他们看到了“上帝的脸”

傅承启

“即使不是有史以来最伟大的发现，它也是20世纪最伟大的发现。”

——史蒂芬·霍金

2006年度诺贝尔物理学奖被授予了两名美国天体物理学家约翰·马瑟和乔治·斯莫特，以表彰他们发现宇宙微波背景辐射的黑体谱及其不同方向上极其微小差别（即各向异性）的杰出贡献。他们的研究基于宇宙背景探测卫星（COBE）进行的观测，它将现代宇宙学变成了一门精确测量的科学。

宇宙微波背景辐射已是第二次获得诺贝尔奖了。如果把诺贝尔奖看作是对一种理论的正确性的最终评判的话，那么我们现在可以这么说：宇宙学走到今天，人类已经逐渐看到了“上帝”的真面目。马瑟和斯莫特的发现是一个历史标志性事件，是一个新的科学阶段的开始。现在，人们有必要重新回眸宇宙学的百年发展史，这也有助于更好地理解马瑟和斯莫特的工作。

从哲理思辨到科学：“白痴问题”的诞生

17世纪的学者们对星球在宇宙中的分布是有限还是无限、均匀还是不均匀有着截然不同的两种主张，牛顿与莱布尼兹分别是这两种主张的代表人物。牛顿主张星球只能分布在宇宙的有限空间里，否则宇宙是不稳定的；莱布尼兹认为星球必定均匀分布在宇宙的无限空间里，否则宇宙便会有边界有中心。对此，康德却认为：（宇宙）有限无限问题本身毫无意义，根本不应当再讨论它。

1917年正在构造宇宙模型的爱因斯坦在给天文学家德西特的信中曾引用海涅“白痴才会期望有一个回答”的诗句嘲笑康德。其实，出于对天空神秘的恐惧和好奇，自古至今人类一直在思索宇宙的创生及其结构。不过，在爱因斯坦之前，无论是牛顿、莱布尼兹，还是康德，对宇宙的认识都只是基于直觉的臆测，无一例外地停留在思辨阶段，有关宇宙的学说与其说是门科学还不如说是一种哲理思辨。

第一个使宇宙变成可以理论研究的科学的是爱因斯坦。他将广义相对论用于宇宙结构的研究，1917年发表了著名的爱因斯坦引力场方程，这是描述宇宙在物质引力和宇宙结构作用下的运动状态方程。在宇宙物质均匀分布和各向同性的假设（即宇宙学原理）下，爱因斯坦得到第一个理论宇宙模型——无限无界、平直而静态的宇宙。爱因斯坦的工作开创了现代宇宙学。

1929年哈勃发现，遥远的星系都在远离我们，星系越远，远离速度越快，这就是著名的哈勃定律。根据哈勃定律，显而易见，我们的宇宙在膨胀。哈勃的发现开创了现代观测宇宙学。

从此，宇宙学成为了一门科学，一门不仅可以理论研究也可以进行观测的科学。

宇宙在爆炸？

在爱因斯坦时代，流行的依然是宇宙静止、永恒的传统观念，它与宇宙膨胀观念水火不容。于是，为了解释哈勃的发现，20世纪中叶又出现了两类截然不同的宇宙模型。一类是由静止宇宙演变而来的“稳恒态膨胀宇宙模型”，它以英国科学家霍伊尔、戈尔德和邦迪为首。这种模型认为，宇宙是永恒不变的，为了弥补膨胀造成的物质稀疏，物质从虚无中源源不断地产生，大约每立方米空间每10亿年产生一个氢原子。另一类是大爆炸宇宙模型，它们以比利时神父勒梅特、俄裔美籍物理学家伽莫夫为代表。勒梅特在1932年提出了一种原初原子宇宙模型，今天的宇宙是这个原初原子蜕变、膨胀的结果。受勒梅特思想的启发，伽莫夫与他的学生阿尔法在1948年提出了宇宙诞生于原始火球的膨胀模型，现今被称为大爆炸宇宙模型，其名得自于它的敌手霍伊尔。在一次演说中，霍伊尔将伽莫夫模型贬低为是 “一声巨大的砰嘭理论”，此后人们用“大爆炸”来称呼伽莫夫这一类的宇宙模型。

