周生智 发表于 2015-5-3 23:01:52

宇宙大爆炸(三)

宇宙大爆炸(三) http://space.tv.cctv.com/video/VIDE1245510542643888

  在一幅曾经流行的招贴画中,作为“宇宙大爆炸”理论提出者的伽莫夫,被假想成从装有大爆炸太初物质的瓶子中跳出的魔鬼。在霍依尔提出,如果大爆炸真的发生过,请问爆炸所遗留下来的痕迹在哪里的质疑以后,伽莫夫和他的学生就在研究这个问题。伽莫夫和他的学生们坚信,高热爆炸产生的辐射,即使是在100多亿年后的今天,也不会完全消失。伽莫夫依据什么,得出这样的结论呢?
  如果我们烧一堆篝火,或者进行一次爆炸,都会产生明亮的光,这些光向四面八方飞去,以后我们自己再也没有机会看到。但是假如有一个外星人在遥远的地方向这里眺望,他是可以看到这些光的。由于宇宙大爆炸是在整个宇宙中发生的过程,因此,无论我们向哪个方向看,都能看到这些光。随着宇宙的膨胀,这些光的波长也随之增加,现在处于毫米波的微波波段,温度也已经低到绝对零度(零下273度)以上几度,所以肉眼看不见了,但还是应该能用仪器探测到。
  正是由于知道了这一点,伽莫夫才对找到大爆炸遗留的辐射充满信心。在铁幕的另一边,前苏联核武器设计的负责人泽尔多维奇和他领导的科研小组,在完成氢弹的设计研究工作后,也开始研究宇宙大爆炸理论,他们也注意到,大爆炸过后会有余光残留下来。用什么观测手段,才能找到这样的辐射呢?由于长期从事国防研究,他们一直关注着美国在电子技术方面的最新进展。不久前,美国贝尔实验室建立了一座用于卫星通信试验的,高灵敏度微波天线。苏联人注意到,这座天线的灵敏度应该足以探测到大爆炸的遗迹。然而阅读美国人关于这座天线的实验论文,似乎并没有提及这样的热辐射,这使苏联人一度认为,宇宙大爆炸理论也许并不成立。
  实际上,贝尔实验室对这座天线性能的测试并不彻底,对卫星通信来说这也不是必要的。卫星通信实验结束以后,贝尔实验室的两位科学家,阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊希望用它做一些射电天文研究,在正式开始研究以前,他们决定先进行严格的测试和校准。
  在进行测试和校准的过程中,他们意外地发现天线接收的信号里有多余的噪声。他们不知道噪声从何而来,也许传输线路和电子器件本身会有噪声,也许噪声来自大气层或是地面辐射。这些可能性一一排除以后,噪声依然存在。找不出问题的根源使他们非常着急。
  威尔逊和彭齐亚斯觉得,实验室就在纽约附近的小山上,是不是城市的噪声传过来了呢?他们把天线对向纽约,结果没发现任何特别的状况,这意味着纽约并没有发出那种频率的噪声。不管把天线对着哪个方向,烦人的噪声总是挥之不去,即使把天线指向太空,噪声依然存在。
  威尔逊和彭齐亚斯心想,既然噪声与方向无关,是不是天线本身的问题呢。他们在检查以后发现,天线里面住了一对鸽子。在他们接管这里之前,天线闲置了很长时间。鸽子住在里面,弄得到处都是鸽粪。威尔逊和彭齐亚斯觉得,这下总算找到根源了。他们花了两个星期来清除鸽粪,并把鸽子送到了离贝尔实验室最远的分公司。但几天以后,鸽子又飞回来了。他们只好请工人带猎枪过来。
