宙中最古老的光

陳若穎

噪聲中的“大發(fā)現(xiàn)”

說(shuō)起這個(gè)故事，我們需要先把目光轉(zhuǎn)到1964 年美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室中，有兩位研究員——阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜。為了跟蹤衛(wèi)星，他們架設(shè)了具有高靈敏度的喇叭狀天線。為了測(cè)試天線的各種性能，他們嘗試?yán)眠@些天線來(lái)接收銀河系中的無(wú)線電信號(hào)。但是他們發(fā)現(xiàn)，在接收到的無(wú)線電信號(hào)當(dāng)中，存在著一種無(wú)論如何也抹不掉的噪聲。當(dāng)他們把一些可能的干擾，如城市中傳輸?shù)母鞣N電磁波、核試驗(yàn)里的電磁波、大氣中的放射性物質(zhì)所產(chǎn)生的電磁波排除后，那種噪聲依舊存在。于是，他們開(kāi)始懷疑噪聲是從天線內(nèi)部發(fā)出來(lái)的。無(wú)奈之下，他們甚至爬到天線中去清理了鴿子窩和鳥糞。但即便如此，這個(gè)噪聲還是頑強(qiáng)地存在著。更令他們困惑的是，這種噪聲不是僅僅來(lái)自銀河系盤面的方向，而是遍布宇宙，強(qiáng)度相當(dāng)，還不隨季節(jié)等因素而變化。

彭齊亞斯、威爾遜和他們架設(shè)的天線

困惑之下，彭齊亞斯和威爾遜開(kāi)始向他人求助，在問(wèn)到曾經(jīng)擔(dān)任過(guò)宇宙低溫輻射搜尋小組領(lǐng)導(dǎo)人的羅伯特·狄克時(shí)，他們才意識(shí)到，自己無(wú)意中竟然搞出了一個(gè)大新聞。兩個(gè)小組立即展開(kāi)聯(lián)合攻關(guān)。在1965年，彭齊亞斯和威爾遜在《天體物理學(xué)報(bào)》上發(fā)表了文章，宣布了他們的發(fā)現(xiàn)。隨后，狄克等人在同一雜志上解釋他們觀測(cè)到的噪聲其實(shí)就是“宇宙微波背景輻射”。就這樣，作為20世紀(jì)60年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一的宇宙微波背景輻射被人們找到了。由于他們的重大發(fā)現(xiàn)，1978年，彭齊亞斯和威爾遜兩位博士被授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

宇宙微波背景輻射

那么看到這里你可能要問(wèn)，宇宙微波背景輻射是什么？要解答這個(gè)問(wèn)題，還得從更早說(shuō)起。

20世紀(jì)初，科學(xué)家們就已經(jīng)開(kāi)始試圖利用科學(xué)方法探尋宇宙從何而來(lái)、又將向何處去的問(wèn)題。1912年，維斯托·斯里弗就發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)“星云”都在遠(yuǎn)離地球（當(dāng)時(shí)的“星云”是指天空中所有云霧狀的天體）。但因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們不能確定這些天體是否位于銀河系之內(nèi)，所以人們沒(méi)能立刻明了斯里弗的這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于宇宙學(xué)的意義。直到1929年，愛(ài)德溫·哈勃通過(guò)觀測(cè)確定了河外星系的存在，并提出了著名的哈勃定律，才使人們認(rèn)識(shí)到我們的宇宙正在膨脹。1931年，比利時(shí)物理學(xué)家喬治·勒梅特根據(jù)前人的發(fā)現(xiàn)，從宇宙膨脹倒推，認(rèn)為宇宙的所有物質(zhì)最開(kāi)始都應(yīng)該集中于一個(gè)很小的原生原子中，從而提出了“原生原子假說(shuō)”，這也就是后來(lái)宇宙大爆炸理論的雛形。

超級(jí)鏈接

哈勃定律

20世紀(jì)20年代，愛(ài)德溫·哈勃利用威爾遜山天文臺(tái)中的天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，所有的河外星系都在遠(yuǎn)離我們，并且它們遠(yuǎn)離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比。為了紀(jì)念哈勃的貢獻(xiàn)，這個(gè)定律被稱為哈勃定律。我們可以把哈勃定律簡(jiǎn)單地理解為：距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系正在以越快的速度遠(yuǎn)離我們。