两类模型各自都有相当数量的支持者，一时难辨真伪。争论从20世纪40年代一直延续到1964年发现宇宙微波背景辐射。

按照大爆炸宇宙学说，宇宙经过一个由热到冷、由密到疏的诞生和演化过程。最初宇宙如同一个原始火球，处于高温高密状态，后来发生了一次大爆炸，能量转换成了粒子。初期的宇宙就像一锅基本粒子汤，由光子、中微子、电子、质子和中子组成。随着宇宙的膨胀，宇宙开始变冷，质子和中子形成了氘核、氦核和少量的锂铍原子核，这个过程在大爆炸后的最初3分钟就完成了（这就是诺贝尔物理学奖获得者温伯格“宇宙最初3分钟”的来历）。此时宇宙密度温度极高，光子和各种粒子不断发生碰撞、交换能量动量，宇宙处于热平衡状态，各种粒子具有相同的温度。

大爆炸后数十万年，宇宙冷却到3000K，辐射大大减弱，自由电子与质子、氘核、氦核结合成原子。自此宇宙变得非常透明，光子几乎可以自由飞行而不与物质发生作用，从此辐射与物质走上各自膨胀、冷却和演化之路。随着宇宙膨胀和冷却，原子物质在引力作用下凝聚，最后形成今天的星系和恒星世界，而3000K的原始黑体辐射也得以保留下来，并冷却成今天温度为5K（阿尔法和赫尔曼预言）或50K（伽莫夫预言）的背景辐射，充满着整个宇宙。这种辐射位于微波波段，故而被称为宇宙微波背景辐射。

显然，寻找、探测宇宙微波背景辐射成为解决两类模型之争的关键。遗憾的是，整个20世纪50 年代都没有找到这种辐射，人们渐渐淡忘了阿尔法和伽莫夫的预言。

找到大爆炸的余辉

1964年，事情有了重大变化。美国两位无线电专家彭齐亚斯和威尔逊在测试一架卫星通讯天线改装的射电望远镜时，发现始终存在一种3.5K温度的额外噪声，无论望远镜对准什么方向，无论采取什么办法都不能消除，他们为此迷惑不解。一次偶然的机会，他们得知这种额外噪声就是宇宙学家梦寐以求寻找的宇宙微波背景辐射。1978年彭齐亚斯和威尔逊获得了诺贝尔物理学奖，这是因宇宙微波背景辐射获得的第一个诺贝尔奖。大爆炸模型因此获得了强有力的观测证据，许多稳恒态宇宙的支持者纷纷倒戈。

遗憾的是，作为大爆炸模型鼻祖的勒梅特和伽莫夫没有享受到这份殊荣，他们先后于1966年和1968年去世，按诺贝尔奖的规定，它从不授予已去世的人。

问题并未完全解决。按照大爆炸模型，原先处于热平衡的光与物质不再发生作用，所以宇宙背景辐射应当保持黑体谱的形状，即普朗克在1900年提出的黑体辐射公式所描绘的形状，它惟一地决定于黑体的温度。大量的地面、火箭和气球观测发现，宇宙微波背景辐射的峰值位于1～2毫米波长，然而这些测量大多在长波段上进行，因为地球大气的吸收和发射使得短波段的观测数据十分缺乏，仅有的一些观测又表明短波段的背景辐射严重偏离黑体谱。因此，发展空间观测成为判断两类宇宙模型的当务之急。

宇宙背景探测卫星计划（COBE）就诞生在这种背景下。COBE计划在1974年提出， 80年代因挑战者航天飞机的爆炸而推迟了数年，1989年11月18日，COBE卫星被成功送入了轨道，开始了它长达4年的观测。卫星上载有3架仪器，其中远红外绝对分光光度仪（FIRAS）用来测量宇宙微波背景辐射谱的形状，另一架差分微波辐射计（DMR）测量不同方向上微波背景辐射的微小温差。

作为美国宇航局戈达德航天中心高级天体物理学家的马瑟，正是这项COBE计划主要负责人和FIRAS仪器的负责人；而身为加利福尼亚大学伯克利分校天体物理学教授的斯莫特则是DMR仪器的负责人。

