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著者：余生 從星系的角度來看，「穩(wěn)恒態(tài)模型」預(yù)測各種不同的星系在宇宙中是均勻分布的，這也就是說“嬰兒星系”將遍布整個(gè)宇宙，而上個(gè)世紀(jì)40年代~60年代科學(xué)家使用射電望遠(yuǎn)鏡對宇宙中的射電源進(jìn)行了一項(xiàng)普查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)「射電星系」在宇宙中并不是均勻分布的，而是距離越遠(yuǎn)分布越密集。由于電磁波到達(dá)地球是需要時(shí)間的，因此我們看到距離遠(yuǎn)近不同的地方，它們實(shí)際上處于宇宙歷史不同的時(shí)間點(diǎn)，因此「射電星系」的分布不符合「完全宇宙學(xué)原理」。  圖解：嬰兒星系 「穩(wěn)恒態(tài)模型」的預(yù)測和天文觀測出現(xiàn)了矛盾，「大爆炸模型」也有一個(gè)非常重要的預(yù)測，那就是「宇宙微波背景輻射」伽莫夫、阿爾福和赫爾曼在1948年預(yù)言了「宇宙微波背景輻射場」的存在，他們提到早期的宇宙溫度極高，整個(gè)宇宙都在發(fā)光，在宇宙經(jīng)歷膨脹并冷卻的今天，遠(yuǎn)古宇宙發(fā)出光的遺跡依然充滿了整個(gè)宇宙空間，他們還估算出如果宇宙最初的溫度為10億度，那么當(dāng)前的宇宙就會(huì)殘留5~10開爾文，均勻分布于宇宙的「黑體輻射」，他們的估算已經(jīng)非常準(zhǔn)確了，現(xiàn)在的測量結(jié)果是「宇宙微波背景輻射」的溫度是2.725開爾文，但在上個(gè)世紀(jì)40~50年代，他們的這項(xiàng)工作沒有得到關(guān)注，沒有人愿意為他們的預(yù)言做實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這件事情也就不了了之了。1963年初在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室，兩位年輕人彭齊亞斯和威爾遜改造了架設(shè)在新澤西州克勞福德山上的一臺(tái)本來用于接收衛(wèi)星信號的喇叭狀天線，想用它來研究銀河系邊緣的微波訊號，為了檢測這臺(tái)天線的噪音性能，他們將天線對準(zhǔn)天空的不同方向進(jìn)行測量，無論他們將天線指向何方，在波長為7.35厘米的波段上總會(huì)收到一個(gè)噪音信號，后來他們又將天線指向不同的星系，結(jié)果還是一樣，信號還是沒有變化，于是他們又排除了這個(gè)信號是來自某個(gè)外星系的可能性。  彭齊亞斯和威爾遜調(diào)查了周圍的散雜噪聲源，甚至將望遠(yuǎn)鏡指向紐約大都會(huì)，但這種噪聲既沒有增加也沒有減少，他們還監(jiān)測了噪聲水平隨時(shí)間的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種噪聲是連續(xù)的，總之無論將望遠(yuǎn)鏡指向何處，這個(gè)噪聲就是恒定不變的。噪聲是如此的穩(wěn)定，于是兩人開始考慮這樣的噪聲是否來自于儀器本身，射電望遠(yuǎn)鏡包括許多部件，每個(gè)部件都有可能產(chǎn)生自身的噪聲，這就如同你聽廣播，即使廣播公司發(fā)出的是很強(qiáng)的信號，但是你接收到的信號，有可能因?yàn)槟愕氖找魴C(jī)功放、揚(yáng)聲器或者線路產(chǎn)生的噪聲而降低品質(zhì)。 