  鸽子事件以后,奇怪的无线电噪声仍然不断,威尔逊和彭齐亚斯用了一年的时间,彻底检查他们的天线。到第二年,他们快要绝望的时候,彭齐亚斯偶然和同行伯克聊起此事,伯克说:他的一位朋友,曾听过普林斯顿大学一位叫皮伯斯的学者作过的一个报告,谈到他们也在进行类似的工作。伯克告诉彭齐亚斯,他们发现的奇怪噪声,可能正是普林斯顿大学狄基小组,正在寻找的东西。于是彭齐亚斯赶紧给狄基打去电话。
  狄基教授是位很有思想的科学家,在他看来,宇宙可能既不像霍伊尔所说的那样永恒不变,也不像勒梅特和伽莫夫所设想的,在某一时刻创生。宇宙可能是永恒存在却循环往复,先膨胀,然后再收缩,缩到一定程度再反弹,开始新一轮的膨胀。他意识到在这样的模型中,宇宙收缩后反弹的那一刻温度、密度也很高,其实非常类似伽莫夫的宇宙大爆炸条件。而且,他也意识到爆炸后会有热辐射遗留下来。
  狄基教授在第二次世界大战时,曾从事雷达研究,并发明了计量微波辐射的仪器。这个仪器正好在此次实验当中用上。他让助手之一的皮伯斯从事理论计算,而另一位助手威尔金森则设计实验仪器。他们将天线安装到了普林斯顿大学的屋顶上。就在他们自信把探测仪器调试得完美无缺的时候,接到了罗伯特·威尔逊的电话。
  电话铃响的时候,普林斯顿大学研究组的成员都在狄基教授的办公室。当他们听说有关天线的事时,大家的耳朵都竖起来了。因为在他们听来,贝尔公司拥有普林斯顿正在建造的设备,而且似乎也在做同样的工作。狄基教授接完电话后对他的同事们说:“我们被人抢先了”!
  狄基教授和他的同事们,立刻带上自己的资料来到贝尔实验室,他们要亲身体会这个无线电波的噪声。当罗伯特·威尔逊和彭齐亚斯看到狄基教授带去的仪器和记录时,他们终于明白,那个推论中的宇宙大爆炸的“痕迹”,被他们无意中发现了。
  宇宙微波背景辐射,也就是大爆炸“痕迹”的发现,以确凿的证据证明了,宇宙的确曾经处于与今天完全不同的高温高密状态,这是继哈勃发现宇宙膨胀之后,宇宙学研究上的又一个重大突破。
  认为宇宙起源于“原始原子”,并以此说服爱因斯坦的勒梅特,在他临终前几天听到了这个消息。他的宇宙创生于“没有昨天的那一天”的猜想,终于被科学所证明。而建立了完整的大爆炸理论,并对遗迹辐射温度做出科学预言的伽莫夫,则以他特有的幽默来回应人们的祝贺:“我也许确实丢过一分钱。但当有人在街上捡到一分钱时,我也不能说那一定就是我丢的。”这位谦逊的物理学家于1968年去世,而彭齐亚斯和威尔逊,也因为自己的发现,在13年后的1978年,获得了诺贝尔物理学奖。
  宇宙微波背景辐射被发现的时候,斯蒂芬·霍金正在剑桥攻读博士学位,这件事情很可能促使他选择大爆炸和爱因斯坦的相对论,作为博士论文的研究主题。
  霍金刚到剑桥的时候,是想拜霍伊尔为师的,但霍伊尔那时不收新学生,霍金转投到了丹尼斯·希尔玛门下。丹尼斯·希尔玛开始也是稳恒态理论的支持者,后来转为支持大爆炸理论了,他对霍金的帮助很大。
  研究活动刚开始,霍金就遇到了很大的麻烦:在剑桥霍金并没有一个好的开始,他刚被诊断出得了肌肉萎缩侧向硬化症,根本不知道能不能活到念完博士,而又一直找不到论文的适当题材。
  斯蒂芬·霍金当年的导师丹尼斯·希尔玛,晚年就住在意大利的威尼斯。他回忆那时的情景说:博士论文必须要包含大量的原创知识,这是一个很大的负担。因为你必须要在3年的时间内,作出这样一篇论文,里面一定得要有成果。当时正是宇宙学很不兴盛的时候,斯蒂芬的进度很慢。他找不到好的论文题目,而希尔玛自己,也没有好的东西给他。
