“星星之火”量子涨落形成宇宙星系燎原之势

科学家似乎看见了宇宙大爆炸“发令枪的冒烟”，从宇宙微波背景辐射的首次发现到到现在，时间过去了50多年，今天的阿尔卡特——朗讯公司早已成了贝尔实验室新的主人，在过去的岁月，贝尔实验室取得了非凡的成就，实验室的科研人员举办了简朴的庆祝活动，贝尔实验室在历史上取得的最伟大的成就之一是发现了宇宙微波背景辐射，为传统天文学步入现代形态铺平了道路。宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸遗留的痕迹，对“宇宙化石”细节性的发现和研究使得人们对宇宙的诞生、形成和演变有了透彻而深刻的理解，这一发现的“红利”延续了半个多世纪，科学家曾在2014年3月错误地宣布了原初引力波的发现。

当时间的年轮转回到1964年，当时的两位实验室工程师意外地发现了宇宙微波背景辐射，人们还记得有趣味的发现细节，一群鸽子的粪便差一点迷惑了两位工程师的理性判断，当时的新泽西州的一个微波通讯接收装置受到了某种挥之不去的噪声干扰，他们起初以为是鸽子的粪便挡住了信号通学的时代背景有关。道，产生了嗡嗡嗡的背景噪声，但在清扫了鸽子粪之后，嗡嗡的低沉噪声依然如故。微波背景辐射的发现之旅开始于一次无线电通讯实验，背景辐射的“Eureka”或找到了不全是突发和偶然的因素促成的，看似科学家心血来潮的发现，带有一定的偶然性，其实天体物理学家在理论和观测上都进行了长期的准备。

1964年不是一个特别的年份，贝尔实验室的两位工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊不是天文学领域的研究人员，两人为贝尔实验室下属的总公司服务，主要研发商用的微波通讯技术，两人将通讯接收器的端口任意指向天空的一个方向，从接收器传来了嗡嗡的声音，噪声稳定而持续，无法解除棘手的嘈杂声，噪声与接收端口的指向无关，无论端口指向天空的哪个方向，恼人的噪音总会出现，他们怀疑是硬件设备出了故障，在巨大的信号接收装置上堆积了鸽子的粪便，清除了喇叭口的鸽子粪，但依旧传来嗡嗡的噪声，他们怀疑实验装置所在地——新泽西州与纽约市靠得太近，不可忽略的市区噪声干扰。两位工程师设法让通讯装置冷却下来，尽可能地消除外部热源的噪音，他们的努力都无济于事，彭齐亚斯和威尔逊被噪音问题困扰。

两位工程师十分幸运，噪音困扰的问题没有耽搁太久，附近的普林斯顿大学的研究人员正在寻找一种由宇宙大爆炸遗存的能量辐射。遗存的或背景的能量辐射源于宇宙的起源时期，在宇宙大爆炸之后的几秒时间，宇宙的能量密度下降到足够的程度，第一批原子核随之形成，原子的形成则在数十万年之后，宇宙温度冷却到足够的程度，原子核捕获了电子，两者结合为中性的原子，从原子形成的过程中释放了大量能量，辐射的或背景的能量在时间长河中发生了红移，逐渐地转变为微波波段的光谱。

理论物理学家和天文学家预测了微波背景辐射，甚至十分准确地计算了背景辐射的温度，但他们没有找到对背景辐进行搜索的方法，理论推测和实际检测之间产生了失衡。彭齐亚斯、威尔逊和同事们进行交谈，他们得知，普林斯顿大学的研究人员探寻了背景辐射的“遗迹”，他们隐约地意识到，背景辐射是背景噪音的根源。贝尔实验室的两位工程师和普林斯顿大学的科学家组成了联合科学团队，宇宙微波背景辐射的研究成果发表在1965年一期的《天体物理学》杂志，1978年，彭齐亚斯和威尔逊由于“意外的发现”而荣获了物理学诺贝尔奖。

经过一段时期的观测和分析，一个显著的物理特征的事实突现出来，从地球上观测的微波背景辐射的均匀性与宇宙大尺度的均匀性相互一致，微波背景在大尺度的均匀性证明了宇宙大尺度空间的平滑性，但微波背景辐射在极小尺度的不均匀性证明了，在宇宙空间的小尺度范围有起伏变化，微小尺度的不均匀性最终形成了宇宙空间的块状星系团和巨大的宇宙空洞。各种各样的宇宙模型试图解释宇宙大尺度的均匀性和宇宙小尺度的不均匀性，其中的宇宙模型的“暴涨”理论占据了主导地位，在宇宙的最早期发生了超光速的暴涨现象，其膨胀的速度超乎想象。