COBE计划的整个研究工程团队超过千人，前后几乎化费了20多年时间。但卫星上天后，最初9分钟的观测就已证明宇宙微波背景辐射完全遵循普朗克黑体谱，其符合程度如此之精美，表明它是迄今为止最完美的黑体，无论是在实验室还是在大自然。进一步的观测和数据处理表明，这种辐射的温度为2.735 K（即绝对温标2.735度，或零下270.415摄氏度），误差只有0.06K，而不同方向上的微小温差只有十万分之一。从而证实了宇宙背景辐射谱的宇宙学起源，连同哈勃膨胀、宇宙化学丰度，它们成为大爆炸宇宙模型强有力的三大观测支柱。

COBE的不朽功绩

经过对COBE数据的重新处理，马瑟得到了2.726K的背景辐射温度，误差也被缩小到0.01K。继COBE的任务之后，2001年发射的威尔金森各向异性探测卫星（WMAP）对这种极其微弱的背景辐射温度作了更精确的测定，得到2.725K的温度，误差仅有0.002K。毫不夸张地说，COBE的观测开创了精确测定宇宙的时代。

根据WMAP的精确测定，宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后约38万年的余辉。因此，COBE的结果第一次展现出一幅宇宙早期——“婴儿时代”的图像，有人把它形象地譬喻成“就像看到了上帝的脸”，象征看到了宇宙创世期的图像。那个时期宇宙正处于高温高密的粒子时代，因此也将成为检验粒子物理理论的最佳场所。

COBE的结果还回答了一个重大的宇宙学问题：今天观测到的灿烂缤纷的星系世界和恒星世界从何而来？宇宙学家们推测，由于地球相对于背景辐射的运动，极其均匀的宇宙背景辐射应当有千分之一的温度变化，扣除这种变化和其他一些因子，并考虑到宇宙中暗物质的存在，宇宙背景辐射应有十万分之一的各向异性，它们作为物质聚集的种子，随宇宙的膨胀演化成今天的恒星和星系，乃至更大尺度上的结构。这正是COBE卫星DRM仪器获得的另一个重要结果，它证明我们今天的物质世界正是由当年极其微小的不均匀演化而来，并且还间接地证实了暗物质的存在。

自从发现宇宙背景辐射以来，宇宙学家就疑惑不解，不同方向上宇宙微波背景辐射为什么如此精确相同？宇宙年龄是有限的，光的作用范围也是有限的，超出这个作用范围的两个地方为什么会有几乎相同温度的辐射？这就是所谓的宇宙“视界问题”。在企图回答这整个问题的众多模型中，最引人注目的是暴涨模型：宇宙在极早期（大爆炸后1千亿亿亿亿分之一秒）曾经发生了短暂的指数式超光速膨胀。暴涨模型能够解决视界问题和其他一些宇宙学问题。因此，验证模型的正确与否成为认识宇宙极早期的关键。这正是宇宙微波背景辐射所能揭开的：按照暴涨学说，暴涨会产生引力波，在某些情况下测量宇宙微波背景辐射的偏振能够间接地探测到是否存在这种引力波，从而研究宇宙极早期的情形。

宇宙微波背景辐射各向异性的观测已经证实今天的宇宙在加速膨胀，并且主要由暗能量及暗物质组成，它们各占宇宙总物质的73％和23％，而我们见到的星系、恒星、星云等明亮物质仅仅占4％，暗能量是什么？暗物质又是什么？膨胀加速会永远继续下去吗？……等等重大的问题等待我们的回答，它们已向现代物理学、向当代的科学家发出了严峻的挑战。

“即使不是有史以来最伟大的发现，也是20世纪最伟大的发现。”这是著名物理学家霍金于1992年对COBE出色成果的由衷赞美。不过，现代宇宙学还面临许多新的基本而重大的问题需要回答，许多关键细节远未弄清，“白痴问题”肯定还能赢来更多的赞美。2007年，一颗新的测量宇宙背景辐射的卫星——普朗克卫星将从欧洲的上空升起，前所未有的0.000001K的测定误差将为解开宇宙怎样诞生，怎样演化到今天的形态，未来向什么方向演化等等重大宇宙之谜提供更多、更新的线索。

（作者为上海天文台研究员）