宇宙荡夫 宇宙膨胀背后的故事:宇宙大爆炸的余波

栏目:科技 2021-11-28 04:33:00
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|程娥

也是在1948年,刚从美国海军退役的马里兰大学青年教师韦伯找到了伽莫夫,介绍自己是微波技术专家,并询问是否有适合他攻读物理学博士的学科。加莫夫不假思索地回答:“没有。”韦伯别无选择,只能转向引力波探测领域。

伽莫夫自己可能也不知道。他的两个弟子阿尔夫和赫尔曼计算出,今天背景中大爆炸后的宇宙应该有5度左右的绝对温度,然后他们就找微波专家咨询观测大爆炸遗迹的可能性。

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二战后,有不少像韦伯这样的无线电专家,其中一些还是相当资深的物理学家。战争期间,原子弹之外的物理学家最突出的贡献大概是在雷达和通信技术方面。战争结束后,这些人才回到大学实验室,利用他们在战争中开发或学习的技术,以各种方式打开科学研究的边界。

20世纪50年代初,英国和澳大利亚的天文学家注意到他们的无线电天线可以接收一些来自外部的无线电波。古尔德和霍伊尔第一个意识到这些波来自银河系之外,可能非常遥远。因为我们用光学望远镜看不到这些无线电波的来源,我们不知道它们是来自恒星还是星系,所以我们暂时称它们为类星体。)

类星体的艺术想象。

后来在1963年,桑达奇等人在帕洛马山上花了很大力气,用海尔望远镜看到了一个与类星体重合的光源,并捕捉到了光谱。果然,这个光谱红移得更加夸张,显示光源的速度达到了每秒47000公里。这时,我们就不能再用现有的“宇宙距离阶梯”来测量它的距离了。我们只能用哈勃定律从速度上推回它的距离,这个距离大约有几亿光年,比胡马森见过的最远的星系远很多倍。

无线电和可见光一样,都是电磁波,只是频段不同。可见光在宇宙中旅行空时会被各种星系和尘埃吸收和散射,造成相当大的损失。另一方面,无线电信号在宇宙中几乎不受阻碍。因此,即使从很远的无线电,也能在地球上接收到。于是,“射电天文学”诞生了。

类星体的发现给霍伊尔等人的“稳态”宇宙带来了难题,他们的理论本质在于“稳定性”:宇宙是不变的,不像大爆炸理论那样有一个起点,并随之演化。

当我们观察恒星空和宇宙时,距离也是时间序列。因为光的传播速度虽然很快,达到每秒30万公里,但并不是无限的。遥远的光到达我们这里需要一些时间。来自数亿光年之外的信号需要数亿年才能到达。也就是说,我们今天看到的类星体实际上存在于数亿年前。

那些上亿年前的类星体,与我们附近更“现代”的星系明显不同:类星体发出强烈的无线电波,而对应的可见光却很弱;熟悉的星云和星系正好相反。这不符合稳态模型中宇宙处处总是相同的描述。更让霍伊尔困扰的是,下面的观测还表明类星体的分布随距离而变化:距离越远,类星体越多,密度越高。

大爆炸理论在这里很方便。大爆炸后,宇宙随着时间的推移而演变。亿万年前的宇宙和今天的宇宙大不相同。当时宇宙温度很高,今天常见的星系和恒星还没有形成。类星体可能是大型星系诞生之前或诞生之初的搅动。大量基本粒子在巨大黑洞周围高速运动和碰撞,发出强烈的无线电波。因为恒星还没有大量形成,所以可见光相对较弱。

类星体离得越远,密度就越高这是大爆炸的自然结果:宇宙膨胀得越早,密度就越高,膨胀后,密度就会降低——也就是说,膨胀后的空空间中没有像霍伊尔想象的那样“打开”的新物质填充。

类星体的发现不仅再次拓展了人类对宇宙认知的视界,也揭示了天之外还有一个世界,使得大爆炸理论在与稳态模型的相持中首次占据上风。不久,更有力的证据出现了。

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二战后,普林斯顿大学的迪克教授对广义相对论和宇宙学产生了兴趣。每周有一天,他和他的学生们会在一片广阔的海洋中讨论这个话题空,直到晚上他们才会一起去镇上的小商店喝酒吃披萨。他不满足于大爆炸理论和稳态理论,因为在这两种理论中,宇宙中的物质属于“无中生有”。他更喜欢弗里德曼对“振荡宇宙”的描述:宇宙不断膨胀和坍缩,所以它周期性地来回运动。这样,宇宙中的物质一直存在,只是密度在变化。

