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宇宙往事(2)

luyued 发布于 2011-01-13 16:52   浏览 N 次  

大爆炸学说最牛B的地方就是预言宇宙背景辐射(CMB)存在。这预言有两个要点:

(1)完美的黑体辐射光谱;

(2)不完美的温度各向同性。

前者是说,光子能量分布有温度特征,如上所说的,光强随频率变化严格遵从普朗克分布律,无明显偏差。后者说的是暴胀纪元导致最早期宇宙物质密度分布的细微起伏,这些起伏演化到30万年时稍具规模,物质密度高的地方,能量密度也高,即温度也相应地高,因此那批光子来自不同方位就具有不同平均能量。

大爆炸理论诞生以来就没少争议,支持者反对者阵营鲜明,双方亟需实验证据。星系红移为基础的哈勃膨胀是该理论最初的主要支撑。宇宙微波背景预言很牛逼,实验观测证实它也就等于给大爆炸理论打一针强心剂了。CMB观测实验先后两次产生诺贝尔奖获得者,由此可见它的重要性。CMB说法在1948年刚出台时没什么人注意,就是相信这理论的人也觉得它太微弱了不可能观测得到。到1964年,几位苏联科学家发表论文说宇宙微波背景可测。这年美国的普林斯顿大学几位学者,其中一个叫狄克,动手安装一台狄克式辐射计准备进行测量,还没装完呢,就传来了一道消息。话说贝尔实验室两位物理学家,彭齐亚斯和威尔逊,使用20尺喇叭天线时无意中发现一些奇怪信号。他们原计划是用这个超灵敏天线进行射电天文学及卫星通讯研究,把天线对着天空进行调试,却发现在波长为7.35cm地方不论在天空哪个方位不论何时何日总有一定量噪音存在。后来多作一些测量之后他们知道原以为是噪音的信号具有辐射特征,于是把它归于银河系外传来的一种辐射。他们根本不知道有CMB这么个说法,通过朋友才知道普林斯顿大学的狄克及其同事在做CMB测量,于是就给狄克打了个电话,把他们的数据说了。狄克通完话,把电话挂上之后跟那几个同事说,“Boys,we've been scooped.”(我们被别人抢先了。)日后这句话流传开来,成了一句名言。狄克是个牛人,在射电天文学研究里发明了很多方法和仪器,应用广泛,贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊观测到CMB所用仪器也正是狄克式辐射计。狄克告诉彭齐亚斯和威尔逊,那个信号就是当今不少人正在寻找的宇宙背景辐射。双方合作而各自发表文章,最后诺贝尔奖落彭齐亚斯和威尔逊手里。

但事情并非就这么完。不赞同大爆炸理论的人不认为那信号就是CMB,他们说远距离星系传来的星光散射也可以解释这种背景辐射。于是大爆炸理论在上世纪七十年代初就作出更详细预言,即前面说过的完美的黑体辐射光谱和微小的温度各向异性,这些性质没法用星光散射解释。核实这些预言要求高精密度测量。地面上的测量会受到大气吸收的严重影响,而球载试验,机载实验,或探空火箭实验也各有困难。美国宇航局每几年发布一次“机会通告”(Announcement of Opportunity),征询太空科研项目,1974年那一次,两个年轻人,一个叫马瑟一个叫斯穆特,都是新出炉博士,还在做博士后,分别递交了关于在卫星上做精密CMB测量的研究计划。计划被选中,两人分别负责一个小组,研究安装各自仪器,一个专攻完美黑体辐射光谱的测定,一个专攻温度各向异性的测量,两仪器都载到一个卫星上,卫星命名为宇宙背景探测者(COBE)。这项目历时十几年,终于在1989年COBE卫星升空。

这卫星上的测量深受众人关注,大爆炸理论支持者反对者都等着看结果。前些年里,一些科学家用探空火箭做实验,在亚毫米波段的数据里有一个明显偏离分布曲线的小坎,这就等于否定完美黑体辐射光谱的预言了,它是近年观测实验结果接二连三对大爆炸理论的打击之一,整得一帮理论物理家们东碰西撞地修补理论,但这种仓卒应景的带补丁理论很难说服人。微小温度各向异性方面也出岔子。理论对它最早估计是千分之一的起伏,但气球载试验以万分之一精密度作测量,并没有发现任何起伏,使得大爆炸理论提倡者忧心忡忡。后来人们把暗物质对宇宙结构演变的影响也考虑进去,往回推算出当初的密度,得出更微小起伏的结论。COBE上测量温度各向异性的仪器号称有百万分之三的灵敏度,“到时再测不出温度起伏,我们这些标准暴胀模型的鼓吹者都得负罪自杀”。一个理论物理学家如是说。

COBE升空后几个星期里就往地面发送了大量数据。1990年一月美国天文学会在华盛顿开年会,马瑟在一个会议分场发言,公布黑体辐射光谱方面的测量结果。大厅里挤满听众,两边阵营不少人都来了,主持会议分场的是一个德高望众人物,叫伯比奇,时为大爆炸理论反对派的主力干将之一。马瑟报告内容包括0.5毫米到一厘米波长范围内测量的68个不同波长的数据,全落在一条2.735+/-0.06K的温度线上,频谱曲线平滑漂亮,看不出任何坎坷。当马瑟打出这张曲线的幻灯片时,全场起立鼓掌。掌声多来自大爆炸理论主张者,该理论逃过大劫,令他们如释重负。主持人波比奇看着满场激动人群,喃喃自语,“这帮人是连钩带线带坠子一胡噜吞肚里了。”其后一年里,马瑟的数据不断增多,平均下来,最后结果是CMB温度2.725+/-0.001K。斯穆特的数据也出来了,他们给出清晰的天球温度分布的勘测图,温度涨落为30微K,即偏离完美各向同性有大约十万分之一的起伏。大爆炸学说关于CMB的两个预言于是得到证实。

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