□ 蕭耐園

探尋宇宙的嬰兒期
——紀(jì)念廣義相對(duì)論發(fā)表100周年和宇宙

□ 蕭耐園

愛因斯坦的《廣義相對(duì)論》論文發(fā)表于1915年12月2日，今年將迎來論文發(fā)表100周年。英國(guó)物理學(xué)家狄拉克盛贊廣義相對(duì)論，說它“也許是人類做出的最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。廣義相對(duì)論為現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，革新了人類對(duì)時(shí)空關(guān)系的認(rèn)識(shí)，掀開了科學(xué)史上新的一頁。今年也是宇宙微波背景輻射發(fā)現(xiàn)50周年。1965年宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)在天文學(xué)史上具有重要意義，這一發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為20世紀(jì)60年代射電天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一，成為射電天文學(xué)發(fā)展史上的光輝一頁。意義更加深遠(yuǎn)的是這一發(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展，使大爆炸宇宙模型躍升為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型，成為現(xiàn)代宇宙學(xué)的的主流學(xué)說。

第一個(gè)具有現(xiàn)代科學(xué)意義的宇宙學(xué)解——愛因斯坦靜態(tài)宇宙模型

現(xiàn)代宇宙學(xué)在20世紀(jì)誕生、發(fā)展和完善，它對(duì)于傳統(tǒng)的宇宙觀念實(shí)現(xiàn)了革命性的突破，使得人類破天荒地對(duì)整個(gè)宇宙有了全面而深入的科學(xué)認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)代宇宙學(xué)植根于20世紀(jì)全新的物理學(xué)理論和以新技術(shù)為基礎(chǔ)獲得的許多新的觀測(cè)事實(shí)。在主流學(xué)說發(fā)展的過程中，時(shí)時(shí)呈現(xiàn)其他許多不同觀點(diǎn)和學(xué)說與之針鋒相對(duì)地斗奇爭(zhēng)勝，甚至出現(xiàn)各擅勝場(chǎng)的局面?，F(xiàn)代宇宙學(xué)的開創(chuàng)者是偉大的物理學(xué)家愛因斯坦。他所創(chuàng)立的廣義相對(duì)論不僅成為現(xiàn)代宇宙學(xué)說的理論基礎(chǔ)，而且提出了全新的時(shí)空觀念。

如果宇宙是靜態(tài)的，而且在每一方向都是無限的，那么每根視線都會(huì)終結(jié)于一個(gè)恒星上，這就使得夜空和太陽一樣明亮。這意味著宇宙不能以我們今天看到的狀態(tài)存在了無限久的時(shí)間。過去一定發(fā)生過某些事情，使得恒星在有限的過去時(shí)刻點(diǎn)亮，而那些非常遙遠(yuǎn)的恒星的光線尚未到達(dá)我們這里。因此，夜空并不在每一個(gè)方向發(fā)光。

膨脹宇宙模型的提出。1922年，弗利德曼提出了宇宙在膨脹的假設(shè)。1927年，勒梅特發(fā)表了愛因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)嚴(yán)格解，并由此進(jìn)一步指出宇宙是膨脹的，最初起源于一個(gè)“原始原子”的爆炸。這個(gè)原始原子是只比太陽大30倍左右卻含有我們今天所見宇宙中全部物質(zhì)的球。這個(gè)球像一個(gè)不穩(wěn)定原子核的裂變那樣發(fā)生爆炸而創(chuàng)造了膨脹的宇宙。1929年，埃德溫?哈勃通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)從地球到達(dá)遙遠(yuǎn)星系（galaxy）的距離正比于這些星系的紅移（redshift），這一膨脹宇宙的觀點(diǎn)也在1927年被勒梅特在理論上通過求解弗里德曼方程而提出，這個(gè)解后來被稱作弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規(guī)。哈勃的觀測(cè)表明，所有遙遠(yuǎn)的星系和星團(tuán)在視線速度上都在遠(yuǎn)離我們這一觀察點(diǎn)，并且距離越遠(yuǎn)退行視速度越大。如果當(dāng)前星系和星團(tuán)間彼此的距離在不斷增大，則說明它們?cè)谶^去的距離曾經(jīng)很近。從這一觀點(diǎn)物理學(xué)家進(jìn)一步推測(cè)：在過去宇宙曾經(jīng)處于一個(gè)極高密度且極高溫度的狀態(tài)——奇點(diǎn)。