20世纪60年代中期,霍伊尔和同事合作解决了一个加莫夫等人未能解决的难题:宇宙中最初的基本粒子只能通过中子俘获过程产生最简单的原子,锂原子上方出现“断链”,无法维持。霍伊尔等人开发了一套在恒星内部高温高压条件下产生较重原子的反应链,解开了宇宙万物起源之谜。但由于这个原因,较重的原子必须在宇宙膨胀的后期和大量恒星出现之后才能出来。

因此,迪克认为,如果宇宙来回振荡,这些后来的原子必须在宇宙崩溃期间消失,然后才能在下一轮膨胀中再生。而它们消失只是因为坍缩的宇宙已经进入超高温状态,从而所有的原子都被剥离并还原成质子和中子等基本粒子。

迪克认为宇宙的温度可以计算出来。他指导学生皮布尔斯做理论计算。皮布尔斯很快得出结论,宇宙的温度应该是10度左右的绝对温度,因为它最初的高温膨胀和冷却。

那是1964年,阿尔夫和赫尔曼关于宇宙温度为5度的论文已经发表了16年。迪克似乎完全不知道他们的工作,或者完全被遗忘了。他的振荡宇宙的坍缩过程,其实就是爱丁顿和伽莫夫想象的时间逆转的宇宙“倒带”过程。作为理论模型,两者没有区别。

皮布尔斯写完论文并提交后,他被匿名审稿人召回,指出他们不应该忽视阿尔夫、赫尔曼等人的工作。Peebles按要求改装后仍未通过海关。但是迪克没有太在意。他已经开始了下一步行动。

与伽莫夫的手下不同,迪克本人是真正的微波技术专家。他在1946年发明了“迪克辐射计”,这是微波天线最常用的接收器。他也是一个优秀的实验者。他在思索宇宙的同时,还用现代手段重复了传说中的比萨斜塔伽利略实验,超高精度地证明了物体在引力场中的运动与质量无关。

这时,他和另外两名学生迅速在普林斯顿大学地质系的屋顶上安装了微波天线。寻找大爆炸的遗迹。

迪克的两个研究生和他们在普林斯顿制造的用于探测宇宙微波背景辐射的微波天线。

大爆炸发生在100多亿年前,在实验室里不可能重复,所以不可能直接观测到。阿尔夫、赫尔曼、迪克和皮布尔斯推导出的宇宙温度是大爆炸的直接后果或“残余”。迪克认为这应该是可以观察到的。

宇宙不是一个热平衡的世界。无数恒星内部正在发生强烈的热核反应,它们的表面不断发光发热。它们的表面温度至少有几千度,内部温度在几十亿度左右。

然而,从空和体积来看,恒星在宇宙中只占据了微不足道的存在:它们只是我们地球人眼中的“小星星”。光宇的其余部分是一个黑暗而寒冷的世界。

然而,早在20世纪初,天文学家就发现恒星并非完全空空,而是充满了成分和来源不明的气体和尘埃,一般称之为“星际介质”。1940年,加拿大天文学家麦克凯拉也观察到这些介质中存在有机分子。他测量了氰自由基的旋转光谱,计算出它的能量分布相当于2.4度的绝对温度。如果假设这些介质和分子与其周围环境处于热平衡,那么这些介质所处的空之间的温度约为2.4度。然而,直到1960年去世,mckayla的数据并没有引起人们的注意。

阿尔夫、赫尔曼、迪克和皮布尔斯研究的宇宙温度不是恒星、介质甚至分子的温度。在他们的理论模型中,大爆炸开始时的宇宙又热又密,充满了光辐射和质子、中子等基本粒子,它们相互搅拌成一个球。当宇宙最终膨胀冷却,直到质子和电子能够结合成稳定的氢原子时,光子就可以在宇宙中自由运动——也就是所谓的宇宙第一缕光。当时光子能量非常高。经过100多亿年的膨胀和冷却,光子的波长随着空不断加长,其频率也相应红移至更低。直到今天,根据他们计算出的宇宙温度,那些光子应该主要来自能量很低的无线电波段,也就是微波波段。

这些光子,如果有的话,直接来自大爆炸开始时的鸡蛋,充满了当时并不是很大的宇宙。在今天的宇宙中,它们平均分布在空各处,无处不在,成为宇宙不变的背景。因此,它们被称为“宇宙微波背景”。

阿尔夫和赫尔曼曾在大学和学术会议上发表了一系列演讲,希望引起微波专家的兴趣,寻找和探索BIGBANG的遗迹,但没有人回应。人们要么不相信这个寓言,要么认为即使这样的微波信号存在,也会太弱而无法被探测到。

