宇宙微波背景輻射的提出、發現與探測

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家。

自從牛頓提出萬有引力定律以后，人們就產生過疑慮，既然宇宙萬物皆有引力，那它們會不會因為引力而互相吸引坍縮到一起呢？但是宇宙并沒有坍縮，所以牛頓認為宇宙是無限的，物質是均勻分布的，物質之間的引力互相抵消了。那時候，科學家們的觀察結果也說明宇宙的物質在大尺度上看起來都是均勻分布的，各向同性的。牛頓對宇宙的描述是穩恒的，時空是絕對的，即時間是無始無終的，空間是無窮無盡的。

到了愛因斯坦時代，他的狹義相對論修正了牛頓理論的一些問題，提出了時空變化的相對性原理。接下來愛因斯坦發展了他的廣義相對論，他推導出的廣義相對論場方程預示了宇宙是動態的（或者膨脹，或者收縮），而不是靜態的。這個結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宇宙常數來限定引力和斥力相互抵消，保持宇宙的穩定。

時間來到1922年，俄羅斯物理學家弗里德曼提出質疑，說愛因斯坦在方程中添加宇宙常數是多此一舉，本來這個方程就預示著宇宙時空是動態的，不是穩恒的。這樣一種新的宇宙觀，在當時很難被人們接受。

大約同一時期，比利時物理學家勒梅特也獨立地求解了愛因斯坦的方程，他還去美國訪問了哈勃等科學家。1927年，勒梅特寫了一篇論文介紹自己的工作，因為用法文發表而沒有引起當時科學界的重視。1931年，著名科學家愛丁頓把勒梅特的文章介紹到英國皇家天文學會用英文發表，才引起全球科學家的注意。勒梅特提出了宇宙膨脹假設，并且反推到遙遠的過去，認為宇宙在開始的時候應該非常小，并且所有的物質和能量都應該集中于一點（勒梅特稱之為宇宙蛋）。在這篇論文中，勒梅特還率先推導出“星系離開我們的速度（退行速度）與星系的距離成正比” 這一規律，并利用美國天文學家維斯托·斯萊弗觀測的星系退行速度數據和哈勃發表的星系距離數據，第一個估算了這一比例系數的大小。當時幾乎沒有人能接受勒梅特的想法。盡管重視他觀點的愛丁頓幫助勒梅特約見了愛因斯坦，愛因斯坦也當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。

直到1929年，哈勃用觀測數據說明了星系的距離和速度之間的關系（下圖），即距離我們越遠的星系，其遠離我們的速度越快，驗證了勒梅特的理論推導。

這一結論在2018年以前一直都被稱為“哈勃定律”，比例系數也被稱為“哈勃常數”，勒梅特的貢獻被不公正地忽視了。2018年，國際天文學聯合會全體會員投票決定將哈勃定律更名為哈勃-勒梅特定律，以此紀念勒梅特對現代宇宙學發展做出的貢獻，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，在看了哈勃觀測的實證數據以后，就放棄了自己的靜態宇宙觀，轉而支持了勒梅特和哈勃的觀點。從此，愛因斯坦把“宇宙常數”稱為自己人生中最大的失誤。

勒梅特所說的宇宙具有一個起始點，這就否定了永恒靜態的宇宙觀，在當時的學術圈里很難令人接受，因為這種有起點的宇宙觀契合了神創論的觀點，特別是勒梅特本人也是個神父，這更讓一些無神論科學家感到別扭。

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

以上工作主要是伽莫夫指導他的學生拉爾夫·阿爾菲的博士論文，按理說論文發表署名伽莫夫和阿爾菲即可，但伽莫夫是一個充滿幽默的人，他發現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，他們的論文發表日期是1948年4月1日愚人節，也好像是個玩笑。

當時人們確實沒把這篇文章當回事，著名科學家霍伊爾還說他們對宇宙起源的描述就像一場“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”，而且在觀測事實面前都陸續接受了伽莫夫的學說。現在，“大爆炸宇宙學”已被更多科學家接受并發展成為眾多解釋宇宙起源的主流學說。