宇宙中最古老的光

陳若穎

噪聲中的“大發現”

說起這個故事，我們需要先把目光轉到1964 年美國的貝爾實驗室。當時的實驗室中，有兩位研究員——阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜。為了跟蹤衛星，他們架設了具有高靈敏度的喇叭狀天線。為了測試天線的各種性能，他們嘗試利用這些天線來接收銀河系中的無線電信號。但是他們發現，在接收到的無線電信號當中，存在著一種無論如何也抹不掉的噪聲。當他們把一些可能的干擾，如城市中傳輸的各種電磁波、核試驗里的電磁波、大氣中的放射性物質所產生的電磁波排除后，那種噪聲依舊存在。于是，他們開始懷疑噪聲是從天線內部發出來的。無奈之下，他們甚至爬到天線中去清理了鴿子窩和鳥糞。但即便如此，這個噪聲還是頑強地存在著。更令他們困惑的是，這種噪聲不是僅僅來自銀河系盤面的方向，而是遍布宇宙，強度相當，還不隨季節等因素而變化。

彭齊亞斯、威爾遜和他們架設的天線

困惑之下，彭齊亞斯和威爾遜開始向他人求助，在問到曾經擔任過宇宙低溫輻射搜尋小組領導人的羅伯特·狄克時，他們才意識到，自己無意中竟然搞出了一個大新聞。兩個小組立即展開聯合攻關。在1965年，彭齊亞斯和威爾遜在《天體物理學報》上發表了文章，宣布了他們的發現。隨后，狄克等人在同一雜志上解釋他們觀測到的噪聲其實就是“宇宙微波背景輻射”。就這樣，作為20世紀60年代天文學四大發現之一的宇宙微波背景輻射被人們找到了。由于他們的重大發現，1978年，彭齊亞斯和威爾遜兩位博士被授予了諾貝爾物理學獎。

宇宙微波背景輻射

那么看到這里你可能要問，宇宙微波背景輻射是什么？要解答這個問題，還得從更早說起。

20世紀初，科學家們就已經開始試圖利用科學方法探尋宇宙從何而來、又將向何處去的問題。1912年，維斯托·斯里弗就發現絕大多數“星云”都在遠離地球（當時的“星云”是指天空中所有云霧狀的天體）。但因為當時人們不能確定這些天體是否位于銀河系之內，所以人們沒能立刻明了斯里弗的這個發現對于宇宙學的意義。直到1929年，愛德溫·哈勃通過觀測確定了河外星系的存在，并提出了著名的哈勃定律，才使人們認識到我們的宇宙正在膨脹。1931年，比利時物理學家喬治·勒梅特根據前人的發現，從宇宙膨脹倒推，認為宇宙的所有物質最開始都應該集中于一個很小的原生原子中，從而提出了“原生原子假說”，這也就是后來宇宙大爆炸理論的雛形。

超級鏈接

哈勃定律

20世紀20年代，愛德溫·哈勃利用威爾遜山天文臺中的天文望遠鏡觀測發現，所有的河外星系都在遠離我們，并且它們遠離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比。為了紀念哈勃的貢獻，這個定律被稱為哈勃定律。我們可以把哈勃定律簡單地理解為：距離我們越遠的星系正在以越快的速度遠離我們。

基于以上觀點，1948年美國宇宙學家喬治·伽莫夫提出了“熱大爆炸理論”（以下簡稱大爆炸理論）。他認為，我們的宇宙應該是從一個高溫、高熱且致密的極小空間誕生的，經過大爆炸并一直不斷膨脹，才成為今天這個樣子。當然，這只是一個假說，因為誰也沒有目睹過宇宙大爆炸的發生。

在理論模型中，最初的宇宙是十分熾熱且混沌的，質子和電子混亂地充斥在整個空間中，爆炸的光無法在空間中自由傳播。但膨脹使空間逐漸冷卻，到達一個臨界點后，質子和電子幾乎在瞬間結合成氫原子，宇宙突然變得明朗起來，光在空間中便能夠自由傳播。

據理論推測，我們的宇宙擁有第一束光時，僅僅38萬歲。今天，雖然宇宙已經成長了百億年，但當時的光作為大爆炸的余暉，至今仍在宇宙中漫游著。所以，伽莫夫有一個預言：今天的宇宙均勻地布滿溫度約為5K的光（K即開爾文，是國際單位制中的溫度單位，開氏度=攝氏度+273.15），也就是我們現在所說的宇宙微波背景輻射。

