宇宙論：從宏觀到精密

2006年10月3日，瑞典皇家科學院宣布，將本年度諾貝爾物理學獎授予美國宇航局哥達德空間飛行中心的約翰·馬瑟和加州大學伯克利分校的喬治·斯穆特，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀及其溫度在不同方向上的微小變化。他們利用COBE(宇宙微波背景探索者)衛(wèi)星進行的非常細致的觀測，被譽為現(xiàn)代宇宙論發(fā)展成一門精密科學的起點。

首次發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射是在1964年。美國貝爾電話實驗室的兩位科學家阿羅·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜為此獲得1978年諾貝爾物理學獎。他們起初曾將這種輻射誤為是自己的接收機上不相關的噪聲(實際上，宇宙微波背景是每當我們的電視機正常傳輸中斷時接受到的那種“雪花”噪聲的一部分)。但是，早在1940年代，伽莫夫、阿爾弗和赫爾曼就做出了微波背景的理論預言，對后來關于宇宙起源的持續(xù)討論作出了重要貢獻。

當時主要有兩種宇宙學理論在互相競爭：或者宇宙在最初的大爆炸中誕生然后繼續(xù)膨脹，或者它總是處于在一種穩(wěn)恒狀態(tài)。大爆炸圖景實際上預言了微波背景輻射的存在，因此，彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)自然讓那種理論格外令人可信。

宇宙的起源

根據(jù)大爆炸圖景，我們的宇宙是從一種極熱的狀態(tài)發(fā)展而來。關于宇宙的這種原初條件迄今尚無完善的理論，但看起來不久之后它就被密集得難以置信的輻射所充滿。由這樣一種發(fā)光“體”發(fā)出的輻射以特定方式分布于不同的波長，就像恒星一樣，其發(fā)光的顏色(能譜)只取決于溫度：溫度低時，顏色發(fā)紅；溫度高時，顏色發(fā)藍。除溫度之外，我們對這種輻射一無所知，但是可以確切地預言它的能譜看起來像什么樣子。這種被稱為黑體輻射的能譜也可以在實驗室產(chǎn)生，德國科學家普朗克第一個描述了它們的特殊形狀。我們自己的太陽實際上是“黑體”，盡管它的光譜沒有宇宙微波背景輻射那么完美。

根據(jù)大爆炸圖景，背景輻射隨宇宙膨脹逐漸變冷。然而能譜的原初黑體形狀被保存下來。當輻射發(fā)出的時候，后來形成我們宇宙的混沌物質仍然是非常熱的，溫度大約在3000℃左右。然而我們今天測量到的背景輻射已顯著變冷，現(xiàn)在對應于一個溫度僅為絕對零度之上2．7度的物體散發(fā)的輻射。這意味著輻射的峰值波長增加了(黑體輻射的規(guī)律是溫度越低，峰值波長越長)。所以現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的背景輻射波長落到了毫米至厘米之間的微波區(qū)域。

離開地球

宇宙微波背景的第一批測量是在高山、火箭和氣球上做的。地球大氣吸收了許多輻射，因此測量需要在非常高的地方進行。但即使在這樣的高處，可能實際上被測量的也只有屬于背景輻射能譜的一小部分。能譜內一大部分波長的輻射被大氣如此高效地吸收，以至測量必須在地球大氣之外進行。因為首先，地面測量(包括由彭齊亞斯和威爾遜所做的測量)不能充分顯示出輻射的黑體性質。這就使人們難于知道背景輻射是否真正是大爆炸圖景預言的那種類型。此外，局限于地面的儀器不容易探查宇宙的所有方向，使它難以證明這種輻射的確是各向同性的真實背景。從衛(wèi)星上進行測量能同時解決這兩個問題——儀器可能置于大氣之上，并且測量可容易地及于四面八方。

1974年，美國宇航局邀請?zhí)煳膶W家和宇宙學家為新的空基實驗遞交提案。這導致了COBE項目的啟動。馬瑟是這個龐大合作體(包含1000名科學家、工程師和其他人士)的真正動力。他也負責一臺星載儀器(遠紅外絕對分光光度計)，用于探查背景輻射的黑體譜。斯穆特則負責另一臺重要的儀器(較差微波輻射計)，用以尋找不同方向背景輻射溫度的微小變化。

