模式的转变

模式的转变_大爆炸简史

你看，有线电报是一种非常非常长的猫。你在纽约拉它的尾巴，他的头在洛杉矶发出叫声。这个你明白吗？无线电的工作方式完全一样：你在这里发出信号，他们在那端收到信号。唯一的区别是没有猫。

——阿尔伯特·爱因斯坦

在科学上听到的最令人激动的一句话，预示着新的发现的那句话，不是“尤里卡！“（我找到了），而是“这很有趣……”。

——艾萨克·阿西莫夫

在一般情况下，我们通过以下过程来寻找一条新的定律。首先是猜测。不要笑，这是最重要的一步。然后你计算其结果。将此结果与经验进行比较。如果与经验不同，那说明你的猜测是错误的。在这看似简单的话里包含着科学的关键。无论你的猜测有多美，你有多聪明，你的名字是什么，如果不同于经验，那就错了。这就是所有的一切。

——理查德·费恩曼

现在主要有两种相互竞争的宇宙学理论。一边是大爆炸模型，它源自爱因斯坦的广义相对论，由勒迈特和弗里德曼提出。这种理论认为宇宙有一个独特的创生时刻，接着是快速膨胀，而哈勃的观察确实证明宇宙在膨胀，星系在后退。不仅如此，伽莫夫和阿尔弗表明，大爆炸模型可以解释氢和氦的丰度。另一边是稳恒态模型，由霍伊尔、戈尔德和邦迪提出，这个模型除了包含物质的连续产生和宇宙膨胀这一要素外，本质上回到了永恒宇宙的保守观点。这种物质产生和宇宙膨胀使得该模型与所有天文观测结果兼容，包括哈勃观测到的退行星系的红移。

竞争性理论之间的科学争论通常发生在大学的咖啡厅或是在学界大佬尽数出席的科学大会上。然而，对于宇宙是永恒的还是创生的这一宇宙学的终极问题的讨论则蔓延到公共领域。这部分原因是受到霍伊尔、伽莫夫和其他宇宙学家借助于各种科普书籍和广播宣传所致。

毫不奇怪，天主教会热衷于通过宇宙学的争论来宣扬它的观点。曾宣布进化生物学不与教会的教义相冲突的教皇庇护十二世，于1951年11月22日在教皇科学院发表一篇题为“鉴于现代自然科学的上帝存在的证明”的演说。特别是，教皇强烈赞同大爆炸模型，他将它看作是对“创世纪”的一个科学解释，是上帝存在的证据：

因此，所有的一切似乎表明，物质宇宙在时间上有一个强有力的开端，它被赋予了巨大的能量储备，凭借它，宇宙起先是迅速膨胀，然后变得越来越慢，最后演变成目前的状态……事实上，当代科学以一步跨越数百万年的步伐回溯既往，似乎已成功地见证了原始的菲亚特大力士在物质从一切皆无迸发出来时所发出的呼喊，先是光和辐射之海，然后是化学元素粒子的分离并形成数百万个星系……因此，存在一个创造者。因此，上帝是存在的！虽然这个证据既不明确也不完整，但这是我们一直在等待的来自科学的回答，而当今人类还将继续等待从它那里得到进一步的答案。

教皇的演说中还具体提到哈勃和他的观察。他的演说成为世界各地的报纸的头条新闻。哈勃的一个朋友，埃尔默·戴维斯，读到这篇演说后，不禁给哈勃写了封信调侃道：“我已经习惯于看到你赢得新的和更高的荣誉，但直到我读了今天上午的报纸，我做梦都没有想到，教皇会屈身向你寻求上帝存在的证明。这应该使你有资格在适当的时候成为圣徒。”

令人惊讶的是，无神论者乔治·伽莫夫则对教皇重视他的研究领域感到非常高兴。在这次演说之后，他给教皇庇护十二世写了封信，送给他一篇关于宇宙学的科普文章和他自己的一本书《宇宙的创生》。他甚至在1952年发表在著名期刊《物理学评论》的一篇文章里调皮地引用教皇的演说词，他明知道这么做会惹恼很多同事，他们急于撇清科学与宗教之间的任何交集。

