3K微波背景辐射：观测数据导致的重大发现

彭齐亚斯和威尔逊

1964年，美国贝尔电话公司实验室在新泽西州的克劳福特山上建立了一架巨大的天线，用于接收“回声”卫星的信号，其主管工程师是阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）。当他们在调试这架天线、用它来测量银晕气体射电强度时，出现了背景噪声，它类似于雷雨天从收音机里听到的天线干扰声。

最初，他们猜测这可能是天线系统内部产生的电噪声所致，并受命按这一思路去检测噪声的性能并消除该噪声。为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空方向进行测量。他们发现，在微波段为7.35厘米的地方一直有一个稳定的、各向同性（即不随方向变化）的噪声讯号存在，并且不因昼夜而变化，也不因季节而变化，因而可以判定与地球的公转和自转无关。难道这是天线自身产生的电噪声？1965年初，他们将天线拆卸，进行了彻底检查，并完善了天线内部结构的一些部件，同时还驱赶天线附近的鸽子，清除了天线上的鸽子窝和鸟粪，排除这些内外因素对天线产生噪声干扰的可能性，然而噪声仍然存在。

彭齐亚斯敏锐地感悟到反常现象——幽灵般的电噪声的背后肯定有异常的原因。经过连续数个月的观测，彭齐亚斯和他的合作者发现这个额外的噪声温度是各向同性的，而且和季节变化无关。他们深信这种噪声不是因接收机故障造成的，而是来自深远的宇宙空间的一种他们尚不了解其来源的辐射，这种辐射相应的黑体辐射体的温度约为3.5K（以后更精确测量为3K）。

感觉仅仅是对现象的反应，理论才解决本质问题。对天文观察现象做出合乎科学逻辑的解释，一向是彭齐亚斯追求的目标。他是探索星际分子的最早的一批科学家之一。他发表的第一篇论文是关于在射电波段上发现星际空间羟基（—OH）的存在。如何从理论上解释这种背景噪声呢？彭齐亚斯苦苦思索，夜不能寐。

富有戏剧性的是，正当贝尔实验室的射电专家们为背景辐射的存在而百思不得其解时，普林斯顿大学的一个研究小组的专家们却给出了问题的答案。该研究小组正热衷于宇宙大爆炸理论的研究之中。早在1946年，美籍俄国物理学家伽莫夫提出了大爆炸宇宙模型，该模型认为，幼年的宇宙几乎全是由高温热辐射组成的原始火球，从最大压缩时刻开始，距离与时间的平方根成正比增加，温度则与之成反比减小，这就是所谓的原始火球大爆炸。一个最初几乎由热辐射充满的宇宙，开始时辐射远远超过物质，但随着宇宙的膨胀，物质渐渐超过了辐射，伽莫夫预言了作为大爆炸遗迹的电磁辐射背景存在的可能性。1953年，他进而认为宇宙如此古老以致变得异常寒冷，当年爆炸后残存的辐射温度可能只有5K。

普林斯顿大学研究小组在天体物理学家迪克教授的领导下，努力寻找宇宙大爆炸理论的依据。为了探测原子火球爆炸后的宇宙余热，他们设计了一种辐射计，一只小型喇叭指向上方以接收天空的辐射，下方装有放大器和其他电子设备。但是凭借这种简陋的装置想要探测到宇宙残余辐射，其可能性是微乎其微的。

“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。”正当迪克他们走投无路之时，接到了彭齐亚斯的电话，通报了他的新发现。迪克眼前一亮，异常兴奋，急忙带领一班人马倾巢出动，风尘仆仆地爬上克劳福特山，经过认真的讨论，令人震惊的是：彭齐亚斯意外发现的微波辐射正是苦苦寻找的宇宙背景辐射！

1965年，在美国《天体物理学报》第142卷上，同时刊登了彭齐亚斯和威尔逊的短文《4 080兆赫的过剩天线温度测量》以及迪克小组写的《宇宙黑体辐射》。前者仅用了约600个字简要地报道了自己的观测发现及测算方法；后者则着重于宇宙模型的理论探讨和对前者的发现做理论诠释，在对前者工作做了充分的肯定后，明确指出，3K微波辐射背景的发现，是对宇宙大爆炸理论的最有力的支持。

对现代宇宙学界来说，这是1929年哈伯发现河外星系红移即宇宙膨胀现象以来又一次具有划时代意义的重大发现。始料未及的是，彭齐亚斯和威尔逊追究令人讨厌的噪声，竟带来了现代宇宙学发展的第二次高潮，他们获得了1978年度的诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院在诺贝尔奖授奖仪式上对这项发现做了高度评价：“彭齐亚斯和威尔逊的贡献是一项根本性的发现，使人们有可能得到很久以前——在宇宙形成时——所发生的宇宙变化过程的信息。”(www.xing528.com)

【点评】

诚实是诚信的第一层含义。英国科学家克拉默认为，诚实是科学家在科学研究中必需持有的一种品格。他说：“从长远来看，一个诚实的科学家是不吃亏的，他不仅没有谎报成果，而且充分报道了不符合自己观点的事实。”彭齐亚斯和威尔逊的案例证明了这一点。当初他们宣布自己的关于微波背景辐射发现时，并没有弄清其理论意义。但是因为他们诚实报告当初以为会不被人看好的观测结果，被美国天体物理学家认定为它是确证“大爆炸宇宙论”的有力证据，是20世纪天文学上的四大发现之一。

彭齐亚斯和威尔逊能摘取诺贝尔奖的桂冠是当之无愧的。他们做出发现确实带有偶然性，但偶然背后却蕴藏着必然，做出如此的发现，同他们的执著追求和有着高超的科学鉴赏力是分不开的。唯有具备完美科学素质和深邃洞察力的人，才有能力欣赏隐藏在混沌噪声之中的那种引人入胜的宇宙和谐之美。正如法国著名雕塑家罗丹所说，所谓艺术大师就是能在常人司空见惯、习以为常的事物中发现美。

彭齐亚斯有着科学艺术大师的眼光。他们完美的科学素质表现在对于意外的事物不掉以轻心；对于捕捉到的意外事物，采取严谨的科学态度来对待和正确的方法来处理。他们采用“逐步筛除法”，逐一区分和消除各种可能的干扰因素；为了追寻天线的额外温度辐射源，他们除赶走在天线入口处筑巢的一对鸽子，还轻敲天线金属板的所有接缝，以排除因连接处可能存在的缺陷而造成天线损耗和漏电；又彻底清扫了天线。之后，他们把天线从原来的方位转向各个天区，从1964年7月至1965年4月连续不断地进行观测，以考察季节性变化的影响。在做完了这些事情之后，他们才放心地确认这种额外天线温度源于深远的宇宙空间。

参考文献

［1］苏汝铿，高学贤.宇宙背景辐射的发现——介绍彭齐亚斯和威尔逊［J］.自然杂志，1979（9）：591—592.

［2］刘树勇.从央斯基到彭齐亚斯和威尔逊——纪念宇宙背景微波辐射发现26周年［J］.大学物理，1991（10）：38—40.

［3］陈敬全.启示之光——科学发现的契机［M］.合肥：安徽教育出版社，2003：163—168.

（陈敬铨）