万物理论07·意外收获「黑体辐射」
著者：余生
@太空生物学 / @天体生物学
从星系的角度来看，「稳恒态模型」预测各种不同的星系在宇宙中是均匀分布的，这也就是说“婴儿星系”将遍布整个宇宙，而上个世纪40年代~60年代科学家使用射电望远镜对宇宙中的射电源进行了一项普查，结果发现「射电星系」在宇宙中并不是均匀分布的，而是距离越远分布越密集。由于电磁波到达地球是需要时间的，因此我们看到距离远近不同的地方，它们实际上处于宇宙历史不同的时间点，因此「射电星系」的分布不符合「完全宇宙学原理」。
图解：婴儿星系
「稳恒态模型」的预测和天文观测出现了矛盾，「大爆炸模型」也有一个非常重要的预测，那就是「宇宙微波背景辐射」
伽莫夫、阿尔福和赫尔曼在1948年预言了「宇宙微波背景辐射场」的存在，他们提到早期的宇宙温度极高，整个宇宙都在发光，在宇宙经历膨胀并冷却的今天，远古宇宙发出光的遗迹依然充满了整个宇宙空间，他们还估算出如果宇宙最初的温度为10亿度，那么当前的宇宙就会残留5~10开尔文，均匀分布于宇宙的「黑体辐射」，他们的估算已经非常准确了，现在的测量结果是「宇宙微波背景辐射」的温度是2.725开尔文，但在上个世纪40~50年代，他们的这项工作没有得到关注，没有人愿意为他们的预言做实验证实，这件事情也就不了了之了。1963年初在美国贝尔实验室，两位年轻人彭齐亚斯和威尔逊改造了架设在新泽西州克劳福德山上的一台本来用于接收卫星信号的喇叭状天线，想用它来研究银河系边缘的微波讯号，为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空的不同方向进行测量，无论他们将天线指向何方，在波长为7.35厘米的波段上总会收到一个噪音信号，后来他们又将天线指向不同的星系，结果还是一样，信号还是没有变化，于是他们又排除了这个信号是来自某个外星系的可能性。
彭齐亚斯和威尔逊调查了周围的散杂噪声源，甚至将望远镜指向纽约大都会，但这种噪声既没有增加也没有减少，他们还监测了噪声水平随时间的变化，结果发现这种噪声是连续的，总之无论将望远镜指向何处，这个噪声就是恒定不变的。噪声是如此的稳定，于是两人开始考虑这样的噪声是否来自于仪器本身，射电望远镜包括许多部件，每个部件都有可能产生自身的噪声，这就如同你听广播，即使广播公司发出的是很强的信号，但是你接收到的信号，有可能因为你的收音机功放、扬声器或者线路产生的噪声而降低品质。
彭齐亚斯和威尔逊为此检查了他们射电望远镜的每一个环节，查找可能的虚焊点、布线的瑕疵，电子学的故障、接收器的偏差等等，甚至为保万全所有的接口处都拿铝箔胶带缠定了，特别值得一提的是，他们的望远镜还遭到过“天屎”的袭击，一对鸽子在喇叭天线内做了“窝”，并留下了白色粘稠状的固体，彭齐亚斯和威尔逊认为沉积在喇叭天线上的鸽子粪便这种白色介电材料就是可能的噪声原因，但是即便他们把“天屎”全部都清除干净，甚至把天线大卸八块，然后再重新地组装起来，噪声依旧存在，无法抹去。
到了1965年初，彭齐亚斯和威尔逊已经花了差不多一整年的时间，用尽了合理和不合理的方法，希望能够找出噪声的来源，但是一无所获，彭齐亚斯和威尔逊最终不得不接受了这样一个事实——存在着一种无处不在并且均匀分布的「微波信号」。
图解：彭齐亚斯和威尔逊