  时间越来越少,在剩下不到一年的时候,斯蒂芬·霍金受牛津大学数学教授罗杰·彭洛斯的启发,决定从爱因斯坦的相对论入手,看看它对宇宙还能预示些什么。霍金的导师希尔玛,是彭洛斯的好朋友,希尔玛就决定到牛津去,听听彭洛斯的意见。
  彭洛斯正在研究爱因斯坦方程可能导致的另一种结果,即由于引力的驱使,大量的物质,坠入一个密度极大的区域中,以致光都无法从中发出来,这个区域就是“黑洞”。黑洞中存在着一个密度无限大的点,在这里,一切已知的物理学定律,都要失效,这就是所谓时空的“奇点”。
  彭洛斯的研究结果显示,宇宙中大质量的物质,即大质量的恒星会坍塌,并最后被压缩成“黑洞”,这一过程在所难免。霍金恰好就从这一点寻找到了突破,据他的导师希阿玛回忆,霍金意识到,如果把彭洛斯所描绘的坍塌过程反转过来,那么扩张的宇宙也就是正在反向的坍塌。这恰好就是大爆炸发生的过程。
  1970年,霍金和彭洛斯在论文中证明,如果广义相对论和经典物理学是正确的,那么,时空中一定存在着“奇点”。因此黑洞和宇宙大爆炸都不是奇怪的事,而且是不可避免的。
  宇宙微波背景辐射被发现后,一些原来主张稳恒态理论的人,转而接受大爆炸理论。但是霍伊尔并没有完全认输,他和持相同观点的几位科学家,一直尝试用别的办法解释宇宙微波背景辐射。他们设想,普通星系发出的光,如果被宇宙中均匀分布的尘埃吸收,然后再以较低的能量发射出来,会不会也能产生我们看到的宇宙微波背景辐射呢?
  霍伊尔所说普通星系发射的光,产生的辐射很难具有完美的黑体辐射谱。所谓黑体是指能够吸收而不反射和透射所有波长电磁辐射的物体。这种辐射在室温下因肉眼不可见而呈黑色,1000度左右呈红色,随温度升高陆续转为黄色、蓝色。炼钢工人就是这样从炼钢炉窗口的颜色来判断炉温的。早期宇宙满足黑体条件,它产生的辐射应该有接近完美的黑体辐射谱。
  彭齐亚斯和威尔逊的观测只是在一个波长处进行的,虽然与绝对温度3度的黑体辐射在该波长的强度相符,但要进一步证实它是不是大爆炸的遗迹,是否具有完美的黑体辐射谱,还需要在其他各个波长,特别是毫米波段进行精确测量。1975年,美国航空航天局决定,采纳本局戈达德航天中心物理学家约翰·马瑟等人的意见,专门研制一颗卫星,用以对宇宙微波背景辐射,进行精确测量。这颗卫星被命名为COBE。马瑟负责辐射谱仪的研制,还担任了COBE卫星的总负责人。
  1989年一个多风的早晨,美国航空航天局将COBE卫星送上了太空。COBE 最初9分钟的观测结果就表明,宇宙微波背景辐射确实具有完美的黑体辐射谱,大爆炸理论得到了进一步的证实。
  大爆炸理论已接近完整。但是仍然有一个重要的问题:如果要形成星系,最初的宇宙必须不是完全均匀的。彭齐亚斯和威尔逊发现的辐射,应该能够反映这一点。但它却似乎与方向无关,如果大爆炸理论正确,那么各方向上的辐射必定有所不同,这一定要有观察的证明。
  今天的宇宙并不是完全均匀的。早在哈勃和兹威基的时代,从事观测的天文学家们就发现,在他们得到的照相底片上,星系的分布并不是完全均匀的,而是有的地方密一些,有的地方稀一些。但是,星系在空间中究竟是怎样分布的呢?
  20世纪80年代,几个研究小组分别测量了几千个星系的红移。其中影响最大的是哈佛-史密思天体物理中心的观测。这些观测揭示了星系的三维空间分布。
  星系结构的不均匀分布,导致宇宙空间呈现一种大尺度的结构状态。这一点,尤其在河外星系表现得非常明显。河外星系的空间尺度之大,经常要以10亿光年来计算。那么,这些大尺度结构又是怎样形成的呢?
