人類從宇宙中獲得信息來自於「光」

人類從宇宙中獲得的絕大部分信息來自於光。

人類從宇宙中獲得的最古老的信息來自於宇宙中最古老的光。這縷最古老的光有個專門的名字，叫做微波背景輻射（Cosmic Microwave Background 簡稱CMB）。微波背景輻射給我們講述了宇宙小時候的許多故事，其中最詭異的故事莫過於宇宙的邪惡軸心了。

宇宙的「第一縷光」

故事是這樣的。我們的宇宙一直在膨脹啊膨脹，已經近137億歲了。如果逆著時間之河的方向去看宇宙的小時候，我們會發現，那時所有的物質應該都擠在很小的一片區域內。宇宙的年齡越小的時候，宇宙的「體積」就越小，物質被擠壓的越緊密，那時宇宙的溫度也就越高。如果再順著這個邏輯推導下去，那麼我們不得不認為宇宙誕生於一次「大爆炸」。美劇《The Big Bang Theory》的片頭曲就是這麼唱的：

「Our whole universe was in a hot dense state,Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait...」（我們的宇宙曾處於炎熱緻密的狀態，然後大約一百四十億年前它開始膨脹。等一下…… ）

宇宙誕生之後，先是經歷了一段不為人知的量子時期，然後是加速膨脹的暴脹時期（見《娶不到媳婦怨宇宙》）。暴脹結束之後的一瞬間，宇宙是一鍋高溫的基本粒子湯，還沒有形成原子。經過了「最初三分鐘」的原初核合成的過程，宇宙的化學元素組成才比較接近我們今天看到的模樣。

那時候宇宙的溫度仍然有幾萬K，比現在太陽表面的溫度（約6000K）還要高。這麼高的溫度自然要伴隨著強烈的發光過程。由於溫度很高，發出的光的能量也很高，「壽命」也就很短：還沒跑出多遠，很快就被附近的原子（主要是氫和氦）吸收，使後者都電離成原子核和電子了。

隨著宇宙的膨脹，溫度越來越低，宇宙中高能光子的比例漸漸減少，而低能光子的比例卻漸漸增多了。在宇宙大約38萬歲時（仍然是幼兒時期），宇宙的溫度降低到了約3000K。此時的高能光子寥寥無幾，而低能光子又沒有足夠的能量再把中性原子拆散成原子核和電子了。從此，中性原子們「無視」了低能光子的存在，任由它們在宇宙中自由穿行，這才有了宇宙的「第一縷光」[1]。

WMAP——「第一縷光」的微波照相機

「第一縷光」發出時宇宙的溫度有3000K。要知道把加熱到1000K的鐵就已經能發出暗紅色的光來，3000K宇宙背景還不把黑夜照的跟白晝一樣？可是從38萬歲到現在的一百多億年間，宇宙的尺度變大了1100多倍，這些在宇宙中旅行的光的波長也像房價一樣被拉長了1100多倍。波長所對應的溫度也有原來的3000K降低到了2.725K，僅僅比絕對零度高出一點點。人類懂得仰望星空時，宇宙的「第一縷光」早已成為「嘶嘶」的微波背景輻射。因此，當美國貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜在1964年驚奇的發現，天空中存在各向同性的，不隨時間和季節變化的微波雜訊時，他們最自然的想法是天線上的鳥糞和鴿子窩在作怪。

為了獲取宇宙留給我們的最古老的信息，科學家們準備了許多「微波照相機」。例如，1989年11月，宇宙微波背景探測器（Cosmic Background Explorer，簡稱COBE）由NASA發射升空。1998年和2003年，「飛鏢」球載望遠鏡（Boomerang）乘坐熱氣球兩次在南極洲升空。2001年6月，威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）由NASA發射升空。2009年5月，普朗克巡天者（Planck）由歐洲空間局和NASA共同發射升空。到目前為止，已成功發回數據的「微波照相機」中，精確度最高，影響力最大的當屬WMAP了。

WMAP的名字是這麼一回事。在彭齊亞斯和威爾遜正為了鳥糞和鴿子窩而犯迷糊時，美國的天文學家威爾金森等人已經試圖著手探測微波背景輻射了。得知彭齊亞斯和威爾遜發現天線有微波雜訊的事情之後，威爾金森等人撰文指出，不用擦鳥糞掏鴿子窩了，雜訊的來源不是它們，而是宇宙。1978年，彭齊亞斯和威爾遜被授予諾貝爾物理學獎，其中威爾金森等人的解釋性工作功不可沒。為了紀念威爾金森這位偉大先驅者，探測器就以他的名字命名。

