宇宙大爆炸的发现过程,居然能让我笑出鹅叫
2019-10-11 20:47

宇宙大爆炸的发现过程,居然能让我笑出鹅叫

题图来自视觉中国,本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:王爽,编辑:大琳砸,审核:Steed


2019年10月8日,瑞典皇家科学院公布了2019年诺贝尔物理学奖的名单。获奖者中有一位宇宙学家,名叫詹姆斯‧皮布尔斯。


詹姆斯‧皮布尔斯 | Wikipedia/Juan Diego Sole


在他的获奖理由中,有这么一段话:“他从上世纪60年代中期起发展起来的理论框架,成为了我们当前理解宇宙的基础。” 这句话说的,是他于1964年与自己老师合写的一篇论文。在这篇论文中,他们预言了宇宙微波背景的存在。巧的是,没过多久,宇宙微波背景辐射真的被探测到了,从而成了支持宇宙大爆炸理论的最强有力的证据。


说到这里,你可能已经一头雾水了。宇宙大爆炸是什么东西?宇宙微波背景又是什么东西?别急,且听我从源头慢慢道来。


愚人节的谐音梗


关于宇宙大爆炸,我们得从一个俄裔美国人说起。他的名字是乔治·伽莫夫。


乔治·伽莫夫 | wikipedia


伽莫夫出生在俄国,30岁的时候移民美国,成了华盛顿大学的教授。在那里,他决定开始宇宙学的研究。


也正是在那段时期,伽莫夫遇到了两个非常有天赋的学生,分别是拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼。


拉尔夫·阿尔菲(左)和罗伯特·赫尔曼(右) | arvix.org


在1948年4月1日,也就是愚人节的那天,《物理评论》杂志刊发了一篇伽莫夫团队写的论文。这是一篇很有愚人节特色的论文。在作者列表中,伽莫夫强行添加了一个对这篇论文没有任何贡献的人,那就是1967年诺贝尔物理学奖得主汉斯·贝特。伽莫夫之所以要添加贝特,并不是因为他名气大。而是因为阿尔菲、贝特、伽莫夫,合起来恰好能凑成αβγ。


伽莫夫也向赫尔曼提出了一个建议,让他起一个笔名,叫德尔塔。这样,这篇论文的作者就能凑成αβγδ。结果这个提议,遭到了赫尔曼的愤然拒绝。


如果我是赫尔曼,肯定后悔得肠子都青了。因为正是这篇发表在愚人节、颇有搞笑色彩的αβγ论文,首次提出了大名鼎鼎的宇宙大爆炸理论(严格地说,此理论应该称为“宇宙热大爆炸”理论,因为它首次提出宇宙起源于一个极为炽热的状态。但为了方便起见,我们还是称它为宇宙大爆炸)


宇宙大爆炸,到底是个啥?


下面,我来给你科普一下宇宙大爆炸理论。这个理论说的是,创生之初的宇宙,是一个体积极小、密度极大、温度极高的火球。由于温度太高,火球内的光子具有极高的能量,可以轻松击碎原子核。所以那时的宇宙,是一片极端混沌的存在。不过随着时间的推移,这个火球会不断地向外膨胀,从而让它的密度不断减小,温度也不断降低。经过130多亿年的悠悠岁月,这个大火球就膨胀成了我们今天看到的宇宙。


提出宇宙大爆炸理论以后,伽莫夫又单独写了一篇关于宇宙大爆炸理论的论文,被《自然》杂志接受发表。但没过多久,阿尔菲和赫尔曼就发现这篇文章出了错,俩人随后也在《自然》杂志上发表了一篇纠错论文。在这篇论文里,他们偷偷地夹带了一点私货,挑错之余,顺带介绍了一下自己最新的研究成果。


正是在这篇夹带私货的挑错论文里,阿尔菲和赫尔曼首次预言了宇宙微波背景的存在。


宇宙大爆炸的遗迹


什么是宇宙微波背景呢?答案是,宇宙大爆炸留下的遗迹。你想啊,一个在130多亿年前爆炸的火球,能有什么东西留得下来?唯一有可能的,就是这个火球发出的光。


不过严格地说,这并不是宇宙创生那一刻发出的光。创生之初的火球过于炽热,原子核和电子处于游离状态,不断地和光子相撞。这意味着,光处于一种被囚禁的状态,无法自由地传播。而在宇宙诞生38万年以后,这个火球的温度下降到3000K(开尔文),原子核与电子结合而形成原子,光子才得以自由穿行。


这些在宇宙诞生后38万年发出的光,经历了130多亿年的悠悠岁月,终于到达地球。此外,这些光的波长,会被宇宙的膨胀拉长,从而变成微波波段的光。这些在宇宙诞生后38万年发出、现在已处于微波波段的光,就是所谓的宇宙微波背景。


根据阿尔菲和赫尔曼的估算,宇宙微波背景的温度应该是5K。不过,他们认为以人类当时的技术,根本探测不到宇宙微波背景。我们后面会看到,这是一个多么要命的错误。


阿尔菲和赫尔曼预言了宇宙微波背景以后,在学术界获得了什么样的反响呢?答案是,压根没人理睬。在那个年代,学术界一直把宇宙学视为一种玄学。玄学的研究,有谁会在乎呢?


伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼,就这样成了宇宙学的先烈。后来伽莫夫还是留在学术圈,但是把主要精力放在写科普书上了。至于阿尔菲和赫尔曼,则先后放弃了学术界的生涯,转行去了工业界。


在经历了1948年的高潮后,宇宙大爆炸理论很快就陷入了沉寂。这一沉寂,就是15年。


一直过了15年,才出现另外一群对宇宙大爆炸感兴趣的人。这群人有一个领袖,名叫罗伯特·迪克。


罗伯特·迪克 | wikipedia


寻找宇宙微波背景辐射


迪克是普林斯顿大学天文系的教授。为了完成探测宇宙微波背景的艰巨任务,他在学校招收了好几名研究生,其中最有才华的,就是咱们在本文一开头就见到的詹姆斯‧皮布尔斯。


终于轮到我出场了 | princeton.edu


1964年,迪克与皮布尔斯合作写了一篇论文。在这篇论文里,他们几乎是重复了阿尔菲和赫尔曼的研究工作,再次预言宇宙微波背景的存在。区别仅仅是,迪克与皮布尔斯认为宇宙微波背景的温度应该是3K左右。或许是因为年代久远,他们根本没意识到阿尔菲和赫尔曼曾经做过相同的研究,还以为自己是原创。因此,这篇论文只字未提阿尔菲和赫尔曼的研究。


“理论预言”了宇宙微波背景,这并不能让迪克满意。他决定申请经费,自己来寻找圣杯般的宇宙微波背景。


1965年的一天,当迪克和他的团队成员一起吃午餐的时候,他接到了一通电话。这通电话,让迪克的梦想化为泡影。


打电话的是两个贝尔实验室的工程师,分别叫阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊。


阿诺·彭齐亚斯(左)和罗伯特·威尔逊(右)| wikipeia/Kartik J/Victor R. Ruiz


一年以前,彭齐亚斯和威尔逊在贝尔实验室的支持下,建造了一个大型的射电望远镜,希望测试远距离通讯技术。这台射电望远镜有一个巨大的喇叭口,里面装着能接收无线电和微波信号的天线。此外,这个喇叭口的方向也可以任意调整。


彭齐亚斯和威尔逊从建好望远镜的第一天起,就遇到了一个巨大的麻烦:喇叭口里的接收天线总会不断发出“烧开水”般的刺耳噪音。更奇怪的是,不管他们怎样调整天线的方向,这种噪声都不会消失。换句话说,这种噪音来自于宇宙中的各个方向,而且完全不受昼夜和季节的影响。


彭齐亚斯和威尔逊的超大射电望远镜 | NASA


彭齐亚斯和威尔逊怀疑望远镜本身出了问题。他们花了大量的时间排除故障,最后终于找到了“症结”所在:有一对鸽子在喇叭口里筑了窝,并在天线上拉了很多鸽子屎。所以,他们就清理了这个鸽子窝,还把整个喇叭口都彻彻底底地打扫了一遍。


做完清洁工作以后,彭齐亚斯和威尔逊又打开了仪器。他们异常沮丧地发现,那个折腾了他们近一年的噪声,依然存在。


当彭齐亚斯被这个神秘噪音折磨得精疲力尽之际,他的一个在麻省理工学院工作的朋友,给他带来了福音。这个朋友给彭齐亚斯寄去了一篇论文,那正是迪克与皮布尔斯合写的预言宇宙微波背景辐射的论文。


看完论文之后,彭齐亚斯终于明白自己发现了什么。那折磨他整整一年的神秘噪音并不是命运的诅咒,而是上天的眷顾。


登上神坛的大爆炸理论


然后,他就和威尔逊一起,给迪克打了一通电话。他们告诉迪克,自己已经发现了迪克想要寻找的东西。放下电话以后,迪克无奈地向还在吃午饭的团队成员说到:“各位,我们已经被人抢先了。”


1965年的夏天,《天体物理学期刊》上发表了两篇划时代的论文。在第一篇论文中,彭齐亚斯和威尔逊简短地报告了他们发现的无处不在的微波噪音。而在第二篇文章中,迪克等人把彭齐亚斯和威尔逊的发现,与大爆炸理论的终极预言,也就是宇宙微波背景,联系在了一起。


宇宙微波背景的发现,让沉寂了整整15年的宇宙大爆炸理论,在一夜之间登上了神坛。也正是由于这个史诗般的发现,宇宙学才登堂入室,成为了一门真正意义上的现代科学。


根据宇宙微波背景辐射的观测绘制的图像 | NASA


但并不是所有人,都喜欢这两篇发表在《天体物理学期刊》上的划时代的论文。有3个人,就对这两篇论文极为不满。他们是我们的老熟人:伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼。


原因很简单。他们15年前的工作,已经被世人遗忘了。所以这两篇发现和解释宇宙微波背景的论文,对他们3个人只字不提。


阿尔菲曾经向一个记者抱怨道:“我没有受到伤害吗?他们考虑过我的感受吗?他们甚至没有邀请过我去看看那个该死的望远镜!”


由于发现了宇宙微波背景,彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年的诺贝尔物理学奖。至于对宇宙学贡献更大的那5个理论家,全都没能戴上诺奖的桂冠,直到本届诺贝尔物理学奖的揭晓。


10月8日,2019年诺贝尔物理学奖授予了5人中最年轻、也是唯一在世的皮布尔斯。由于诺奖向来不给死人,这回终于不再有任何争议了。


热大爆炸宇宙之父,伽莫夫,没能得奖;最早预言宇宙微波背景的人,阿尔菲和赫尔曼,没能得奖;最早发明探测宇宙微波背景仪器的人,迪克,没能得奖。


倒是最年轻的,皮布尔斯,得奖了。


这应该就是命吧?


本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:王爽,编辑:大琳砸,审核:Steed

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