宇宙微波背景的發現,被譽為20世紀人類最重大的科學成就之一

2020-11-29 木一論史

阿爾諾·艾倫·彭齊亞斯Arno Allan Penzias1978年諾貝爾物理學獎獲得者獲獎理由:發現宇宙微波背景信號站臺,被2500名猶太兒童的哭叫聲淹沒。列車將把他們帶到荷蘭,然後從鹿特丹港乘船前往英國。汽笛拉響的那一刻,所有送行的父母再也控制不住情緒,追著開動的列車……這些,都是紀錄片《戰爭存亡錄》中的場景。阿爾諾·艾倫·彭齊亞斯(Arno Allan Penzias)是這些兒童之一,他和弟弟告別父母登上"兒童運輸"列車時只有6歲。40年後,他獲得1978年諾貝爾物理學獎,主導了現代科學最偉大的發現之一,重塑了人類對宇宙的理解。

阿爾諾·彭齊亞斯

1933年4月26日,阿爾諾·艾倫·彭齊亞斯出生於納粹運動的起源地——德國巴伐利亞州首府慕尼黑。這一年年初,希特勒開始掌權。1938年11月9日至10日凌晨,德國各地的納粹青年團、蓋世太保和黨衛軍化妝成平民,揮舞棍棒對猶太人的住宅、商店和教堂瘋狂地打、砸、搶、燒,破碎的玻璃在月光下如水晶般發光,近百名猶太人喪生。此事件,史稱"水晶之夜"。

"水晶之夜"敲響了警鐘!猶太人感受到了越來越嚴重的現實危險,在大風暴來臨之前急切需要尋求一處庇護之地。"水晶之夜"發生五天之後,德國、奧地利、英國等國的猶太團體迅速向英國首相張伯倫呼籲,要求英國政府為猶太兒童提供臨時庇護。第二天,英國內閣進行辯論,決定執行"兒童運輸"(Kindertransport)計劃,允許未滿18歲的猶太少年兒童在沒有成年人陪伴的情況下進入英國。1938年12月2日,在"水晶之夜"發生三周後,第一批近200名猶太兒童抵達英國東部的哈裡奇。在第二次世界大戰爆發前不到一年的"時間窗口"內,共約10000名猶太兒童入境英國。

當時"兒童運輸"的悽慘場景,難以用語言描述。為了讓孩子擺脫即將到來的滅頂之災,父母忍受很可能是永久的骨肉分離,將孩子送往未知之旅。突如其來的變故,讓孩子們驚恐萬分。幼童們誤以為遭到了父母的拋棄,稍大一點的孩子們預感到,這可能是他們與父母的訣別。"兒童運輸"計劃有諸多限制條件。他們在英國暫居期間將接受職業培訓,但最終必須離開英國,以免與英國公民競爭就業機會。猶太團體為兒童難民提供初到英國的資金,以免成為英國公眾的經濟負擔,並提供再次移民的經濟擔保。

水晶之夜

"為了避免不必要的場面",告別被安排在站臺幾個街區以外。每個孩子只被允許隨身攜帶一隻手提箱、一個袋子、十個德國馬克和一張照片。書籍、玩具和貴重物品被禁止攜帶,一旦發現將被身著制服的官員們沒收。到達英國後,當地家庭前來領養孩子們。這誠然是一種崇高的慈善行為,但在實施中並沒有充分顧及孩子們的感受。自然,"好看"(並且看起來不太像猶太人)的孩子很快被挑走;而那些"不那麼好看"的孩子,不得不滯留在臨時宿舍。一旦沒有被選上,他們只能承擔無薪工作。

對於今天的我們來說,這一切似乎那麼遙遠,甚至虛幻到不可思議,只可能發生在歷史書上。但是仔細一想,"兒童運輸"時代距今不過幾代人,甚至還不到一個世紀!

"兒童運輸"列車上的猶太兒童們,其中百分之九十從此與父母永別。與他們相比,阿爾諾·艾倫·彭齊亞斯無疑是極其幸運的。1939年晚春,六歲的他和弟弟每人拎著一個箱子和一包糖果,在父母"照顧好弟弟的"叮囑聲中登上"兒童運輸"列車。列車開動後,他安慰弟弟"現在沒事了"。沒過多久,早有籌劃的父母也來到英國,全家團聚。

猶太兒童成功避難英國

面對國內國際的呼聲,美國國會通過一項議案,同意有條件地接收猶太兒童移民。在感謝這份善意的同時,我們不應忽視這樣一個事實:美國政府精心設計了一個苛刻的選擇標準。那些不符合美國利益(經濟上不富有、缺乏美國所需要的技能等)的猶太人將被拒之門外。至於回到原籍國後等待他們的是怎樣的命運,則不在美國政府的考慮範圍內。

1939年12月,彭齊亞斯一家登上一艘海輪,橫渡大西洋,前往"無限機會之地"。一家人在埃利斯島登陸,這裡是準移民們的入境站。除了做細緻的體檢外,準移民們還被問及一些私人問題。例如,"你做什麼工作?你有多少錢?你怎麼獲得的?把你的錢給我看看。誰支付了你的船票?你在歐洲籤過美國工作的合同嗎?你在美國有家人或朋友嗎?有人願意為你擔保嗎?你是無政府主義者嗎?你是共產主義者嗎?"準移民們的衣服上,被移民官用彩筆標上代表各類審查結果的字母,其中一些人將被淘汰。一些機靈的準移民,偷偷地把衣服上對自己不利的標記抹去,以便矇混過關。