WMAP是為了繼它的前任COBE之後，以更高的精度來探測微波背景輻射的各向異性，所以叫做各向異性探測器。宇宙學家們認為，既然我們的宇宙已經形成了恆星、星系、星系團等結構，就說明宇宙小時候，物質的分布不是絕對均勻的。這裡多一點點，那裡少一點點，這樣由於萬有引力和宇宙膨脹的共同作用，才能形成宇宙今天的樣子。既然微波背景輻射是宇宙小時候的第一張「照片」，那麼這個原初的不均勻性就應該在照片上有所體現。也就是說，我們探測到的微波背景輻射應該是這裡熱一點點，那裡冷一點點，否則，宇宙現在就不可能是這個樣子。

1992年，COBE發回的數據證實，微波背景輻射確實存在各向異性，這個溫度的漲落大約在十萬分之五，正好符合宇宙學的預期。2006年，COBE小組領導人的斯穆特（Smoot）和馬瑟（Mather）獲得諾貝爾物理學獎。

COBE圓滿的完成了任務，那麼比它解析度更高，靈敏度更高的WMAP又為我們帶回了什麼新的信息呢？故事講到這兒，宇宙的邪惡軸心（axis of evil）要出場了。

四極矩、八極矩和邪惡軸心

2001年，WMAP上天，2003年，WMAP小組第一篇數據分析報告出爐了。2005年，2009年，隨著WMAP數據的日積月累，WMAP小組又陸續發表了多篇分析報告。科學家們從WMAP小組發布的溫度譜和功率譜中發現，CMB的各向異性大體上符合理論預期，但是四極矩和八極矩的數值偏低。而且，四極矩和八極矩的軸心幾乎指向同一個方向：室女座（Virgo）。

和絕大多數信號一樣，微波背景輻射的信號看起來也是雜亂無章，似乎毫無規律可言。為了分析它，物理學家將其中不同頻率的部分「提取」出來，叫做球諧函數展開。球諧頻率的高低用字母l表示，l=0時頻率最低，叫做單極子（monopole）,l=1時叫偶極矩（dipole），然後是四極矩（quadrupole），八極矩（octopole），十六極矩（hexpole）……再往後就只能用l的大小來表示了。

在WMAP小組的數據分析中，l的數值至少分析到了1000以上。因此，四極矩算是其中的低頻信號。八極矩的頻率略高於四極矩，也屬於低頻信號。不確切的說，四極矩的信號應該是這兩大片區域熱一些，那兩大片區域冷一些；而八極矩的信號就是這四小片區域熱一些，那四小片區域冷一些。[見維基百科的動畫]

每一組頻率的信號的冷熱交替都有特定的「對稱軸」。不同頻率的信號的軸心方向之間應該沒有關聯，你走你的陽關道，我走我的獨木橋。可是在WMAP的數據分析結果當中，四極矩和八極矩串通起來給物理學家出難題，它們的振幅不但遠遠低於理論預期，還同時指向室女座。這看起來有些不可思議，彷彿宇宙學的各項同性假設被破壞了，宇宙中憑空多出來一個特殊方向。

更加邪惡的是，這個特殊方向所指的室女座方向，位於黃道面上。我們都知道地球繞著太陽轉，如果以地球為參照系，也可以認為太陽繞著地球轉，而黃道就是太陽的「公轉軌道」。也就是說，一百多億年前宇宙發出的「第一縷光」，就已經「預知」一百多億年後，它所包含的萬億顆恆星當中，有一顆叫做「太陽」的恆星與眾不同。「第一縷光」決定降低四極矩和八極矩的振幅，並使它們的軸心同「太陽」的軌道平面方向保持一致……於是，一群充滿正義感的物理學家把這個現象叫做宇宙的邪惡軸心。

