| 程 鶚
也是在1948年，剛剛從美國(guó)海軍退伍的馬里蘭大學(xué)年輕教師韋伯（Joseph Weber）找到伽莫夫，自我介紹是微波技術(shù)專(zhuān)家，詢(xún)問(wèn)是否有合適的課題讓他研修一個(gè)物理博士學(xué)位。伽莫夫不假思索地回答，“沒(méi)有。”韋伯不得已，后來(lái)輾轉(zhuǎn)進(jìn)入了探測(cè)引力波領(lǐng)域。
伽莫夫大概自己都不知道，他那兩個(gè)弟子阿爾弗、赫爾曼在推算出大爆炸之后的宇宙在今天應(yīng)該有絕對(duì)溫度5度左右的背景溫度后，那時(shí)正在四處尋找微波專(zhuān)家，咨詢(xún)觀測(cè)這個(gè)大爆炸遺跡的可能性。
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二戰(zhàn)之后像韋伯那樣的無(wú)線電——微波是無(wú)線電頻譜中的一部分——專(zhuān)家其實(shí)相當(dāng)多，有些還是頗為資深的物理學(xué)家。戰(zhàn)爭(zhēng)期間，物理學(xué)家在原子彈之外最突出的貢獻(xiàn)大概就是在雷達(dá)、通信技術(shù)上。戰(zhàn)后，這些人才回到大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，以各種方式用他們?cè)趹?zhàn)爭(zhēng)中開(kāi)發(fā)或?qū)W會(huì)的技術(shù)開(kāi)拓科學(xué)研究的疆界。
1950年代初，英國(guó)、澳大利亞天文學(xué)家注意到他們的無(wú)線電天線可以接收到一些來(lái)自天外的電波。古爾德和霍伊爾率先意識(shí)到這些電波來(lái)自銀河之外，可能非常遙遠(yuǎn)。因?yàn)橛霉鈱W(xué)天文望遠(yuǎn)鏡看不到發(fā)射這些電波的源頭，不知道是不是來(lái)自恒星、星系，便暫時(shí)把它們的來(lái)源叫做“類(lèi)星體”（quasar。這個(gè)詞是華裔物理學(xué)家丘宏義（Hong-Yee Chiu）生造出來(lái)的。）
一個(gè)類(lèi)星體的藝術(shù)想象圖。
后來(lái)，帕洛瑪山上的桑德奇等人費(fèi)了九牛二虎之力才在1963年用海爾望遠(yuǎn)鏡看到一個(gè)與類(lèi)星體吻合的光源，并拍攝到光譜。果然，這個(gè)光譜紅移得更夸張，顯示光源速度達(dá)每秒四萬(wàn)七千公里。這時(shí)已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)用已有的“宇宙距離階梯”測(cè)定其距離，只能通過(guò)哈勃定律由速度倒推其距離大約在幾億光年之外，比胡馬森看到過(guò)的最遠(yuǎn)星系又遠(yuǎn)了好多倍。
無(wú)線電與可見(jiàn)光一樣是電磁波，只是處于不同的頻率波段?？梢?jiàn)光在宇宙空間旅行時(shí)會(huì)遭到各種星系、塵埃等的吸收和散射，有相當(dāng)?shù)膿p失（這也是哈勃等人根據(jù)光強(qiáng)估算距離的主要誤差來(lái)源）。而無(wú)線電信號(hào)則不然，它們?cè)谟钪嬷袔缀鯐承袩o(wú)阻。因此，即使是來(lái)自非常遙遠(yuǎn)的無(wú)線電，也能在地球上接收到。由此誕生了“射電天文學(xué)”。
類(lèi)星體的發(fā)現(xiàn)給霍伊爾等人的“穩(wěn)定態(tài)”宇宙帶來(lái)的一個(gè)難題。他們理論的精髓就在于“穩(wěn)定”：宇宙恒定，不像大爆炸理論那樣有個(gè)起點(diǎn)，并隨之演變。
我們?cè)谟^察星空、宇宙時(shí)，距離的遠(yuǎn)近同時(shí)也就是時(shí)間的先后。因?yàn)楣鈧鞑サ乃俣入m然很快，達(dá)每秒30萬(wàn)公里，卻也不是無(wú)限。遠(yuǎn)處的光（或無(wú)線電信號(hào)）傳到我們這里需要一定的時(shí)間。來(lái)自幾億光年之外的信號(hào)便是經(jīng)過(guò)了幾億年的時(shí)間才抵達(dá)。也就是說(shuō)，我們今天看到的類(lèi)星體，實(shí)際上已經(jīng)是幾億年前的存在。
