中央電視臺[探索發(fā)現(xiàn)]科普電視片《宇宙大爆炸》（解說詞記錄）4-3
1946年的時候，一位移居美國的前蘇聯(lián)科學(xué)家也在探討宇宙中的基本元素如何形成的問題。他在勒梅特原始原子的基礎(chǔ)上，另辟蹊徑提出宇宙中的氦主要是在大爆炸后不久的高溫條件下合成的理論。這個觀點(diǎn)給了大爆炸理論有力的支持。這位科學(xué)家的名字叫做喬治·伽莫夫。
第三章
這是一幅曾經(jīng)流行的招貼畫，作為宇宙大爆炸理論提出者的伽莫夫被假想成從裝有大爆炸太初物質(zhì)的瓶子中跳出的魔鬼。在霍伊爾提出，如果大爆炸真的發(fā)生過，請問爆炸所遺留下來的痕跡在哪里的質(zhì)疑以后，伽莫夫和他的學(xué)生就在研究這個問題。伽莫夫和他的學(xué)生們堅信，高熱爆炸產(chǎn)生的輻射即使是在100多億年后的今天也不會完全消失。伽莫夫依據(jù)什么得出這樣的結(jié)論呢？
“如果我們燒一堆篝火，或者我們進(jìn)行一次爆炸，那么這個當(dāng)中，它會產(chǎn)生一些光。這個光子就向各個方向飛出去了。我們以后就再也沒有機(jī)會看到這些光子了。但是，如果宇宙深處的外星人他們正好朝這個方向看，那么他們是有機(jī)會能夠看到這些篝火，或者爆炸產(chǎn)生的這些光的。但是宇宙大爆炸，它是處處都在進(jìn)行，所以我們朝任何一個方向看去，都應(yīng)該能看到大爆炸產(chǎn)生的這個光。那么由于宇宙的膨脹，這些光它的能量降低了，波長也變長了，所以今天它是處在這個微波波段。溫度是這個絕對溫度的幾K。但是我們用儀器應(yīng)該是能夠探測到?！?/span>
正是由于知道了這一點(diǎn)，伽莫夫才對找到大爆炸遺留的輻射充滿信心。
在鐵幕的另一邊前蘇聯(lián)核武器設(shè)計的負(fù)責(zé)人澤爾多維奇和他領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在完成氫彈的設(shè)計研究工作后也開始研究宇宙大爆炸理論。他們也注意到大爆炸過后會有余光殘留下來，用什么觀測手段才能找到這樣的輻射呢？由于長期從事國防研究，他們一直關(guān)注著美國在電子技術(shù)方面的最新進(jìn)展。
不久前，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室建立了一座用于衛(wèi)星通信試驗(yàn)的高靈敏度微波天線。蘇聯(lián)人注意到這座天線的靈敏度應(yīng)該足以探測到大爆炸的遺跡。然而閱讀美國人關(guān)于這座天線的實(shí)驗(yàn)論文，似乎并沒有提及這樣的熱輻射。這使蘇聯(lián)人一度認(rèn)為宇宙大爆炸理論也許并不成立。
實(shí)際上貝爾實(shí)驗(yàn)室對這座天線性能的測試并不徹底。對衛(wèi)星通信來說，這也不是必要的。衛(wèi)星通訊實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后，貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜希望用它做一些射電天文研究。在正式開始研究以前，他們決定先進(jìn)行嚴(yán)格的測試和校準(zhǔn)。
