量子漲落「星星之火」燎原蔚為壯觀的星系

從科學家似乎「看見」了宇宙大爆炸「發令槍的冒煙」，從宇宙微波背景輻射的首次發現到到現在過去了50多年，半個多世紀後的今天，阿爾卡特—朗訊公司早已變成貝爾實驗室的新主人，貝爾實驗室在過去的歲月成就非凡，科研人員舉辦了慶祝活動，宇宙微波背景輻射的發現是貝爾實驗室在歷史上最偉大的發現之一，為傳統天文學進入新時代鋪平了道路。宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸遺留的痕迹，科學家發現和研究了「宇宙化石」的細節方面，對宇宙的誕生、形成和演變有了透徹、深刻的理解，科學發現的「紅利」延續了半個多世紀，科學家在今年3月宣布了原初引力波的消息。我們將時間的年輪轉回到1964年，兩位實驗室的工程師發現了宇宙微波背景輻射，人們記得一些有趣的發現細節，一群鴿子的糞便差一點迷惑了兩位科學家的理性判斷，新澤西州的一處微波通訊接收裝置受到了「揮之不去」雜訊的干擾，兩人起初 以為鴿子的糞便擋住了信號源通道，從而產生嗡嗡嗡的雜訊，當他們清掃了鴿子糞之後，嗡嗡的雜訊依然如故。

——微波背景輻射發現之旅

宇宙微波背景輻射的「Eureka」（找到了！）根本不是突然、偶然的發現和突破，科學家「心血來潮」的發現既有某種偶然性，也與與天文物理學的時代背景有關，1964年不是一個特別的年份，貝爾實驗室的兩位科學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜不是天文學領域的研究人員，他們為貝爾實驗室所屬的總公司服務，主要研發商用的微波通訊技術，兩位研究人員將通訊接收器的埠任意指向天空的一個方位，傳來了嗡嗡作響的穩定而持續的噪音，無法解除棘手、持續的雜訊，而雜訊與接收埠的指向無關，接收器的埠指向天空的任何方向，他們都接收了「惱人」的噪音，兩位科學家起初懷疑硬體設備出了問題，噪音源也許與通訊設施周圍閑逛的鴿子有關，喇叭口形狀的巨大信號接收裝置堆積了一些鴿子的糞便，他們清除了喇叭口的鴿子糞，然而，依舊傳來嗡嗡的雜訊。他們懷疑實驗裝置所在地的新澤西州與紐約市太近，市區雜訊的干擾不可忽略，他們設法使通訊裝置冷卻下來，以消除外部熱源的噪音，他們的努力無濟於事，一時間彭齊亞斯和威爾遜被噪音問題困擾。

兩位科學家十分幸運，沒在噪音困擾的問題上耽擱太久，附近的普林斯頓大學的研究人員當時正在尋找一種由宇宙大爆炸遺存的能量輻射。遺存的能量輻射與宇宙起源有關，在宇宙大爆炸之後僅幾秒的時間，宇宙的能量密度下降到足夠的程度，第一批原子核形成了，而原子的形成則是數十萬年之後的事情，宇宙溫度冷卻到足夠的水平，原子核捕獲了電子，兩者結合為中性原子，在原子形成的物理事件中釋放了大量能量，輻射能量在宇宙的時間長河中發生了紅移，逐漸轉化為微波波段的光譜。理論物理學家、天文學家預測了微波背景輻射，甚至準確地計算了背景輻射的溫度，他們沒有找到一種搜索背景輻射的方法，理論推測和實際檢測之間可能產生誤差。彭齊亞斯和威爾遜在和同事的交談中得知，普靈斯頓大學的科學家正在探尋背景輻射的「遺迹」，他們隱約地意識到，微波背景輻射可能造成了「揮之不去」的噪音，之後出現了皆大歡喜的結局，貝爾實驗室的兩位工程師和普林斯頓大學的科學家組成了聯合團隊，他們將宇宙微波背景輻射的研究成果發表在1965年一期的《天體物理學》雜誌，1978年，彭齊亞斯和威爾遜以「意外的發現」榮獲了眾望所歸的物理諾獎。