美國宇航局原來打算由一架航天飛機發(fā)射COBE。但是，在1986年挑戰(zhàn)者號爆炸的悲劇事故以后，航天飛機的運作被中斷了幾年。這意味著COBE的未來處于危險之中。圓熟的交涉最后使馬瑟及其合作者為COBE獲得了專用的火箭，衛(wèi)星最后在1989年11月18日發(fā)射。僅9分鐘觀察以后就得到第一批結果：COBE記錄了一條完美的黑體譜!當這條曲線后來在1990年1月舉行的一次會議上展示時引起了全場起立歡呼。COBE曲線是曾經(jīng)測量過的最完美的黑體譜之一。(參見圖)

星系的誕生

但這只是COBE的部分結果。斯穆特負責的實驗，其設計目標是尋找微波背景不同方向的微小變化。宇宙不同部分微波背景溫度的微小變化，可以提供關于星系和恒星如何形成的新線索，說明物質為什么不是像均勻的泥漿那樣散開，而是這樣集中于宇宙中特定的位置。微小的溫度變化能顯示物質在何處開始聚集。這個過程一旦開始，剩下的事就由萬有引力主導：物質吸引物質，導致恒星和星系形成。然而若沒有一個開始的機制，不論銀河系，太陽，或是地球都不會存在。

試圖解釋物質的聚集如何開始的理論，與原初宇宙中的量子漲落有關。同樣類型的量子漲落產(chǎn)生于物質和反物質粒子不斷的產(chǎn)生和湮滅。今天宇宙中測量到的溫度變化，可以認為是這些量子漲落的結果，而且根據(jù)大爆炸理論，恒星、行星、最后生命能夠演化出來也要歸因于此。沒有這些量子漲落，構成我們的物質會以完全另外的形式均勻散布于宇宙之中。

可見物質和暗物質

當科學家們計劃COBE實驗時最初的想法是：為解釋星系形成需要的微波背景溫度變化，大約會是千分之一攝氏度。這已經(jīng)很小了，但后來發(fā)現(xiàn)情況更糟：當COBE還在建造時，有研究者報告說，暗物質(我們不能看見的宇宙中的大部分物質)的影響意味著，要尋找的溫度變化可能是在十萬分之一度的范圍。暗物質本身實際上是物質凝聚的一個重要動因，這意味著為解釋這個過程的啟動所需要的溫度變化比早先設想的更小。

發(fā)現(xiàn)這樣極小的溫度變化是一個巨大挑戰(zhàn)。即使重新設計儀器，從COBE得到的結果仍然變得比期望更加不確定和難于解釋。這種變化是如此之小，以致它們很難與不相關的噪聲區(qū)別開——那怎么能知道它們的確是真實的呢?當結果最終在1992年發(fā)表時，發(fā)現(xiàn)它們能與地面測量關聯(lián)起來：盡管地面測量比COBE的測量更加不確定，但兩者記錄到溫度變化的空間方向卻是完全一致的。

1992年4月29日，英國物理學家斯蒂芬·霍金在一次采訪中說，COBE的結果“即使不是所有時代，也是本世紀最偉大的發(fā)現(xiàn)”。

宇宙論從猜想變?yōu)榫_科學

在COBE的成功的鼓舞下，第二代宇宙背景各向異性探測衛(wèi)星(WMAP)于2001年升空。由于WMAP的空間分辨率從其前輩COBE的7°提高到了0．2°使得人們可以通過比較不同角度內測量到的溫度變化，以前所未有(約1％)的精度測定宇宙中可見物質、暗物質以及暗能量的比例(分別約為4％，23％和73％)。因此，COBE項目可以并且已被看作為宇宙論成為精確科學的起點：宇宙學的計算第一次能與真實測量數(shù)據(jù)進行比較，這使得現(xiàn)代宇宙論成為一門真正的科學。

COBE和WMAP的測量為評估宇宙的基本形狀提供了依據(jù)。COBE實驗也開創(chuàng)了幾個宇宙論和微粒物理學的新領域。新宇宙學測量目的在于更好的理解在背景輻射發(fā)出之前時刻發(fā)生的過程。在粒子物理學方面，目標是了解暗物質由什么構成。這是很快將在歐洲核研究中心使用的新LHC加速器(大型強子對撞機)的任務之一。

(資料來自瑞典皇家科學院網(wǎng)站信息)

【責任編輯】蒲 暉