“他們在測試和校準(zhǔn)的過程當(dāng)中，就發(fā)現(xiàn)有一種多余的躁聲。這個多余的躁聲的來源是什么呢？它的可能性很多。比如說是不是儀器本身有躁聲，或者從天線傳到儀器之間的傳輸線路有問題，或者是比如說地面或者大氣的輻射，或者是附近的人工干擾，這種可能性是非常多的。他們兩個就做了大量的實(shí)驗(yàn)，采取各種手段去消除這些躁聲。那么把這些可能性最終都一一排除了，可是還是沒有找到這個躁聲的來源。而躁聲依然存在。那么他們兩個是非常著急?！?/span>
威爾遜和彭齊亞斯覺得實(shí)驗(yàn)室就在紐約附近的小山上，是不是城市的躁聲傳過來了呢？他們把天線對向紐約，結(jié)果沒發(fā)現(xiàn)任何特別的狀況，這意味著紐約并沒有發(fā)出那種頻率的躁聲。不管把天線對著哪個方向，煩人的躁聲總是揮之不去。即使把天線指向太空，躁聲依然存在。威爾遜和彭齊亞斯心想，既然躁聲與方向無關(guān)，是不是天線本身的問題呢？他們在檢查以后發(fā)現(xiàn)天線里面住了一對鴿子。在他們接管這里之前，天線閑置了很長時間。鴿子住在里面，弄得到處都是鴿糞。威爾遜和彭齊亞斯覺得這下總算找到根源了。他們花了兩個星期來清除鴿糞，并把鴿子送到了離貝爾實(shí)驗(yàn)室最遠(yuǎn)的分公司。但幾天以后鴿子又飛回來了。他們只好請工人帶獵槍過來。
鴿子事件以后奇怪的無線電躁聲仍然不斷。威爾遜和彭齊亞斯用了一年的時間徹底檢查他們的天線。到第二年他們快要絕望的時候，彭齊亞斯偶然和同行伯克聊起此事。伯克說他的一位朋友曾聽過普林斯頓大學(xué)一位叫皮伯斯的學(xué)者作過的一個報告，談到他們也在進(jìn)行類似的工作。伯克告訴彭齊亞斯，他們發(fā)現(xiàn)的奇怪的躁聲，可能正是普林斯頓大學(xué)狄基小組正在尋找的東西。于是彭齊亞斯趕緊給狄基打去電話。
“普林斯頓大學(xué)的 狄基教授是一位很有思想的科學(xué)家。他認(rèn)為宇宙既不像霍伊爾他們認(rèn)為的是一個永恒不變的處在穩(wěn)恒態(tài)的宇宙，也不像勒梅特和伽莫夫他們認(rèn)為的是由唯一的一次大爆炸而產(chǎn)生的。他認(rèn)為宇宙是處在一種膨脹、收縮再膨脹，處在這樣一種類似于震蕩的過程中。同時他也認(rèn)為當(dāng)宇宙收縮到一個很小的體積的時候，根據(jù)熱力學(xué)原理，這時候它的溫度肯定是非常高的，而且當(dāng)宇宙膨脹到今天這樣狀態(tài)的時候，肯定還有某種留存下來的溫度存在。他認(rèn)定了，這個剩余的熱量要存在的話，他就準(zhǔn)備想辦法來測量這個剩余的熱量?！?/span>
狄基教授在第二次世界大戰(zhàn)時曾從事雷達(dá)研究并發(fā)明了計量微波輻射的儀器。這個儀器正好在此處實(shí)驗(yàn)當(dāng)中用上。他讓助手之一的皮伯斯從事理論計算，而另一位助手威爾金森則設(shè)計實(shí)驗(yàn)儀器。他們將天線安裝到了普林斯頓大學(xué)的屋頂上，就在他們自信的把探測儀器調(diào)試得完美無缺的時候，接到了羅伯特·威爾遜的電話。
“當(dāng)電話鈴響的時候，去接電話的是狄基教授。其他的小組成員也都在同一個辦公室里。當(dāng)這些小組成員聽到狄基教授和對方談的是有關(guān)天線的事情，他們就意識到貝爾電話實(shí)驗(yàn)室有可能得到了類似的結(jié)果，因?yàn)樗麄冎镭悹栯娫拰?shí)驗(yàn)室有和他們類似的設(shè)備，而且做的也是相關(guān)的課題。狄基教授放下電話以后，就說了一句，很失望的（樣子）：哎呀，我們被別人搶先了?！?/span>