從宇宙學標準模型的意義上講，發生這樣事件的概率是1/24000，幾乎沒有可能發生。既然已經發生了，就要認認真真的找個理由來解釋。這時，我想起高中做英語閱讀理解時，有個同學很擅長解釋答案的合理性。比如當他解釋完為什麼應該選A時，有人發現標準答案是B，於是，他馬上就能解釋為什麼B比其他選項更合理。假如老師宣布答案印錯了，應該是C，他又能列出一堆理由來解釋選C的理由。後來我才明白，這位同學有研究理論物理的潛質！

物理學中的理論又有點兒像地球上的各種生物，千奇百怪層出不窮。等實驗結果一出爐，99%的理論都「滅絕」了，只剩下少數理論還能勉強支撐。當人們逐漸發現，碩果僅存的理論仍然同進一步的實驗結果有矛盾時，理論家們又在這些理論的基礎上「培育」出具有不同「突變」的後代。於是，理論物理的生物圈又一次欣欣向榮，直到下一次「大滅絕」的來臨。

（說明：古代物理學的理論大都滅絕了，例如亞里士多德的引力理論，地心說等等）

面對宇宙邪惡軸心的挑戰，物理學家們大體上分為三派。第一派，是以WMAP小組的領導人Hinshaw為代表的哈哈派，在這個問題上含糊其辭，既不否定也不肯定，像是打哈哈說官話。這其實體現了他們謹慎的學術作風。第二派，是以Contalti和Longo等人為首的附和派。他們或者聲稱觀察到300多個類星體圍繞著邪惡軸心分布，或者說觀察到1600多個旋渦星系的旋轉軸也指向邪惡軸心。用來解釋邪惡軸心存在原因的理論更加匪夷所思，例如說宇宙存在奇異的拓撲結構，或者說暴脹理論的原初密度擾動存在一種截斷，或者乾脆搬出弦論等重型武器……這多麼像是在做英語的閱讀理解啊！ 那麼第三派的觀點是什麼呢？請看下集。

[1]：「第一縷光」通常指在經歷了一段時期的「黑暗」之後，宇宙的第一批恆星所發出的（可見）光。本文所指的「第一縷光」的發出比第一批恆星誕生要早的多。

[2]：以上大部分圖片來自維基百科。

[3]：cos提出的改正意見：「當年的理論解釋的文章共4個作者，老闆R. Dicke打頭，理論解釋的工作主要是Jim Peebles做得。Wilkinson和另外一個主要是做儀器的。所以不應該用「Wilkinson等人的文章」的提法。MAP以Wilkinson命名不是主要因為Wilkinson的先驅貢獻，要說這個Dicke更有資格，因為DMR就是他最先設計發明的。MAP以Wilkinson命名的主要原因是Wilkinson在MAP上的核心地位，而且他耗盡心血，卻偏偏在MAP出結果前去世。」

[4]：冷凍過的魚指出了鐵熔點不是1000K的錯誤。

批判派——WMAP小組的挑戰者

宇宙的邪惡軸心究竟存在嗎？以中科院李惕培院士，和他的學生劉浩博士為代表的批判派堅決說不。話說早在2003年，WMAP小組發布的第一篇數據分析報告一出爐，就引起了李惕培院士的懷疑。於是，當劉浩要報考他的博士生時，他對劉浩說，我很想重新分析WMAP的所有數據，你願意跟我一起做這個工作嗎？這將是一條艱難的道路。僅憑我們兩個人的力量要跟蹤WMAP整個小組各方面頂級專家的工作，風險實在是很大。即使數年之後我們成功了，一時半會也不會得到主流物理學界的認同。劉浩毫不猶豫的答應了。

劉浩發現，WMAP傳回的數據並不是微波背景輻射的溫度譜，而是兩根夾角141°的天線產生的差分數據。差分數據是什麼呢？打個比方，已知小朋友的平均身高是141厘米，要測量幾個小朋友的身高分布。有一種辦法是一個一個的直接測量，另一種辦法是測得小明比小華高5厘米，小華比小龍矮3厘米，小龍比小強高7厘米……根據這樣的差分數據，就能得到每個小朋友的原始身高。物理學的測量中經常採用這種差分的辦法，這樣可以省去不同條件下對實驗儀器基準點的反覆調試。

要想從WMAP測得的差分數據獲得溫度譜，還需要知道每一組差分數據對應的是天空中的哪兩點。WMAP上有一個專門的時鐘用來記錄每組數據對應的時刻，還有一個時鐘用來記錄WMAP的運動狀態。這樣，劉浩需要自己編寫一系列電腦程序，根據每一時刻WMAP的位置，速度和姿態，來確定每一組數據的歸屬。然後再由獲得的時序數據（Time Ordered Data）產生微波背景輻射的溫度譜。