令他们沮丧的是,就连他们的导师,一直喜欢“异端”的加莫也不买他们的账。后来他们相继找到了不同的新工作,分道扬镳,没有继续这个话题。伽莫夫在学术上甚至更同情其他人,如沃森、克里克和费曼,他们刚刚发现了脱氧核糖核酸的双螺旋结构,试图破解生命基因编码的秘密。在接下来的十年里,大爆炸理论陷入了低迷。阿尔夫和赫尔曼提出的微波背景被遗忘了,直到迪克和皮布尔斯重新发现了它。

就在迪克和他的学生们都准备好被打开和检测的时候,迪克接到了一个意想不到的电话。

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1957年10月4日,苏联成功发射了第一颗人造卫星。第二年,美国匆忙成立了NASA,以应对新时代的挑战。美国宇航局试图探索卫星的实用价值。他们最早的尝试之一是发射一个简单的球体,它在轨道内爆炸膨胀,成为大气层外的一个大气球。气球表面涂有铝金属,可以反射电磁波。就这样,他们从西海岸的加利福尼亚发射微波信号,经卫星反射回地球表面,再由东海岸贝尔实验室的天线接收,成功实现了横跨北美大陆的微波通信。

这颗气球卫星只是被动反射电磁波,能够返回地球表面的信号非常微弱。贝尔实验室为此专门制作了一个大型微波天线。接收微波的天线不同于我们熟悉的卫星天线。它不是抛物线盘,而是像早期的方形高音扬声器。这个天线长15米,喇叭口6米见方。它以它的城镇命名为“家庭喇叭天线”。威尔逊看中了这个罕见的高灵敏度、低噪声的家伙,认为可以用它来勘测银河系的微波分布。因此,他们着手校准天线,一个接一个地消除可能的误差和环境噪声。

彭齐亚斯和威尔逊在贝尔实验室的“霍姆德尔喇叭天线”前。

在消除了所有可识别的噪音后,他们被一种奇怪而顽固的噪音所困扰。这种噪音日夜都存在。他们将天线指向邻近的繁华城市纽约,然后转向相反的方向进行比较,但没有区别;他们耐心地跟踪测量了几个月,让地球绕着太阳转,在噪音中没有发现任何季节变化。他们仔细检查了仪器,发现几只鸽子在天线上筑巢。于是他们煞费苦心地拆开天线,小心翼翼地清理多年积累的鸟粪。他们把鸽子赶到很远的地方放飞,但是善于找路回家的鸽子很快就回来了,所以他们不得不拿起猎枪来解决这个干扰源。然而,在天线上测量的信号保持不变:它一直无处不在。

无奈之下,彭齐亚斯在电话里向同龄人倾诉了自己的烦恼。另一个人记得他刚刚在皮布尔斯听了一个讲座,似乎是相关的。有人建议他联系普林斯顿的人寻求帮助。彭齐亚斯于是打电话给迪克。迪克放下麦克风后脸色变得苍白,并立即告诉他的团队:“伙计们,我们被抢先了。”

贝尔实验室离普林斯顿只有60公里。迪克和他的团队一起开车去分析彭齐亚斯和威尔逊的数据。没有太多悬念,他们很快确定,让这两个不幸的人几乎发疯的噪音是他们在普林斯顿寻找的宇宙微波背景辐射——大爆炸的余波。

他们的实际测量数据显示,今天的宇宙背景温度为绝对4.2度,与理论预测相当接近。

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1978年,彭齐亚斯和威尔逊因这一无意的发现获得了诺贝尔物理学奖。这是诺贝尔奖首次授予与天文观测相关的贡献。

当诺贝尔设立他后来的世界著名的奖项时,他指出物理、化学和生理医学——他认为这些学科是最实用的。天文学不包括在内。长期以来,诺贝尔奖委员会不承认天文学是物理学的一部分。因此,一些在历史上有突出贡献的天文学家,包括勒迈特、爱丁顿、哈勃等。,已经错过了这个奖项。

由于迪克的果断协助,彭齐亚斯和威尔逊邀请他作为他们论文的第三作者。迪克像绅士一样婉拒了,从而失去了分享诺贝尔奖的机会。普林斯顿的研究小组又写了一篇论文,与彭齐亚斯和威尔逊的观察报告同时发表,从理论上解释说,这是BIGBANG留下的遗骸。

在颁奖典礼上,彭齐亚斯得以回顾自己的糟糕化妆史,并重点介绍了加莫、阿尔夫、赫尔曼等人的早期贡献。对于已经去世的加莫来说,这是他第三次——不是最后一次——在诺贝尔奖颁奖典礼上获得感谢。

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