程鹗
宇宙膨胀背后的故事(十五):宇宙大爆炸的余波 精选
2019-7-30 08:10
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也是在1948年,刚刚从美国海军退伍的马里兰大学年轻教师韦伯(Joseph Weber)找到伽莫夫,自我介绍是微波技术专家,询问是否有合适的课题让他研修一个物理博士学位。伽莫夫不假思索地回答,“没有。”韦伯不得已,后来辗转进入了探测引力波领域(详见《捕捉引力波背后的故事》第三章)。

伽莫夫大概自己都不知道,他那两个弟子阿尔弗、赫尔曼在推算出大爆炸之后的宇宙在今天应该有绝对温度5度左右的背景温度后,那时正在四处寻找微波专家,咨询观测这个大爆炸遗迹的可能性。

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二战之后像韦伯那样的无线电——微波是无线电频谱中的一部分——专家其实相当多,有些还是颇为资深的物理学家。战争期间,物理学家在原子弹之外最突出的贡献大概就是在雷达、通信技术上。战后,这些人才回到大学实验室,以各种方式用他们在战争中开发或学会的技术开拓科学研究的疆界。

1950年代初,英国、澳大利亚天文学家注意到他们的无线电天线可以接收到一些来自天外的电波。古尔德和霍伊尔率先意识到这些电波来自银河之外,可能非常遥远。因为用光学天文望远镜看不到发射这些电波的源头,不知道是不是来自恒星、星系,便暂时把它们的来源叫做“类星体”(quasar。这个词是华裔物理学家丘宏义(Hong-Yee Chiu)生造出来的。)

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一个类星体的艺术想象图。

后来,帕洛玛山上的桑德奇等人费了九牛二虎之力才在1963年用海尔望远镜看到一个与类星体吻合的光源,并拍摄到光谱。果然,这个光谱红移得更夸张,显示光源速度达每秒四万七千公里。这时已经无法继续用已有的“宇宙距离阶梯”测定其距离,只能通过哈勃定律由速度倒推其距离大约在几亿光年之外,比胡马森看到过的最远星系又远了好多倍。

无线电与可见光一样是电磁波,只是处于不同的频率波段。可见光在宇宙空间旅行时会遭到各种星系、尘埃等的吸收和散射,有相当的损失(这也是哈勃等人根据光强估算距离的主要误差来源)。而无线电信号则不然,它们在宇宙中几乎畅行无阻。因此,即使是来自非常遥远的无线电,也能在地球上接收到。由此诞生了“射电天文学”。

类星体的发现给霍伊尔等人的“稳定态”宇宙带来的一个难题。他们理论的精髓就在于“稳定”:宇宙恒定,不像大爆炸理论那样有个起点,并随之演变。

我们在观察星空、宇宙时,距离的远近同时也就是时间的先后。因为光传播的速度虽然很快,达每秒30万公里,却也不是无限。远处的光(或无线电信号)传到我们这里需要一定的时间。来自几亿光年之外的信号便是经过了几亿年的时间才抵达。也就是说,我们今天看到的类星体,实际上已经是几亿年前的存在。

那些几亿年前的类星体却与我们附近、更“现代”的星系有着明显的不同:类星体在发射着强烈的无线电波,而相应的可见光却微弱;我们已经熟悉的星云、星系恰恰相反。这不符合稳定态模型中宇宙时时、处处一样的描述。更让霍伊尔他们头疼的是,随后的跟踪观测还发现,类星体数目的分布也随距离而变化:越远的地方,类星体越多,密度越高。

大爆炸理论在这里却得心应手。大爆炸之后的宇宙是随时间不断地演化的。几亿、几十亿年前的宇宙与今天的宇宙大相径庭。那时宇宙的温度高,尚未形成今天常见的星系、恒星。类星体大概就是大星系诞生之前或之初的躁动,大量的基本粒子在巨大的黑洞周围高速运动、碰撞,发出强烈的无线电波。因为恒星还没有大量地形成,可见光便相对地微弱。

