天線裡煩人的噪音竟是創世的第一縷光？

審核專家：魯暘筱懿

行星物理學博士、國家遙感中心副研究員

熟悉北京科學中心的小夥伴一定知道，在主展館的地下有一個酷炫的區域——「小球大世界」主題展教區。

「小球大世界」能利用空間立體展示技術，將地球上大氣的運動、陸地的變遷、冰雪的消漲、海洋的流動，以及宇宙中天體的運轉逼真地重現在我們眼前，極具視覺衝擊力。

今天，我們又搞了個新花樣，你知道下面這個花花綠綠的大球是什麼嗎？

上圖為宇宙微波背景輻射在全天空的分布，越紅表示輻射對應的溫度越高，越藍則代表輻射的溫度越低，輻射平均溫度約2.7開爾文，範圍在平均溫度上下萬分之二開爾文。原始數據與圖像來自美國國家航空航天局威爾金森微波各向異性探測項目（NASA WMAP Science Team）

來源｜北京科學中心小球大世界主題展教區

說出它的「身世」你可能會嚇一跳，它是宇宙誕生後發出的第一縷光，穿越了約138億年時光被我們觀測並描繪了出來，學名叫做宇宙微波背景輻射。

你知道嗎？宇宙微波背景輻射無處不在，時時刻刻「縈繞」在我們身邊，當你仰望天空，它就正以光速向你衝來。

這創世的第一縷光到底是怎樣的存在？138億年裡它都經歷些什麼？是誰第一個發現了它的存在？

這還要從80多年前那兩個掏鴿子窩的無線電工程師說起……

消除不掉的神秘噪音

上世紀六十年代，貝爾實驗室的兩名無線電工程師，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜，正被一種神秘的噪音搞得焦頭爛額。

那時，他們正在調試一臺位於新澤西州的喇叭天線，試圖用它接收從衛星傳來的微波信號，想用微波來實現地面與衛星之間的通信。為了讓接收到的信號更清晰，實現高效的通信，他們首先要儘可能地將幹擾消除，把噪聲降到最低。

阿諾·彭齊亞斯、羅伯特·威爾遜，以及Holmdel 喇叭形天線

來源｜Bell Labs

一開始還算順利，但隨著工作的進行他們發現在4080MHz的頻率附近，總能收到一種奇怪的噪音。這個頻率的噪音對應的能量相當於一個3開爾文的理想黑體輻射出的能量。

阿諾·彭齊亞斯、羅伯特·威爾遜，以及Holmdel 喇叭形天線

來源｜NASA

更奇怪的是這種鬼魅般的噪音似乎是憑空出現的，沒有一個明確的源頭，無論他們將天線對準天空的哪個方向，都能偵測到同樣強度的噪音。

他們一度懷疑噪音來自天線裡的鴿子窩以及鴿子在天線上留下的糞便，阿諾·彭齊亞斯還將鴿子糞稱為「白色的介電物質」。

於是，他們一舉「端了」鴿子窩，趕走了鴿子，清洗了天線上的鴿子糞，還順便重新組裝了天線，給設備的裡裡外外做了一次大掃除，把周邊可能影響到信號質量的雜物都清理一空。

鴿子：咕咕咕？就知道把鍋甩給我！

來源｜unsplash

然而，令人失望的是這種神秘的噪音依然存在。

莫非這個噪音不是來自地球，而是源於浩瀚的太空？

這時，一位來自普林斯頓大學的天體物理學家注意到了這兩個人，並且覺得事情並沒有那麼簡單，他的名字叫羅伯特·亨利·迪克。

迪克：我就知道事情沒有那麼簡單！

來源｜Wikipedia

1965年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜將他們關於神秘噪音的發現發表在了《天體物理學報》上，論文題目是《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》。隨後，迪克和其他天體物理學家對阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜描述的現象做出了解釋。

其實，天線裡煩人的噪音正是天體物理學家苦苦追尋的宇宙微波背景輻射，這個發現為宇宙大爆炸理論提供了有力的證據。小小的噪音裡，暗藏著宇宙起源之謎。

小夥伴們是不是跟不上節奏了？怎麼噪音就成揭示宇宙秘密的關鍵了？這就不得不說起那篇愚人節發表的「搞笑的論文」。

「諧音梗」論文與被玩壞的第二作者

1948年4月1日愚人節，一篇詭異的文章赫然出現在了《物理評論》中，文章的作者分別是：阿爾菲、貝特和伽莫夫，正好與前三個希臘字母α、β、γ諧音。

其實，對這篇文章真正有貢獻的只有伽莫夫和他的學生阿爾菲，不過當發表日期與作者署名同時映入伽莫夫的腦海時，奇怪的事情發生了！

他竟然把一個從未參與到他們研究的人名強行加到了第二作者的位置，這個人就是漢斯·貝特。這可以算是學術界最著名的惡作劇之一了。（這段故事我們曾在去年愚人節介紹過，點擊這裡看看科學家們還有哪些趣事）

依次是阿爾菲、貝特、伽莫夫

來源｜francis.naukas.com

比論文署名更讓人吃驚的是文章的內容，伽莫夫和他的學生們發展了牧師、天體物理學家勒梅特的學說，認為宇宙最初是一個體積不大的「大火球」，「大火球」不斷變大、冷卻，形成了各種化學元素，最終演變成今天的宇宙。