彭齊亞斯和威爾遜為此檢查了他們射電望遠(yuǎn)鏡的每一個(gè)環(huán)節(jié)，查找可能的虛焊點(diǎn)、布線的瑕疵，電子學(xué)的故障、接收器的偏差等等，甚至為保萬全所有的接口處都拿鋁箔膠帶纏定了，特別值得一提的是，他們的望遠(yuǎn)鏡還遭到過“天屎”的襲擊，一對鴿子在喇叭天線內(nèi)做了“窩”，并留下了白色粘稠狀的固體，彭齊亞斯和威爾遜認(rèn)為沉積在喇叭天線上的鴿子糞便這種白色介電材料就是可能的噪聲原因，但是即便他們把“天屎”全部都清除干凈，甚至把天線大卸八塊，然后再重新地組裝起來，噪聲依舊存在，無法抹去。 到了1965年初，彭齊亞斯和威爾遜已經(jīng)花了差不多一整年的時(shí)間，用盡了合理和不合理的方法，希望能夠找出噪聲的來源，但是一無所獲，彭齊亞斯和威爾遜最終不得不接受了這樣一個(gè)事實(shí)——存在著一種無處不在并且均勻分布的「微波信號」。  圖解：彭齊亞斯和威爾遜 當(dāng)時(shí)的他們并不知道是什么導(dǎo)致了「宇宙微波背景輻射」，只好假設(shè)是大氣的影響或者是環(huán)境在射電望遠(yuǎn)鏡的號角壁上產(chǎn)生的效應(yīng)。彭齊亞斯和威爾遜無法解釋他們觀測到的恒定噪聲，在彭齊亞斯和威爾遜聯(lián)系上羅伯特·迪克（Robert H. Dicke）以后，迪克立即意識到了彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)意味著什么。迪克是普林斯頓大學(xué)的宇宙學(xué)家，他的團(tuán)隊(duì)一直在研究「宇宙大爆炸模型」并意識到宇宙間應(yīng)該存在一種無處不在的輻射，這種輻射在今天應(yīng)當(dāng)是1毫米左右波長的無線電信號。 當(dāng)?shù)弥?span style="text-decoration:underline;">彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)以后，迪克是既興奮又沮喪，興奮是因?yàn)?span style="text-decoration:underline;">迪克深知如果其他進(jìn)一步獨(dú)立觀測確認(rèn)彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)是正確的話，那么就進(jìn)一步證實(shí)了「宇宙微波背景輻射」的存在，從而為「宇宙大爆炸模型」提供了一項(xiàng)具有決定意義性的支持，這將是科學(xué)史上極為重要的發(fā)現(xiàn)，而彭齊亞斯和威爾遜就是這一歷史事件最早的見證人。 但是另一方面，迪克又感到有些沮喪，因?yàn)樵诳茖W(xué)研究上誰搶到第一，誰就能勝者通吃，迪克的團(tuán)隊(duì)在探測「宇宙微波背景輻射」方面做了大量的前期工作，而發(fā)現(xiàn)「宇宙微波背景輻射」到的卻是別人，這樣他的前期工作基本上就沒有多大的價(jià)值了。 不過迪克最終還是決定把工作進(jìn)行到底，畢竟科學(xué)實(shí)驗(yàn)或者觀測是需要多次獨(dú)立驗(yàn)證的，幾個(gè)月后迪克的團(tuán)隊(duì)架設(shè)的天線也得到了與彭齊亞斯和威爾遜一致的數(shù)據(jù)，由于彭齊亞斯和威爾遜他們的理論知識十分有限。經(jīng)過協(xié)商，大家決定由彭齊亞斯和威爾遜在《天體物理學(xué)報(bào)》上，以他們的發(fā)現(xiàn)為標(biāo)題發(fā)表論文，正式公布這個(gè)發(fā)現(xiàn)。而迪克的團(tuán)隊(duì)在同一雜志上以《宇宙黑體輻射》為標(biāo)題發(fā)表另外一篇論文，對這個(gè)發(fā)現(xiàn)給予理論上的解釋論證彭齊亞斯和威爾遜所觀測到的這種輻射就是宇宙大爆炸殘留下來的「宇宙微波背景輻射」。  