■張?zhí)烊?文

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物理宇宙學的理論基于愛因斯坦的廣義相對論，但真正讓它登堂入室成為一門精準實驗科學的功勞，要歸于現(xiàn)代化的天文實驗手段—探測衛(wèi)星。其中宇宙背景探測者（COBE）功不可沒。那是美國航空航天局在1975年專門為了研究CMB而開始設計的測試衛(wèi)星，于1989年被送上太空。之后，又相繼有了WMAP和Planck，第二第三代測試衛(wèi)星。其基本目的都是為了更精確地測量CMB。

總結起來，COBE等測試衛(wèi)星對現(xiàn)代宇宙學有三大貢獻，上一篇中所介紹的對CMB黑體輻射譜的測量是其一，這一篇中要介紹的，是它的第二個功勞，有關CMB各向同性（異性）的測量。

測試衛(wèi)星的第三個重要功勞是測量到完整的“宇宙紅外背景輻射”。這也是宇宙背景輻射的一種，但輻射波長不是微波，而是在紅外線的范圍內(nèi)。所謂背景輻射的意思是說它們來自四面八方，沒有確定的發(fā)射源。天文學家們認為，紅外背景輻射包含了恒星和星系形成時輻射的遺跡，以及宇宙中塵埃物質的輻射，它們對天文和宇宙學的研究也很重要，但這不是我們此篇要介紹的內(nèi)容，暫且不表。

西方政府及科學界花費血本，制造發(fā)射數(shù)個測試衛(wèi)星，就為了探測這些彌漫于空中的溫度極低的微波-CMB，那是因為這些來自于宇宙之初的古老之光中，隱藏著宇宙演化的奧秘。

宇宙微波背景輻射是一種電磁輻射，黑體輻射譜線是它的頻率特征，這個特征可以用一個溫度值作為參數(shù)來表征，對CMB來說，這個溫度是2.725K（約為零下 270℃）。除了頻譜特征之外，CMB輻射還有它的時空特性。換言之，這種輻射是否隨著時空而變化呢？時間效應便是上一篇中介紹過的137億年中譜線的宇宙紅移。那么，CMB隨空間而變化嗎？

空間性質有兩個方面：均勻性和方向性。也就是說，從CMB測量到的黑體輻射溫度T是否處處相同？是否各向同性？第一個問題沒有太多疑問，COBE探測的結果主要是回答第二個問題。

圖12-1中所示的CMB圖所描述的便是從不同方向測量時得到的溫度分布圖。圖中用不同的顏色代表不同的溫度。橢圓中的不同點則對應于四面八方不同的觀察角。

當CMB第一次被克勞福德山上的巨型天線捕捉到的時候，是均勻而各向同性的，各個方向測量到的輻射強度（可換算成溫度）都是一樣的，如圖12-1a上方的第一個橢圓，均勻分布的顏色表明在各個方向接受到的CMB沒有溫度差異，這也正是當時確定它們是來自于“宇宙”本身而不是來自于某一個具體星系的重要證據(jù)。同時也在一定的近似程度上證實了愛因斯坦假設的宇宙學原理。

圖12-1：微波背景輻射的方向性

雖然根據(jù)宇宙學原理：宇宙在大尺度下是均勻和各向同性的。但是，宇宙更小尺度的結構也應該在更為精密測量的CMB橢圓圖上有所反應。果然不出所料，利用探測衛(wèi)星在1992年和2003年探測到的CMB圖便逐漸顯現(xiàn)出了細致的結構，如圖12-1a的下面兩個圖（2、3）所示，它們已經(jīng)不再是顏色完全均勻的橢圓盤了。

首先，我們自己所在銀河系的特定運動將會反映到CMB圖中。比如說，地球、太陽、還有銀河系，都處于不停的旋轉運動中，不同方向觀察到的CMB黑體輻射的溫度應該被這些運動所影響。