1915年愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，導(dǎo)出了引力場(chǎng)方程來描述空間狀態(tài)。1917年愛因斯坦將引力場(chǎng)方程應(yīng)用于整個(gè)宇宙，希冀建立現(xiàn)代意義上的宇宙模型。為求解方程，他提出了“宇宙學(xué)原理”作為基本假設(shè)。這個(gè)原理認(rèn)為，就大尺度（以10億光年計(jì)）來看，宇宙物質(zhì)的分布是均勻的和各向同性的。宇宙學(xué)原理的假設(shè)符合觀測(cè)實(shí)際，而且它成了現(xiàn)代宇宙學(xué)說共同遵循的基本原則。引力場(chǎng)方程中只有引力，沒有斥力，愛因斯坦以近似方法求解引力場(chǎng)方程，無法求得靜態(tài)解。但是當(dāng)時(shí)的傳統(tǒng)觀念認(rèn)為宇宙是靜止的，愛因斯坦為了得到靜態(tài)解，在方程中人為地加入了一個(gè)“宇宙常數(shù)”項(xiàng)，等效于斥力，以抗衡引力，從而獲得了一個(gè)有限無邊，也沒有中心的均勻的靜態(tài)宇宙解，稱為愛因斯坦靜態(tài)宇宙模型。

蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法重新求解了愛因斯坦引力場(chǎng)方程，并未人為地引入宇宙常數(shù)項(xiàng)。1 922年，得到1個(gè)靜態(tài)解以及3個(gè)均勻和各向同性的通解。這個(gè)靜態(tài)解是不穩(wěn)定的，只要有小擾動(dòng)，就會(huì)雪崩式地膨脹或收縮，因而宇宙實(shí)質(zhì)上不可能保持靜態(tài)。這3個(gè)通解都反映了宇宙是膨脹的。與這種解對(duì)應(yīng)的宇宙稱為弗里德曼宇宙模型。

隨著河外星系退行的發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識(shí)到宇宙事實(shí)上是在膨脹。比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特結(jié)合星系退行現(xiàn)象，重新研究了弗里德曼宇宙模型，在理論上確立了大尺度宇宙空間隨時(shí)間膨脹的概念，把河外星系的普遍退行解釋為宇宙膨脹的結(jié)果，提出了勒梅特宇宙模型。起初，愛因斯坦即使承認(rèn)勒梅特論文的數(shù)學(xué)證明無懈可擊，但也不愿放棄靜態(tài)宇宙的觀念。然而，愛因斯坦和勒梅特在20世紀(jì)30年代早期參加了一系列國(guó)際會(huì)議，他們能夠經(jīng)常交換意見。愛因斯坦終于被說服。1935年，在普林斯頓勒梅特作了一次學(xué)術(shù)報(bào)告，愛因斯坦站起來鼓掌，有人聽見他這么說：“這是我從來沒有聽過的關(guān)于創(chuàng)世的最優(yōu)美和令人滿意的解釋?！?/p>

愛因斯坦的靜態(tài)模型被否定了。愛因斯坦本人也放棄了宇宙靜止的觀點(diǎn)，后悔在引力場(chǎng)方程中引入宇宙常數(shù)項(xiàng)，認(rèn)為這是他一生中最大的錯(cuò)事。盡管如此，愛因斯坦靜態(tài)宇宙模型仍被認(rèn)為是第一個(gè)具有現(xiàn)代科學(xué)意義的宇宙學(xué)解。

