對一次巨變型爆炸的溫度標志的找尋，最終變成了里程碑式的理論一“我們的宇宙膨脹自一個奇點"的一個證據(jù)。這是人類歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

宇宙誕生于一種炙熱、稠密狀態(tài)（英國著名天文學家弗雷德·霍伊爾稱之為“大爆炸”）這個理念是最重要、最確鑿的科學概念之一。然而，這個偉大理念的誕生還不到100年，甚至直到英國披頭士樂隊（也叫甲殼蟲樂隊）大紅大紫的20世紀60年代初，天文學家都還沒能找到真的發(fā)生過宇宙大爆炸的確鑿證據(jù)。50年前的這個夏天，鐵定的證據(jù)終于浮現(xiàn)。

故事得從頭說起。大爆炸理論起源于俄羅斯數(shù)學家亞歷山大·弗里德曼在1922年發(fā)表的一篇論文。弗里德曼在文章中指出，由艾伯特·愛因斯坦提出的，旨在描述空間、時間和物質(zhì)行為的“廣義相對論”的公式，其實允許不同種類的宇宙存在的可能性。例如，一些宇宙在開始時很小，但隨著時間變化而膨脹變大；一些宇宙在開始時很大，但隨著時間變化而個頭縮水；還有一些宇宙成長自一個很小的點，逐漸膨脹到一定的規(guī)模，然后又坍縮回到一個點，或許由此“跳進”另一個膨脹和坍縮周期。

可是，在弗里德曼的年代，并沒有任何堅固的證據(jù)能證明這些數(shù)學模型當中的任何一個與我們所在宇宙的情況匹配。不過，這并沒有妨礙弗里德曼“天馬行空”般地進行猜測。他在自己于1923年出版的一本書——《作為空間和時間的世界》中寫道：“因為缺乏可靠的天文學數(shù)據(jù)，對于任何描述我們宇宙生涯的數(shù)字的引用都是徒勞的。然而，如果我們出于好奇心而要計算宇宙從一個點變到目前狀態(tài)所花的時間，也就是從所謂的‘創(chuàng)世’到現(xiàn)在的時間，那么我們會得到的數(shù)字等于幾十億年。”盡管這個數(shù)字很接近目前公認的宇宙年齡——138億年，但在當時卻沒有任何人關(guān)注弗里德曼的這個說法。

是星系，還是星云？

弗里德曼不知道的是，當時實際上已經(jīng)有天文學數(shù)據(jù)支持他的說法。在美國的洛威爾天文臺，維斯托·梅爾文·斯萊弗一直在研究來自于當時被稱作“星云”（由物質(zhì)組成的螺旋狀“云”）的天體的光線。當時的天文學家對這個問題爭論不休：這些星云是位于銀河系內(nèi)恒星形成地點的氣體云，還是位于銀河系外很遠地方的大得多得多的天體（天文學家現(xiàn)在稱之為“星系”）？

出乎斯萊弗預料的是，他發(fā)現(xiàn)來自于螺旋星云的光線大量紅移。對此最簡單的解釋就是，這些天體正在迅速離開我們，紅移是由多普勒效應造成的。這就暗示這些星云的確遠在銀河系以外。但還有另一種可能性。在由弗里德曼發(fā)現(xiàn)的膨脹宇宙模型（斯萊弗對此一無所知）中，一種類似的紅移效應是由空間隨著時間推移而被拉伸所產(chǎn)生的。

有關(guān)螺旋星云本質(zhì)的爭論在1924年被終結(jié)。當時，美國加利福尼亞州的威爾遜山上新安裝了一部100英寸口徑的望遠鏡，它比斯萊弗使用的望遠鏡強大了很多。運用這部新望遠鏡，埃德溫·哈勃研究了仙女星云（或稱仙女星系）內(nèi)部的變光星（也稱造父變星），由此得以測量出仙女星云與地球之間的距離。這一測量結(jié)果再加上對其他星云與地球之間距離的測量，就一錘定音地證明了螺旋星云的確是位于宇宙深處的星系。

至此，是合并考慮紅移和距離，并把它們代入廣義相對論的公式里，提供對我們所在宇宙的描述的時候了，而完成這個工作的人是比利時數(shù)學家兼天文學家喬治·勒梅特，正是他在這方面“兩兩相加等于四”。

