公元2001年6月30日，在美國卡拉維拉爾角航天發(fā)射場一枚Delta II型火箭發(fā)射升空，它搭載著一艘負有重大歷史使命的天文觀測飛船，840 kg 的WMAP號宇宙微波背景輻射探測飛船。該飛船在地月系統(tǒng)中經(jīng)過3次軌道調(diào)整，1個月后，借助于月球的引力，飛船進入地球-太陽系統(tǒng)的第二拉格朗日點軌道，在這個位置上，飛船保持與地球和太陽之間的相對靜止，并且一直躲在地球的陰影后面，同時在對著太陽與地球的方向還撐開一把大傘，而兩付反射望遠鏡則躲在傘的后面，背對背靠著，以便最大限度地避開了來自太陽的輻射干擾，然后隨著飛船1小時1圈的自轉與進動變化，以6個月完成一幅全景圖的速度，而開始了對整個天空的全景進行耐心掃描和拍攝。
（搭載著WMAP的Delta II型火箭發(fā)射升空）
（躲藏在地球陰影后面的WMAP宇宙微波背景輻射探測飛船）
這艘飛船的探測任務是令所有的宇宙學家興奮和激動的，它所探測的頻率范圍是23~94GHz，也就是波長大概為1.3~0.3厘米的微波，而1965年在地面偶然發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射，正是處于這個波段的厘米波。根據(jù)預言了宇宙背景輻射的存在的宇宙熱大爆炸起源理論，這個充滿了整個宇宙的均勻的微波輻射，具有黑體輻射的特征，即屬于一個絕熱平衡系統(tǒng)所具有的輻射強度隨頻率分布的特征。而宇宙整體只有在甚早期，才可以看作是一個絕熱平衡系統(tǒng)，以后隨著宇宙尺度的增大，不同位置之間就難以進行迅速的物質(zhì)和能量的交換而達到熱力學平衡。也就是從宇宙的誕生，一直到38萬年的時候，由于宇宙的物質(zhì)和能量都高度均勻連續(xù)分布，宇宙尺度還不是很大，各個不同部分相互作用密切，而使得整個宇宙處于處處熱力學平衡的所謂黑體狀態(tài)。于是作為當時黑體輻射的整個宇宙所發(fā)射出來的電磁輻射，從宇宙年齡38萬年這個臨界時間開始，由于宇宙已經(jīng)膨脹得足夠大，而使得輻射與物質(zhì)粒子基本上不再發(fā)生相互作用，這樣一直隨著宇宙的絕熱膨脹而冷卻，相當于在宇宙年齡38萬年時發(fā)射出來的光，暢通無阻地隨著宇宙的膨脹，行進了將近137億年，投射到今天我們?nèi)祟惖?/span>WMAP號飛船的底片上，自然就形成了宇宙在剛誕生38萬年時的整個影像。
（宇宙演化歷史過程中的幾幅生平照片）
如果把已經(jīng)具有137億年壽命的宇宙比作80歲的人，那么38萬年的宇宙就相當于出生不到20小時的新生兒。所以WMAP所拍攝的整個天空宇宙微波背景輻射的照片，實際上就是我們隔著137億光年的空間距離和137億年的時間距離，所拍攝下來的這個宇宙在出生時的形象，也可以說是我們?nèi)祟愃軌蛑苯涌吹降挠钪娴淖钤缬跋窳?，而且是有史以來人類獲得的最為精細的宇宙出生照片！
（宇宙的出生照）
這張宇宙的出生照片是非常來之不易的。愛因斯坦有句名言，“我們的理論決定我們看到了什么”，人們對于宇宙的觀察與理解的歷史尤其說明了這點。如果不是站在宇宙熱大爆炸起源與演化的理論圖像上，就很難理解從天空探測到的微波背景輻射的來源，更不會把整個天空分布的微波輻射看作是宇宙在剛出生不久時的全身照。因此今天我們獲得這張照片，經(jīng)歷了一個非常曲折的從實驗到理論，又從理論到實驗的歷史過程。首先，理論上的前提當然是要確切地知道宇宙存在一個出生和演化的過程，而在宇宙出生不久，還必須存在這么一個特殊的時刻，整個宇宙所發(fā)射的光，從發(fā)射出來開始，就一直不與任何物質(zhì)發(fā)生作用，從而能夠一直行進在空曠而膨脹著的宇宙空間，一直到被今天的人類所捕獲；然后是基于對這張照片的精密測量，能夠進一步為我們的理論細節(jié)，提供支持和約束；最后在實驗技術方面，還必須能夠制造足夠靈敏而精密的望遠鏡和照相機，在排除了擋在望遠鏡和背景輻射之間的天體的干擾，以及地球相對背景輻射的運動的干擾之后，才可能獲得清晰的宇宙出生照片。