同為物理學家的但持反對觀點的弗雷德·霍伊爾給這個學說起了一個名字——大爆炸（Big Bang），這便是宇宙大爆炸這個詞的來源。

伽莫夫等人根據自己提出的假說推算出了宇宙中的氦元素豐度，並預言現今宇宙中存在背景輻射，輻射的能量相當於溫度為5至10開爾文的理想黑體。

說到這兒，小夥伴們是不是已經反應過來了，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜觀測到的噪聲難道就是伽莫夫預言中的背景輻射？

答案正是如此，物理學家苦苦追尋多年的宇宙背景輻射就這樣被兩位無線電工程師誤打誤撞地發現了。

這個發現鼓舞了天體物理學家，一代代科學家與工程師開始投入到對宇宙微波背景輻射更精細的測量工作中。阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜也因此獲得1978年諾貝爾物理學獎。

來源｜nobelprize.org

目前，主流的學術觀點認為在宇宙誕生後的大概第38萬個年頭，光子「解脫了束縛」（物質與輻射退耦合）得以向外輻射，那時的輻射相當於一個溫度約3000開爾文的黑體。隨著宇宙的膨脹，輻射向外傳播，由於紅移效應，現在的宇宙背景輻射僅相當於一個溫度約3開爾文的黑體。

更精細的觀測

自阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜之後，天體物理學家開展了一系列更精細的觀測，其中有三個探測器最為矚目，它們分別是1989年至1996年運行的宇宙背景探測者衛星（COBE）；2001年發射2010年退役的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）；2009年升空的普朗克衛星（Planck）。

COBE、WMAP、Planck得到的結果對比，隨著技術進步，人們得以觀測到宇宙微波背景輻射更多的細節

來源｜NASA/JPL-Caltech/ESA

正如之前所講，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜用微波天線觀測到的宇宙微波背景輻射在天空的各個方向基本上是完全相同的，十分地均勻。這也與人們猜想基本一致，來自早期宇宙的光在宇宙膨脹的同時基本上是均勻地向外輻射的，光的頻率也隨之降低。

然而，以COBE、WMAP、Planck為代表的更精細的觀測發現，宇宙微波背景在黑體輻射光譜的平均溫度約為2.72548開爾文，並且它不是完全均勻的，而是在不同方向有著微小的起伏，起伏的範圍在平均溫度上下萬分之二開爾文之間。

人們發現宇宙微波背景輻射並不是均勻的，並通過更精細的觀測一步步發現了它的細節

圖中央溫度較高的信號來自銀河系，可通過一些手段消除

來源｜NASA

可別小看「不均勻」三個字（物理學上叫做各向異性），這些細微的不均勻性是由於光子在旅途中與天體發生了相互作用，它們也因此攜帶了這些天體的信息。如同信使一般，為我們帶來宇宙深處的消息。從這上下萬分之二開爾文的起伏之間科學家可能解讀出宇宙演化過程中的秘密。

對此，物理學家提出了許多理論與假說，比如有些物理學家提出宇宙中的高能電子可能會把自己的一部分能量轉移給微波背景輻射中的光子，使得這些光子的能量增加（這個過程叫逆康普頓散射），解釋了微波背景輻射中為什麼有一部分區域溫度更高，這被稱為Sunyaev-Zel'dovich效應。

此外，物理學家還拓展了觀測的頻率範圍，觀察了幾個典型波段下輻射的溫度分布。

幾個典型頻率下的背景輻射，中央的溫度較高的信號來自銀河系，越紅表示輻射對應的溫度越高，越藍則代表輻射的溫度越低

原始數據與圖像來自美國國家航空航天局威爾金森微波各向異性探測項目（NASA WMAP Science Team）

來源｜北京科學中心小球大世界主題展教區

把球面展開來看幾個典型頻率下的背景輻射，中央的溫度較高的信號來自銀河系，越紅表示輻射對應的溫度越高，越藍則代表輻射的溫度越低

來源｜美國國家航空航天局威爾金森微波各向異性探測項目（NASA WMAP Science Team）

光波本質是電磁場振蕩的傳播，而振蕩是有方向的，這被稱為光的偏振。人們意識到來自不同方向的背景輻射的偏振情況也是不同的，於是出現了大量關於背景輻射偏振情況分布的研究。

包含偏振信息的宇宙微波背景輻射在全天空的分布

來源｜美國國家航空航天局威爾金森微波各向異性探測項目（NASA WMAP Science Team）

來源｜北京科學中心小球大世界主題展教區

雖然人們已經從微波背景輻射中發現了許多宇宙的秘密，但是關於宇宙的大尺度結構與宇宙的起源仍有許多未解之謎，我們至今還沒有一套完整的模型來描述我們的宇宙。

曾有學者將宇宙微波背景輻射比作宇宙學研究的「富礦」。隨著普朗克衛星的發射，我們能看到微波背景輻射中更多的細節，然而人類目前從中解讀出的信息可能依然只是「冰山一角」，在宇宙138億年的歷史中，仍有許多「故事」等待我們去發現。

看到這裡你有沒有對宇宙的奧秘充滿好奇呢？快隨我們來到「小球大世界」去了解更詳細的知識吧！