勒梅特常住比利時，但他造訪過英國、美國哈佛和威爾遜山，對這方面的所有觀測都很了解。不過，他對弗里德曼的工作全然不知。正因此，雖然他最終獨立地發(fā)現(xiàn)了與弗里德曼一樣的對愛因斯坦公式的解法，但他的算法卻與弗里德曼的截然不同——弗里德曼的算法完全基于理論和推測，而勒梅特對愛因斯坦公式的詮釋則基于對真實宇宙的觀測。把所有觀測結(jié)論加在一起，再通過一個經(jīng)驗法則（暗弱的星系一定比明亮的星系遠離地球）來估算距離，他發(fā)現(xiàn)一個星系的紅移取決于它與地球之間的距離——它的移動“速度”與它和地球的距離成正比。勒梅特還認識到這并不是多普勒效應，正如他在1927年表述的那樣：紅移是“宇宙膨脹的一種宇宙效應”。

勒梅特還算出了紅移與距離之間的關(guān)系，并給出了一個數(shù)字——每兆（百萬）秒差距575千米，現(xiàn)在這個數(shù)字被稱作“哈勃常數(shù)”（為何會這樣，請接著往下讀）。也就是說，距離我們1兆秒差距的星系正在以每秒575千米的速度后退，距離我們2兆秒差距的星系正在以每秒1150千米的速度后退，以此類推。

1927年，勒梅特的論文發(fā)表在一本名不見經(jīng)傳的比利時雜志上，而且就算他寄了一本樣刊給當時頂尖的英國天文學家亞瑟·艾丁頓，也照樣沒引起人們對這篇論文的注意。忙著登場的哈勃

與此同時，哈勃則忙個不停。他招募了一名初級天文學學者（卻是全球最佳觀測者）——彌爾頓·赫馬森來測量星系紅移，他自己則運用一系列技術(shù)來測量星系距離。1929年，哈勃和赫馬森發(fā)表了一篇基于對24個星系的研究結(jié)果的論文，其中20個星系的紅移是由斯萊弗測量的，另外4個星系的紅移是由赫馬森測量的。

這足以讓哈勃發(fā)布迄今已赫赫有名的發(fā)現(xiàn)——紅移一距離關(guān)系。它指出，星系與我們之間的距離與星系紅移所暗示的速度直接成正比。這與勒梅特在這之前兩年發(fā)表的結(jié)論完全相同，卻被稱為“哈勃定律”。在哈勃與赫馬森的聯(lián)合論文中，哈勃常數(shù)的數(shù)值被定為每兆秒差距500千米每秒，它與勒梅特所定數(shù)值“十分可疑”地接近。然而，哈勃和赫馬森的論文中絲毫未提及斯萊弗或勒梅特。事實上，哈勃愛慕虛榮卻又郁郁寡歡、還很喜歡自吹自擂這一點在科學圈子內(nèi)是出了名的，他為了沽名釣譽不遺余力，而且很多時候都成功得手。

這一次，消息如野火一般傳開。勒梅特情有可原地有點不高興。他還致信艾丁頓，提醒對方他1927年寄去的論文。艾丁頓隨即竭盡所能地傳播勒梅特對上述發(fā)現(xiàn)有優(yōu)先權(quán)的消息，包括把勒梅特的論文翻譯成英文。雖然勒梅特最終得到了自己該有的榮譽，但哈勃還是設法讓這條定律以他的名字來命名。

勒梅特一怒之下并未就此作罷。哈勃感興趣的只是使用紅移來測量距離，而從未嘗試用紅移和距離來測試任何的宇宙學模型。實際上，大多數(shù)相對論學家當時都認為相對論的公式不可當真，因為它們根本不能反映現(xiàn)實世界。而勒梅特卻相信這些公式并非兒戲，于是他嘗試用它們來描述宇宙是怎樣開始的。1931年，他猜測宇宙可能在非常致密的狀態(tài)下始于猛烈的“焰火”，隨后劇烈膨脹變成我們今天所知的樣子。他在自己1946年出版的一本書中描述了這些理念，把宇宙的起源說成要么是“原始的原子”，要么是“宇宙蛋”。這激發(fā)了生于俄羅斯的美國人喬治·伽莫夫的研究熱情，他在同事拉爾夫·阿爾弗和羅伯特·赫曼的幫助下，吸收這些理念并將它們發(fā)揚光大。