下面讓我們首先回顧一下這個曲折的理論與實驗相互促進的發(fā)展歷程。
宇宙具有一個起點，自古以來就是人們對于宇宙歷史的諸多設想之一。例如中國一直就有盤古開天的神話，而見諸文獻的古代思想流派里面，“清升濁降，始有天地”也一直是一種典型的唯物主義宇宙觀。不過“宇宙是演化的，而且具有一個起點”真正作為一個嚴格的科學推斷，則是到公元1929年才確立，因為在這年天文學家哈勃通過大量的天文觀測，總結出一條經(jīng)驗規(guī)律：所有的天體都在沿著與地球的連線，而背向地球運動，也就是說所有的天體都在遠離地球，運動的速度與該天體到地球的距離成正比。這就是開啟了現(xiàn)代宇宙學革命的第一個重大發(fā)現(xiàn)—哈勃定律。對于這個定律的物理解釋非常簡單，而且也是唯一的解釋，即整個宇宙的任何兩點之間都在膨脹。這樣，只要假設這種膨脹是持續(xù)進行著的，反過來推理，宇宙就肯定有一個時空的起點，這就是現(xiàn)代宇宙學所理解的宇宙的誕生。
基于我們已經(jīng)掌握的物理學規(guī)律，物理學家開始設想宇宙的誕生與隨后的演化應該是一個什么樣的過程。早在1934年，Tolman就基于對宇宙膨脹演化的認識，把整個宇宙看作一個類似于發(fā)動機汽缸里面的氣體那樣的熱力學系統(tǒng)，討論了宇宙在膨脹過程當中的熱力學性質(zhì)，不過認識到在宇宙熱力學演化過程的早期存在一個絕熱平衡的黑體輻射階段，則是在1948年，Alpher和Herman在研究宇宙早期原子核的合成過程時提出的，隨后他們和Gamow合作，進行了更加仔細和全面的研究，Gamow進而提出了宇宙熱大爆炸理論，即宇宙的起點是一個溫度和密度都無限大的時空點，劇烈的爆炸使得這個時空點迅猛地擴展，持續(xù)膨脹，持續(xù)冷卻，然后陸續(xù)地出現(xiàn)各種粒子，元素，和天體結構，最終而演變成為今天的浩淼宇宙。他在這個理論當中預測了宇宙早期，在黑體狀態(tài)下所發(fā)射出來的微波黑體輻射的溫度大概為3K到50K之間。這個預測對于宇宙熱大爆炸的演化理論，是非常關鍵的判別性結論。即只要能夠驗證這個結論，就能夠說明熱大爆炸理論框架上的基本正確。但是這個預測表面看起來似乎不是非常精確，因此盡管當時已經(jīng)具備了成熟的雷達技術，無線電天文觀測學也開始得到發(fā)展，但就是沒有天文學家主動去驗證這個理論預測。甚至曾經(jīng)有不少無線電天文學家都已經(jīng)在種種機緣下觀測到了天空的微波背景輻射信號，但都沒有意識到它的物理意義，而使得這個重大發(fā)現(xiàn)落到了1963年的Penzias和Wilson手上，而他們倆也因這個其實是偶然的發(fā)現(xiàn)而榮獲諾貝爾物理學獎。