始料未及的揶揄者——“宇宙大爆炸”理論的流行

1929年，哈勃定律發(fā)現(xiàn)后，弗里德曼宇宙模型和勒梅特宇宙模型受到廣泛重視。1931年，勒梅特在《自然》雜志上發(fā)表題為“關(guān)于原始原子的假設(shè)”的論文，又進(jìn)一步提出宇宙由一個(gè)高溫、極密的“原始原子”開始膨脹的宇宙起源理論。他設(shè)想幾十億年之前，從虛無之中，出現(xiàn)一個(gè)光芒四射的微小顆粒，幾乎無限熾熱和致密，在這個(gè)火球里是整個(gè)空間。而且隨著空間的產(chǎn)生，時(shí)間也誕生了。這個(gè)原始火球的能量無限密集，或者說起初的宇宙內(nèi)都是以輻射（光子）形式存在的能量，以后物質(zhì)自發(fā)地從其中開始出現(xiàn)。事實(shí)上，愛因斯坦曾預(yù)言能量可以轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，反之亦然。但是勒梅特未能闡明原始原子如何形成，也未進(jìn)一步說明物質(zhì)產(chǎn)生的過程，即宇宙如何進(jìn)一步演化而成為現(xiàn)今的狀態(tài)。不過他的假設(shè)成了現(xiàn)代大爆炸宇宙學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。

勒梅特的假設(shè)提出以后，許多學(xué)者對(duì)之抱懷疑甚至鄙棄的態(tài)度。更有一些天文學(xué)家提出了自己的宇宙理論，其中有的曾廣泛長(zhǎng)期地流行。如英國(guó)天文學(xué)家霍伊爾等于1948年提出穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)，直到20世紀(jì)60年代，這個(gè)學(xué)說的氣勢(shì)還蓋過了大爆炸宇宙學(xué)?；粢翣枌?duì)勒梅特的設(shè)想不以為然，以揶揄的口吻嘲笑這個(gè)設(shè)想為“大爆炸”（Big Bang）。使霍伊爾始料未及的是，他的揶揄反而使勒梅特的理論以這個(gè)名稱廣為流傳，以后也以這個(gè)名稱而發(fā)展。

20世紀(jì)40年代起俄裔美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫研究了宇宙大爆炸。他假設(shè)宇宙的歷史可以追溯到其溫度為1 00億開（“開”是絕對(duì)溫度的溫標(biāo)，1開的標(biāo)度與1oC的標(biāo)度相等，0開相當(dāng)于－273.15oC）以上的時(shí)期。在這么高的溫度下，粒子的熱碰撞足以使原子核瓦解，也就是說這時(shí)宇宙中的粒子只能以質(zhì)子、中子、電子等形態(tài)存在，因而沒有各種元素。他認(rèn)為與星系等宏觀性結(jié)團(tuán)一樣，原子核作為微觀性結(jié)團(tuán)，也只能是宇宙演化的產(chǎn)物。隨著宇宙的膨脹，溫度持續(xù)下降，微觀性結(jié)團(tuán)就有可能。1948年，他與他的學(xué)生阿爾弗撰寫了一篇論文“化學(xué)元素的起源”，文章從考慮宇宙曾經(jīng)處于高溫和極密狀態(tài)出發(fā)，提出在宇宙最初3分鐘內(nèi)，溫度下降到10億開，這樣的高溫足以導(dǎo)致核反應(yīng)極快地發(fā)生，質(zhì)子和中子結(jié)合成核子數(shù)較少的原子核，包括氫的同位素氘（一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子）、氚（一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子）、氦（兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子）及其同位素氦3（兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子）以及極少量的鋰和鈹。于是各種輕元素被合成，這被稱為元素生成理論。在上述核合成過程中，宇宙依然在膨脹，溫度依然在下降，所以核合成過程不會(huì)長(zhǎng)久持續(xù)。實(shí)際上到宇宙年齡約1小時(shí)時(shí)，溫度下降到約1億開，宇宙早期的核合成就完全結(jié)束了。文章發(fā)表時(shí)與美國(guó)核物理學(xué)家貝特一起署名，由于這樣的署名，這篇論文的內(nèi)容又被稱為α β γ理論。這是相當(dāng)成功的理論，合理地解釋了氦的宇宙平均豐度高達(dá)25%的事實(shí)。它的提出為關(guān)于宇宙起源的大爆炸學(xué)說奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，為以后的發(fā)展開創(chuàng)了理論探索的先河。伽莫夫還預(yù)言現(xiàn)今宇宙應(yīng)有大爆炸殘留下來的背景輻射。這就是說，宇宙在大爆炸初期的極高溫，隨著宇宙的膨脹而不斷降低，到現(xiàn)在整個(gè)宇宙還殘留下很低的背景溫度。