功夫不負有心人，經過了五六年的艱苦研究，李惕培和劉浩等人發現，由他們自己編寫的數據分析程序得到的溫度譜和WMAP有所不同，其中最大的不同在於他們發現溫度譜的四極矩幾乎消失了，而八極矩也有顯著的減弱。如果這個結果是對的話，至少解決了宇宙邪惡軸心的問題——四極矩真的消失了的話，那八極矩跟誰狼狽為奸呢？那麼宇宙中就不應該存在特殊的方向，宇宙學的各項同性原理就得到了保護。

菲克森定律

不出李惕培院士的意料，這一結果並沒有得到WMAP小組的支持。理由是除了WMAP小組，還有Planck小組和另外一組科學家曾獨立分析過WMAP的差分數據，他們的結果和WMAP小組的結果完全相同。根據菲克森定律（英文拼寫未知），李的小組獲得的結果應該不可靠。菲克森定律是說，「一個理論物理學家所得到的結果往往只有他自己一個人相信」，而「一個實驗物理學家所得到的結果往往只有他自己一個人不相信」。現在的情況並不符合「李惕培等人的結果只有他們自己不相信」，所以實在是不靠譜啊。

大家也許會覺得菲克森定律是在開玩笑，其實也是有一定道理。主流學術界奉行的是「同行評價」體系：同行說你靠譜，你就是靠譜；同行說你不靠譜，你就不靠譜。例如理論物理學界有個網站叫做預印本庫，大家寫出來論文可以先上傳到那兒，供同行評價。如果有民科言論試圖吸引大家的眼球，那麼就像BBS一樣很快會有管理人員停P刪賬號。廣為流傳的一個故事是，歐洲有個諾貝爾獎獲得者由於發表民科言論，被禁止在預印本庫上傳論文……

在歐美等學術大國的同行看來，中國從來沒發射過探測CMB的衛星，技術水平很落後。實驗技術水平落後意味著科學學術水平的全面落後，因為第一手的數據掌握在外國人手裡，就只能等老外吃完了肉之後喝點兒湯。也許還有一個原因就是，從中國頻繁爆出的學術造假醜聞來看，其科學界有相當多的不靠譜因素。最後，就算你們中國小組所有的一切都靠譜，難道還會比我們集中了全球各領域百位頂級專家的WMAP小組、Planck小組還靠譜嗎？

退一萬步講，即使中國小組的結果真的有可取之處，也不能輕易下結論。要知道這年頭經濟不景氣，向納稅人要錢可是越來越困難了。一旦推翻了WMAP小組原來的結論，那麼就意味著這7年來建立在這個結果上的一切科研成果都不可靠。納稅人知道了會很生氣，後果很嚴重。萬一給納稅人留下心理陰影，以後要錢更困難了怎麼辦呢？因此，本來WMAP小組曾經給予李惕培小組熱情的幫助，但李惕培和劉浩公布自己的結果之後，WMAP小組的專家們就再也不回郵件了……

差之毫釐，謬以千里

如果是李惕培和劉浩錯了怎麼辦？李惕培對此相當謙虛：錯了沒關係，算是給我們一個教訓。我們國家早晚也是要有探測器上天的，如果我們確實犯了錯，那麼可以給後人提個醒，少走點兒彎路。

在同外國同行的學術交流中，李惕培也同樣是這個態度。Planck小組的Freeman等人在Planck衛星傳回數據之前，曾組織人手獨立的復算了WMAP的結果，算是一次「學術演習」。李惕培問他，能否我們兩個小組交換程序代碼，互相檢查一下哪兒有異常？Freeman回答，我們的程序不給你們看，因為我們肯定是對的。如果你們的程序給我看，我很願意幫你們糾錯。「那就給你看，歡迎你來糾錯」，李惕培院士謙虛的說。

在長達數月的交流中，Freeman和李惕培的小組共同發現，他們用於分析WMAP數據的程序的功能幾乎完全相同，除了一個用於分析探測器運動的四元數（Quaternion）程序（參加Fujia對四元數的介紹）存在極微小的差異。李惕培問：「你們的四元數程序是誰寫的？」