在1963年，美國貝爾公司的兩位無線電天文學家Penzias和Wilson，利用當時進行人造衛(wèi)星通訊實驗的非常靈敏的無線電天文望遠鏡，試圖測量一個超新星射線源。但是在波長為7.3厘米的微波波段，他們發(fā)現(xiàn)無論天線朝向哪個方向，總是有一個恒定強度的信號。由于無線電信號最終起源于電子的運動，而描述粒子的運動強度都可以使用溫度概念，所以把這個信號的強度折算為溫度的話，大概足足有3.7K，考慮到這架望遠鏡能夠把地面強達300K的噪聲，減弱為0.3K，所以這是一個非常強的來歷不明的信號。為了找到這個信號的來源，他們考慮了各種可能性，起初認為是來自望遠鏡系統(tǒng)本身的電子噪聲，甚至想到是來自天線表面的鳥糞，然而經(jīng)過仔細的檢查，這些因素都被排除，于是他們認為這種微波信號只可能是來自天空。恰好這時他們了解到理論物理學家基于熱大爆炸理論，已經(jīng)預測了整個宇宙充滿一種10K左右的微波背景輻射，于是在1965年，他們發(fā)表了這個發(fā)現(xiàn)，而同時一組理論物理學家也發(fā)表了相應的文章，指出了%體狀態(tài)下所發(fā)射出來的微波黑體輻射的溫度大概為3K到50K之間。這個預測對于宇宙熱大爆炸的演化理論，是非常關鍵的判別性結論。即只要能夠驗證這個結論，就能夠說明熱大爆炸理論射電望遠鏡之前)
這個發(fā)現(xiàn)立刻震驚了天文學界，因為正是Gamow的宇宙熱大爆炸理論預言了這個微波背景黑體輻射，而任何其他的宇宙演化模型都無法得到這個預言，因此這個發(fā)現(xiàn)使得熱大爆炸理論獲得了決定性的驗證，也就使得宇宙熱大爆炸理論成為今天得到廣泛承認的宇宙演化的標準模型的基礎。
下面我們來看宇宙標準模型是如何為我們描述宇宙微波背景輻射的來龍去脈的。
根據(jù)宇宙標準模型，我們對于宇宙的歷史可以上溯到幾乎接近宇宙的零點，當時整個宇宙沒有任何的天體，沒有任何的化學元素，也沒有任何實物粒子，沒有任何的電磁輻射，只是一種溫度和密度都幾乎無限高的，在任何物理意義上都完全對稱的極其單純的真空狀態(tài)，這種真空狀態(tài)在幾乎是一瞬間，一剎那間，就發(fā)生了急劇的暴漲，這個暴漲過程決定了我們這個宇宙的全部命運，即整個宇宙是均勻而平坦的，宇宙的平均密度也恰好使得宇宙能夠持續(xù)地膨脹，而不至于在自身引力作用下縮回來。然后這個暴漲過程還不斷地破壞真空的各種對稱性，而使得宇宙不斷地產(chǎn)生新的物理內(nèi)容，按照最一般的分類就是產(chǎn)生了各種基本粒子和輻射，同時宇宙溫度不斷下降，宇宙尺度不斷膨大，整個宇宙形成一個原始的火球，占據(jù)主要份量的高溫的輻射和少量粒子混合在一起，發(fā)生密切的相互作用，構成一個整體的絕熱平衡系統(tǒng)。這個系統(tǒng)隨著溫度降低而發(fā)生相變，猶如綠豆粥在冰箱里面凍結為冰激凌一樣，宇宙在從1秒到100秒的年齡階段，專心利用基本的粒子來“凍結”出基本的原子核，即氫核與氦核，然后再繼續(xù)進行輕核的合成，如此經(jīng)過大概38萬年的演化，宇宙溫度降到約3000度，這時由于宇宙尺度已經(jīng)足夠地大，使得輻射光子和實物粒子已經(jīng)很難碰撞在一起，也就是光子的自由程已經(jīng)接近無限遠，而由于隨著宇宙絕熱膨脹，光子的溫度下降比實物粒子的溫度下降要慢得多，在光子逐漸難以與實物粒子發(fā)生能量交換作用的情況下，整個宇宙的不同位置開始出現(xiàn)溫差，也就是開始變成非平衡狀態(tài)，這預示著宇宙開始要形成局部的結構。因此在這個轉折點發(fā)射出來的輻射，就成為了宇宙平衡態(tài)的最后影像。顯然這個影像反映的是一個處于絕熱平衡狀態(tài)的宇宙，那么它的輻射，如果按照不同的頻率來測量輻射強度的話，構成一個典型的黑體輻射譜。任何溫度下的平衡系統(tǒng)所發(fā)射的黑體輻射譜的形狀都是一樣的，只是譜線順著頻率而整體平移反映了系統(tǒng)的溫度的不同。因此我們今天從天空接收到的背景輻射正好是按照黑體輻射的規(guī)律分布的，只是經(jīng)過137億光年的長途跋涉，溫度已經(jīng)從約3000K降到了約2.73K。