那些幾億年前的類(lèi)星體卻與我們附近、更“現(xiàn)代”的星系有著明顯的不同：類(lèi)星體在發(fā)射著強(qiáng)烈的無(wú)線電波，而相應(yīng)的可見(jiàn)光卻微弱；我們已經(jīng)熟悉的星云、星系恰恰相反。這不符合穩(wěn)定態(tài)模型中宇宙時(shí)時(shí)、處處一樣的描述。更讓霍伊爾他們頭疼的是，隨后的跟蹤觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)，類(lèi)星體數(shù)目的分布也隨距離而變化：越遠(yuǎn)的地方，類(lèi)星體越多，密度越高。
大爆炸理論在這里卻得心應(yīng)手。大爆炸之后的宇宙是隨時(shí)間不斷地演化的。幾億、幾十億年前的宇宙與今天的宇宙大相徑庭。那時(shí)宇宙的溫度高，尚未形成今天常見(jiàn)的星系、恒星。類(lèi)星體大概就是大星系誕生之前或之初的躁動(dòng)，大量的基本粒子在巨大的黑洞周?chē)咚龠\(yùn)動(dòng)、碰撞，發(fā)出強(qiáng)烈的無(wú)線電波。因?yàn)楹阈沁€沒(méi)有大量地形成，可見(jiàn)光便相對(duì)地微弱。
越遠(yuǎn)的類(lèi)星體密度越高更是大爆炸的自然結(jié)果：膨脹中的宇宙越早期密度越高，膨脹后密度減低——也就是說(shuō)膨脹之后“拉開(kāi)”的空間里并沒(méi)有像霍伊爾想象的那樣出現(xiàn)新的物質(zhì)填充。
類(lèi)星體的發(fā)現(xiàn)，不僅又一次擴(kuò)大了人類(lèi)認(rèn)知宇宙的視野，再次揭示天外有天，也讓大爆炸理論在與穩(wěn)定態(tài)模型的僵持中第一次占了上風(fēng)。不久，更強(qiáng)勁的證據(jù)出現(xiàn)了。
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二戰(zhàn)之后，普林斯頓大學(xué)的狄克（Robert Dicke）教授對(duì)廣義相對(duì)論、宇宙學(xué)發(fā)生了濃厚的興趣。每星期總有一天，他和他的學(xué)生們會(huì)海闊天空地討論這方面的課題，直到入夜才一起到鎮(zhèn)上的小店去喝酒吃披薩。他對(duì)大爆炸和穩(wěn)定態(tài)理論都不滿(mǎn)意，因?yàn)檫@兩個(gè)理論中宇宙的物質(zhì)都屬于“無(wú)中生有”。他更傾向于弗里德曼描述的“振蕩宇宙”：宇宙是不停地在膨脹、坍縮，如此周期往復(fù)。這樣宇宙中的物質(zhì)總是存在著，只是密度在變化。
1960年代中期，霍伊爾和同行合作解決了伽莫夫等人沒(méi)能解決的難題：宇宙初始的基本粒子通過(guò)中子俘獲過(guò)程只能產(chǎn)生最簡(jiǎn)單的幾個(gè)原子，到鋰原子以上便出現(xiàn)了“斷鏈”，無(wú)法持續(xù)?；粢翣柕热税l(fā)展出一套在恒星內(nèi)部高溫、高壓條件下產(chǎn)生更重的原子的反應(yīng)鏈，解開(kāi)了宇宙萬(wàn)物來(lái)源之謎。但也因此，稍重的原子必須在宇宙膨脹后期、恒星已經(jīng)大量出現(xiàn)以后才能面世。
狄克因此想到，如果宇宙在來(lái)回振蕩，這些后期才有的原子在宇宙的坍縮過(guò)程中也必須消失，才能在下一輪膨脹中重新產(chǎn)生。而它們之所以消失，只能是因?yàn)樘s的宇宙進(jìn)入超高溫狀態(tài)，以至于所有原子都被剝裂，還原為質(zhì)子、中子等基本粒子。
狄克覺(jué)得這樣一來(lái)宇宙的溫度是可以推算的。他指導(dǎo)學(xué)生皮布爾斯（Jim Peebles）做一下理論計(jì)算。皮布爾斯很快得出結(jié)論：宇宙從最初的高溫膨脹、冷卻至今，現(xiàn)在的溫度應(yīng)該在絕對(duì)溫度10度左右。
那是1964年，阿爾弗和赫爾曼的宇宙溫度約為5度的論文已經(jīng)發(fā)表了16年。狄克似乎對(duì)他們的工作完全不知情或者完全忘卻了。他的振蕩宇宙的坍縮過(guò)程其實(shí)就是愛(ài)丁頓、伽莫夫所想象的時(shí)間逆轉(zhuǎn)的宇宙“倒帶”過(guò)程。作為理論模型，二者其實(shí)沒(méi)有區(qū)別。
皮布爾斯寫(xiě)好論文投稿后被匿名的審稿人打回，指出他們不應(yīng)該地忽略了阿爾弗、赫爾曼等人的工作。皮布爾斯按要求修改后依然沒(méi)能過(guò)關(guān)。但狄克并不太在意。他已經(jīng)開(kāi)始了下一個(gè)行動(dòng)。