越远的类星体密度越高更是大爆炸的自然结果:膨胀中的宇宙越早期密度越高,膨胀后密度减低——也就是说膨胀之后“拉开”的空间里并没有像霍伊尔想象的那样出现新的物质填充。

类星体的发现,不仅又一次扩大了人类认知宇宙的视野,再次揭示天外有天,也让大爆炸理论在与稳定态模型的僵持中第一次占了上风。不久,更强劲的证据出现了。

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二战之后,普林斯顿大学的狄克(Robert Dicke)教授对广义相对论、宇宙学发生了浓厚的兴趣。每星期总有一天,他和他的学生们会海阔天空地讨论这方面的课题,直到入夜才一起到镇上的小店去喝酒吃披萨。他对大爆炸和稳定态理论都不满意,因为这两个理论中宇宙的物质都属于“无中生有”。他更倾向于弗里德曼描述的“振荡宇宙”:宇宙是不停地在膨胀、坍缩,如此周期往复。这样宇宙中的物质总是存在着,只是密度在变化。

1960年代中期,霍伊尔和同行合作解决了伽莫夫等人没能解决的难题:宇宙初始的基本粒子通过中子俘获过程只能产生最简单的几个原子,到锂原子以上便出现了“断链”,无法持续。霍伊尔等人发展出一套在恒星内部高温、高压条件下产生更重的原子的反应链,解开了宇宙万物来源之谜。但也因此,稍重的原子必须在宇宙膨胀后期、恒星已经大量出现以后才能面世。

狄克因此想到,如果宇宙在来回振荡,这些后期才有的原子在宇宙的坍缩过程中也必须消失,才能在下一轮膨胀中重新产生。而它们之所以消失,只能是因为坍缩的宇宙进入超高温状态,以至于所有原子都被剥裂,还原为质子、中子等基本粒子。

狄克觉得这样一来宇宙的温度是可以推算的。他指导学生皮布尔斯(Jim Peebles)做一下理论计算。皮布尔斯很快得出结论:宇宙从最初的高温膨胀、冷却至今,现在的温度应该在绝对温度10度左右。

那是1964年,阿尔弗和赫尔曼的宇宙温度约为5度的论文已经发表了16年。狄克似乎对他们的工作完全不知情或者完全忘却了。他的振荡宇宙的坍缩过程其实就是爱丁顿、伽莫夫所想象的时间逆转的宇宙“倒带”过程。作为理论模型,二者其实没有区别。

皮布尔斯写好论文投稿后被匿名的审稿人打回,指出他们不应该地忽略了阿尔弗、赫尔曼等人的工作。皮布尔斯按要求修改后依然没能过关。但狄克并不太在意。他已经开始了下一个行动。

与伽莫夫那几个人不同的是,狄克自己就是实打实的微波技术行家。他在1946年发明了一个“狄克辐射计”(Dicke radiometer),是微波天线最常用的接收器。他也是一个实验好手。就在他琢磨宇宙的同时,他还用现代化手段重复了传说中的伽利略比萨斜塔实验,以超高精度证明物体在引力场中的运动与质量无关。

这时他带着另外两个学生很快就在普林斯顿大学地质系(Guyot Hall)楼顶上装置起一个微波天线。准备寻找大爆炸的遗迹。

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狄克的两个研究生和他们在普林斯顿为探测宇宙微波背景辐射制作的微波天线。

大爆炸发生在100多亿年之前,也无法在实验室中重复,自然没办法直接观测。阿尔弗、赫尔曼以及狄克、皮布尔斯推导出的宇宙温度却是大爆炸的一个直接后果,或者说“残留”。狄克觉得这应该能够观测到。

宇宙不是一个热平衡的世界。无数的恒星内部在发生强烈的热核反应,表面不断地发光发热。它们的表面温度至少几千度,内部更是达到亿度的量级。(在极高温尺度,绝对温度与摄氏度之间已经没有实质区别。)