  美国的皮伯斯和前苏联的泽尔多维奇等人认为,早期宇宙中,物质密度可能存在一些非常微小的不均匀性,它们在引力的作用下逐渐成长为星系、星系团、以及更大尺度的结构。如果是这样,宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏,天文学家称之为各向异性。而探测宇宙微波背景辐射中的各向异性,是COBE卫星的另一个重要任务。
  这个任务,落到了美国伯克利大学教授——乔治·斯穆特的肩上。乔治·斯穆特是一位宇宙学家,他认为,这项工作是一个大的挑战。如果能找出宇宙微波背景辐射在不同方向上的微小变化,宇宙形成及扩张的秘密,将进一步解开。
  斯穆特用一个类似普林斯顿大学使用过的定向号角天线,开始了一系列试验。他希望做出一张详细的地图,来标出大爆炸残留的遗迹,并勾画出银河及宇宙的结构。随后,斯穆特和他的小组,研制出了一套能消除包括地球大气层干扰在内的,具备高灵敏度的仪器。为了把这样精密的仪器带出大气层,他们最早尝试使用充氦的气球。但是气球很不可靠,而且容易受风的影响改变方向。他们又选择改用U2飞机,但很快发现飞机不能像气球那样停留在同一个位置,再加上燃料的限制,使用飞机的计划,也只好放弃。
  他们发现,最好的选择是使用人造卫星。因为人造卫星完全在地球大气层之外工作,又可以停留在地球同步轨道的任何位置上,既具有必要的稳定性,而又不用担心来自大气层的干扰。
  几年之后,美国太空总署给了斯穆特机会,这就是COBE卫星。COBE卫星升空不久,就发回来了准确的观测数据。在第一天快要结束的时候,斯穆特教授得到了一张清晰度前所未见的宇宙照片。他和他的小组花了一整年的时间,收集了3亿个观测数据,用计算机绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图像,斯穆特将它称之为“宇宙蛋”。
  这个宇宙蛋所显示的,是大爆炸结束时宇宙的图像,粉红和蓝色的区域分别表示温度的变化。宇宙微波背景辐射是非常均匀的,但是如果我们去掉均匀的背景,就可以看到各向异性。红色代表温度较高的区域,蓝色代表温度较低的区域。在这幅图中,我们看到,由于地球相对于宇宙微波背景辐射的运动,多普勒效应导致一边温度更高,这里用红色表示。我们再除去地球的运动。中间的红色带是由于银河系辐射的污染。再去掉这一块,剩下的就是宇宙微波背景辐射的“皱纹”。形成星系所不可缺少的,大爆炸后存留于宇宙不同方向上的,温度细微变化的证据,被找到了。
  斯穆特当时还不敢完全相信这个结果,他因此请求组里一位同事再重新单独处理一下COBE发回来的数据,但是他没有告诉这位同事他自己已经得到的结果。第二天早上,斯穆特在自己办公室的门下看到一张计算机图像,这张图和斯穆特自己用计算机绘制出来的图,一模一样。上面还贴着一张写有希腊文“Eureka”字样的纸条,这个希腊词“Eureka”,是阿基米德发现浮力原理以后说的。意思是“我找到了,我发现了”!
  COBE的探测结果,使大爆炸的理论再次得到观测的证实,大爆炸也终于被大多数人所接受。斯穆特教授筹建了一个博物馆,来纪念这项发现。当然,COBE的成功也有约翰·马瑟的功劳。由于约翰·马瑟和乔治·斯穆特在宇宙微波背景辐射研究中的贡献,他们在2006年获得了诺贝尔物理学奖。在马瑟和斯穆特获得诺贝尔奖的31年前,也就是1975年,斯蒂芬·霍金也因为大爆炸理论,得到了罗马教宗的接见。宇宙产生于一次大爆炸的观点,在科学和宗教两方面,都能找到认同。然而,大爆炸的理论并非就此完美无缺,它仍然还有一些问题需要解决。
  1978年11月13日,美国普林斯顿大学的狄基教授,来到康奈尔大学做关于宇宙学的学术报告。在狄基的听众中,有一位是在粒子物理学研究组做博士后的阿伦·古思。谁也没有想到,就是这场报告,在当时名不见经传的古思心里,埋下了一颗种子。不久之后,古思提出了关于宇宙起源的新理论,使人们对宇宙大爆炸的认识,又深入了一步。
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