圖12-1b的左上圖（1）描述的便是因為太陽系繞銀河系旋轉運動產(chǎn)生的多普勒效應，它使得CMB圖印上了偶極化的溫度分布。在圖中45度線對應的兩個觀察方向上，因為相對運動方向相反，產(chǎn)生了輻射溫度的微小差異，從圖中的紅綠藍三種不同顏色可看出這種偶極效應，溫度差別被三種顏色之差異放大了許多，實際上在圖中，CMB的平均溫度是2.725K，而用紅色表示的最高溫度，比較用藍色表示的最低溫度，不過只相差0.0002K而已。

銀河系還在CMB圖上蓋上了另一個印記，那是由于銀河系中星體的紅外輻射的影響而產(chǎn)生的，圖中表示為橢圓中間那條紅色水平帶子，見圖12-1b右上圖（2）。銀河系整體呈圓盤狀，太陽系位于圓盤的邊緣，因而紅外發(fā)射看起來像一條寬帶子，正如我們仰頭觀看銀河，看見的是一個光點密集的長條，均出于同樣的道理。

天文學家們利用計算機技術，可以將銀河系的兩種印記從CMB圖中除去，這樣便得到了沒有觀察者所在星系標簽的真正“宇宙微波背景”圖，見圖12-1b中的3和4。

精確測量的CMB，已經(jīng)不是完全各向同性的均勻一片了，它們顯示出復雜的各向異性圖案。如何分析這些圖案？它們來自何處？

圖12-2：CMB攜帶著最后散射的信息以及137億年宇宙演化的信息

上一篇中曾經(jīng)介紹過，CMB是從大爆炸后38萬年左右的“最后散射面”發(fā)出來的。在那之前，宇宙呈現(xiàn)一片混沌的等離子體狀態(tài)，引力和輻射起主導作用。光子不斷地被物質粒子俘獲，與它們發(fā)生快速碰撞，使得光子無法長程傳播，只是不斷地湮滅和產(chǎn)生，從而使得對于后來的“觀測者”來說（包括137億年后的人類），38萬年之前的宇宙是不透明的，看不見的。

直到“最后散射面”時代，物質的原子結構開始逐漸形成，質子和電子牽手結合起來，不再熱衷于俘獲光子，而讓它們自由傳播，因此而有了我們現(xiàn)在接受到的CMB，這也就是為什么我們在上一篇博文中將它們稱之為“第一束光”的原因。

如圖12-2中所示，對右邊的觀察者而言，圖左的“最后散射面”猶如一堵墻壁，使得我們看不到墻壁后面的宇宙更早期景象。但是，這是一堵發(fā)光的墻壁，這些光從處于3000K熱平衡狀態(tài)的“墻壁”發(fā)射出來，大多數(shù)光子的頻率在可見光范圍之內(nèi)，它們旅行了137億年，不但見證了宇宙空間的膨脹，也見證了宇宙中恒星、星系、星系團形成和演化的過程。當它們來到地球被人類探測到的時候，自身也發(fā)生了巨大變化：波長從可見光移動到了微波范圍，因而，人類將它們稱之為“微波背景-CMB”。也許有讀者會問：“如果在宇宙誕生后50億年左右，有高等生物探測到這些光，性質又如何呢？”。不難推測，那時候接受到的這些“第一束光”，也應該符合黑體輻射的規(guī)律，但波長就不是在微波范圍了，可能要被稱之為“紅外背景”，不過還必須與星體產(chǎn)生的紅外背景區(qū)別開來?。t外線太多，不知道會不會被熱死？想得到答案需要點計算。）。

從圖12-2以及上文的描述，不難看出CMB巨大的潛力。這些光波不簡單！它們就像是來自家鄉(xiāng)的信使，能帶給你母親的思念，還能告訴你沿途的風景。CMB波也是這樣，它們經(jīng)過了漫長的歷史旅程，從兩個方面攜帶著宇宙的秘密：一是最后散射面上的信息，二是宇宙中天體形成的過程。這些信息印記在CMB中，使得它們不應該是完全均勻各向同性的圖案。