圖解：宇宙微波背景輻射 「宇宙微波背景輻射」的發(fā)現(xiàn)在近代天文學(xué)具有非常重要的意義「宇宙微波背景輻射」給了「宇宙大爆炸模型」理論一個(gè)有力且直接的證據(jù)，因而與「類星體」「脈沖星」和「星際有機(jī)分子」的發(fā)現(xiàn)一起被稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)。彭齊亞斯和威爾遜也因?yàn)樗麄兊倪@一發(fā)現(xiàn)，獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 「宇宙大爆炸模型」不僅預(yù)言了「宇宙微波背景輻射」的存在，還預(yù)言了它的波長，這都與彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)完全符合，然而「穩(wěn)恒態(tài)模型」中宇宙是沒有那個(gè)極高溫、極高密度的時(shí)刻的，無法解釋這種微波的存在，在很長一段時(shí)間對「穩(wěn)恒態(tài)模型」的擁護(hù)者來說，他們反對「宇宙大爆炸模型」最有力的武器就是——「宇宙大爆炸模型」沒有留下任何還能夠探測到的痕跡。 1950年，霍伊爾指出——當(dāng)我們觀察我們的銀河系時(shí)，這里沒有留下任何最小印跡表明這樣的爆發(fā)曾經(jīng)發(fā)生。 赫爾曼曾經(jīng)也說過——“如果存在大爆炸，那么就讓我們看看它的化石吧！” 而現(xiàn)在大爆炸的化石就在我們身邊，我們每時(shí)每刻都在感受到它的沐浴，彭齊亞斯曾經(jīng)這樣描述「宇宙微波背景輻射」——“當(dāng)你今晚走到戶外并摘下帽子，你的頭皮就能感到大爆炸帶來的一絲溫暖?！?span style="text-decoration:underline;">「宇宙微波背景輻射」與2.725開爾文的「黑體輻射」相同，如果有溫度的話，我相信那也是極度寒冷的。 想要看看「宇宙微波背景輻射」也并不一定需要射電望遠(yuǎn)鏡，它們在宇宙中無處不在，任何普通電視、電線都能捕捉到，如果你將電視調(diào)到一個(gè)沒有節(jié)目的頻率上，看到屏幕上出現(xiàn)的雪花，聽到嘶嘶的噪聲，它們之中大約1%實(shí)際上是「宇宙微波背景輻射」，是宇宙大爆炸之后經(jīng)過100多億年直接傳送到你家里的電視上的。  圖解：黑體輻射 「宇宙微波背景輻射」的發(fā)現(xiàn)，使得「穩(wěn)恒態(tài)模型」完全沒有招架之力如果不認(rèn)為「宇宙微波背景輻射」與大爆炸模型有聯(lián)系，那么就必須認(rèn)為這是由星系的射電輻射疊加形成的?！干潆娦窍怠沟拇_可以發(fā)出背景輻射的射電波，但目前已知的射電源尚不足以給出足夠的強(qiáng)度，有一種設(shè)想是認(rèn)為存在著許多沒有探測到的弱強(qiáng)度的射電源，如果它發(fā)出的強(qiáng)度只有目前射電源的百萬分之一，而且有許多這樣的射電源，當(dāng)這種射電源的數(shù)量達(dá)到101?時(shí)就能滿足要求，但是這個(gè)數(shù)量是目前可見星系數(shù)量的1萬倍，是否真的存在這樣的弱射電源還是一個(gè)非常大的疑問，所以說到了這個(gè)時(shí)候，「穩(wěn)恒態(tài)模型」已經(jīng)變得搖搖欲墜，幾乎就要徹底玩完了。 在1980年的一項(xiàng)調(diào)查中，支持「宇宙大爆炸模型」的天文學(xué)家數(shù)量上升到了69%，而支持「穩(wěn)恒態(tài)模型」的只有2%了，霍伊爾一度也想放棄「穩(wěn)恒態(tài)模型」支持「宇宙大爆炸模型」，并且與福勒一起用「宇宙大爆炸模型」理論闡明了氫元素的起源問題，他成功解釋了氦的高豐度，這是因?yàn)橛钪嬖诖蟊ㄖ醯臏囟冗h(yuǎn)遠(yuǎn)高于恒星內(nèi)部的溫度，而對于鋰、鈹、硼等輕元素的起源，他也能給出合理的解釋，這樣一來宇宙中各種自然元素的生成來源便給予了最全面的解釋，這對「宇宙大爆炸模型」來說是一種豐富和完善。 