阿爾弗和物理學(xué)家赫爾曼，深入探討伽莫夫的這個(gè)預(yù)言，認(rèn)為時(shí)至今日，剩余輻射還可能以低強(qiáng)度的微波背景被探測(cè)到。就在當(dāng)年，他們從理論上推導(dǎo)了一個(gè)計(jì)算宇宙背景輻射溫度的方程式，他們求得當(dāng)前溫度約5開。方程式中包含一些參數(shù)，當(dāng)時(shí)這些參數(shù)沒有像現(xiàn)在這樣準(zhǔn)確，如果把現(xiàn)在所測(cè)定的各個(gè)參數(shù)代入公式，背景輻射溫度應(yīng)是2.,開。

原來，在宇宙相當(dāng)年輕時(shí)，它的溫度極高，所有原子都被離解。宇宙是由原子核和自由電子組成的等離子體。自由電子特別容易散射輻射（即光子），這就是說光線不能傳播很遠(yuǎn)就遇到電子的散射，當(dāng)時(shí)的宇宙是不透明的。隨著宇宙膨脹，密度下降，溫度也下降，于是達(dá)到了溫度低于3000開的那一點(diǎn)。在較低的溫度下，電子與原子核（主要是氫核即質(zhì)子以及氦核即α粒子）結(jié)合形成原子。中性原子非常不容易吸收輻射，光子與實(shí)物失去了有效的碰撞，這被稱為光子的退耦。這時(shí)宇宙對(duì)于輻射已經(jīng)變得透明了。這個(gè)時(shí)期在大爆炸開始后的38萬年，稱為復(fù)合時(shí)期或退耦時(shí)期。這時(shí)的宇宙已從原來的以輻射為主，轉(zhuǎn)化為以物質(zhì)為主的時(shí)期。各種天體都是在退耦時(shí)期之后陸續(xù)形成的。退耦后的光子被稱為背景光子，它是一種很冷的光子氣體，產(chǎn)生了伽莫夫以及阿爾弗和赫爾曼所稱的背景輻射。如果能探測(cè)到這一背景輻射，那就意味著“看到”了宇宙38萬年時(shí)的景象。若把現(xiàn)在年齡為138億年的宇宙，看作100歲的老人，那么38萬年的宇宙相當(dāng)于剛剛出生1天的嬰兒。

如果沒有節(jié)目, 電視屏幕上“嘶嘶”地閃著雪花，這再普通不過的雪花噪音竟包含來自138億年前宇宙大爆炸的遺物——微波背景輻射。微波背景輻射其實(shí)就在我們身邊，當(dāng)然肉眼是看不到的。電視機(jī)通過天線接收的電磁波中，有1%來自微波背景輻射。這種電磁波對(duì)人體健康沒有影響，而且隨著宇宙的膨脹，力量越來越弱，溫度越來越低，但它不會(huì)消失。微波背景輻射高度各向同性意味著在年齡為38萬歲時(shí)宇宙物質(zhì)分布是高度均勻的，這個(gè)特征強(qiáng)烈支持了宇宙學(xué)原理和大爆炸宇宙學(xué)。

這個(gè)背景輻射絕大部分落在電磁波譜的射電和紅外部分，信號(hào)十分微弱。很長(zhǎng)時(shí)期里探測(cè)技術(shù)都難以實(shí)現(xiàn)有效的測(cè)量。何況在那個(gè)時(shí)代穩(wěn)恒態(tài)宇宙論還有很廣泛的影響，這樣人們就沒有多少動(dòng)力去實(shí)現(xiàn)這個(gè)困難的測(cè)量任務(wù)。所以，在1948年以后的十多年里，沒有人認(rèn)真研究這個(gè)問題。

