史上最伟大的偶然发现，塑造了我们对宇宙的理解

科学上的发现需要多年的研究、分析、观察和实验。有时，由于某些幸运的意外，科学家们取得了一些伟大的发现，这些发现塑造了我们对世界和宇宙的理解。今天我就来谈谈这样一个惊人的发现，它改变了我们对宇宙的理解。

1964年7月，物理学家阿诺-彭齐亚斯（Arno Penzias）和射电天文学家罗伯特-威尔逊（Robert Wilson）正在用一个超级敏感的20英尺长（6.096米）的喇叭天线进行实验，该天线最初是为探测无线电波而建的。为了减少干扰，他们消除雷达和无线电广播的影响，并通过使用液氦将接收器本身冷却到−269°C来抑制来自接收器本身热量的干扰。在这样做的过程中，威尔逊和彭齐亚斯注意到他们的天线接收器中有一些奇怪的 "噪音"，他们最初认为是鸽子的粪便。这些声音比他们预期的要强烈上百倍，而且遍布整个天空。然后两位科学家开始清洗天线，花了几个小时从装置上清除鸽子粪便，以观察辐射探测的任何变化。然而，这些噪音仍然存在。

• 罗伯特-W-威尔逊（左）和阿诺-彭齐亚斯在他们的天线旁合影，1978年

他们探测到的辐射的波长为7.35厘米，所以他们确定这不是来自太阳系，甚至不是来自银河系。科学家们确信，辐射来自银河系之外，但不确定它到底是什么。阿诺-彭齐亚斯随后遇到了伯纳德-伯克（Bernard Burke），一位在华盛顿特区地磁部工作的射电天文学家，并告诉他这些神秘的声音。伯克建议他打电话给普林斯顿大学的鲍勃·H·迪克。普林斯顿大学的天体物理学家正准备在光谱的这一区域寻找类似的微波辐射。

迪克和他的同事们曾提出理论，认为大爆炸不仅使物质散开，而且还释放了巨大的爆炸性辐射，这种辐射可以作为微波被检测到（由于巨大的红移）。彭齐亚斯和威尔逊探测到的辐射的特征与普林斯顿大学的罗伯特-H-迪克和他的同事预测的辐射完全一致。他访问了贝尔实验室，证实了这个神秘的无线电信号确实是宇宙微波背景辐射（CMBR）——大爆炸的证据。他们对彭齐亚斯和威尔逊结果的理论解释表明，关于早期宇宙的理论已经从纯粹的猜测发展到经过充分测试的物理学。

他们的发现发表在7月的《天体物理学杂志》上，标题是：在4080 Mc/s下对天线过量温度的测量（A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s）。

隐藏在这些简单文字背后的，是天体物理学和宇宙学历史上最重要的发现之一，也是支持大爆炸的第一个直接证据。彭齐亚斯和威尔逊因偶然发现宇宙微波背景辐射而在1978年获得诺贝尔物理学奖。

宇宙微波背景（CMB）辐射告诉我们宇宙的年龄和组成，并提出了必须回答的新问题。CMB是在宇宙历史上一个被称为重组时代的时期产生的。宇宙已经冷却到大约5000华氏度（2700摄氏度）的温度，冷到足以让电子和质子 "重新结合 "成氢原子。光子被释放出来，而今天这种辐射被称为CMB。通过研究辐射的详细物理特性，我们可以了解宇宙在非常早期的大尺度上的状况，因为我们今天看到的辐射经过了如此长的距离。

早期宇宙中没有原子，因为宇宙在其早期历史的大部分时间里都非常热，只有自由电子和原子核存在。宇宙微波背景的光子很容易从电子上散射下来。因此，光子在早期宇宙中徘徊。这种多重散射的过程产生了所谓的光子的 "热 "或 "黑体 "光谱。根据大爆炸理论，CMB的频谱应该具有这种黑体形式。美国宇航局COBE卫星上的FIRAS实验确实非常精确地测量了这一点。

• COBE卫星的示意图。

宇宙背景探测器（COBE）于1989年发射。它的一个仪器测量了整个天空中波长为0.1至10毫米的微波辉光的强度。1992年，它首次看到了各向异性--这一结果被COBE的科学家乔治·斯穆特（George Smoot）誉为 "就像看到了上帝的指纹"。此后，1997年发射了气球载望远镜BOOMERANG（Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation And Geophysics）。这是第一个从宇宙微波背景中发现宇宙几何的实验，随后美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）卫星于2001年6月发射。WMAP证实了BOOMERANG的发现并确定了宇宙的年龄和组成。

• 从普朗克卫星上看到的宇宙微波背景。

2009年，欧空局发射了普朗克卫星。该卫星以高分辨率测绘了宇宙微波背景的各向异性。2013年，从该探测器收到的数据提供了一些关于宇宙年龄、暗物质、普通物质、暗能量含量的惊人结果，并测量了哈勃常数的数值。普朗克探测器背后的研究团队发布了该任务的宇宙微波背景全天空地图。这张全天空地图于2013年3月发布，基于15.5个月的观测，显示了在宇宙大约37万年时印在天空中的CMB温度的微小波动。这些变化对应着微小的物质密度过低和过高，最终导致了我们今天在宇宙中看到的大规模结构。较红的区域代表高于平均温度，较蓝的区域表示比平均温度更冷。这些印记反映了在宇宙存在的早期就出现的涟漪。目前的理论是，这些涟漪产生了目前由星系团和暗物质组成的巨大宇宙网络。