当时的他们并不知道是什么导致了「宇宙微波背景辐射」，只好假设是大气的影响或者是环境在射电望远镜的号角壁上产生的效应。彭齐亚斯和威尔逊无法解释他们观测到的恒定噪声，在彭齐亚斯和威尔逊联系上罗伯特·迪克（Robert H. Dicke）以后，迪克立即意识到了彭齐亚斯和威尔逊的发现意味着什么。迪克是普林斯顿大学的宇宙学家，他的团队一直在研究「宇宙大爆炸模型」并意识到宇宙间应该存在一种无处不在的辐射，这种辐射在今天应当是1毫米左右波长的无线电信号。
当得知彭齐亚斯和威尔逊的发现以后，迪克是既兴奋又沮丧，兴奋是因为迪克深知如果其他进一步独立观测确认彭齐亚斯和威尔逊的发现是正确的话，那么就进一步证实了「宇宙微波背景辐射」的存在，从而为「宇宙大爆炸模型」提供了一项具有决定意义性的支持，这将是科学史上极为重要的发现，而彭齐亚斯和威尔逊就是这一历史事件最早的见证人。
但是另一方面，迪克又感到有些沮丧，因为在科学研究上谁抢到第一，谁就能胜者通吃，迪克的团队在探测「宇宙微波背景辐射」方面做了大量的前期工作，而发现「宇宙微波背景辐射」到的却是别人，这样他的前期工作基本上就没有多大的价值了。
不过迪克最终还是决定把工作进行到底，毕竟科学实验或者观测是需要多次独立验证的，几个月后迪克的团队架设的天线也得到了与彭齐亚斯和威尔逊一致的数据，由于彭齐亚斯和威尔逊他们的理论知识十分有限。经过协商，大家决定由彭齐亚斯和威尔逊在《天体物理学报》上，以他们的发现为标题发表论文，正式公布这个发现。而迪克的团队在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表另外一篇论文，对这个发现给予理论上的解释论证彭齐亚斯和威尔逊所观测到的这种辐射就是宇宙大爆炸残留下来的「宇宙微波背景辐射」。
图解：宇宙微波背景辐射
「宇宙微波背景辐射」的发现在近代天文学具有非常重要的意义
「宇宙微波背景辐射」给了「宇宙大爆炸模型」理论一个有力且直接的证据，因而与「类星体」「脉冲星」和「星际有机分子」的发现一起被称为20世纪60年代天文学的四大发现。彭齐亚斯和威尔逊也因为他们的这一发现，获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
「宇宙大爆炸模型」不仅预言了「宇宙微波背景辐射」的存在，还预言了它的波长，这都与彭齐亚斯和威尔逊的发现完全符合，然而「稳恒态模型」中宇宙是没有那个极高温、极高密度的时刻的，无法解释这种微波的存在，在很长一段时间对「稳恒态模型」的拥护者来说，他们反对「宇宙大爆炸模型」最有力的武器就是——「宇宙大爆炸模型」没有留下任何还能够探测到的痕迹。
1950年，霍伊尔指出——当我们观察我们的银河系时，这里没有留下任何最小印迹表明这样的爆发曾经发生。
赫尔曼曾经也说过——“如果存在大爆炸，那么就让我们看看它的化石吧！”
而现在大爆炸的化石就在我们身边，我们每时每刻都在感受到它的沐浴，彭齐亚斯曾经这样描述「宇宙微波背景辐射」——“当你今晚走到户外并摘下帽子，你的头皮就能感到大爆炸带来的一丝温暖。”「宇宙微波背景辐射」与2.725开尔文的「黑体辐射」相同，如果有温度的话，我相信那也是极度寒冷的。
想要看看「宇宙微波背景辐射」也并不一定需要射电望远镜，它们在宇宙中无处不在，任何普通电视、电线都能捕捉到，如果你将电视调到一个没有节目的频率上，看到屏幕上出现的雪花，听到嘶嘶的噪声，它们之中大约1%实际上是「宇宙微波背景辐射」，是宇宙大爆炸之后经过100多亿年直接传送到你家里的电视上的。