狄基教授和他的同事們立刻帶上自己的資料來到貝爾實(shí)驗(yàn)室。他們要親身體會這個天線電波的躁聲。當(dāng)羅伯特·威爾遜和彭齊亞斯看到狄基教授帶去的儀器和記錄時，他們終于明白那個推論中的宇宙大爆炸的痕跡被他們無意中發(fā)現(xiàn)了。
宇宙微波背景輻射，也就是大爆炸痕跡的發(fā)現(xiàn)，以確鑿的證據(jù)證明了宇宙的確曾經(jīng)處于與今天完全不同的高溫高密狀態(tài)。這是繼哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹之后，宇宙學(xué)研究上的又一個重大突破。
認(rèn)為宇宙起源于原始原子、并以此說服愛因斯坦的勒梅特，在他臨終前幾天聽到了這個消息，他的宇宙誕生于沒有昨天的那一天的猜想終于被科學(xué)所證明。
而建立了完整的大爆炸理論、并對遺跡輻射溫度做出科學(xué)預(yù)言的伽莫夫則以他特有的幽默來回應(yīng)人們的祝賀：“我也許確實(shí)丟過一分錢，但當(dāng)有人在街上檢到一分錢時，我也不能說，那一定就是我丟的。”這位謙遜的物理學(xué)家于1968年去逝。而彭齊亞斯和威爾遜也因?yàn)樽约旱陌l(fā)現(xiàn)在13年后的1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
宇宙微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)的時候，斯蒂芬·霍金正在劍橋攻讀博士學(xué)位。這件事情很可能促使他選擇大爆炸和愛因斯坦的相對論作為博士論文的研究主題。
“霍金剛到劍橋的時候，他準(zhǔn)備拜霍伊爾為師。可惜的是，當(dāng)時霍伊爾他不想招學(xué)生。于是，他就拜了希爾瑪為師。希爾瑪本來是穩(wěn)恒態(tài)宇宙的支持者，后來他轉(zhuǎn)而支持大爆炸理論。希爾瑪后來給予霍金很大的幫助。”
研究活動剛開始，霍金就遇到了很大的麻煩?！拔以趧虿]有一個好的開始，我剛被診斷出得了肌肉萎縮側(cè)向硬化癥，根本不知道能不能活到念完博士？而我又一直找不到論文的適當(dāng)題材。”
斯蒂芬·霍金當(dāng)年的導(dǎo)師丹尼斯·希爾瑪晚年就住在意大利的威尼斯。他回憶那時的情景說：“博士論文必須要包含大量的原創(chuàng)知識，這是一個很大的負(fù)擔(dān)，因?yàn)槟惚仨氁谌甑臅r間內(nèi)作出這樣一篇論文，里面一定得要有成果。當(dāng)時正是宇宙學(xué)很不興盛的時候，斯蒂芬的進(jìn)度很慢?！?/span>
他找不到好的論文題目，而希爾瑪自己也沒有好的東西給他。時間越來越少，在剩下不到一年的時候，斯蒂芬·霍金受牛津大學(xué)數(shù)學(xué)教授羅杰·彭洛斯的啟發(fā)，決定從愛因斯坦的相對論入手，看看它對宇宙還能預(yù)示些什么？霍金的導(dǎo)師希爾瑪是彭洛斯的好朋友。希爾瑪就決定到牛津去，聽聽彭洛斯的意見。
彭洛斯正在研究愛因斯坦方程可能導(dǎo)致的另一種結(jié)果，即由于引力的驅(qū)使，大量的物質(zhì)墜入一個密度極大的區(qū)域中，以致光都無法從中發(fā)出來。這個區(qū)域就是黑洞。黑洞中存在著一個密度無限大的點(diǎn)，在這里一切已知的物理學(xué)定律都要失效，這就是所謂時空的奇點(diǎn)。