——COBE背景輻射探測器

經過一段時間的觀測和分析，一個顯著物理特徵的事實突現出來，從地球上觀測的微波背景輻射的均勻性與宇宙大尺度的均勻性相互一致，或者微波背景在大尺度的均勻性證明了宇宙空間在大尺度的平滑性，然而，微波背景輻射在小尺度的不均勻性證明了，宇宙空間在小尺度範圍存在起伏變化，科學家推測，「波浪起伏」的不均勻性造成了宇宙空間「塊狀」的星系團分布和巨大的「空洞」。各種各樣的宇宙模型試圖解釋大尺度的均勻形和小尺度不均勻性，其中佔據主流地位的宇宙模型是所謂的「暴漲」理論，在宇宙的最早期發生了超過光速的暴漲，宇宙膨脹的速度超乎想像，那些微小、均勻而平坦的「能量點」、或「能量火球」迅速地「膨脹成超過地球、太陽的尺寸、甚至超過太陽系、銀河系的尺寸等，快速地生成了宇宙的「大球」，微小的量子漲落，不均勻的質量分布在宇宙高速膨脹過程中最終形成了星系的大結構，我們今天得以看到宇宙超大結構的體系。

許多版本的宇宙膨脹理論假設了一種情形，宇宙星系的物質團塊結構與宇宙背景輻射中微波能量的微小漲落存在關聯，為了探索微小的能量漲落現象，科學家促成了宇宙背景探索衛星（COBE）的發射，即使在COBE衛星發射的1989年，科學家仍然在爭論一個問題，微波能量的漲落是否達到足夠的程度，科學家利用當時的太空探索技術，能夠檢測微小能量漲落的變化值。1992年，COBE科學團隊宣布了發現的成果，他們似乎看到了形成現代宇宙的「種子」，在宇宙微波背景輻射中的確存在能量的極小漲落，幅度為一千分之一。2006年，COBE科學團隊的主要科學家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特由於對背景輻射中量子漲落的發現分享了諾貝爾物理學獎。我們從追索現代天文學的發展歷程中得出了結論，COBE的運行和發現標誌了一個精確天文學時代的開始。

——WMAP，Planck和BICEP接力賽

COBE的發現標誌了探測的開始，它遠不是太空探測的結束，COBE確定了微波能量漲落起伏的現象，宇宙微波背景能譜以黑體輻射的曲線形式發生了搖擺，能譜波動現象包含了更多宇宙學的細節信息，科學家通過研究搖擺的精確圖形確定了宇宙的年齡、宇宙的暗物質和普通物質數量、與宇宙膨脹速度直接有關的哈勃常數和其它的參數。2001年，NASA發射了威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），它的使命是提供有關宇宙微波背景漲落的細節數據，精確檢測微波背景的能譜。經過數年的觀測和數據發布，科學家在2010年宣布了WMAP退役的消息，完成使命的WMAP目前在軌道飛行。WMAP科學團隊經過對最新數據的分析得出結論，我們的宇宙「大球」由71%的暗能量、24%的暗物質、低於5%的普通物質構成，少於5%的普通物質構成了我們觀測的一切恆星和星系的其它物體。

在普朗克探測器科學團隊發布數據之前，BICEP2科學團隊的研究進展更快，搶在普朗克團隊之前發布了數據，他們通過南極望遠鏡發現了非常強的河外星系發出的偏振信號，同時發布了背景輻射的成像圖片，有一些科學家懷疑BICEP2科學團隊數據的有效性，可重複性檢驗成為問題的關鍵，可重複性檢驗是打消科學家懷疑的最好方式。有關對微波背景圖譜中能量起伏和古老光線偏振性的研究沒有結束，有許多的疑問有待消除。事實上，爭論一直在發生，舊的疑問沒有解決，新和疑問隨之產生。清晰數據和模糊解釋、或模糊數據和清晰解釋，這些現象意味著從宇宙微波背景獲取信號的大門沒有關閉，通向精確科學的大道始終暢通。從彭齊亞斯和威爾遜在1964年發現微波背景輻射到現在50多年過去了，最初簡陋的接收裝置變成了精密的探測器，一大批年輕科學家成長起來。也許在短期內很難從微波背景數據的收集和分析中取得實質性的進展，科學家在長期內取得突破性的成果大有希望。

（編譯：2014-5-23）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！