Freeman：「我們……所有的程序都是自己寫的。四元數程序是問WMAP的哥們要來的。」

李惕培：「那你們這個不應該算是獨立完成。」

Freeman：「呃……」

分歧的原因變得更加明朗，就出在四元數的程序上。可是，兩組四元數程序的差異非常小，只有WMAP解析度的半個像素，為什麼反映在微波背景輻射的溫度譜上之後就變的顯著了呢？

原來，四元數程序被工程物理學家用於分析WMAP在三維空間中的運動。由於多普勒效應，WMAP的運動會實時地在CMB的溫度譜上疊加一個額外的偶極矩。也就是一個方向熱一些，一個方向冷一些。計算實際的溫度譜時應該完全扣除這個偶極矩。可由於CMB的溫度太低，信號太弱，實際上這個偶極矩的雜訊比CMB的信號強數十倍。因此，去除雜訊時出現的微小誤差，對於實際信號的影響會非常可觀。

李惕培和劉浩順著這個線索研究下去，發現了更加吃驚的結果。原來我們前文提到WMAP 的兩個時鐘竟然沒有校準！兩者相差了20多毫秒，這才導致差分數據和天空的對應差了半個像素。此外，WMAP的天線對於天空各個方向的掃描次數和得到的平均溫度竟然存在相關性。由於太陽光過於強烈，WMAP的天線掃描天空時總是有意的避開它，以提高觀測效率。因此，天線對黃道外的天空掃描的次數總是比黃道上多。假如掃描次數和得到的平均溫度真的存在相關性的話，那麼四極矩和八極矩的軸心指向黃道上的室女座就合情合理了。

分歧的原因終於變得清晰起來。李惕培和劉浩終於得出了結論：宇宙的邪惡軸心並不存在。溫度譜的四極矩完全是由去除偶極矩雜訊時產生的誤差引起的。修正這個誤差之後，四極矩在一定精度上應該完全消失，八極矩也有顯著減弱。這意味著同標準宇宙學模型的理論預期相差更遠，也許後者才是值得懷疑的地方。同時，根據李惕培和劉浩生成的WMAP的溫度譜，暗能量和暗物質占宇宙總能量的比例也有改變。暗能量從WMAP小組所公布的74%下降到了68%，而暗物質從22%上升到了28%。他們在論文中聲稱，這個結果與WMAP小組的結果相比，同其他觀測結果，如「飛鏢」球載望遠鏡，重子振蕩，Ia型超新星等符合的更好。因此，李惕培和劉浩對他們小組的結果充滿了信心。

尾聲

宇宙邪惡軸心的故事到此告一段落，結局會是什麼，現在下結論還為時尚早。

李惕培和劉浩的論文上傳到預印本庫後，一開始並沒有引起太多的關注。直到2010年2月的一次國際學術會議上，李惕培才得到和WMAP小組成員面對面的機會，但是WMAP小組的領導人Hinshaw並沒有如期出現。跑得了和尚跑不了廟，在今年秋季即將舉行的一次學術會議上，Hinshaw和李惕培同時名列邀請名單上。希望無論事情怎樣發展，這次遲來的會面都將會帶給我們不斐的收穫。

Planck小組的研究人員知道這個消息後顯得更加謹慎，他們並不支持在最終結果出爐之前發表任何評論。WMAP小組的結果遭到了挑戰，使得Planck小組不得不格外小心。在這個科學問題上，他們既要成為評判兩方觀點的裁判，又要防止自己遭遇類似的挑戰。因此，有人說看到Planck小組開組會時增強了安保工作：嚴禁組外友人打醬油，拉上全部窗帘，說話盡量放低聲音。

在探索科學的道路上，謬誤在所難免。謬誤不是科學的終結！謬誤，是科學的新生！

注[2]：也許吻合的好正是因為圖片的模糊，筆者並沒有具體考慮過這個問題。請參閱參考文獻。

（已發表於《中國國家天文》，有刪節）

參考文獻[1]：李惕培院士的學術報告

[2]：'Axis of evil' a cause for cosmic concern, New Scientist

[3]：arXiv:1003.1073v2

[4]：PhysRevD, 69, 063516

[5]：（及圖片來源）WMAP的官方網站

[6]：維基百科

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