無心插柳——“看到”了宇宙38萬年時(shí)的景象

彭齊亞斯、威爾遜和他們使用的喇叭形接收天線

1960年貝爾電話公司為了執(zhí)行通信衛(wèi)星計(jì)劃，在美國(guó)新澤西州的霍爾姆德爾的克勞福德山上建造了一臺(tái)口徑6.1米、長(zhǎng)15.2米、總重18噸的巨型號(hào)角形反射天線，用來接收“回聲”號(hào)衛(wèi)星上反射回來的信號(hào)。這臺(tái)天線的重要特點(diǎn)是頻帶比較寬又不受來自周圍無線電波的影響，并能排除來自地面的干擾。但是過了幾年，通信衛(wèi)星升空，這臺(tái)天線就失去了作用。1963年，美國(guó)射電天文學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜申請(qǐng)利用已棄置的這臺(tái)號(hào)角形天線作射電源的測(cè)量，獲得批準(zhǔn)。他們研制了一臺(tái)波長(zhǎng)為7.35厘米的以液氦制冷的低噪聲微波放大器。1964年7月至1965年4月，他們開展了測(cè)量，對(duì)測(cè)量中的各種噪聲源做了仔細(xì)的篩選，驚訝地發(fā)現(xiàn)有一種相當(dāng)于天線溫度3.5開不明其來源的噪聲，天線溫度是射電天文學(xué)上定義的參數(shù)，用來衡量從一輻射源進(jìn)入天線系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度。這種噪聲也相當(dāng)于溫度3.5K的黑體的輻射。他們發(fā)現(xiàn)有一對(duì)鴿子在天線里筑窠，里面落滿鴿糞。兩位科學(xué)家穿上白大掛親自進(jìn)去掃除了這些令人討厭的鴿糞，但仍無濟(jì)于事。經(jīng)過后來更加仔細(xì)的測(cè)量，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這種噪聲極為均勻地分布于整個(gè)天空，既不隨晝夜交替、也不因四季更迭而改變。他們做了多方面的仔細(xì)分析，認(rèn)為這種額外的噪聲信號(hào)不可能來自儀器或地面，也不可能來自地球的大氣層或銀河系的暈圈。最終他們得出結(jié)論，探測(cè)到了來自宇宙空間的一種輻射，但是不明白這究竟是什么。

話分兩頭，到了1964年，蘇聯(lián)的澤爾多維奇、道洛希凱維奇和諾維柯夫，英國(guó)的霍伊爾和泰勒以及美國(guó)的皮伯斯等人又各自獨(dú)立地研究了宇宙背景輻射問題。他們證明，現(xiàn)在宇宙中應(yīng)當(dāng)殘留有絕對(duì)溫度幾開的微波背景輻射。這些工作把對(duì)這種輻射的探測(cè)提上了日程。

美國(guó)普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家迪克十分清楚，如果能由射電天文方法實(shí)際測(cè)量到這種輻射，將是對(duì)大爆炸學(xué)說的關(guān)鍵性支持，意義將是非凡的。于是就在1964年迪克和他的同事勞爾以及威爾金森決定研制一架專用的射電設(shè)備以探測(cè)這種來自宇宙的背景輻射。他們?cè)O(shè)計(jì)制造的設(shè)備是一臺(tái)角錐狀喇叭天線，配有高靈敏度、低噪聲的接收器，工作波長(zhǎng)為3.2厘米。但是他們的全部裝置還沒有完成，就得知貝爾公司的科學(xué)家已經(jīng)探測(cè)到宇宙剩余溫度所表現(xiàn)的微波輻射。

他們來到霍爾姆德爾，認(rèn)定彭齊亞斯和威爾遜測(cè)得的3K微波背景輻射就是大爆炸的余輝。于是兩個(gè)科學(xué)小組各自撰寫了“宇宙黑體輻射”和“4080兆赫處額外天線溫度測(cè)量”兩篇論文，發(fā)表在1965年第142期的美國(guó)《天體物理學(xué)雜志》上。1965年12月迪克小組的儀器建成，完成了在3.2厘米波段的觀測(cè)，證實(shí)了彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)。之后有人在1毫米直至70厘米的射電波段上進(jìn)行廣泛的測(cè)量，又有人在紅外的多個(gè)波段上進(jìn)行了觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果一致證實(shí)，這種微波背景輻射確實(shí)是有著相當(dāng)于3K溫度的黑體輻射的頻譜。微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被科學(xué)界公認(rèn)為是繼1929年哈勃定律問世以來，天體物理學(xué)上的又一重大突破，直接證實(shí)了大爆炸宇宙學(xué)的預(yù)言，是大爆炸宇宙學(xué)的重要觀測(cè)證據(jù)。從此以后大爆炸宇宙學(xué)受到普遍重視，被譽(yù)為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型，并隨著理論研究的不斷深入和觀測(cè)事實(shí)的不斷豐富，成為宇宙學(xué)中的主流學(xué)說。正因?yàn)槿绱?，彭齊亞斯和威爾遜榮獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

