物理群星
罗伯特·威尔逊 肖像

图:NRAO / AUI / NSF,1981 / Wikimedia Commons / CC BY 4.0

罗伯特·威尔逊

Robert Woodrow Wilson

1936–今 · 生于美国得克萨斯州休斯敦 · 美国

天体与宇宙学

他在加州理工听霍伊尔讲宇宙学,因此更喜欢稳恒态;几年后,他和同事测到的那片噪声亲手把稳恒态送走了

「直到第二天在《纽约时报》上读到这件事,我才真正明白我们做了什么。」

—— 威尔逊多次讲述 1965 年论文发表后的情形,据英文原文译

一个人可以在不相信某个理论的情况下,做出那个理论最重要的证据。威尔逊就是这样。

他在加州理工读博士时听过霍伊尔讲宇宙学——那几年霍伊尔常来加州理工。稳恒态宇宙学在他听来干净利落:宇宙没有开头,也不需要解释「开头之前是什么」。他后来承认,自己当时更喜欢这个模型。

从射电图到喇叭天线

他的专业是射电天文。1962 年在加州理工完成的博士论文,是用欧文斯谷射电天文台的设备给银河系的一部分画射电图——这活儿要的正是耐心与对噪声的敏感:哪一份信号来自天上,哪一份来自仪器自己。

1963 年他进贝尔实验室克劳福德山,与比他早两年到的彭齐亚斯搭档。手上的家伙是一台为回声卫星通信造的喇叭天线,二十英尺长,噪声极低,正适合拿来测天上那些微弱的东西。

按规矩,先标定自家的底噪。

减不掉的余项

标定的做法是一项项拆:接收机贡献多少,大气贡献多少(把天线在不同仰角上扫一遍,拟合随高度角变化的部分),地面从旁瓣漏进来多少,天线自身的损耗贡献多少。每一项都能独立量出来。

加起来之后,还剩约 3.5 开尔文。

他们花了一年时间跟这 3.5 度较劲:清理喇叭口里鸽子留下的东西,拆开铆缝贴铝胶带,把天线指向纽约方向,排查 1962 年高空核试验的残留。余项纹丝不动,而且各方向一样、昼夜一样、四季一样。

1965 年初,他们辗转得知普林斯顿的迪克小组正在专门去找这样一片辐射:如果宇宙起于一次高温致密的状态,今天应该剩下几开尔文的微波余辉。

两篇论文并排刊出。威尔逊后来说,他直到第二天在《纽约时报》上看到报道,才真正意识到他们做了什么——那篇论文他们写得极克制,连解释都留给了隔壁。

这项结果的直接后果,是把他自己原本偏好的稳恒态宇宙学送出了历史。他对此的态度很实在:数据就是数据。

毫米波那条路

得奖之后他没有离开天线。1970 年,他与杰弗茨、彭齐亚斯把接收机推到毫米波段,在猎户座星云中测到了一氧化碳的转动谱线。

这件事的分量不比人们想的小:星际云的主体是氢分子,而氢分子在寒冷的云里几乎不发光;一氧化碳虽然只占万分之一,却好探测得多。从此天文学家有了给分子云称重、定位、画图的标准探针。今天所有关于「恒星在哪里诞生」的图,底子都是这条 2.6 毫米的线扫出来的。

1994 年他转到哈佛-史密松天体物理中心,继续做毫米波与亚毫米波的观测设备。

那台喇叭天线留在新泽西的山坡上,1988 年被列为美国国家历史地标。它测到的那 3.5 开尔文,今天叫宇宙微波背景,是我们能看到的最古老的光。

代表方程

一项一项减,减到减不动

T系统= T接收机+T大气+T地面漏入+T天线损耗+T剩下的\begin{aligned} T_{\text{系统}} = \ &T_{\text{接收机}} + T_{\text{大气}} + T_{\text{地面漏入}} \\ &+ T_{\text{天线损耗}} + T_{\text{剩下的}} \end{aligned}

射电天文的日常工作就是这条加法:把测到的系统噪声温度拆成几份,逐项独立标定、逐项减掉。1964 年他们把每一项都量了个遍——大气那项靠改变天线仰角、拟合随高度角的余割变化得到——最后剩下 3.5 开尔文怎么也去不掉,而且不随方向、时间、季节变化。所谓「发现」,形式上就是一个减不掉的余项。

看不见的氢,要靠一氧化碳来数

CO (J=1→0):ν=115.27 GHz,λ=2.6 mm\begin{aligned} &\mathrm{CO}\ (J{=}1 \to 0): \\ &\quad \nu = 115.27\ \mathrm{GHz}, \quad \lambda = 2.6\ \mathrm{mm} \end{aligned}

星际分子云的主要成分是氢分子,可是氢分子在低温下几乎不发射谱线,看不见。一氧化碳的含量只有氢的万分之一,却有一条容易激发、容易观测的转动谱线。1970 年威尔逊等人在猎户座星云中第一次测到它,此后半个世纪,天文学家画银河系的分子云地图、找恒星的诞生地,用的都是这条 2.6 毫米的线。

伟大发现