“他當(dāng)時的研究結(jié)果顯示，宇宙中大質(zhì)量的物體，比如說大質(zhì)量的恒星，在它演化過程中，必然要發(fā)生坍塌，坍塌到一個奇點(diǎn)上?；艚饛呐砺逅菇淌诘臄?shù)學(xué)方面的研究結(jié)果，得到一個非常重要的啟發(fā)。他想到，這個坍塌過程反過來，實(shí)際上就是一個大爆炸的過程。于是霍金從這一點(diǎn)切入，形成了他從數(shù)學(xué)角度來研究愛因斯坦方程最后得到的一個結(jié)果。他這個結(jié)果，非常有力的支持了大爆炸理論。”
1970年霍金和彭洛斯在論文中證明，如果廣義相對論和經(jīng)典物理學(xué)是正確的，那么時空中一定存在著奇點(diǎn)，因此黑洞和宇宙大爆炸都不是奇怪的事，而且是不可避免的。
宇宙微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)后，一些原來主張穩(wěn)恒態(tài)理論的人轉(zhuǎn)而接受大爆炸理論。但是霍伊爾并沒有完全認(rèn)輸，他和持相同觀點(diǎn)的幾位科學(xué)家一直嘗試用別的辦法解釋宇宙微波背景輻射。他們設(shè)想普通星系發(fā)出的光，如果被宇宙中均勻分布的塵埃吸收，然后再以較低的能量發(fā)射出來，會不會也能產(chǎn)生我們看到的宇宙微波背景輻射呢？
“霍伊爾他們還不太肯承認(rèn)，因?yàn)樗麄冋f星系發(fā)的光，也可以解釋這個（光）譜。但是實(shí)際上是很困難的，因?yàn)樾窍邓呛芏嗪阈墙M成的，這些恒星的溫度也大不一樣。比如說我們太陽是6000度左右，還有些高溫的恒星可以到幾萬度。各種各樣的不同溫度的恒星，他們發(fā)出的（光）譜是混在一起的，這樣是不可能得到一個像微波背景輻射那樣的單一的溫度的黑體譜。那么這里要說什么叫黑體譜？黑體是一個只吸收光，而不反射和透射電磁輻射波長的這樣一種物體。在通常的溫度下，比如室溫下，它的溫度是非常低的，就是說我們看不見，它的主要輻射區(qū)不在可見區(qū)。我們看不見，所以叫黑的。而在溫度比較高的時候，我們就看見了，比如說到1000度的時候，我們就看到它發(fā)紅了。溫度再高到3000度，就發(fā)黃，然后發(fā)白。煉鋼工人往往就是通過這樣一個顏色來估計煉鋼爐里的溫度達(dá)到了多少。宇宙正好是符合這樣一個黑體輻射的條件，所以說我們觀測看到宇宙里面這個（輻射）譜，那么它的溫度是多少就確定了?！?/span>
彭齊亞斯和威爾遜的觀測，只是在一個波長處進(jìn)行的，雖然與絕對溫度3度的黑體輻射在該波長的強(qiáng)度相符，但要進(jìn)一步證實(shí)它是不是大爆炸的遺跡，是否具有完美的黑體輻射譜，還需要在其他各個波長、特別是毫米波段進(jìn)行精確測量。
1975年美國航空航天局決定采納本局戈達(dá)德航天中心物理學(xué)家約翰·馬瑟等人的意見，專門研制一顆衛(wèi)星，用以對宇宙微波背景輻射進(jìn)行精確測量。這顆衛(wèi)星被命名為COBE，馬瑟負(fù)責(zé)輻射譜儀的研制，還擔(dān)任了COBE衛(wèi)星的總負(fù)責(zé)人。1989年一個多風(fēng)的早晨，美國航空航天局將COBE衛(wèi)星送上了太空。COBE最初9分鐘的觀測結(jié)果就表明宇宙微波背景輻射確實(shí)具有完美的黑體輻射譜。大爆炸理論得到了進(jìn)一步的證實(shí)。
