天文史上的今天：他们目睹了宇宙大爆炸的余晖

shn117

关注微信公众号“星空早知道”，一起谈笑风生

摘要：

1936年1月10日，美国天文学家罗伯特·威尔逊出生。他最大的贡献，就是和同事一起发现了宇宙大爆炸留下的余晖。

美国天文学家罗伯特·威尔逊（Robert W Wilson）

来源：wiki

1936年1月10日，美国天文学家罗伯特·威尔逊（Robert W Wilson）出生。

但我想要讲述的不是他的个人生平，而是他和同事们所取得的最重大的科学发现，那是一场激动人心的科学旅程。

1964年，威尔逊和同事彭齐亚斯一起发现了宇宙微波背景辐射（CMB） ，这是现代宇宙学领域最重大的突破性进展之一。

由于这项成就，他们两人与苏联物理学奖卡皮查（Pyotr Leonidovich Kapitsa）一起，分享了1978年度的诺贝尔物理学奖。但他们发现宇宙微波背景辐射的故事真的“纯属意外”。

彭齐亚斯（右）和威尔逊（左）站在他们的天线跟前

来源：wiki

01 针锋相对的宇宙学说

宇宙，四方上下为宇，古往今来为宙。但是，我们总禁不止想要知道：宇宙究竟是怎么来的？它有起源吗？

到20世纪中叶，宇宙学家们已经发展出两套针锋相对的理论来解释宇宙的诞生。很多杰出的物理学家支持所谓“稳态宇宙理论”（steady-state theory），该理论认为宇宙无始无终，一直存在，并且将永远这样存在下去，不会有大的变化；

而另一派科学家则提出了听起来像是天方夜谭的“宇宙大爆炸”理论（Big Bang theory），认为宇宙起源于大约137.2亿年前的一次类似爆炸一般的时空膨胀过程。但是这两种理论孰是孰非？需要观测证据来做决断。

著名的英国物理学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）是出了名的稳态宇宙支持者。“大爆炸”（Big Bang）一词就是他最先发明出来的。当然，他发明这个词不是什么赞扬，而是用来嘲讽对手的

来源： California Institute of Technology

1964年，正在美国贝尔电话公司工作的阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）受命研制一台用于接收“回声”（Echo）轨道反射卫星信号的六米直径超灵敏天线。

卫星反射的信号非常微弱，因此威尔逊他们必须把天线做到极为灵敏才行，并且，他们必须设法消除天线接收机中所有可能存在的噪音信号。

威尔逊他们的天线最初目的就是要接收这个在地球轨道上的大金属球反射的无线电信号，结果却事与愿违，无心插柳

来源：wiki

02 无法消除的神秘噪音

可是这项工作一开始就遇到了问题：他们顺利消除了来自附近雷达站和广播台的信号产生的噪音，用液氦将接收机冷却到零下269度，从而成功抑制了由于接收机本身的发热所产生的噪音信号。他们甚至还反复擦拭和清洁天线和接收机各个部位，消除了由于掉落的鸽子粪产生的噪音信号。

可是无论如何，他们的接收机中总能接收到一个稳定的神秘噪音信号，而且这个微弱的噪音信号不分昼夜，不分方向，持续存在。

计算显示，这个信号波长大约7.35厘米，在电磁波中属于微波波段。并且它来自天空（因而不是地球来源的），也并非来自太阳（因为各个方向都有），甚至不是来自银河系内部（因为各个方向都有且强度一样）。所有证据都表明这个噪音信号可能源自银河系之外，但它究竟是什么？苦恼的彭齐亚斯和威尔逊一时没有头绪。

在检查天线的彭齐亚斯和威尔逊

来源：wiki

03 普林斯顿大学的理论学家

大约在彭齐亚斯和威尔逊埋头努力尝试他们的天线和接收机的同时，距离他们所在地仅有不到60公里外的普林斯顿大学，一个由罗伯特·迪克（Robert H. Dicke），吉姆·皮博斯（Jim Peebles）和大卫·威尔金森（David Wilkinson）等人组成的天体物理学家小组也正准备着手建造天线，但他们目标明确，他们将在微波波段搜寻一个他们认为可能存在的信号。

这是因为他们的理论认为，宇宙大爆炸理论如果正确，那么在这一过程中不仅物质会逐渐凝结形成星系，在此过程中应该也一定会产生出巨大的辐射。

而随着宇宙的膨胀，大爆炸之初的极端高温会逐渐下降，到今天，这个温度信号应该处在微波波段。只要有足够灵敏的天线，理论上是有可能检测到这样一个信号的。