宇宙微波背景輻射的提出、發(fā)現(xiàn)與探測(cè)

郭紅鋒

說起宇宙微波背景輻射，我們不得不提到以下這些大名鼎鼎的科學(xué)家。

自從牛頓提出萬(wàn)有引力定律以后，人們就產(chǎn)生過疑慮，既然宇宙萬(wàn)物皆有引力，那它們會(huì)不會(huì)因?yàn)橐Χハ辔s到一起呢？但是宇宙并沒有坍縮，所以牛頓認(rèn)為宇宙是無限的，物質(zhì)是均勻分布的，物質(zhì)之間的引力互相抵消了。那時(shí)候，科學(xué)家們的觀察結(jié)果也說明宇宙的物質(zhì)在大尺度上看起來都是均勻分布的，各向同性的。牛頓對(duì)宇宙的描述是穩(wěn)恒的，時(shí)空是絕對(duì)的，即時(shí)間是無始無終的，空間是無窮無盡的。

到了愛因斯坦時(shí)代，他的狹義相對(duì)論修正了牛頓理論的一些問題，提出了時(shí)空變化的相對(duì)性原理。接下來愛因斯坦發(fā)展了他的廣義相對(duì)論，他推導(dǎo)出的廣義相對(duì)論場(chǎng)方程預(yù)示了宇宙是動(dòng)態(tài)的（或者膨脹，或者收縮），而不是靜態(tài)的。這個(gè)結(jié)果愛因斯坦本人也不愿意接受，于是他在方程式中加了一個(gè)宇宙常數(shù)來限定引力和斥力相互抵消，保持宇宙的穩(wěn)定。

時(shí)間來到1922年，俄羅斯物理學(xué)家弗里德曼提出質(zhì)疑，說愛因斯坦在方程中添加宇宙常數(shù)是多此一舉，本來這個(gè)方程就預(yù)示著宇宙時(shí)空是動(dòng)態(tài)的，不是穩(wěn)恒的。這樣一種新的宇宙觀，在當(dāng)時(shí)很難被人們接受。

大約同一時(shí)期，比利時(shí)物理學(xué)家勒梅特也獨(dú)立地求解了愛因斯坦的方程，他還去美國(guó)訪問了哈勃等科學(xué)家。1927年，勒梅特寫了一篇論文介紹自己的工作，因?yàn)橛梅ㄎ陌l(fā)表而沒有引起當(dāng)時(shí)科學(xué)界的重視。1931年，著名科學(xué)家愛丁頓把勒梅特的文章介紹到英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)用英文發(fā)表，才引起全球科學(xué)家的注意。勒梅特提出了宇宙膨脹假設(shè)，并且反推到遙遠(yuǎn)的過去，認(rèn)為宇宙在開始的時(shí)候應(yīng)該非常小，并且所有的物質(zhì)和能量都應(yīng)該集中于一點(diǎn)（勒梅特稱之為宇宙蛋）。在這篇論文中，勒梅特還率先推導(dǎo)出“星系離開我們的速度（退行速度）與星系的距離成正比” 這一規(guī)律，并利用美國(guó)天文學(xué)家維斯托·斯萊弗觀測(cè)的星系退行速度數(shù)據(jù)和哈勃發(fā)表的星系距離數(shù)據(jù)，第一個(gè)估算了這一比例系數(shù)的大小。當(dāng)時(shí)幾乎沒有人能接受勒梅特的想法。盡管重視他觀點(diǎn)的愛丁頓幫助勒梅特約見了愛因斯坦，愛因斯坦也當(dāng)面聽取了勒梅特的想法，但愛因斯坦還是沒有接受勒梅特的觀點(diǎn)。

直到1929年，哈勃用觀測(cè)數(shù)據(jù)說明了星系的距離和速度之間的關(guān)系（下圖），即距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，其遠(yuǎn)離我們的速度越快，驗(yàn)證了勒梅特的理論推導(dǎo)。

這一結(jié)論在2018年以前一直都被稱為“哈勃定律”，比例系數(shù)也被稱為“哈勃常數(shù)”，勒梅特的貢獻(xiàn)被不公正地忽視了。2018年，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)全體會(huì)員投票決定將哈勃定律更名為哈勃-勒梅特定律，以此紀(jì)念勒梅特對(duì)現(xiàn)代宇宙學(xué)發(fā)展做出的貢獻(xiàn)，歷史終將是公正的。

1933年，愛因斯坦還專門拜訪了哈勃工作的威爾遜山天文臺(tái)，在看了哈勃觀測(cè)的實(shí)證數(shù)據(jù)以后，就放棄了自己的靜態(tài)宇宙觀，轉(zhuǎn)而支持了勒梅特和哈勃的觀點(diǎn)。從此，愛因斯坦把“宇宙常數(shù)”稱為自己人生中最大的失誤。

勒梅特所說的宇宙具有一個(gè)起始點(diǎn)，這就否定了永恒靜態(tài)的宇宙觀，在當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)圈里很難令人接受，因?yàn)檫@種有起點(diǎn)的宇宙觀契合了神創(chuàng)論的觀點(diǎn)，特別是勒梅特本人也是個(gè)神父，這更讓一些無神論科學(xué)家感到別扭。

然而科學(xué)家更相信事實(shí)。時(shí)間來到20世紀(jì)40年代，曾經(jīng)師從著名宇宙學(xué)家弗里德曼的俄羅斯物理學(xué)家伽莫夫移居美國(guó)，和他的學(xué)生們將相對(duì)論引入宇宙學(xué)，發(fā)展了勒梅特的大爆炸理論，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型。熱大爆炸宇宙學(xué)模型認(rèn)為，宇宙最初開始于高溫、高密的原始物質(zhì)，溫度超過幾十億度。隨著宇宙開始膨脹，溫度逐漸下降，最終形成了現(xiàn)在的恒星、星系等我們今天觀測(cè)到的天體結(jié)構(gòu)。伽莫夫的學(xué)生阿爾菲還計(jì)算了宇宙因膨脹而冷卻下來所殘留的背景輻射溫度，現(xiàn)在應(yīng)該在5K（“K”是開氏溫標(biāo)中的溫度單位，在物理學(xué)中表示絕對(duì)溫度）左右，這是宇宙中殘留背景輻射的最早預(yù)言。

以上工作主要是伽莫夫指導(dǎo)他的學(xué)生拉爾夫·阿爾菲的博士論文，按理說論文發(fā)表署名伽莫夫和阿爾菲即可，但伽莫夫是一個(gè)充滿幽默的人，他發(fā)現(xiàn)二人的名字首字母正好是希臘字母a和g的讀音，于是就把他的朋友漢斯．貝特也加進(jìn)文章署名，首字母正好是希臘字母的前3位讀音，伽莫夫戲稱這是 a、b 、g論文，他們的論文發(fā)表日期是1948年4月1日愚人節(jié)，也好像是個(gè)玩笑。

當(dāng)時(shí)人們確實(shí)沒把這篇文章當(dāng)回事，著名科學(xué)家霍伊爾還說他們對(duì)宇宙起源的描述就像一場(chǎng)“大爆炸”，但不幸言中，后來人們不僅沿用了霍伊爾帶有嘲諷意味的名稱“大爆炸宇宙學(xué)”，而且在觀測(cè)事實(shí)面前都陸續(xù)接受了伽莫夫的學(xué)說?，F(xiàn)在，“大爆炸宇宙學(xué)”已被更多科學(xué)家接受并發(fā)展成為眾多解釋宇宙起源的主流學(xué)說。