当时的困境
1950 年代的宇宙学有两派,而且谁也说服不了谁。
大爆炸派说宇宙有个极热极密的开端。稳恒态派(霍伊尔、邦迪、戈尔德)说宇宙在膨胀但物质在持续生成,因此宇宙在大尺度上永远是同一副样子,没有开端也没有终结。
两派都能解释哈勃的膨胀,都能大致解释元素丰度,观测上难分高下。霍伊尔在 BBC 广播里嘲讽对方是「big bang」——这个带贬义的绰号最后成了正式名称。
1948 年,伽莫夫的学生阿尔法与赫尔曼算出了一个可以判决的推论:如果宇宙曾是一团火球,那团火球的辐射不会消失,只会随空间膨胀而红移、冷却。他们估计今天应残留在微波波段,温度约五开尔文。
这个预言几乎无人理会。射电天文学家不读宇宙学期刊;而当时也没人相信几开尔文的均匀背景能被测出来——那比任何接收机自身的噪声都低。
洞见时刻
1964 年,贝尔实验室的彭齐亚斯与威尔逊接手了一台喇叭形天线。它原本是为回声卫星通信造的,此时改作射电天文用。
他们要做的是精确的天空亮度测量,因此必须先把所有噪声源摸清楚。麻烦的是,无论怎么做,总有一份多余的噪声去不掉,对应约 3.5 开尔文的天线温度。
他们排查了一年。噪声与天线指向无关,与季节无关,与昼夜无关——不是来自地面,不是来自银河系,不是来自太阳系。他们发现天线内壁栖着一对鸽子,留下了一层白色粘性物质;把鸽子赶走、把粘性物质清理干净,噪声还在。
几十公里外的普林斯顿,迪克的小组正在按大爆炸的思路搭建一台探测器,准备去找那团火球的余晖:罗尔与威尔金森造接收机,二十九岁的皮布尔斯算理论——他们并不知道伽莫夫的团队十六年前就算过这件事,皮布尔斯是在 1964 年底才发现自己重新发明了轮子的。一位共同的熟人打了个电话,把两边接上了。
迪克放下电话对同事说了一句:伙计们,我们被抢先了。
1965 年,两篇论文并排发表在《天体物理学杂志》上:彭齐亚斯与威尔逊报告测量结果,措辞极其克制,正文里连「大爆炸」三个字都没提;迪克小组给出解释。
温度是 2.7 开尔文。稳恒态宇宙学就此出局。
涟漪效应
此后六十年,这片辐射成了宇宙学最富信息量的观测对象。
它是完美的黑体。 1990 年 COBE 卫星的初步谱与理论黑体曲线的偏差已不到峰值的 1%;1996 年全部数据的最终分析把偏差压到百万分之五十以下,误差棒比曲线的线宽还细——这是自然界已知最完美的黑体谱,直接证明早期宇宙确实处于热平衡。
它有涨落。 1992 年 COBE 首次测到十万分之一量级的温度起伏,那是早期宇宙密度不均匀的印记,也是后来一切星系与星系团的种子。此后 WMAP 与普朗克卫星把这些涨落测到极高精度。
它能定出宇宙的参数。 涨落的角功率谱里有一系列声学峰,峰的位置与高度同时约束了宇宙的几何、物质密度、重子密度与暗物质密度。这排峰早在 1970 年就被皮布尔斯与余、以及苏尼亚耶夫与泽尔多维奇算了出来,三十年后才第一次被量到。今天「普通物质 5%、暗物质 27%、暗能量 68%」「宇宙年龄 138 亿年」这些数字,主要就是从这张图里读出来的——它们属于宇宙学标准模型。
1978 年诺贝尔物理学奖颁给彭齐亚斯与威尔逊。伽莫夫、阿尔法、赫尔曼都不在名单上——伽莫夫 1968 年已去世,阿尔法与赫尔曼为此抱憾终生。2006 年 COBE 团队的马瑟与斯穆特再获诺贝尔奖。
如果没有它
这片辐射来自宇宙约三十八万岁的时刻。在那之前,宇宙是不透明的等离子体,光子不断被自由电子散射,走不了多远;温度降到约三千开尔文时电子与质子结合成中性氢,宇宙突然变透明,那一刻的光就此自由飞行,一直飞到今天。
也就是说,它是人类能看到的最古老的光,是宇宙的婴儿照。任何望远镜都不可能看到比它更早的电磁信号。
它也在你身边。老式电视机在没有信号的频道上那片雪花噪点里,大约有百分之一来自宇宙微波背景——那是一百三十八亿年前的光子,穿过整个宇宙,最后撞在你家的天线上。