然而,从空间、体积来看,恒星在宇宙中只占据微不足道的存在:它们在我们地球人的眼中不过只是“点点星光”。其余的广宇,是一片漆黑死寂,冰冷的世界。

不过,早在20世纪初,天文学家发现星星之间也不是完全的空空如也,而是弥漫着一些不明成分、来源的气体、尘埃,被笼统地称作“星际介质”(interstellar medium)。1940年,加拿大天文学家麦凯拉(Andrew McKellar)还观察到这些介质中居然存在有机分子。他测量到氰(CN)分子自由基(radical)的旋转光谱,推算出其能量分布相当于绝对温度2.4度。如果假设这些介质、分子与其周围环境处于热平衡状态的话,那么也就可以认定这些介质所处的空间的温度大约是2.4度。但是,直到他在1960年去世,麦凯拉的数据没有引起人们注意。

阿尔弗、赫尔曼、狄克、皮布尔斯等人所研究的宇宙温度却不是星星、介质甚至分子些实际物体的温度。在他们的理论模型中,大爆炸伊始的宇宙又热又稠密,充满了光辐射和质子、中子等基本粒子,互相搅成一团。当宇宙终于膨胀、冷却到质子与电子可以结合成稳定的氢原子之后,光子才能在宇宙中畅行无阻——此即所谓宇宙的第一缕光。那时的光子能量(频率)非常高。再经过一百多亿年的膨胀、冷却,光子的波长随着空间被持续拉长,其频率相应地红移变低。到今天,按照他们算出的宇宙温度,那些光子应该主要出于能量很低的无线电波段,也就是微波频段。

这些光子——如果存在的话——直接来自大爆炸开始的那颗蛋,充满了那时候还不很大的宇宙。在今天的宇宙中它们也就同样地会均匀地散布在整个空间而无处不在,成为宇宙恒定的背景。因此,它们被称作“宇宙微波背景”(cosmic microwave background)。

阿尔弗和赫尔曼当初在大学、学术会议上做过一系列讲座,希望能引起微波行家的兴趣,寻找探测这个宇宙大爆炸的遗迹,但无人响应。人们或者不相信这个天方夜谭,或者觉得这样的微波信号即使存在,也会太微弱,没有希望测出。

最令他们丧气的是,连他们的导师、向来喜好“异端邪说”的伽莫夫也没有买他们的账。两人后来相继找到不同的新工作,各奔前程,没有再继续这个课题。伽莫夫更是在学术上移情别恋,与刚发现脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构的沃森(James Watson)和克里克(Francis Crick)还有费曼(Richard Feynman)等人一起搭伙去试图破解生命遗传编码的秘密。在那之后十来年里,大爆炸理论陷入低迷。阿尔弗和赫尔曼所提出微波背景被人遗忘,直到被狄克、皮布尔斯重新“发现”。

就在狄克和他的学生们一切准备就绪、只待开机探测时,狄克接到一个意外的电话。

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1957年10月4日,苏联成功发射人类第一颗人造卫星。次年,美国仓促成立航空航天局(NASA),应对新时代的挑战。航天局试图发掘卫星的实用价值,他们最早的尝试之一是发射一个简陋的球体,进入轨道后内部爆炸充气,成为大气层外的一个大气球。这气球的表面上涂有一层铝金属,可以反射电磁波。这样,他们从西海岸的加州发射微波信号,由卫星反射回地球表面,被东海岸贝尔实验室的天线接收,成功地实现横跨北美大陆的太空微波通讯。

这个气球卫星只是被动地反射电磁波,能回到地球表面的信号非常微弱。贝尔实验室为此专门制作了一个大型微波天线。接收微波的天线与日常熟悉的卫星天线不同,不是抛物面的圆盘,而是像早期的方形高音喇叭。这个天线长15米,喇叭口6米见方,以它所在的镇命名叫做“霍姆德尔喇叭天线”(Holmdel Horn Antenna)。天线内部探测微波信号的正是一个狄克辐射计。