图解：黑体辐射
「宇宙微波背景辐射」的发现，使得「稳恒态模型」完全没有招架之力
如果不认为「宇宙微波背景辐射」与大爆炸模型有联系，那么就必须认为这是由星系的射电辐射叠加形成的。「射电星系」的确可以发出背景辐射的射电波，但目前已知的射电源尚不足以给出足够的强度，有一种设想是认为存在着许多没有探测到的弱强度的射电源，如果它发出的强度只有目前射电源的百万分之一，而且有许多这样的射电源，当这种射电源的数量达到10¹⁴时就能满足要求，但是这个数量是目前可见星系数量的1万倍，是否真的存在这样的弱射电源还是一个非常大的疑问，所以说到了这个时候，「稳恒态模型」已经变得摇摇欲坠，几乎就要彻底玩完了。
在1980年的一项调查中，支持「宇宙大爆炸模型」的天文学家数量上升到了69%，而支持「稳恒态模型」的只有2%了，霍伊尔一度也想放弃「稳恒态模型」支持「宇宙大爆炸模型」，并且与福勒一起用「宇宙大爆炸模型」理论阐明了氢元素的起源问题，他成功解释了氦的高丰度，这是因为宇宙在大爆炸之初的温度远远高于恒星内部的温度，而对于锂、铍、硼等轻元素的起源，他也能给出合理的解释，这样一来宇宙中各种自然元素的生成来源便给予了最全面的解释，这对「宇宙大爆炸模型」来说是一种丰富和完善。
但到了20世纪80年代，当霍伊尔看到宇宙学家们为了解释星系的形成和其他一些难题，而引入「暴胀」「暗物质」等悬乎的概念时，他的疑虑又出现了，在霍伊尔看来，假如一个理论是正确的，那就会得出许多正确的结论，可是20多年过去了，不仅没有多少事实支持「宇宙大爆炸模型」，相反这个理论自身倒是要不断求助一些玄乎的概念来解释新观察到的现象，这恰恰是一个不可靠的信号，于是霍伊尔将原始的「稳恒态模型」改造成为一个看上去与天文观测比较一致的升级版，这个模型叫做——「新的纯稳恒态宇宙模型」。
图解：新的纯稳恒态宇宙模型
「新的纯稳恒态宇宙模型」要求宇宙在两次长期膨胀之间有一次规则的收缩阶段，在这个模型中，宇宙在演化的过程中不是存在一次大爆炸，而是有许多小爆炸诞生，这些小爆炸产生的轻元素并造成了星系红移，至于「宇宙微波背景辐射」霍伊尔的解释是——这是星际间金属尘埃发出的辐射。
「新的纯稳恒态宇宙模型」的理论已经和当时所有的观测都吻合了，但这个模型还是没有赢得大家的支持，「宇宙大爆炸模型」的观念已经深入人心了，可以说「宇宙微波背景辐射」的发现是「宇宙大爆炸模型」彻底打败「稳恒态模型」最重要的因素，但「稳恒态模型」的强健生命力也着实令人佩服，就连发现「宇宙微波背景辐射」的威尔逊也曾经表达过他对「稳恒态模型」的偏爱，部分原因是他曾经在霍伊尔的课上上过课，他曾经说过：“我的宇宙观是在加州理工学院从霍伊尔那里学到的，我非常喜欢「稳恒态模型」，哲学上，我还是有点喜欢它。”
图解：宇宙大爆炸模型
射电天文学有时充满了幸运的因素，彭齐亚斯和威尔逊的发现有点意外，他们最初的目标是进行射电天文学普查，但他们最大的分心竟是他们最大的发现。30年前，央斯基曾经在贝尔实验室做过一个幸运的发现，并因此创立了射电天文学，现在还是在同一学科、还是在同一研究机构偶然性再度来临，但这次发现更加辉煌。
虽然「大爆炸模型」打败了「稳恒态模型」，但自身也不是完全没有问题的，有关「宇宙微波背景辐射」的探测，还有大量的工作是需要后人来研究的，下回继续分解。
未完·待续......