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現，它也是20世紀最偉大的發現。”

——史蒂芬·霍金

2006年度諾貝爾物理學獎被授予了兩名美國天體物理學家約翰·馬瑟和喬治·斯莫特，以表彰他們發現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。他們的研究基于宇宙背景探測衛星（COBE）進行的觀測，它將現代宇宙學變成了一門精確測量的科學。

宇宙微波背景輻射已是第二次獲得諾貝爾獎了。如果把諾貝爾獎看作是對一種理論的正確性的最終評判的話，那么我們現在可以這么說：宇宙學走到今天，人類已經逐漸看到了“上帝”的真面目。馬瑟和斯莫特的發現是一個歷史標志性事件，是一個新的科學階段的開始?，F在，人們有必要重新回眸宇宙學的百年發展史，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：“白癡問題”的誕生

17世紀的學者們對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，否則宇宙是不穩定的；萊布尼茲認為星球必定均勻分布在宇宙的無限空間里，否則宇宙便會有邊界有中心。對此，康德卻認為：（宇宙）有限無限問題本身毫無意義，根本不應當再討論它。

1917年正在構造宇宙模型的愛因斯坦在給天文學家德西特的信中曾引用海涅“白癡才會期望有一個回答”的詩句嘲笑康德。其實，出于對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生及其結構。不過，在愛因斯坦之前，無論是牛頓、萊布尼茲，還是康德，對宇宙的認識都只是基于直覺的臆測，無一例外地停留在思辨階段，有關宇宙的學說與其說是門科學還不如說是一種哲理思辨。

第一個使宇宙變成可以理論研究的科學的是愛因斯坦。他將廣義相對論用于宇宙結構的研究，1917年發表了著名的愛因斯坦引力場方程，這是描述宇宙在物質引力和宇宙結構作用下的運動狀態方程。在宇宙物質均勻分布和各向同性的假設（即宇宙學原理）下，愛因斯坦得到第一個理論宇宙模型——無限無界、平直而靜態的宇宙。愛因斯坦的工作開創了現代宇宙學。

1929年哈勃發現，遙遠的星系都在遠離我們，星系越遠，遠離速度越快，這就是著名的哈勃定律。根據哈勃定律，顯而易見，我們的宇宙在膨脹。哈勃的發現開創了現代觀測宇宙學。

從此，宇宙學成為了一門科學，一門不僅可以理論研究也可以進行觀測的科學。

宇宙在爆炸？

在愛因斯坦時代，流行的依然是宇宙靜止、永恒的傳統觀念，它與宇宙膨脹觀念水火不容。于是，為了解釋哈勃的發現，20世紀中葉又出現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“穩恒態膨脹宇宙模型”，它以英國科學家霍伊爾、戈爾德和邦迪為首。這種模型認為，宇宙是永恒不變的，為了彌補膨脹造成的物質稀疏，物質從虛無中源源不斷地產生，大約每立方米空間每10億年產生一個氫原子。另一類是大爆炸宇宙模型，它們以比利時神父勒梅特、俄裔美籍物理學家伽莫夫為代表。勒梅特在1932年提出了一種原初原子宇宙模型，今天的宇宙是這個原初原子蛻變、膨脹的結果。受勒梅特思想的啟發，伽莫夫與他的學生阿爾法在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數量的支持者，一時難辨真偽。爭論從20世紀40年代一直延續到1964年發現宇宙微波背景輻射。

按照大爆炸宇宙學說，宇宙經過一個由熱到冷、由密到疏的誕生和演化過程。最初宇宙如同一個原始火球，處于高溫高密狀態，后來發生了一次大爆炸，能量轉換成了粒子。初期的宇宙就像一鍋基本粒子湯，由光子、中微子、電子、質子和中子組成。隨著宇宙的膨脹，宇宙開始變冷，質子和中子形成了氘核、氦核和少量的鋰鈹原子核，這個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獎獲得者溫伯格“宇宙最初3分鐘”的來歷）。此時宇宙密度溫度極高，光子和各種粒子不斷發生碰撞、交換能量動量，宇宙處于熱平衡狀態，各種粒子具有相同的溫度。

大爆炸后數十萬年，宇宙冷卻到3000K，輻射大大減弱，自由電子與質子、氘核、氦核結合成原子。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發生作用，從此輻射與物質走上各自膨脹、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（阿爾法和赫爾曼預言）或50K（伽莫夫預言）的背景輻射，充滿著整個宇宙。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、探測宇宙微波背景輻射成為解決兩類模型之爭的關鍵。遺憾的是，整個20世紀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言。

