互动科普

“COBE”的观测使得大爆炸宇宙学变得不可动摇

两位博士虽然发现了宇宙背景辐射，但只是在一个波长上（7.35厘米）观测到了。由于大气干扰，地面上的设备很难在多个波段上进行观测。

理论上，在一个波长上的观测也是可以测出光的温度的，但这事关宇宙背景辐射是否能够成为大爆炸理论的确定性证据，因此，对于不同波段上的光强的测量就非常有必要了。另外，如果宇宙空间中均匀地存在着某种“尘埃”并发出模模糊糊的光，那就会和宇宙背景辐射非常相像，而这种可能性并不能被排除掉。实际上，当时确实就有这样的反对声音。

为了对各个波长上的光强进行测量，对宇宙背景辐射的观测就一定要放在没有空气的宇宙空间里进行。于是在1989年，NASA（美国宇航局）发射了一颗卫星“宇宙背景观测者”（Cosmic Background Explorer），简称“COBE”。

COBE取得了巨大的成功：它对宇宙各个方向上的光所对应的温度进行测量，结果显示温度“几乎完全”相同，都是2.725K。这个特征（光谱）与理论预言非常符合，因此，宇宙背景辐射作为大爆炸的证据，或者说“大爆炸引起宇宙微波辐射”就被证实了。

另外，宇宙背景辐射是从各个方向传播到我们这里的，这说明大爆炸不是宇宙中某个地方的一种现象，至少在可观测的范围内，它是一种遍及全宇宙的现象。

而且宇宙背景辐射每天都可以观测到，比如今天到达地球的光正好是138亿年前发出的，而明天到达地球的光则是138亿年零1天之前发出的，它比今天到达的光要晚1天，说明它来自更远的地方。因此，到达时间越晚的宇宙背景辐射也就来自越遥远的地方。

为什么全天的宇宙背景辐射的温度是一样的？

彭齐亚阿斯与威尔孙和COBE的观测都表明，无论从哪个方向上看，宇宙背景辐射的温度都是“几乎完全”相同的。这个结果，使大爆炸理论中存在的一个问题浮现了出来。

在进入这个话题之前，让我们先来看看宇宙背景辐射是如何发出的。现在已经知道，宇宙背景辐射是在宇宙诞生后大约38万年后发出的光。那么，此前发出的光为什么没有传播到地球上呢？

这个问题的答案其实并不难找到。阴天时，太阳躲在云层的后面，阳光无法穿过云层被我们看到。同样的道理，在宇宙诞生的38万年间，全部宇宙空间都好像被某种“云层”遮盖着。

在大爆炸的炙热状态下，原子无法保持自身的形态。高温的质子（宇宙中的主要成分氢的原子核）和电子的运动速度太快了，质子和电子无法形成原子，处于四处飞散的状态。

这种状态下，质子、电子和光完全混合在了一起。光和电子非常容易发生碰撞，所以在这种状态下，光是无法直线前进的，就像被锁在了“云层”里一样。

不过在宇宙诞生38万年后，温度已经下降到了只有3000K左右，质子和电子的动能随之下降。在电磁力的作用下，质子开始捕获电子形成中性原子，而会与电子发生频繁碰撞的光，这时终于可以开始直线前进了。这个时刻放出的光，就是我们今天所观测到的宇宙背景辐射。而光变得可以直线前进的时刻，就被称为“宇宙中性化”。

现在，我们可以来看看大爆炸理论存在的问题了。既然宇宙背景辐射的发出时间是宇宙诞生38万年后，那么在对应的宇宙空间中，具有均匀温度的最大尺度应该不超过38万光年。简单地说，为了保持温度的均匀，任何“影响”都会向外传播，而这个传播的速度最快也就是光速。因此，相距38万光年以上的两个地方，相互之间应该不会有影响。

但实际上，宇宙背景辐射在全天的温度是基本相同的，而这个尺度已经远远超过了38万光年，这就意味着其中存在着某种关联。但是光速是自然界速度的上限，“在38万年内，相距超过38万光年的两个地方发生了相互影响”是一件很难想象的事情。

在远远超过38万光年这个尺度的全天温度，为什么都是一致的？这就是大爆炸理论中的所谓“视界疑难”。

宇宙暴胀成为解决问题的关键

这个问题可以用“暴胀理论”得到解决。原来，“宇宙是从大爆炸开始的”这个说法，其实是比较粗略的。精确地说，大爆炸还不是宇宙的开端，一般认为，在那之前还有一个暴胀的阶段。

这个暴胀发生在大爆炸之前，在当时，宇宙空间以远远超出想象的速度急剧膨胀。这一理论是在1981年由美国的阿兰·古斯博士和日本的佐藤彦分别独立提出的。

想象在暴胀发生之前能够相互影响的两个点，由于暴胀的作用，这个影响的范围也急剧增大，结果变得比“能够观测到宇宙背景辐射的尺度”还要宽广，也就解决了“视界疑难”。现在，能够观测的范围都在发生相互影响的尺度内，“宇宙背景辐射的温度在全天都一致”也就是可理解的事情了。

那么，从观测上能够确认暴胀吗？就像有关“宇宙中性化”的说明那样，宇宙中那些“在中性化之前”的光是不可能被看见的，但有趣的是，宇宙背景辐射正是暴胀后残存下来的遗迹。

根据COBE的观测，宇宙背景辐射在各个方向都是“几乎完全”一致的（温度场）。值得我们注意的是，这里的所谓“几乎完全”的提法是非常重要的。精密测量结果显示，在不同的地方，实际的温度场相对于2.725K，有着10万分之1的非常微弱的涨落。

这个涨落的根源，就是宇宙的暴胀。在微观世界里，诸如能量这样的物理量，并不是一直保持一个固定的数值，这是测不准原理所决定的。由此，在暴胀之前宇宙空间所携带的能量（真空的能量）也应该有微弱的涨落（量子涨落）。这个微观的涨落被暴胀拉大之后，就是能在宇宙背景辐射上看到的涨落。

观测到的涨落的特征，与暴胀理论预言的特征大体上是一致的。也就是说，根据宇宙背景辐射的观测，不但能够得到大爆炸的信息，就连在那之前的信息也能够得到。顺便提一下，COBE项目的核心人物，美国的约翰·马瑟博士和乔治·斯穆特博士获得了2006年的诺贝尔物理学奖。

（本文发表于《科学世界》2013年第5期）