但到了20世紀(jì)80年代，當(dāng)霍伊爾看到宇宙學(xué)家們?yōu)榱私忉屝窍档男纬珊推渌恍╇y題，而引入「暴脹」「暗物質(zhì)」等懸乎的概念時(shí)，他的疑慮又出現(xiàn)了，在霍伊爾看來，假如一個(gè)理論是正確的，那就會(huì)得出許多正確的結(jié)論，可是20多年過去了，不僅沒有多少事實(shí)支持「宇宙大爆炸模型」，相反這個(gè)理論自身倒是要不斷求助一些玄乎的概念來解釋新觀察到的現(xiàn)象，這恰恰是一個(gè)不可靠的信號，于是霍伊爾將原始的「穩(wěn)恒態(tài)模型」改造成為一個(gè)看上去與天文觀測比較一致的升級版，這個(gè)模型叫做——「新的純穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型」。  圖解：新的純穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型 「新的純穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型」要求宇宙在兩次長期膨脹之間有一次規(guī)則的收縮階段，在這個(gè)模型中，宇宙在演化的過程中不是存在一次大爆炸，而是有許多小爆炸誕生，這些小爆炸產(chǎn)生的輕元素并造成了星系紅移，至于「宇宙微波背景輻射」霍伊爾的解釋是——這是星際間金屬塵埃發(fā)出的輻射。 「新的純穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型」的理論已經(jīng)和當(dāng)時(shí)所有的觀測都吻合了，但這個(gè)模型還是沒有贏得大家的支持，「宇宙大爆炸模型」的觀念已經(jīng)深入人心了，可以說「宇宙微波背景輻射」的發(fā)現(xiàn)是「宇宙大爆炸模型」徹底打敗「穩(wěn)恒態(tài)模型」最重要的因素，但「穩(wěn)恒態(tài)模型」的強(qiáng)健生命力也著實(shí)令人佩服，就連發(fā)現(xiàn)「宇宙微波背景輻射」的威爾遜也曾經(jīng)表達(dá)過他對「穩(wěn)恒態(tài)模型」的偏愛，部分原因是他曾經(jīng)在霍伊爾的課上上過課，他曾經(jīng)說過：“我的宇宙觀是在加州理工學(xué)院從霍伊爾那里學(xué)到的，我非常喜歡「穩(wěn)恒態(tài)模型」，哲學(xué)上，我還是有點(diǎn)喜歡它?！?/p>  圖解：宇宙大爆炸模型 射電天文學(xué)有時(shí)充滿了幸運(yùn)的因素，彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)意外，他們最初的目標(biāo)是進(jìn)行射電天文學(xué)普查，但他們最大的分心竟是他們最大的發(fā)現(xiàn)。30年前，央斯基曾經(jīng)在貝爾實(shí)驗(yàn)室做過一個(gè)幸運(yùn)的發(fā)現(xiàn)，并因此創(chuàng)立了射電天文學(xué)，現(xiàn)在還是在同一學(xué)科、還是在同一研究機(jī)構(gòu)偶然性再度來臨，但這次發(fā)現(xiàn)更加輝煌。 雖然「大爆炸模型」打敗了「穩(wěn)恒態(tài)模型」，但自身也不是完全沒有問題的，有關(guān)「宇宙微波背景輻射」的探測，還有大量的工作是需要后人來研究的，下回繼續(xù)分解。 未完·待續(xù)...... |
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