天文史上的今天：他們目睹了宇宙大爆炸的餘暉

摘要：

1936年1月10日，美國天文學家羅伯特·威爾遜出生。他最大的貢獻，就是和同事一起發現了宇宙大爆炸留下的餘暉。

美國天文學家羅伯特·威爾遜（Robert W Wilson）

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1936年1月10日，美國天文學家羅伯特·威爾遜（Robert W Wilson）出生。

但我想要講述的不是他的個人生平，而是他和同事們所取得的最重大的科學發現，那是一場激動人心的科學旅程。

1964年，威爾遜和同事彭齊亞斯一起發現了宇宙微波背景輻射（CMB），這是現代宇宙學領域最重大的突破性進展之一。

由於這項成就，他們兩人與蘇聯物理學獎卡皮查（Pyotr Leonidovich Kapitsa）一起，分享了1978年度的諾貝爾物理學獎。但他們發現宇宙微波背景輻射的故事真的「純屬意外」。

彭齊亞斯（右）和威爾遜（左）站在他們的天線跟前

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01 針鋒相對的宇宙學說

宇宙，四方上下為宇，古往今來為宙。但是，我們總禁不止想要知道： 宇宙究竟是怎麼來的？它有起源嗎？

到20世紀中葉，宇宙學家們已經發展出兩套針鋒相對的理論來解釋宇宙的誕生。很多傑出的物理學家支持所謂「穩態宇宙理論」（steady-state theory），該理論認為宇宙無始無終，一直存在，並且將永遠這樣存在下去，不會有大的變化；

而另一派科學家則提出了聽起來像是天方夜譚的「宇宙大爆炸」理論（Big Bang theory），認為宇宙起源於大約137.2億年前的一次類似爆炸一般的時空膨脹過程。但是這兩種理論孰是孰非？需要觀測證據來做決斷。

著名的英國物理學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）是出了名的穩態宇宙支持者。「大爆炸」（Big Bang）一詞就是他最先發明出來的。當然，他發明這個詞不是什麼讚揚，而是用來嘲諷對手的

來源： California Institute of Technology

1964年，正在美國貝爾電話公司工作的阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）受命研製一台用於接收「回聲」（Echo）軌道反射衛星信號的六米直徑超靈敏天線。

衛星反射的信號非常微弱，因此威爾遜他們必須把天線做到極為靈敏才行，並且，他們必須設法消除天線接收機中所有可能存在的噪音信號。

威爾遜他們的天線最初目的就是要接收這個在地球軌道上的大金屬球反射的無線電信號，結果卻事與願違，無心插柳

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02 無法消除的神秘噪音

可是這項工作一開始就遇到了問題：他們順利消除了來自附近雷達站和廣播台的信號產生的噪音，用液氦將接收機冷卻到零下269度，從而成功抑制了由於接收機本身的發熱所產生的噪音信號。他們甚至還反覆擦拭和清潔天線和接收機各個部位，消除了由於掉落的鴿子糞產生的噪音信號。

可是無論如何，他們的接收機中總能接收到一個穩定的神秘噪音信號，而且這個微弱的噪音信號不分晝夜，不分方向，持續存在。

計算顯示，這個信號波長大約7.35厘米，在電磁波中屬於微波波段。並且它來自天空（因而不是地球來源的），也並非來自太陽（因為各個方向都有），甚至不是來自銀河系內部（因為各個方向都有且強度一樣）。所有證據都表明這個噪音信號可能源自銀河系之外，但它究竟是什麼？苦惱的彭齊亞斯和威爾遜一時沒有頭緒。

在檢查天線的彭齊亞斯和威爾遜

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03 普林斯頓大學的理論學家

大約在彭齊亞斯和威爾遜埋頭努力嘗試他們的天線和接收機的同時，距離他們所在地僅有不到60公里外的普林斯頓大學，一個由羅伯特·迪克（Robert H. Dicke），吉姆·皮博斯（Jim Peebles）和大衛·威爾金森（David Wilkinson）等人組成的天體物理學家小組也正準備著手建造天線，但他們目標明確，他們將在微波波段搜尋一個他們認為可能存在的信號。

這是因為他們的理論認為，宇宙大爆炸理論如果正確，那麼在這一過程中不僅物質會逐漸凝結形成星系，在此過程中應該也一定會產生出巨大的輻射。

而隨著宇宙的膨脹，大爆炸之初的極端高溫會逐漸下降，到今天，這個溫度信號應該處在微波波段。只要有足夠靈敏的天線，理論上是有可能檢測到這樣一個信號的。

普林斯頓大學的羅伯特·迪克（Robert H. Dicke，1916~1997）在CMB的發現中起到了關鍵性作用

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04 歷史的交會

有一天，彭齊亞斯在麻省理工學院當教授的一個朋友無意間向他提到了普林斯頓大學的吉姆·皮博斯他們最近寫了一篇有意思的論文，文中認為有可能利用天線探測到宇宙大爆炸的殘餘輻射。

這一消息很快引起彭齊亞斯和威爾遜的注意，因為他們的天線接收機中那個始終無法消除的信號聽上去非常像是普林斯頓大學的科學家們所預言的那種殘留輻射信號。

根據威爾金森各向異性探測器（WMAP）獲得的宇宙微波背景輻射（CMB）分布圖，可以看到其中仍然存在極為微小的溫度起伏，這意味著什麼？

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彭齊亞斯立即打電話給普林斯頓大學，找到了羅伯特·迪克，後者也非常興奮，他當即就給彭齊亞斯郵寄了一份他們研究組還尚未發表的論文預印本。彭齊亞斯和威爾遜仔細閱讀了這篇論文，並邀請迪克來到貝爾實驗室，和他們一起研判他們的天線檢測到的神秘噪音。

最終，他們共同確認了，彭齊亞斯和威爾遜的天線所聽到的，根本就不是什麼噪音，而是宇宙大爆炸的殘留輻射信號。

他們在簡陋的天線里，聽到了宇宙大爆炸的餘暉。

宇宙微波背景輻射的發現，為宇宙大爆炸學說提供了一項堅實的觀測證據，自此以後，穩態宇宙學說已經基本不再被主流科學界提起，宇宙大爆炸學說，以及一個動態的，演化的宇宙觀成為科學界的共識。

編者按：

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