目睹上帝的臉——發(fā)現(xiàn)宇宙背景輻射的各向異性

微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)的確是對(duì)大爆炸學(xué)說的有力驗(yàn)證，但是不久就暴露出一個(gè)問題：它實(shí)在是太均勻了。早期的測(cè)量顯示，不論你向天空哪方看去，背景輻射的溫度到處一樣?？墒谴蟊▽W(xué)說預(yù)言，只要宇宙是在一次巨大的爆炸中誕生的，早期宇宙中的物質(zhì)的分布應(yīng)該是不均勻的，就像爆炸中四散飛濺的碎塊，因而背景溫度也應(yīng)有起有落。均勻的背景輻射標(biāo)志著大爆炸火球也極度均勻，這看來是不可能的。還有更糟的是，如果輻射是極度均勻的，整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型將難以立足，因?yàn)橐钦娴臎]有些許不均勻性，沒有些許物質(zhì)稍顯稠密的星星點(diǎn)點(diǎn)，那么也就沒有恒星和星系賴以生根發(fā)芽的種子，以至于我們?nèi)祟愐膊恢獜暮味鴣怼?/p>

宇宙微波背景輻射有時(shí)也會(huì)被稱作是大爆炸的余輝，均勻地分布于整個(gè)宇宙空間。宇宙誕生后大約3 8萬年，隨著宇宙膨脹，溫度逐漸降低，冷卻至3000K，這種溫度足以讓電子在高度活躍的狀態(tài)下依附在原子核內(nèi)形成原子物質(zhì)。這產(chǎn)生了可見范圍附近大量的光子流，充滿了早期宇宙，空間第一次開始變得透明。隨著宇宙和太空自我膨脹，這些光的波長(zhǎng)被拉伸至微波范圍，從而變成宇宙微波背景輻射（CMB）。

這幅圖片顯示了宇宙中最古老的光線，記載了宇宙各個(gè)不同方向上古老光子的強(qiáng)度，即各方向上宇宙138億年前的長(zhǎng)相，即成功看到了全天早期宇宙的“臉”，這是迄今為止人類所獲得的最精確的“宇宙微波背景輻射”圖像，幾近完美地驗(yàn)證了宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型。

原因在于所有上述在地面上開展的初步探測(cè)都精度太低，導(dǎo)致這些結(jié)果都顯示輻射是均勻和各向同性的。好比一張嬰兒的照片，由于底片的分辨率和靈敏度都太差，拍到的臉只現(xiàn)出白茫茫的一片，哪兒有甚至于是否有眼耳鼻嘴都無從知曉。那么事實(shí)是否如此呢？還需進(jìn)一步探測(cè)。20世紀(jì)70年代中期，兩位年輕的美國(guó)天體物理學(xué)家斯穆特和馬瑟提出了關(guān)于宇宙微波背景輻射各向異性的探測(cè)項(xiàng)目。從1 981年開始美國(guó)宇航局專門研制了一顆衛(wèi)星，用來對(duì)它作全波段（從微波到紅外）的精確測(cè)量。1 989年宇宙背景探測(cè)（Cosmi c Background Explorer，簡(jiǎn)稱CO BE）衛(wèi)星發(fā)射升空。