大爆炸理論已接近完整，但是仍然有一個重要的問題。如果要形成星系，最初的宇宙必須不是完全均勻的。彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的輻射應(yīng)該能夠反映這一點(diǎn)，但它卻似乎與方向無關(guān)。如果大爆炸理論正確，那么各方向上的輻射必定有所不同。這一定要有觀察的證明。
今天的宇宙并不是完全均勻的。早在哈勃和茲威基的時代，從事觀測的天文學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)在他們得到的照相底片上，星系的分布并不是完全均勻的，而是有的地方密一些，有的地方稀一些。但是星系在空間中究竟是怎樣分布的呢？20世紀(jì)80年代幾個研究小組分別測量了幾千個星系的紅移，其中影響最大的是哈佛史密思天體物理中心的觀測，這些觀測揭示了星系的三維空間分布。
“那么他做了一個圖，是一個扇形圖。這個扇形圖還是表現(xiàn)在二維上的。扇形的頂點(diǎn)是我們觀測者的位置，扇形的半徑是星體的距離，那么扇形的角度表示是天球上另一個坐標(biāo)，叫經(jīng)度的大小。這個上面的每一個點(diǎn)，就表示一個星系，所以星系在上面分布得均勻不均勻，一眼就看出來了。我們在上面看到，星系并不很均勻。有些地方有一個洞，好象是里面星系很少。這個洞的直徑可以達(dá)到1億光年左右。其中還有一條，很長的一條線可以達(dá)到5億光年。天文學(xué)家把這些洞，叫做巨洞，把這條非常長的星系分布叫做長城。這就說明這個星系分布并不是很均勻的。那么任何一個天文學(xué)的理論，就要解釋星系為什么會分布成這樣的不均勻狀態(tài)？”
星系結(jié)構(gòu)的不均勻分布，導(dǎo)致宇宙空間呈現(xiàn)一種大尺度的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這一點(diǎn)尤其在河外星系表現(xiàn)得非常明顯。河外星系的空間尺度之大，經(jīng)常要以10億光年來計算。那么這些大尺度結(jié)構(gòu)又是怎樣形成的呢？美國的皮伯斯和前蘇聯(lián)的澤爾多維奇等人認(rèn)為，早期宇宙中物質(zhì)密度可能存在一些非常微小的不均勻性，它們在引力的作用下逐漸成長為星系、星系團(tuán)，以及更大尺度的結(jié)構(gòu)。如果是這樣，宇宙早期的背景輻射必須在各方向上有一些微小的起伏，天文學(xué)家稱之為各向異性。
而探測宇宙微波背景輻射中的各向異性，是COBE衛(wèi)星的另一個重要任務(wù)。這個任務(wù)落到了美國伯克利大學(xué)教授喬治·斯穆特的肩上。喬治·斯穆特是一位宇宙學(xué)家，他認(rèn)為這項(xiàng)工作是一個大的挑戰(zhàn)。如果能找出宇宙微波背景輻射在不同方向上的微小變化，宇宙形成及擴(kuò)張的秘密將進(jìn)一步解開。斯穆特用一個類似普林斯頓大學(xué)使用過的定向號角天線開始了一系列試驗(yàn)。他希望做出一張詳細(xì)的地圖，來標(biāo)出大爆炸殘留的遺跡，并勾畫出銀河及宇宙的結(jié)構(gòu)。隨后斯穆特和他的小組研制出了一套能消除包括地球大氣層干擾在內(nèi)的、具備高靈敏度的儀器。為了把這樣精密的儀器帶出大氣層，他們最早嘗試使用充氦的氣球，但是氣球很不可靠，而且容易受風(fēng)的影響改變方向。他們又選擇改用U2飛機(jī)，但很快發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)不能像氣球那樣停留在同一個位置，再加上燃料的限制，使用飛機(jī)的計劃也只好放棄。