與伽莫夫那幾個(gè)人不同的是，狄克自己就是實(shí)打?qū)嵉奈⒉夹g(shù)行家。他在1946年發(fā)明了一個(gè)“狄克輻射計(jì)”（Dicke radiometer），是微波天線最常用的接收器。他也是一個(gè)實(shí)驗(yàn)好手。就在他琢磨宇宙的同時(shí)，他還用現(xiàn)代化手段重復(fù)了傳說(shuō)中的伽利略比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，以超高精度證明物體在引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)與質(zhì)量無(wú)關(guān)。
這時(shí)他帶著另外兩個(gè)學(xué)生很快就在普林斯頓大學(xué)地質(zhì)系（Guyot Hall）樓頂上裝置起一個(gè)微波天線。準(zhǔn)備尋找大爆炸的遺跡。
狄克的兩個(gè)研究生和他們?cè)谄樟炙诡D為探測(cè)宇宙微波背景輻射制作的微波天線。
大爆炸發(fā)生在100多億年之前，也無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中重復(fù)，自然沒(méi)辦法直接觀測(cè)。阿爾弗、赫爾曼以及狄克、皮布爾斯推導(dǎo)出的宇宙溫度卻是大爆炸的一個(gè)直接后果，或者說(shuō)“殘留”。狄克覺(jué)得這應(yīng)該能夠觀測(cè)到。
宇宙不是一個(gè)熱平衡的世界。無(wú)數(shù)的恒星內(nèi)部在發(fā)生強(qiáng)烈的熱核反應(yīng)，表面不斷地發(fā)光發(fā)熱。它們的表面溫度至少幾千度，內(nèi)部更是達(dá)到億度的量級(jí)。（在極高溫尺度，絕對(duì)溫度與攝氏度之間已經(jīng)沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別。）
然而，從空間、體積來(lái)看，恒星在宇宙中只占據(jù)微不足道的存在：它們?cè)谖覀兊厍蛉说难壑胁贿^(guò)只是“點(diǎn)點(diǎn)星光”。其余的廣宇，是一片漆黑死寂，冰冷的世界。
不過(guò)，早在20世紀(jì)初，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星星之間也不是完全的空空如也，而是彌漫著一些不明成分、來(lái)源的氣體、塵埃，被籠統(tǒng)地稱(chēng)作“星際介質(zhì)”（interstellar medium）。1940年，加拿大天文學(xué)家麥凱拉（Andrew McKellar）還觀察到這些介質(zhì)中居然存在有機(jī)分子。他測(cè)量到氰（CN）分子自由基（radical）的旋轉(zhuǎn)光譜，推算出其能量分布相當(dāng)于絕對(duì)溫度2.4度。如果假設(shè)這些介質(zhì)、分子與其周?chē)h(huán)境處于熱平衡狀態(tài)的話，那么也就可以認(rèn)定這些介質(zhì)所處的空間的溫度大約是2.4度。但是，直到他在1960年去世，麥凱拉的數(shù)據(jù)沒(méi)有引起人們注意。
阿爾弗、赫爾曼、狄克、皮布爾斯等人所研究的宇宙溫度卻不是星星、介質(zhì)甚至分子些實(shí)際物體的溫度。在他們的理論模型中，大爆炸伊始的宇宙又熱又稠密，充滿(mǎn)了光輻射和質(zhì)子、中子等基本粒子，互相攪成一團(tuán)。當(dāng)宇宙終于膨脹、冷卻到質(zhì)子與電子可以結(jié)合成穩(wěn)定的氫原子之后，光子才能在宇宙中暢行無(wú)阻——此即所謂宇宙的第一縷光。那時(shí)的光子能量（頻率）非常高。再經(jīng)過(guò)一百多億年的膨脹、冷卻，光子的波長(zhǎng)隨著空間被持續(xù)拉長(zhǎng)，其頻率相應(yīng)地紅移變低。到今天，按照他們算出的宇宙溫度，那些光子應(yīng)該主要出于能量很低的無(wú)線電波段，也就是微波頻段。
這些光子——如果存在的話——直接來(lái)自大爆炸開(kāi)始的那顆蛋，充滿(mǎn)了那時(shí)候還不很大的宇宙。在今天的宇宙中它們也就同樣地會(huì)均勻地散布在整個(gè)空間而無(wú)處不在，成為宇宙恒定的背景。因此，它們被稱(chēng)作“宇宙微波背景”（cosmic microwave background）。