1992年4月，COBE衛(wèi)星的精確測(cè)量結(jié)果公布于世，顯示宇宙背景的溫度為2.725開，而且還發(fā)現(xiàn)了宇宙背景輻射具有十萬分之一的各向異性起伏，也就是說宇宙的某些地方溫度比平均溫度略高約十萬分之幾開?，F(xiàn)在的這張嬰兒照片，由于底片的分辨率和靈敏度都有所提高，拍到的臉已顯出了眼耳鼻嘴的粗略輪廓。溫度略高是由于物質(zhì)密度稍高，這反映了宇宙在其嬰兒期物質(zhì)密度分布不均勻，這種差異小到難以置信，卻有著深遠(yuǎn)的影響。所有那些密度稍高的區(qū)域正是比其周圍有略大的引力，于是它們形成了引力的種子，在它們周圍物質(zhì)慢慢積聚，產(chǎn)生了第一批恒星和星系，這個(gè)過程經(jīng)歷了約4億年。那些起伏是在宇宙僅有萬億億分之一秒、個(gè)頭還不如一個(gè)質(zhì)子大的時(shí)候產(chǎn)生的量子漲落，隨著宇宙膨脹而變大，如今已經(jīng)成長(zhǎng)為宇宙中最大的結(jié)構(gòu)，形成了我們看到的星系和星系團(tuán)，尺度最大可達(dá)上億光年。也就是說星系、星系團(tuán)等宇宙大尺度結(jié)構(gòu)正是從這種不均勻的物質(zhì)狀態(tài)中演化誕生的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為人們顯示了今天宇宙結(jié)構(gòu)起源之所在。發(fā)現(xiàn)宇宙背景輻射的各向異性是推進(jìn)宇宙大爆炸學(xué)說的又一飛躍；這個(gè)成就還開創(chuàng)了精確宇宙學(xué)的新時(shí)代。正由于此，斯穆特和馬瑟分享了2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。國(guó)外有學(xué)者評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)微波背景輻射各向異性的意義時(shí)說，“就像看到了上帝的臉”。就是說，這是我們所能直接看到的宇宙的最早圖像。

2 001年，美國(guó)宇航局又發(fā)射了威爾金森微波各向異性探測(cè)器（W i lki nson M i crowave Ani sot ropy Probe，簡(jiǎn)稱W MAP）衛(wèi)星，在性能上比COBE衛(wèi)星改進(jìn)了許多。威爾金森是原普林斯頓大學(xué)迪克團(tuán)隊(duì)的成員，之所以冠以他的名字是為了紀(jì)念他為探測(cè)宇宙微波背景輻射所做出的重大貢獻(xiàn)。由W MAP衛(wèi)星測(cè)出的宇宙微波背景輻射各向異性的圖像，顯然比COBE衛(wèi)星測(cè)出的要清晰得多。同時(shí)，天文學(xué)家建立了理論模型來計(jì)算宇宙微波背景輻射的起伏所對(duì)應(yīng)的空間幾何結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)W M AP的觀測(cè)數(shù)據(jù)符合宇宙空間是平直的情況，這是從觀測(cè)初步證實(shí)了宇宙空間的幾何結(jié)構(gòu)。這也反映了宇宙的平均密度十分接近于臨界密度。臨界密度是弗里德曼宇宙模型預(yù)言的一個(gè)理論值，當(dāng)宇宙的平均密度等于它時(shí)，宇宙的空間結(jié)構(gòu)將是平直的。這里的所謂平直，意思是宇宙膨脹將會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界值。平直性的發(fā)現(xiàn)也支持了宇宙暴脹理論，并證實(shí)了宇宙中除了可觀測(cè)物質(zhì)以外，必定存在更大量的不可見物質(zhì)。分析W M AP衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，人們還獲得了關(guān)于宇宙年齡和宇宙內(nèi)物質(zhì)和能量組成比例的新數(shù)據(jù)。

由歐洲空間局主導(dǎo)的“歐幾里德”探測(cè)器任務(wù)，旨在發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙中神秘的暗能量和暗物質(zhì)進(jìn)行研究，給人們帶來比以往任何時(shí)候都更接近揭開宇宙的一些最黑暗的秘密。新型暗能量探測(cè)器將于2020年左右發(fā)射進(jìn)入軌道，定位在距離地球150萬千米的“日-地拉格朗日點(diǎn)L2”上。