基于以上觀點(diǎn)，1948年美國(guó)宇宙學(xué)家喬治·伽莫夫提出了“熱大爆炸理論”（以下簡(jiǎn)稱大爆炸理論）。他認(rèn)為，我們的宇宙應(yīng)該是從一個(gè)高溫、高熱且致密的極小空間誕生的，經(jīng)過(guò)大爆炸并一直不斷膨脹，才成為今天這個(gè)樣子。當(dāng)然，這只是一個(gè)假說(shuō)，因?yàn)檎l(shuí)也沒(méi)有目睹過(guò)宇宙大爆炸的發(fā)生。

在理論模型中，最初的宇宙是十分熾熱且混沌的，質(zhì)子和電子混亂地充斥在整個(gè)空間中，爆炸的光無(wú)法在空間中自由傳播。但膨脹使空間逐漸冷卻，到達(dá)一個(gè)臨界點(diǎn)后，質(zhì)子和電子幾乎在瞬間結(jié)合成氫原子，宇宙突然變得明朗起來(lái)，光在空間中便能夠自由傳播。

據(jù)理論推測(cè)，我們的宇宙擁有第一束光時(shí)，僅僅38萬(wàn)歲。今天，雖然宇宙已經(jīng)成長(zhǎng)了百億年，但當(dāng)時(shí)的光作為大爆炸的余暉，至今仍在宇宙中漫游著。所以，伽莫夫有一個(gè)預(yù)言：今天的宇宙均勻地布滿溫度約為5K的光（K即開(kāi)爾文，是國(guó)際單位制中的溫度單位，開(kāi)氏度=攝氏度+273.15），也就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的宇宙微波背景輻射。

宇宙微波背景輻射

在宇宙中發(fā)光發(fā)熱

說(shuō)到這里就又牽涉兩個(gè)問(wèn)題：為什么這個(gè)光是均勻存在著的？為什么光不用亮度單位而用溫度單位來(lái)表示？

首先，大家想象中的光應(yīng)該是像太陽(yáng)光那樣，有一個(gè)明確的光源，光從光源發(fā)出后向四周散射，光源越遠(yuǎn)，照亮范圍越廣，某個(gè)點(diǎn)能夠接收到的光就越少。但我們需要明白，宇宙的膨脹和我們常識(shí)中的膨脹不同，它是沒(méi)有一個(gè)明確中心的，宇宙空間中的每個(gè)天體都在彼此遠(yuǎn)離。為了更好地理解這個(gè)現(xiàn)象，大家可以找一個(gè)氣球，然后簡(jiǎn)單地把宇宙空間想象成氣球表面（注意：是氣球的那層橡膠表面，不包括里面的氣體），在氣球上隨手用黑筆畫幾個(gè)點(diǎn)當(dāng)作宇宙中的天體。我們?cè)诖禋馇驎r(shí)，是不是就可以觀察到氣球上的黑點(diǎn)都在彼此遠(yuǎn)離，但我們并不能找到這些黑點(diǎn)共同的膨脹中心。因?yàn)橛钪媸恰熬鶆颉迸蛎浀?，所以?dāng)時(shí)的光也就形成了均勻的背景輻射。

其次，光怎么能用溫度單位來(lái)表示呢？這是因?yàn)槲矬w會(huì)發(fā)出與其溫度相對(duì)應(yīng)的光。比如說(shuō)太陽(yáng)表面的溫度約為6000K，它發(fā)出的光就大部分分布在可見(jiàn)光波段。我們?nèi)梭w也可以發(fā)出光，不過(guò)由于體溫比較低，所以發(fā)出來(lái)的光不在可見(jiàn)光波段，而在紅外線波段。如今我們常見(jiàn)的紅外線體溫計(jì)就是利用我們身體的這個(gè)特性進(jìn)行體溫檢測(cè)的。總而言之，物體會(huì)根據(jù)不同的溫度而改變其發(fā)光特征，所以我們就可以用溫度來(lái)描述光。

太陽(yáng)輻射波段

一般來(lái)說(shuō)，物體發(fā)出的光不會(huì)只是一種波長(zhǎng)的，而是很多波長(zhǎng)的光的疊加，并且物體溫度越高，發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短;溫度越低，發(fā)出的光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)。于是，伽莫夫進(jìn)一步預(yù)言：這些光會(huì)隨著宇宙的膨脹，能量越來(lái)越小、波長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)，到現(xiàn)在它已冷卻成一種比可見(jiàn)光波長(zhǎng)還要長(zhǎng)的光。因?yàn)檫@種波長(zhǎng)的光屬于微波范疇，由此得名宇宙微波背景輻射。可以說(shuō)，宇宙微波背景輻射就是宇宙中最古老的光，它穿越了漫長(zhǎng)的時(shí)間與空間后成為“微波”，充盈在整個(gè)宇宙空間里，而且分布之均勻猶如宇宙的“背景”。

