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第83章 宇宙微波背景辐射

 彭齐亚斯和威尔逊简介

彭齐亚斯来自慕尼黑的一个犹太人家庭。他生于1933年,正好是盖世太保成立的那一天(4月26日)。他家是1939年离开纳粹德国去英国的最后一批家庭之一,他和弟弟是春天去的,然后是父亲,最后是母亲。全家团聚后于1939年12月乘船去纽约,1940年1月到达并定居下来。教育使这个已经穷困的移民家庭的儿子有机会在世界上发展,彭齐亚斯于1954年从纽约城市学院毕业,得了一个物理学学位。作为通信兵在军队服役两年后,他进了哥伦比亚大学当研究生,1962年获博士学位。

威尔逊来自一个与彭齐亚斯大不相同的背景。他1936年生于得克萨斯州的休斯敦,父母都上过大学,父亲是化工工程师。他在休斯敦的赖斯大学上学时所有科学课程的成绩都是A,1957年毕业时美国最好的两所研究型大学,麻省理工学院和加州理工学院,都愿意录取他当研究生。他选择了加州理工学院,但对做什么方面的研究却没有拿定主意。这时他受到两位英国天文学家的影响。一个是霍伊尔,在加州理工学院以访问教授的身份讲授宇宙学课程,使威尔逊喜欢上了稳恒态理论;另一个是德怀斯特,建议威尔逊去同一位当时在该学院的澳大利亚射电天文学家博尔顿一起做研究。于是威尔逊就去和博尔顿一起对银河系作射电巡视,绘出其中的氢气体云。结果倒并不是特别重要,氢气体云图是绘出来了,只是证实了澳大利亚一个小组绘制的一幅同类图的准确性。威尔逊也像彭齐亚斯一样对自己的第一个研究课题的完成质量表示不满。

 微波背景辐射的发现

1964年,贝尔实验室有一架卫星通信用的喇叭形天线开始工作。由于天线是喇叭形的,因此有很强的方向性。当它朝向天空时,地面和旁边的无线电干扰对它影响很小。因此,这样的天线非常有利于测量天空中各种原因造成的噪声。这里的噪声是指通信、广播中影响正常信号传送的各种无规则的信号。一般来说,温度越高,对应的噪声越大。即使不是热运动造成的噪声,也可以给它一个对应的有效噪声温度,以此来表示各种原因的噪声水平。

通信工作者为了提高通信的质量,长期致力于消除各种噪声的工作,或者至少要查明各种噪声的原因。仪器的噪声越低,则其测量的灵敏度就越高。

彭齐亚斯和威尔逊的工作就是,利用这架方向性很好的喇叭形天线来查明天空中各种原因的噪声,也就是测量天空的有效噪声温度。当喇叭口指向天空,若地面温度为27℃,即绝对温度等于300K(27+273=300)时,计算表明地面噪声在天线中会造成0.3K的噪声水平。在他俩对整个测量装置和线路做了最大限度的降噪处理后,包括用液氦(4K)冷却终端,测得天顶有效噪声温度为6.7K。扣除大气吸收、天线电阻损耗以及地面噪声的贡献后,得到3.5K的剩余。这个结论远大于理论预言的0.3K。彭齐亚斯和威尔逊检查了整个系统,最终仍不能消除这个剩余的温度。

于是彭齐亚斯和威尔逊就忙于探查自己系统中那令人恼火的噪声源。他们做得如此之彻底,甚至去清扫那号角状天线上的鸽子粪,但都没有效果。

此时,普林斯顿大学的天体物理学家迪克等正准备制造一架射电望远镜来搜寻“原始火球”辐射。原始火球是他们根据哈勃定律预言的。哈勃定律告诉我们,宇宙中的星系都在互相远离,如果把这种相互远离的运动在时间上向前追溯,就会得出它们过去曾挤在一起的结论。那是一种高温、高密度状态。在该状态中,当然是不会有星系和恒星存在的,有的只是粒子和辐射。普林斯顿大学的科学家们称它为原始火球。这火球以一次大爆炸开始膨胀,物质在膨胀中逐渐冷却而凝聚为星系和星星,此即为哈勃所看到的正在相互远离的星系。但原始火球还有一种遗迹,就是其中的辐射也会在膨胀中逐渐冷却,而且波长变长,到今天已经变成了微波(波长从0.01~1米的无线电波称为微波),且为强弩之末,温度也只有几K了。

迪克等人在做出这种预言时,并不知道彭齐亚斯和威尔逊的工作,所以,他们决定自己制造一架特殊望远镜来寻找微波信号。这架望远镜还没有开始工作,一个偶然的机会,普林斯顿大学的研究组和彭齐亚斯与威尔逊结识了,并进行了互访。结论非常明确:彭齐亚斯和威尔逊所发现的这种消除不掉的噪声,正是迪克等人所预言以及准备寻找的东西——3K宇宙微波背景辐射。

 一点启示

虽然有很多人都有充分的理由,证明自己为发现微波背景辐射做出了贡献,但最终获得诺贝尔奖的是彭齐亚斯和威尔逊。也很难再授给别人而不显得想要的太多反而成为笑柄。从大爆炸开始,此后就平稳地演化至今。有了今日宇宙的温度这样一个量来校准大爆炸,宇宙学家就能使他们的计算更精确,从而得出创生的标准模型,即宇宙从创生后不到1秒时起直到今日的整个故事。然后他们就能进而攻坚,探索到那创生本身的第1秒钟之内,探索大爆炸之前的宇宙。

我们至少可以从微波背景辐射的发现获得一点启示,那就是一个人在任何时候都不能自怨自艾,就如前面所说的,彭齐亚斯和威尔逊都有过挫折,都在科学研究中遭受过失败,但一时的失败并不能证明一生的失利,机会钟爱每一个坚持的人!

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