萬年的那個敏感時刻，一方面平衡狀態(tài)開始終結，一方面非平衡狀態(tài)開始出現(xiàn)，因此背景輻射固然是一幅處處均勻，各向同性的圖像，但是又不能是絕對均勻，絕對各向同性，否則今天的宇宙就不會出現(xiàn)如此復雜的天體結構，處于如此局部不平衡的狀態(tài)。所以如果精密測量這張照片的話，一定能夠找到天體結構開始形成的征兆，也就是反映為輻射分布的漲落。同時由于地球相對這個背景輻射以約每秒300公里的速度運動著，那么用相對地球靜止的照相機拍攝到的輻射照片，由于多普勒效應，而使得在順著地球的運動方向，輻射頻率增高，反之則減小，這就使得測量得到的照片上面，一端溫度增高，另一端溫度降低。
為了印證這幅圖像，天文學家們一直不懈地探測宇宙微波背景輻射。關鍵的一個進步是在1974年就已經(jīng)規(guī)劃好的宇宙背景探測計劃（COBE），到1989年把探測器發(fā)射升空，在1990年獲得確切的結論，即背景輻射完全地屬于黑體輻射，而在宇宙大尺度上，背景輻射的分布完全是均勻和各向同性的。這個觀測結果被霍金評論為20世紀的“世紀大發(fā)現(xiàn)”。
為了進一步獲得背景輻射的精細圖像，進入21世紀就開始了WMAP計劃，這次發(fā)射的WMAP探測飛船在測量精度上達到了極高的程度，因為它的望遠鏡探測系統(tǒng)經(jīng)過特別的設計，使得其系統(tǒng)誤差優(yōu)于5%，這對于宇宙學觀測來說，幾乎是一個革命性的進步，因為以往的宇宙學觀測的誤差達到50%乃至100%都是非常常見的，而這個觀測系統(tǒng)一下子使得宇宙學觀測終于進入了精密物理測量的階段。
(COBA與WMAP)
正是由于WMAP系統(tǒng)的精確度，使得其收獲如下的極其輝煌的觀測結果：
1. 宇宙年齡為137億年，誤差為1%。
2. 宇宙背景輻射的溫度為2.73K，而整個宇宙的背景輻射不同位置的溫度漲落只有百萬分之一K的程度。
3. 宇宙的第一顆星體是在大爆炸后2億年后開始形成的，比以往的估計要早很多。
4. WMAP所接收的宇宙背景輻射是在大爆炸后38萬年時發(fā)射出來的。
5.世紀的“世紀大發(fā)現(xiàn)”。 為了進一步獲得背景輻射的精細圖像，進入21世紀就開始了WMAP計劃，這次發(fā)射的WMAP探測颯37s=MsoNormal style="MARGIN-LEFT: 39.6pt; TEXT-INDENT: -18pt; LINE-HEIGHT: 150%">6. 哈勃常數(shù)為71千米/秒/Mpc，誤差為5%。 7. 為宇宙起源的開始階段存在暴漲期提供了進一步的證據(jù)。 (COBA與WMAP) 正是由于WMAP系統(tǒng)的精確度，使得其收獲如下的極其輝煌的觀測結果： 1. 宇宙年齡為137億年，誤差為1%。 2. 宇宙背景輻射的溫度為2.73K，而整個宇宙的背景輻射不同位置的溫度漲落只有百萬分之一 由于WMAP每6個月完成一次全天的測量，所以在2003年的4月能夠完成第3幅宇宙的新生照片。只要WMAP還能夠正常工作，它就將一遍又一遍地圍繞著我們這個新生的宇宙拍攝全身照，每張照片都能夠給我們帶來有關這個宇宙的過去，現(xiàn)在與未來的嶄新數(shù)據(jù)。從而使得我們?nèi)祟愑锌赡茉谧约旱囊簧?，對著這些照片，反復端詳宇宙的一生。 (本文圖片引自NASA)