猶太移民們稱埃利斯島為"淚之島",這並非空穴來風。為了避免被遣返回"舊世界"後坐以待斃,許多被淘汰者寧願在埃利斯島自殺。在《埃利斯島的故事》(後來被羅伯特·布伯拍攝成紀錄片)中,喬治·法瑞克寫道:"對我來說,埃利斯島是流亡之地,是個無空間的空間。"彭齊亞斯一家通過了埃利斯島的移民審查程序,進入了美國。

現埃利斯島風貌

定居紐約後,兄弟倆開始上學,父母找到了公寓管理員的工作,全家得以免費居住在公寓的地下室。數年後,母親在一家成衣廠做縫紉工,父親被大都會博物館錄用為木匠。隨著工作壓力的減小和對環境的不斷適應,父親在保險公司找了一份兼職工作,甚至擔任了當地工會的負責人。彭齊亞斯一家的經濟情況得到改善,重新回到"水晶之夜"之前的中產生活。

1951年從布魯克林技術高中畢業後,阿爾諾·艾倫·彭齊亞斯進入紐約城市學院學習化學。兩度換專業後,他於1954年獲得物理學學士學位。此後的兩年,他在美國陸軍通信兵團擔任雷達軍官,並結婚。1956年,他進入哥倫比亞大學放射實驗室,在查爾斯·湯斯的指導下研究微波物理學,分別於1958年和1962年獲得物理學碩士和博士學位,博士論文是有關設計用於射電天文學實驗的雷射放大器。

獲得博士學位後,彭齊亞斯來到新澤西州,加入美國電話電報公司(AT&T)的貝爾實驗室。雖然初衷只是短期的博士後研究,但他最終在那裡工作了37年。當時,有關宇宙的起源存在兩種理論。第一種被稱為"穩恆態宇宙學",由英國劍橋大學的天體物理學家赫爾曼·邦迪、託馬斯·戈爾德和弗雷德·霍伊爾在1948年提出。他們認為,宇宙在時間和空間上都保持恆態。

貝爾實驗室

第二種宇宙起源理論更具爭議性,認為宇宙處在不斷膨脹中。1929年,愛德文·哈勃提出,星系以極快的速度移動,意味著星系之間的空間在連續擴張。以喬治·伽莫夫為首的一些物理學家採納了這種觀點,認為星系之間的距離在過去一定更小。如果極限倒推,意味著宇宙曾經是一個密度極大地點。基於物理定律,伽莫夫和同事們證明,宇宙誕生的那一刻密度極大、溫度極高。

宇宙中的一切,都起步於"大爆炸"的那一刻。1964年,彭齊亞斯和同事羅伯特·威耳孫為這兩種理論的爭辯畫上了句號。當時,他們正在測試一臺用於射電天文觀測的超靈敏低溫微波接收器。微波是波長幅度在1毫米到1米之間的電磁輻射波(如光、無線電或倫琴射線),可應用於微波爐、雷達、手機、無線區域網、藍牙通信設備等。

這臺十分靈敏的巨型蝸牛狀接收器接收到了非常微弱但持久的"嘶嘶"聲信號。由於天線在各個方向接收到的信號強度完全相同,他們無法識別和追蹤信號的原始方向。起初,他們猜測這種持續的"煩人"信號來自鄰近的紐約市。後來,他們又懷疑噪聲源自鴿子糞便弄髒了巨型天線。在清理天線後,噪聲仍然是各向同性的。

彭齊亞斯和羅伯特·威耳孫

在排除所有可能的噪聲源後,他們斷定信號來自外太空的宇宙射線。1965年,彭齊亞斯和威爾遜在《天體物理學報》上發表了"在4080兆赫茲上額外天線溫度的測量",宣布了這項發現。不久,以羅伯特·迪基為首的普林斯頓大學宇宙學家們在同一雜誌上發表"宇宙黑體輻射",認為這個額外的輻射就是宇宙微波背景的信號,源自宇宙形成時的大爆炸殘餘。

宇宙微波背景的發現,證實了宇宙大爆炸理論。科學家們由此推測,宇宙存在確定的誕生時間,這一時間大約在150億年前。宇宙微波背景的發現,被譽為20世紀人類最重大的科學成就之一,即使在五十多年後的今天,依然意義重大。微弱的微波噪聲、宇宙大爆炸的殘餘,依然是宇宙學新發現的源泉。1972年,阿爾諾·彭齊亞斯成為貝爾實驗室無線電物理研究部門的負責人。

1976年,他被任命為無線電研究實驗室主任,帶領六十多位年輕科學家和工程師從事無線電及其通信應用的研究,同時繼續射電天文學方面的個人研究。1981年,他被提升為貝爾實驗室負責研究的副總裁。在職業生涯的後期,他逐步退出一線研究,關注於指導年輕科學家。同時,他加入了一家風險投資公司,助推科技類創業公司。

宇宙微波背景輻射

也許對於童年的顛沛流離心有餘悸,阿爾諾·彭齊亞斯幾乎從未離開過紐約和新澤西州。

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