找到大爆炸的余輝

1964年，事情有了重大變化。美國兩位無線電專家彭齊亞斯和威爾遜在測試一架衛星通訊天線改裝的射電望遠鏡時，發現始終存在一種3.5K溫度的額外噪聲，無論望遠鏡對準什么方向，無論采取什么辦法都不能消除，他們為此迷惑不解。一次偶然的機會，他們得知這種額外噪聲就是宇宙學家夢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獎，這是因宇宙微波背景輻射獲得的第一個諾貝爾獎。大爆炸模型因此獲得了強有力的觀測證據，許多穩恒態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，按諾貝爾獎的規定，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不再發生作用，所以宇宙背景輻射應當保持黑體譜的形狀，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、火箭和氣球觀測發現，宇宙微波背景輻射的峰值位于1～2毫米波長，然而這些測量大多在長波段上進行，因為地球大氣的吸收和發射使得短波段的觀測數據十分缺乏，僅有的一些觀測又表明短波段的背景輻射嚴重偏離黑體譜。因此，發展空間觀測成為判斷兩類宇宙模型的當務之急。

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

作為美國宇航局戈達德航天中心高級天體物理學家的馬瑟，正是這項COBE計劃主要負責人和FIRAS儀器的負責人；而身為加利福尼亞大學伯克利分校天體物理學教授的斯莫特則是DMR儀器的負責人。

COBE計劃的整個研究工程團隊超過千人，前后幾乎化費了20多年時間。但衛星上天后，最初9分鐘的觀測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，無論是在實驗室還是在大自然。進一步的觀測和數據處理表明，這種輻射的溫度為2.735 K（即絕對溫標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。從而證實了宇宙背景輻射譜的宇宙學起源，連同哈勃膨脹、宇宙化學豐度，它們成為大爆炸宇宙模型強有力的三大觀測支柱。

COBE的不朽功績

經過對COBE數據的重新處理，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的任務之后，2001年發射的威爾金森各向異性探測衛星（WMAP）對這種極其微弱的背景輻射溫度作了更精確的測定，得到2.725K的溫度，誤差僅有0.002K。毫不夸張地說，COBE的觀測開創了精確測定宇宙的時代。

根據WMAP的精確測定，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的結果第一次展現出一幅宇宙早期——“嬰兒時代”的圖像，有人把它形象地譬喻成“就像看到了上帝的臉”，象征看到了宇宙創世期的圖像。那個時期宇宙正處于高溫高密的粒子時代，因此也將成為檢驗粒子物理理論的最佳場所。

COBE的結果還回答了一個重大的宇宙學問題：今天觀測到的燦爛繽紛的星系世界和恒星世界從何而來？宇宙學家們推測，由于地球相對于背景輻射的運動，極其均勻的宇宙背景輻射應當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的存在，宇宙背景輻射應有十萬分之一的各向異性，它們作為物質聚集的種子，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構。這正是COBE衛星DRM儀器獲得的另一個重要結果，它證明我們今天的物質世界正是由當年極其微小的不均勻演化而來，并且還間接地證實了暗物質的存在。

自從發現宇宙背景輻射以來，宇宙學家就疑惑不解，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，超出這個作用范圍的兩個地方為什么會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）曾經發生了短暫的指數式超光速膨脹。暴漲模型能夠解決視界問題和其他一些宇宙學問題。因此，驗證模型的正確與否成為認識宇宙極早期的關鍵。這正是宇宙微波背景輻射所能揭開的：按照暴漲學說，暴漲會產生引力波，在某些情況下測量宇宙微波背景輻射的偏振能夠間接地探測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已經證實今天的宇宙在加速膨脹，并且主要由暗能量及暗物質組成，它們各占宇宙總物質的73％和23％，而我們見到的星系、恒星、星云等明亮物質僅僅占4％，暗能量是什么？暗物質又是什么？膨脹加速會永遠繼續下去嗎？……等等重大的問題等待我們的回答，它們已向現代物理學、向當代的科學家發出了嚴峻的挑戰。

“即使不是有史以來最偉大的發現，也是20世紀最偉大的發現?！边@是著名物理學家霍金于1992年對COBE出色成果的由衷贊美。不過，現代宇宙學還面臨許多新的基本而重大的問題需要回答，許多關鍵細節遠未弄清，“白癡問題”肯定還能贏來更多的贊美。2007年，一顆新的測量宇宙背景輻射的衛星——普朗克衛星將從歐洲的上空升起，前所未有的0.000001K的測定誤差將為解開宇宙怎樣誕生，怎樣演化到今天的形態，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。

（作者為上海天文臺研究員）