找尋宇宙微波背景輻射

通過(guò)以上的描述，我們了解到宇宙微波背景輻射來(lái)源于宇宙大爆炸。那么反過(guò)來(lái)，如果我們能夠觀測(cè)到宇宙微波背景輻射，就可以為宇宙大爆炸這一當(dāng)時(shí)還不為人所接受的理論提供有力的支持了。因此，在宇宙大爆炸理論提出后，科學(xué)家們都在積極探索觀測(cè)方法來(lái)尋找宇宙微波背景輻射。但因?yàn)橘つ蛩A(yù)估的溫度比宇宙微波背景輻射實(shí)際的溫度要高，所以科學(xué)家們使用各種方法，在他所說(shuō)的范圍內(nèi)都沒(méi)能找到。直到20年后，這種微波輻射才被彭齊亞斯和威爾遜二人在3K左右的溫度處發(fā)現(xiàn)。之后，美國(guó)于1989年發(fā)射了用于精確探測(cè)宇宙微波背景輻射信息的COBE衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的實(shí)際溫度約為2.73K，并且?guī)缀跬昝婪侠碚撃Ｐ?。為了深入探測(cè)，科學(xué)家們于2001年發(fā)射了精確度更高的WMAP衛(wèi)星，隨后又在2009年發(fā)射了普朗克衛(wèi)星，期望能夠了解更多的細(xì)節(jié)，從中獲取關(guān)于早期宇宙的更多信息。

Cobe衛(wèi)星、WMAP衛(wèi)星和普朗克衛(wèi)星拍攝的宇宙微波背景輻射圖像對(duì)比

通過(guò)觀察這幾個(gè)衛(wèi)星的探測(cè)圖像，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射在全天并不完全均勻，而是有一些微小的漲落。但我們可以說(shuō)，宇宙微波背景輻射在大體上是均勻的，只是在局部有細(xì)小的差別。也因?yàn)橛钪嫖⒉ū尘拜椛浞从沉嗽缙谟钪娴臓顟B(tài)，所以我們推測(cè)：宇宙在誕生之初，物質(zhì)基本上也是均勻分布的，只是在局部有著微小的分布不均，這些分布不均也成為后來(lái)星系、恒星等天體起源的重要原因。同時(shí)，依據(jù)宇宙微波背景輻射推測(cè)出的信息，也與現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)相似。這同樣也證明了我們現(xiàn)在的理論模型大體上是正確的。

宇宙微波背景輻射不僅幫助科學(xué)家們驗(yàn)證了宇宙大爆炸這一假說(shuō)，還啟發(fā)他們修改了當(dāng)時(shí)的理論模型，預(yù)言了暗能量的存在。我們知道，空間的曲率與物質(zhì)的質(zhì)量有關(guān)，越重的天體會(huì)使它所在的空間越彎曲。而宇宙微波背景輻射現(xiàn)在能夠分布得如此均勻，就證明了宇宙空間基本是平坦的，物質(zhì)質(zhì)量分布也是均勻的。早在20世紀(jì)30年代，科學(xué)家們已經(jīng)通過(guò)觀測(cè)一些天體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，如太陽(yáng)系、銀河系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)所有已知的物質(zhì)質(zhì)量相加，都不足以產(chǎn)生足夠的引力將天體束縛在系統(tǒng)中。因此，科學(xué)家們認(rèn)為應(yīng)該還有人類所不知道的物質(zhì)參與了天體的引力作用。他們把這種觀測(cè)不到的物質(zhì)稱為“暗物質(zhì)”。通過(guò)WMAP衛(wèi)星精確測(cè)量宇宙微波背景輻射，科學(xué)家們能夠分別求出普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的質(zhì)量。但是，即便把二者的質(zhì)量全部加起來(lái)，也不足以讓宇宙空間如此平坦。也就是說(shuō)，一定還有某種形式的能量在宇宙中存在，這種能量后來(lái)被命名為“暗能量”。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，在宇宙中普通物質(zhì)約占4.9%，暗物質(zhì)約占26.8%，暗能量約占68.3%。科學(xué)家們現(xiàn)在普遍認(rèn)為，正是這種未知的能量在加速著宇宙的膨脹。

宇宙結(jié)構(gòu)示意圖

宇宙微波背景輻射幫助我們解釋了很多有關(guān)宇宙的問(wèn)題，可以說(shuō)，它不僅是現(xiàn)代宇宙學(xué)的中心課題，在未來(lái)也將繼續(xù)幫助人類了解宇宙。那么，就讓我們一起等待宇宙中最古老的光為我們講述更多宇宙故事吧。