首先解釋第一個信息來源：最后散射面。剛才不是說，最后散射面是一個熱平衡狀態(tài)的“墻壁”嗎？這似乎意味著散射面上每一點都是一樣的，是一個光滑的墻壁，因而沒有什么有用信息。但這種說法顯然不會是物理事實，熱平衡是一種動平衡的量子狀態(tài)，必然包含著物質密度的量子漲落。從宇宙后來因為引力作用演化而形成星系結構這點也可以說明，最后散射面上一定包含著我們現(xiàn)在看見的宇宙的這種“群聚”結構的“種子”，否則怎么會演化成今天這種形態(tài)而不是別的形態(tài)呢？此外，即使是被不透明“墻壁”擋住了的“早期宇宙”，是否也有可能在墻壁上印上一點淡淡的“蛛絲馬跡”？問題是這種“胚胎”帶來的“種子”信息，會在CMB圖上造成多大的差別？理論家往往總是先于實驗觀測而給出答案。早在1946年，前蘇聯(lián)物理學家Lifshitz曾經(jīng)計算過這種溫度的各向異性，他認為表現(xiàn)在CMB圖案上應該造成10-3左右的起伏。

第二個信息來源則是因為CMB“途經(jīng)”了宇宙后來的演化過程，如圖12-2中從左到右，宇宙137億年中經(jīng)歷的物理過程：原子形成、類星體、再電離、恒星、星系、星系團形成等，都應該在CMB上有所反應。打個比喻說，當人們觀測發(fā)光的墻壁時，也應該觀察到墻壁和觀測者之間飛蟲蝴蝶之類的動物投射的陰影。

以上兩個原因都會造成CMB圖的各向異性。物理學家們特別感興趣“最后散射面”上的種子信息，它們將使我們觀測到宇宙的“嬰兒”時期，提供宇宙早期的信息。然而，從1965年CMB被發(fā)現(xiàn)，直到上世紀90年代初，25年的天文觀測從未看到過CMB結果中顯示各向異性的圖案。即使科學家們認為微波測量的精度已經(jīng)達到10-4，CMB的圖像仍然是均勻一片，理論家們預言的天體“群聚結構的種子”遲遲不肯露面。

物理宇宙學家們坐不住了，他們未曾證實的預言逐漸變成了其他科學家挖苦嘲笑的對象。還好，沒過多久，先進的科技便幫了他們的大忙：COBE傳回了好消息！

1992年，主要負責這項研究的美國物理學家、伯克利大學教授喬治·斯穆特（George Smoot，1945年-）在分析了COBE三年中發(fā)回來的CMB數(shù)據(jù)之后宣布，他們最后繪制的全天宇宙微波背景輻射的分布圖，顯示出了CMB輻射中只有十萬分之一的各向異性起伏（見圖12-1b3），斯穆特將這個橢圓圖形戲稱為“宇宙蛋”【1】。

COBE的結果令物理界振奮，斯穆特團隊的發(fā)現(xiàn)立即上了頭條新聞，被霍金譽為“本世紀最重要的發(fā)現(xiàn)”。人們形容看到“宇宙蛋”的橢圓圖，就像看到了“上帝的手”（筆者更喜歡將其比喻為看到了“上帝臉上的皺紋”）。后來，斯穆特和美國國家航空航天局航天中心的高級天體物理學家約翰·馬瑟（John C. Mather，1945年-），共同分享了2006年的諾貝爾物理獎。

又是二十多年過去了，第三代的普朗克（Planck）測試衛(wèi)星對CMB更為精準的測量進一步證實了宇宙大爆炸的標準模型，以及與早期宇宙有關的“暴漲理論”。物理宇宙學度過了20年的黃金時期，同時也面臨著前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)。

參考資料：

【1】Smoot, George; Keay Davidson (1994). Wrinkles in Time.William Morrow & Company.