“斯穆特他們發(fā)現(xiàn)，選用人造衛(wèi)星是一個最好的方法。為什么呢？因?yàn)榈谝?，人造衛(wèi)星是在地球大氣層外面進(jìn)行觀測，這樣就可以擺脫地球大氣對觀測的不利的影響，比如說大氣的吸收、散射，或者因?yàn)闇囟炔痪鶆蛟斐傻拇髿舛秳?，這些不利因素就完全擺脫了。另外一個好處呢，就是人造地球衛(wèi)星可以在地球同步軌道上運(yùn)行，那么這樣它就可以在同步軌道上進(jìn)行定點(diǎn)觀測，這樣就具有非常好的穩(wěn)定性。”
幾年之后美國太空總署給了斯穆特機(jī)會，這就是COBE衛(wèi)星。COBE衛(wèi)星升空不久，就發(fā)回來了準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)。在第一天快要結(jié)束的時候，斯穆特教授得到了一張清晰度前所未見的宇宙照片。他和他的小組花了一整年的時間收集了3億個觀測數(shù)據(jù)，用計算機(jī)繪制出了一張宇宙微波背景輻射的圖象。斯穆特將它稱之為宇宙蛋。
這個宇宙蛋所顯示的是大爆炸結(jié)束時宇宙的圖象。粉紅和藍(lán)色的區(qū)域分別表示溫度的變化。宇宙微波背景輻射是非常均勻的，但是如果我們?nèi)サ艟鶆虻谋尘埃涂梢钥吹礁飨虍愋?。紅色代表溫度較高的區(qū)域，藍(lán)色代表溫度較低的區(qū)域。在這幅圖中我們看到，由于地球相對于宇宙微波背景輻射的運(yùn)動，多普勒效應(yīng)導(dǎo)致一邊溫度更高，這里用紅色表示，我們再除去地球的運(yùn)動，中間的紅色帶是由于銀河系輻射的污染，再去掉這一塊，剩下的就是宇宙微波背景輻射的皺紋，形成星系所不可缺少的大爆炸后存留于宇宙不同方向上的溫度細(xì)微變化的證據(jù)被找到了。
“斯穆特一開始還不太相信自己得到的結(jié)果。他于是把COBE衛(wèi)星得到的資料送給他的一位同事，請他的同事也來做同樣的處理。當(dāng)然他沒有把他自己的結(jié)果給這位同事看，這樣他的意思就是請這位同事做獨(dú)立的來處理。到第二天，斯穆特發(fā)現(xiàn)他的門下面有一張圖。這張圖就是他的同事得到的，用計算機(jī)得到的。這張圖結(jié)果竟然跟斯穆特他自己得到的結(jié)果幾乎一模一樣，而且這張圖上面還貼著一張字條，上面寫著一個希臘文的叫做Eureka。那么Eureka這句話，據(jù)傳說是阿基米德在洗澡的時候突然意識到浮力原理的時候說的一句話，意思就是說，我找到了，我發(fā)現(xiàn)了。”
COBE的探測結(jié)果，使大爆炸的理論再次得到觀測的證實(shí)。大爆炸也終于被大多數(shù)人所接受。斯穆特教授籌建了一個博物館來紀(jì)念這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然COBE的成功也有約翰·馬瑟的功勞，由于約翰·馬瑟和喬治·斯穆特在宇宙微波背景輻射研究中的貢獻(xiàn)，他們在2006年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
在馬瑟和斯穆特獲得諾貝爾獎的31年前，也就是1975年斯蒂芬·霍金也因?yàn)榇蟊ɡ碚摰玫搅肆_馬教宗的接見。宇宙產(chǎn)生于一次大爆炸的觀點(diǎn)，在科學(xué)和宗教兩方面都能找到認(rèn)同。
然而大爆炸的理論并非就此完美無缺，它仍然還有一些問題需要解決。