阿爾弗和赫爾曼當(dāng)初在大學(xué)、學(xué)術(shù)會(huì)議上做過(guò)一系列講座，希望能引起微波行家的興趣，尋找探測(cè)這個(gè)宇宙大爆炸的遺跡，但無(wú)人響應(yīng)。人們或者不相信這個(gè)天方夜譚，或者覺(jué)得這樣的微波信號(hào)即使存在，也會(huì)太微弱，沒(méi)有希望測(cè)出。
最令他們喪氣的是，連他們的導(dǎo)師、向來(lái)喜好“異端邪說(shuō)”的伽莫夫也沒(méi)有買(mǎi)他們的賬。兩人后來(lái)相繼找到不同的新工作，各奔前程，沒(méi)有再繼續(xù)這個(gè)課題。伽莫夫更是在學(xué)術(shù)上移情別戀，與剛發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結(jié)構(gòu)的沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）還有費(fèi)曼（Richard Feynman）等人一起搭伙去試圖破解生命遺傳編碼的秘密。在那之后十來(lái)年里，大爆炸理論陷入低迷。阿爾弗和赫爾曼所提出微波背景被人遺忘，直到被狄克、皮布爾斯重新“發(fā)現(xiàn)”。
就在狄克和他的學(xué)生們一切準(zhǔn)備就緒、只待開(kāi)機(jī)探測(cè)時(shí)，狄克接到一個(gè)意外的電話。
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1957年10月4日，蘇聯(lián)成功發(fā)射人類(lèi)第一顆人造衛(wèi)星。次年，美國(guó)倉(cāng)促成立航空航天局（NASA），應(yīng)對(duì)新時(shí)代的挑戰(zhàn)。航天局試圖發(fā)掘衛(wèi)星的實(shí)用價(jià)值，他們最早的嘗試之一是發(fā)射一個(gè)簡(jiǎn)陋的球體，進(jìn)入軌道后內(nèi)部爆炸充氣，成為大氣層外的一個(gè)大氣球。這氣球的表面上涂有一層鋁金屬，可以反射電磁波。這樣，他們從西海岸的加州發(fā)射微波信號(hào)，由衛(wèi)星反射回地球表面，被東海岸貝爾實(shí)驗(yàn)室的天線接收，成功地實(shí)現(xiàn)橫跨北美大陸的太空微波通訊。
這個(gè)氣球衛(wèi)星只是被動(dòng)地反射電磁波，能回到地球表面的信號(hào)非常微弱。貝爾實(shí)驗(yàn)室為此專(zhuān)門(mén)制作了一個(gè)大型微波天線。接收微波的天線與日常熟悉的衛(wèi)星天線不同，不是拋物面的圓盤(pán)，而是像早期的方形高音喇叭。這個(gè)天線長(zhǎng)15米，喇叭口6米見(jiàn)方，以它所在的鎮(zhèn)命名叫做“霍姆德?tīng)柪忍炀€”（Holmdel Horn Antenna)。天線內(nèi)部探測(cè)微波信號(hào)的正是一個(gè)狄克輻射計(jì)。
航天局的這個(gè)項(xiàng)目沒(méi)有太長(zhǎng)的壽命。1962年，美國(guó)發(fā)射了第一顆正式的通訊衛(wèi)星（Telstar），上面攜帶電子設(shè)備，可以將接收的信號(hào)放大后再播放，大大提高了使用效率。地面上也不再需要特制的大天線就可以接收到衛(wèi)星信號(hào)。
于是，霍姆德?tīng)栠@個(gè)天線淪為閑置。兩個(gè)剛剛博士畢業(yè)來(lái)到貝爾實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家彭齊亞斯（Arno Penzias）和威爾遜（Robert Wilson）看中了這個(gè)難得的高靈敏度、低噪音家伙，覺(jué)得可以用它來(lái)普查銀河系的微波分布。于是他們著手天線的校準(zhǔn)，逐個(gè)剔除可能的誤差和環(huán)境噪音。
彭齊亞斯（右）和威爾遜在他們使用的貝爾實(shí)驗(yàn)室“霍姆德?tīng)柪忍炀€”前。
