2019年10月8日,瑞典皇家科学院公布了2019年诺贝尔物理学奖的名单。获奖者中有一位宇宙学家,名叫詹姆斯‧皮布尔斯。在他的获奖理由中,有这么一段话:“他从上世纪60年代中期起发展起来的理论框架,成为了我们当前理解宇宙的基础。” 这句话说的,是他于1964年与自己老师合写的一篇论文。在这篇论文中,他们预言了宇宙微波背景的存在。
巧的是,没过多久,宇宙微波背景辐射真的被探测到了,从而成了支持宇宙大爆炸理论的最强有力的证据。
关于宇宙大爆炸,我们得从一个俄裔美国人说起。他的名字是乔治·伽莫夫。伽莫夫出生在俄国,30岁的时候移民美国,成了华盛顿大学的教授。在那里,他决定开始宇宙学的研究。也正是在那段时期,伽莫夫遇到了两个非常有天赋的学生,分别是拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼。
在1948年4月1日,也就是愚人节的那天,《物理评论》杂志刊发了一篇伽莫夫团队写的论文。这是一篇很有愚人节特色的论文。在作者列表中,伽莫夫强行添加了一个对这篇论文没有任何贡献的人,那就是1967年诺贝尔物理学奖得主汉斯·贝特。伽莫夫之所以要添加贝特,并不是因为他名气大。而是因为阿尔菲、贝特、伽莫夫,合起来恰好能凑成αβγ。伽莫夫也向赫尔曼提出了一个建议,让他起一个笔名,叫德尔塔。
这样,这篇论文的作者就能凑成αβγδ。结果这个提议,遭到了赫尔曼的愤然拒绝。
宇宙大爆炸理论说的是,创生之初的宇宙,是一个体积极小、密度极大、温度极高的火球。由于温度太高,火球内的光子具有极高的能量,可以轻松击碎原子核。所以那时的宇宙,是一片极端混沌的存在。不过随着时间的推移,这个火球会不断地向外膨胀,从而让它的密度不断减小,温度也不断降低。经过130多亿年的悠悠岁月,这个大火球就膨胀成了我们今天看到的宇宙。
什么是宇宙微波背景呢?答案是,宇宙大爆炸留下的遗迹。
你想啊,一个在130多亿年前爆炸的火球,能有什么东西留得下来?唯一有可能的,就是这个火球发出的光。不过严格地说,这并不是宇宙创生那一刻发出的光。创生之初的火球过于炽热,原子核和电子处于游离状态,不断地和光子相撞。这意味着,光处于一种被囚禁的状态,无法自由地传播。而在宇宙诞生38万年以后,这个火球的温度下降到3000K(开尔文),原子核与电子结合而形成原子,光子才得以自由穿行。
这些在宇宙诞生后38万年发出的光,经历了130多亿年的悠悠岁月,终于到达地球。此外,这些光的波长,会被宇宙的膨胀拉长,从而变成微波波段的光。这些在宇宙诞生后38万年发出、现在已处于微波波段的光,就是所谓的宇宙微波背景。
1964年,迪克与皮布尔斯合作写了一篇论文。在这篇论文里,他们几乎是重复了阿尔菲和赫尔曼的研究工作,再次预言宇宙微波背景的存在。区别仅仅是,迪克与皮布尔斯认为宇宙微波背景的温度应该是3K左右。或许是因为年代久远,他们根本没意识到阿尔菲和赫尔曼曾经做过相同的研究,还以为自己是原创。因此,这篇论文只字未提阿尔菲和赫尔曼的研究。
1965年的一天,当迪克和他的团队成员一起吃午餐的时候,他接到了一通电话。
这通电话,让迪克的梦想化为泡影。打电话的是两个贝尔实验室的工程师,分别叫阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊。一年以前,彭齐亚斯和威尔逊在贝尔实验室的支持下,建造了一个大型的射电望远镜,希望测试远距离通讯技术。这台射电望远镜有一个巨大的喇叭口,里面装着能接收无线电和微波信号的天线。此外,这个喇叭口的方向也可以任意调整。
彭齐亚斯和威尔逊从建好望远镜的第一天起,就遇到了一个巨大的麻烦:喇叭口里的接收天线总会不断发出“烧开水”般的刺耳噪音。更奇怪的是,不管他们怎样调整天线的方向,这种噪声都不会消失。换句话说,这种噪音来自于宇宙中的各个方向,而且完全不受昼夜和季节的影响。
1965年的夏天,《天体物理学期刊》上发表了两篇划时代的论文。在第一篇论文中,彭齐亚斯和威尔逊简短地报告了他们发现的无处不在的微波噪音。
而在第二篇文章中,迪克等人把彭齐亚斯和威尔逊的发现,与大爆炸理论的终极预言,也就是宇宙微波背景,联系在了一起。宇宙微波背景的发现,让沉寂了整整15年的宇宙大爆炸理论,在一夜之间登上了神坛。也正是由于这个史诗般的发现,宇宙学才登堂入室,成为了一门真正意义上的现代科学。