歐洲空間局與美國(guó)宇航局合作于2009年5月14日在法屬圭亞那空間基地用阿里亞娜五號(hào)火箭把普朗克巡天者衛(wèi)星和赫歇爾空間天文臺(tái)一起發(fā)射升空。普朗克衛(wèi)星實(shí)際上是一個(gè)宇宙微波背景輻射探測(cè)器，原來的名稱為宇宙背景輻射各向異性衛(wèi)星和背景各向異性測(cè)量衛(wèi)星（Cosm ic Background Radi at i on Ani sot ropy Sat el l i t e and Satellite for M easurem ent of Background Ani sot ropi es.，縮寫為COBRAS/SAM BA），在任務(wù)核準(zhǔn)后，更改為現(xiàn)在的名稱，以紀(jì)念德國(guó)科學(xué)家馬克斯?普朗克。普朗克衛(wèi)星的視野十分廣闊，可以對(duì)宇宙進(jìn)行全景掃描，計(jì)劃要完成4次這樣的掃描。這個(gè)衛(wèi)星的目標(biāo)是以前所未有的高分辨率和靈敏度測(cè)量整個(gè)天空背景輻射的起伏。屆時(shí)，科學(xué)家就可以掌握更加完整的數(shù)據(jù)。它的探測(cè)將補(bǔ)全威爾金森微波各向異性探測(cè)器(W M AP)測(cè)量微波背景輻射的不足之處。

2013年，歐洲空間局公布了普朗克衛(wèi)星拍攝的圖片，這是到目前為止有關(guān)早期宇宙最詳盡的宇宙全景圖，以超清晰的細(xì)節(jié)揭示了宇宙微波背景輻射，以無與倫比的精確性提供了對(duì)宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的最佳證明。普朗克全景圖還展示了某些前所未知的特征，可能需要新的物理學(xué)理論來對(duì)之進(jìn)行解釋。其中一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)便是天空兩個(gè)相對(duì)半球的平均溫度呈現(xiàn)不對(duì)稱性，這不符合人們按標(biāo)準(zhǔn)模型傳統(tǒng)上所了解的情況。

普朗克的探測(cè)成果還把宇宙年齡從137.3億年矯正為138.2億年，優(yōu)化了構(gòu)成宇宙的正常物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量的測(cè)量值（神秘的暗能量和暗物質(zhì)更多了些），現(xiàn)在我們了解的宇宙質(zhì)能組成為：4.9%為一般的重子物質(zhì)即可見物質(zhì)；26.8%為暗物質(zhì)，它們不輻射也不吸收光線，本質(zhì)尚未確定；68.3%為神秘的暗能量，造成宇宙膨脹加速，現(xiàn)在人們認(rèn)為它相當(dāng)于愛因斯坦當(dāng)初在他的引力場(chǎng)方程里引入的宇宙常數(shù)。W M AP和普朗克的測(cè)量，給了我們?cè)絹碓角逦挠钪鎷雰旱恼掌F(xiàn)在嬰兒臉上不僅眼耳鼻嘴的輪廓分明，而且細(xì)節(jié)也很清楚了。

對(duì)于物理學(xué)家和天文學(xué)家來說，普朗克的探測(cè)成果對(duì)研究暗能量和引力宇宙學(xué)顯得至關(guān)重要。已經(jīng)獲得的探測(cè)成果可以為將來的衛(wèi)星任務(wù)提供不可估量的推動(dòng)力，例如歐洲空間局與美國(guó)宇航局已聯(lián)手合作，將于2020年執(zhí)行歐幾里得探測(cè)項(xiàng)目。人們正滿懷信心地期待著在微波背景輻射的探測(cè)上獲得更加輝煌的成就。

宇宙從一次大爆炸開始到今天已經(jīng)有了1 38.2億年的歷史?，F(xiàn)代宇宙學(xué)已經(jīng)成為一門相當(dāng)成熟和精確的學(xué)科，它對(duì)于宇宙演化的歷史，能給出言之有據(jù)的描述，其根據(jù)建立在物理學(xué)理論和大量天文觀測(cè)的事實(shí)之上，其中五十年來不斷精確的微波背景輻射的探測(cè)是最雄辯的證據(jù)和最堅(jiān)實(shí)的支撐。

（責(zé)任編輯 張恩紅）