阿爾弗意識到，來自于勒梅特“焰火”的熱量應該在宇宙中充盈電磁輻射，而這些輻射今天仍然該以低溫無線電波的形式存在。1948年，他在英國著名科學雜志《自然》上發(fā)表論文說：“現(xiàn)在的宇宙溫度被發(fā)現(xiàn)是大約5開（-268℃）。”伽莫夫推廣了這個理念（需要說明的是，今天他常被誤認為是這個理念的最早提出者），但當時無人相信這類宇宙背景輻射能夠被探測到，所以這個理念很快就被人遺忘了。

大爆炸的困境

“大爆炸理論”于20世紀50年代被普遍接受，但當時它面臨一個主要問題。今天星系離開我們的速度，能告訴我們它們從脫離勒梅特的“宇宙蛋”（當時它們都被壓縮在這個“蛋”中）至今已過去了多長時間。這就是“宇宙的年齡”，它與哈勃常數(shù)有關(guān)——這個常數(shù)的數(shù)值越大，星系分離的速度就越快，宇宙也就越年輕。對于每兆秒差距500千米每秒的數(shù)值來說，宇宙年齡只有大約10億年，但對于太陽和恒星的已知年齡來說，這個宇宙年齡根本就不可能成立（因為太陽和恒星的年齡都比它長）。這鼓勵了大爆炸理論的對手理論一《宇宙穩(wěn)態(tài)模型》。該模型認為，宇宙一直都存在，而且一直在膨脹，但隨著空間拉伸以使得新的星系來充填空隙，新的原子隨之產(chǎn)生。然而，隨著更好的望遠鏡和精度更高的觀測，哈勃常數(shù)被證明比勒梅特和哈勃的估計值小得多——還不到每兆秒差距i00千米每秒，大爆炸理論逐漸占了上風。

1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜為了射電天文學用途，改造了一部為測試衛(wèi)星通訊而建造的射電望遠鏡。這部望遠鏡位于美國新澤西州的克勞福德山，屬于貝爾電話公司所有。在它能被用于天文學觀測之前，必須對它進行校正。彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)，這部望遠鏡看來擺脫不了一種干擾：無論他們把它對準天空中的哪個部位，一種微弱的無線電噪聲總是會出現(xiàn)。他們對此一籌莫展。1964年12月，彭齊亞斯偶然向另一位射電天文學家伯納德·伯克提到了這樁煩心事，后者說他知道普林斯頓大學（距此地僅30分鐘車程）的一個團隊或許能解釋這個問題。

普林斯頓大學這個團隊的領(lǐng)頭人是吉姆·皮伯斯和羅伯特·迪克，與他們一起工作的是彼得·勞爾和戴維·威爾金森。迪克曾獨立提出了與阿爾弗相同的理念，他還搶先一步啟動了一個項目——建造一部望遠鏡來尋找預測中的宇宙背景輻射。當彭齊亞斯和威爾遜找到他們時，這部望遠鏡已近完工。兩個團隊經(jīng)碰頭后，很快就意識到彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的噪聲很可能正是“大爆炸的回聲”。1965年7月，他們在美國《天體物理學學報》上發(fā)表了兩篇論文。迪克、皮伯斯、勞爾和威爾金森首先登場，展示有關(guān)早期炙熱宇宙殘留輻射的理論。在彭齊亞斯和威爾遜接下來的論文《對4080兆秒差距每秒條件下多余天線溫度的測量》中，他們沒有提及這一發(fā)現(xiàn)的可能重要性，只是說“對觀測到的多余噪聲溫度的一個可能的解釋，由迪克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在這期（刊物）的一封伴隨信件中給出”。科學家的嚴謹和謙虛由此充分體現(xiàn)。然而，這卻是大爆炸真的發(fā)生過的確鑿證據(jù)。

在接下來的幾十年中，有三顆重要的人造衛(wèi)星探索了大爆炸的細節(jié)。其中第一顆是發(fā)射于1998年的“宇宙背景探測器”，它探測到了由星系種子（星系正是從這些種子里生長出來的）產(chǎn)生的宇宙背景輻射中的波紋。至此，大爆炸理論取得了最終勝利。