航天局的这个项目没有太长的寿命。1962年,美国发射了第一颗正式的通讯卫星(Telstar),上面携带电子设备,可以将接收的信号放大后再播放,大大提高了使用效率。地面上也不再需要特制的大天线就可以接收到卫星信号。

于是,霍姆德尔这个天线沦为闲置。两个刚刚博士毕业来到贝尔实验室的天文学家彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson)看中了这个难得的高灵敏度、低噪音家伙,觉得可以用它来普查银河系的微波分布。于是他们着手天线的校准,逐个剔除可能的误差和环境噪音。

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彭齐亚斯(右)和威尔逊在他们使用的贝尔实验室“霍姆德尔喇叭天线”前。

在排除了所有可辨认的噪音后,他们被一个奇怪而顽固的噪音所困扰。这个噪音无论白天黑夜都一样地存在。他们把天线对准邻近繁华的纽约市,然后转到反方向做比较,居然没有差别;他们又耐心地跟踪测量了几个月,让地球绕着太阳公转,也没有发现该噪音有任何季节性的变化。他们仔细检查仪器,发现有几只鸽子在天线里做了窝。于是他们花大功夫,将天线拆开,仔细清洗了多年积累的鸟粪(彭齐亚斯很专业地称之为“白色的电介质物体”)。他们驾车把鸽子送到很远的地方放生,但善于找路回家的鸽子很快又回来了,于是他们不得不拿起鸟枪来解决这个干扰源。然而,天线上测到的信号依然如故:无时不有无处不在。

无奈中,彭齐亚斯在与同行的电话中倾诉了他们这个烦恼。对方想起刚刚听过皮布尔斯的一个讲座,似乎有点关联,建议他与普林斯顿的那拨人联系求助。彭齐亚斯于是给狄克打了电话。狄克放下话筒时脸色死灰,当即告知他的团队:“伙计们,我们被人抢先了。”(“Boys, we've been scooped.”)

贝尔实验室距离普林斯顿不过60来公里。狄克一行驾车前往,共同分析彭齐亚斯和威尔逊的数据。没有太多的悬念,他们很快就确定令这两个倒霉蛋近乎疯狂的噪音便是他们在普林斯顿准备寻找的宇宙微波背景辐射——大爆炸的余波。(威尔逊在加州理工学院攻读博士时曾听过霍伊尔的课,因此对稳定态模型有印象。但他们俩对大爆炸理论均不甚了了,而对阿尔弗、赫尔曼的宇宙温度预测以及近在咫尺的狄克小组研究工作完全一无所知。)

他们实际测量的数据表明今天的宇宙背景温度是绝对温度4.2度,与理论预测相当接近。

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1978年,彭齐亚斯和威尔逊因为这个无意的发现获得诺贝尔物理学奖。这是诺贝尔奖第一次颁发给与天文观测有关的贡献。

当年诺贝尔(Alfred Nobel)设立他那后来举世闻名的奖金时,在科学类上指明了物理、化学和生理医学——他觉得最实用的科目。天文学没有被包括在内。相当长时期内,诺贝尔奖委员会也不认可天文学是物理学的一部分。因此,历史上一些做过突出贡献的天文学家,包括勒梅特、爱丁顿、哈勃等等,都与这个奖项无缘。

因为狄克的决定性协助,彭齐亚斯和威尔逊曾邀请他在他们的论文中作为第三作者。狄克绅士般地谢绝,可能就此失去分享诺贝尔奖的机会。普林斯顿的小组另外撰写了一篇论文,与彭齐亚斯和威尔逊的观测报告同时发表,从理论上阐述那便是宇宙大爆炸留下的遗迹。

在领奖仪式上,彭齐亚斯才得以回顾他恶补的历史,突出介绍了伽莫夫、阿尔弗、赫尔曼等人的早期贡献。对已经去世的伽莫夫来说,这已经是第三次——也不是最后一次——在诺贝尔奖获奖仪式上收获到感谢。


(待续)

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