在排除了所有可辨認(rèn)的噪音后，他們被一個(gè)奇怪而頑固的噪音所困擾。這個(gè)噪音無(wú)論白天黑夜都一樣地存在。他們把天線對(duì)準(zhǔn)鄰近繁華的紐約市，然后轉(zhuǎn)到反方向做比較，居然沒(méi)有差別；他們又耐心地跟蹤測(cè)量了幾個(gè)月，讓地球繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該噪音有任何季節(jié)性的變化。他們仔細(xì)檢查儀器，發(fā)現(xiàn)有幾只鴿子在天線里做了窩。于是他們花大功夫，將天線拆開(kāi)，仔細(xì)清洗了多年積累的鳥(niǎo)糞（彭齊亞斯很專(zhuān)業(yè)地稱(chēng)之為“白色的電介質(zhì)物體”）。他們駕車(chē)把鴿子送到很遠(yuǎn)的地方放生，但善于找路回家的鴿子很快又回來(lái)了，于是他們不得不拿起鳥(niǎo)槍來(lái)解決這個(gè)干擾源。然而，天線上測(cè)到的信號(hào)依然如故：無(wú)時(shí)不有無(wú)處不在。
無(wú)奈中，彭齊亞斯在與同行的電話中傾訴了他們這個(gè)煩惱。對(duì)方想起剛剛聽(tīng)過(guò)皮布爾斯的一個(gè)講座，似乎有點(diǎn)關(guān)聯(lián)，建議他與普林斯頓的那撥人聯(lián)系求助。彭齊亞斯于是給狄克打了電話。狄克放下話筒時(shí)臉色死灰，當(dāng)即告知他的團(tuán)隊(duì)：“伙計(jì)們，我們被人搶先了?！保ā癇oys, we've been scooped.”）
貝爾實(shí)驗(yàn)室距離普林斯頓不過(guò)60來(lái)公里。狄克一行駕車(chē)前往，共同分析彭齊亞斯和威爾遜的數(shù)據(jù)。沒(méi)有太多的懸念，他們很快就確定令這兩個(gè)倒霉蛋近乎瘋狂的噪音便是他們?cè)谄樟炙诡D準(zhǔn)備尋找的宇宙微波背景輻射——大爆炸的余波。（威爾遜在加州理工學(xué)院攻讀博士時(shí)曾聽(tīng)過(guò)霍伊爾的課，因此對(duì)穩(wěn)定態(tài)模型有印象。但他們倆對(duì)大爆炸理論均不甚了了，而對(duì)阿爾弗、赫爾曼的宇宙溫度預(yù)測(cè)以及近在咫尺的狄克小組研究工作完全一無(wú)所知。）
他們實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)表明今天的宇宙背景溫度是絕對(duì)溫度4.2度，與理論預(yù)測(cè)相當(dāng)接近。
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1978年，彭齊亞斯和威爾遜因?yàn)檫@個(gè)無(wú)意的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)給與天文觀測(cè)有關(guān)的貢獻(xiàn)。
當(dāng)年諾貝爾（Alfred Nobel）設(shè)立他那后來(lái)舉世聞名的獎(jiǎng)金時(shí)，在科學(xué)類(lèi)上指明了物理、化學(xué)和生理醫(yī)學(xué)——他覺(jué)得最實(shí)用的科目。天文學(xué)沒(méi)有被包括在內(nèi)。相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)也不認(rèn)可天文學(xué)是物理學(xué)的一部分。因此，歷史上一些做過(guò)突出貢獻(xiàn)的天文學(xué)家，包括勒梅特、愛(ài)丁頓、哈勃等等，都與這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)無(wú)緣。
因?yàn)榈铱说臎Q定性協(xié)助，彭齊亞斯和威爾遜曾邀請(qǐng)他在他們的論文中作為第三作者。狄克紳士般地謝絕，可能就此失去分享諾貝爾獎(jiǎng)的機(jī)會(huì)。普林斯頓的小組另外撰寫(xiě)了一篇論文，與彭齊亞斯和威爾遜的觀測(cè)報(bào)告同時(shí)發(fā)表，從理論上闡述那便是宇宙大爆炸留下的遺跡。
在領(lǐng)獎(jiǎng)儀式上，彭齊亞斯才得以回顧他惡補(bǔ)的歷史，突出介紹了伽莫夫、阿爾弗、赫爾曼等人的早期貢獻(xiàn)。對(duì)已經(jīng)去世的伽莫夫來(lái)說(shuō)，這已經(jīng)是第三次——也不是最后一次——在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)儀式上收獲到感謝。
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