微小、均匀而平坦的能量点或“能量火球”迅速膨胀成地球和太阳尺寸、甚至超过太阳系和银河系尺寸的“小宇宙”，从宇宙“小球”极快速地暴涨为宇宙“大球”，微小的量子涨落和不均匀的质量分布在宇宙高速膨胀中迅猛地拉伸和抹平，最终形成了星系和宇宙的大结构，今日宇宙早已是一个超级的结构体系。很多版本的宇宙膨胀理论假设了一种情形，宇宙星系的物质团块结构与宇宙背景辐射中微波能量的微小涨落有关联性，探索微小的能量涨落现象成了一项紧迫的科学使命，科学家的共识促成了宇宙背景探索卫星（COBE）的研制和发射，COBE卫星在1989年发射升空，当时的科学家还在争论一个问题，微波能量的涨落是否有足够的程度。利用当时的太空探索技术，科学家可能检测到微小的能量涨落现象。

1992年，COBE科学团队发现了检测的成果，他们似乎找到了现代宇宙形成的“种子”，在宇宙微波背景辐射中确实存在极小的能量涨落，变化的幅度为一千分之一。2006年，COBE科学团队的主要科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特在背景辐射中的量子涨落发现中做出了重要贡献，两个分享了当年的诺贝尔物理学奖。人们追索现代天文学的发展历程，可以得出一个结论，COBE探测卫星的运行和发现标志了一个精确天文学时代的开始。WMAP，Planck和BICEP进行了一场接力赛，COBE的发现成果标志了宇宙探测的开始。

COBE探测卫星确定了微波能量的涨落起伏现象，宇宙微波背景的能谱以黑体辐射的曲线形式发生了摇摆，能谱的波动现象蕴含了宇宙学的细节信息，通过对摇摆精确图形的研究，科学家确定了宇宙年龄、宇宙中暗物质和普通物质的数量、直接与宇宙膨胀速度相关的哈勃常数和其它参数。2001年，NASA发射了威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），主要的使命是收集宇宙微波背景涨落的细节数据，精确测定微波背景的能谱。经过多年的观测和数据分析，WMAP在2010年退役，已经完成了科学使命的WMAP目前仍在轨飞行。

WMAP科学团队发布过数据分析的结论，宇宙“大球”71%的成分是暗能量，24%的成分是暗物质，普通物质成分的占比低于5%，而少于5%的普通物质构成了可观测宇宙中的恒星、星系和其它天体。欧洲航天局在WMAP退役之前发射了普朗克卫星，新一代的微波背景探测器的分辨率和灵敏度明显高于WMAP，普朗克卫星科学团队发布了更加精确和可靠的宇宙学数据，这是到目前为止人类达到的宇宙学最高的认识水平。普朗克卫星也被设计成具有接收微波背景辐射中偏振信号的功能，这是检测极早期宇宙暴涨现象的关键性技术，直接证明宇宙暴涨的发生，依然是一个主要的科学问题，目前缺少能够证实极早期宇宙发生极快速膨胀的直接证据。

2014年3月，BICEP2科学团队似乎发现了关键的证据，在宇宙早期的“第一缕光线”中收集了偏振信号，这些偏振信号既有可能由宇宙引力波引起，也有可能发源于银河系的尘埃，按照宇宙学理论的推测，宇宙引力波在宇宙暴涨过程中渗透了整个太空。在普朗克卫星科学团队发布数据之前，BICEP2科学团队的进展速度更快，在普朗克团队之前发布了数据，通过南极望远镜在河外星系发现了明显的偏振信号，BICEP2科学团队同时发布了宇宙背景辐射的成像图片，有些科学家怀疑数据的有效性，可重复性检验成了问题的关键，只有可重复性检验才能打消科学家的顾虑。

有必要深入研究微波背景图谱中能量起伏和古老光线偏振性的科学问题，很多疑问有待消除。事实上，相关的学术争论一直都在发生，旧的疑问没有解决，新的疑问又产生了。清晰的数据和模糊的解释，或者模糊的数据和清晰的解释，这说明探索宇宙微波背景的大门没有完全关闭，精确宇宙科学的研究大道始终畅通。从彭齐亚斯和威尔逊在1964年发现了微波背景辐射到现在，50多年过去了，两人最初使用了简陋的信号接收装置，现在的科技人员研制了精密的探测器，大批年轻的科学家接过了科学探索的接力棒，他们在短期内可能很难从微波背景数据的收集和分析中取得实质性成果，但在长期内有希望取得突破性的进展。

（编译：2014-5-23）