宇宙微波背景輻射

在宇宙中發光發熱

說到這里就又牽涉兩個問題：為什么這個光是均勻存在著的？為什么光不用亮度單位而用溫度單位來表示？

首先，大家想象中的光應該是像太陽光那樣，有一個明確的光源，光從光源發出后向四周散射，光源越遠，照亮范圍越廣，某個點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中的膨脹不同，它是沒有一個明確中心的，宇宙空間中的每個天體都在彼此遠離。為了更好地理解這個現象，大家可以找一個氣球，然后簡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點當作宇宙中的天體。我們在吹氣球時，是不是就可以觀察到氣球上的黑點都在彼此遠離，但我們并不能找到這些黑點共同的膨脹中心。因為宇宙是“均勻”膨脹的，所以當時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表示呢？這是因為物體會發出與其溫度相對應的光。比如說太陽表面的溫度約為6000K，它發出的光就大部分分布在可見光波段。我們人體也可以發出光，不過由于體溫比較低，所以發出來的光不在可見光波段，而在紅外線波段。如今我們常見的紅外線體溫計就是利用我們身體的這個特性進行體溫檢測的。總而言之，物體會根據不同的溫度而改變其發光特征，所以我們就可以用溫度來描述光。

太陽輻射波段

一般來說，物體發出的光不會只是一種波長的，而是很多波長的光的疊加，并且物體溫度越高，發出的光的波長越短;溫度越低，發出的光的波長越長。于是，伽莫夫進一步預言：這些光會隨著宇宙的膨脹，能量越來越小、波長越來越長，到現在它已冷卻成一種比可見光波長還要長的光。因為這種波長的光屬于微波范疇，由此得名宇宙微波背景輻射。可以說，宇宙微波背景輻射就是宇宙中最古老的光，它穿越了漫長的時間與空間后成為“微波”，充盈在整個宇宙空間里，而且分布之均勻猶如宇宙的“背景”。

找尋宇宙微波背景輻射

通過以上的描述，我們了解到宇宙微波背景輻射來源于宇宙大爆炸。那么反過來，如果我們能夠觀測到宇宙微波背景輻射，就可以為宇宙大爆炸這一當時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，科學家們都在積極探索觀測方法來尋找宇宙微波背景輻射。但因為伽莫夫所預估的溫度比宇宙微波背景輻射實際的溫度要高，所以科學家們使用各種方法，在他所說的范圍內都沒能找到。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左右的溫度處發現。之后，美國于1989年發射了用于精確探測宇宙微波背景輻射信息的COBE衛星，發現宇宙微波背景輻射的實際溫度約為2.73K，并且幾乎完美符合理論模型。為了深入探測，科學家們于2001年發射了精確度更高的WMAP衛星，隨后又在2009年發射了普朗克衛星，期望能夠了解更多的細節，從中獲取關于早期宇宙的更多信息。

Cobe衛星、WMAP衛星和普朗克衛星拍攝的宇宙微波背景輻射圖像對比

通過觀察這幾個衛星的探測圖像，我們會發現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，宇宙微波背景輻射在大體上是均勻的，只是在局部有細小的差別。也因為宇宙微波背景輻射反映了早期宇宙的狀態，所以我們推測：宇宙在誕生之初，物質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星系、恒星等天體起源的重要原因。同時，依據宇宙微波背景輻射推測出的信息，也與現在觀測到的宇宙大尺度結構相似。這同樣也證明了我們現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家們驗證了宇宙大爆炸這一假說，還啟發他們修改了當時的理論模型，預言了暗能量的存在。我們知道，空間的曲率與物質的質量有關，越重的天體會使它所在的空間越彎曲。而宇宙微波背景輻射現在能夠分布得如此均勻，就證明了宇宙空間基本是平坦的，物質質量分布也是均勻的。早在20世紀30年代，科學家們已經通過觀測一些天體系統的運動，如太陽系、銀河系，發現當時所有已知的物質質量相加，都不足以產生足夠的引力將天體束縛在系統中。因此，科學家們認為應該還有人類所不知道的物質參與了天體的引力作用。他們把這種觀測不到的物質稱為“暗物質”。通過WMAP衛星精確測量宇宙微波背景輻射，科學家們能夠分別求出普通物質和暗物質的質量。但是，即便把二者的質量全部加起來，也不足以讓宇宙空間如此平坦。也就是說，一定還有某種形式的能量在宇宙中存在，這種能量后來被命名為“暗能量”。根據觀測數據，在宇宙中普通物質約占4.9%，暗物質約占26.8%，暗能量約占68.3%。科學家們現在普遍認為，正是這種未知的能量在加速著宇宙的膨脹。

宇宙結構示意圖

宇宙微波背景輻射幫助我們解釋了很多有關宇宙的問題，可以說，它不僅是現代宇宙學的中心課題，在未來也將繼續幫助人類了解宇宙。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。