绝大多数的科学家强烈认为，决定大爆炸模型的有效性与教皇无关，而他的代言不应该用于任何严肃的科学辩论中。事实上，没过多久，教皇的认可就让大爆炸理论的支持者感到难堪。对手稳恒态模型的支持者开始用教皇的演说来嘲弄大爆炸理论。例如，英国物理学家威廉·邦纳认为，大爆炸理论是旨在支持基督教的阴谋的一部分：“（这一理论）背后的动机当然是要把上帝奉为造物主。这似乎是基督教神学自17世纪开始科学将宗教从理性的人们头脑中清除出去以来一直在等待的机会。”

当大爆炸开始与宗教挂上钩后，弗雷德·霍伊尔同样严厉地谴责它是一个建立在犹太-基督教基础上的模型。他的稳恒态模型的合作者托马斯·戈尔德持有与他一样的观点。当戈尔德听说庇护十二世支持大爆炸理论，他的反应简洁而又切中要害：“嗯，教皇还赞同静止的地球呢。”

科学家们一直担心梵蒂冈试图影响科学的进程，历史上，1633年乌尔班八世就曾强迫伽利略放弃科学研究。然而，这种谨慎有时近乎偏执，正如英国诺贝尔奖得主乔治·汤姆孙所说：“要不是很多年前圣经上说过关于上帝创世的事儿，并使它显得很不合时宜，大概每个物理学家都会相信创生说。”

关于宇宙学中神学作用的辩论中最重要的声音也许当属大爆炸模型的共同创立者、教皇科学院的成员乔治·勒迈特的观点。勒迈特的坚定信念是科学研究应当与宗教领域严格分离。具体到他的大爆炸理论，他说：“在我看来，这一理论完全超越任何形而上的或宗教的问题。”勒迈特一直小心翼翼地保持着宇宙学和神学之间的分离。信仰上的坚守使他更清晰地理解这个物质世界，而科学研究则引导他对精神境界更深刻的领悟：“对真理的透彻的追求包括灵魂的探索和光谱研究。”毫不奇怪，他对教皇故意混淆神学和宇宙论的界限感到非常沮丧和恼火。一个学生曾目睹了勒迈特在听了教皇的演讲后回到学院的表现：他“怒气冲冲地走进教室……完全失去了往日的幽默”。

勒迈特决心阻止教皇颁布关于宇宙学的敕令，这部分平息了由此引起的令大爆炸的支持者的尴尬，也避免了教会日后潜在的困境。如果教皇——抓住他对大爆炸模型的热情——打算支持大爆炸研究的科学方法并利用它来支撑天主教，那么如果新的科学发现与圣经的教导相抵触时，这项政策就可能会反弹，反而不利于教会。勒迈特与梵蒂冈天文台台长暨教皇的科学顾问丹尼尔·奥康纳取得了联系，建议他们一起去说服教皇对宇宙学保持安静。教皇出奇地顺从并同意了他的这项要求——大爆炸将不再是教皇宣讲的一个适合的主题。

在西方宇宙学家开始在脱离宗教的影响方面取得一定的成功的同时，东方的那些宇宙论者则还不得不与那些试图影响科学争论的非科学家们进行斗争。

政治家和神学家都用宇宙学来支撑自己的信念，这让霍伊尔感到可笑。正如他在1956年所写的：“这些人判断一种观点’正确’，是因为他们认为它基于’正确’的前提，而不是因为它导致了符合事实的结果。事实上，如果事实不符合这个教条，那么事情就更糟糕了。”

宇宙学家又是如何看待大爆炸与稳恒态的这场辩论的呢？在整个20世纪50年代，科学界因此被分裂。1959年，《科学新闻快报》进行了一项调查，要求33位杰出的天文学家公开他们的立场。结果显示，11位专家支持大爆炸模型，8位支持稳恒态模型，其余14位要么不确定，要么认为这两个模型都是错误的。在代表宇宙的真相方面，两种模型都坚信自己是强有力的竞争者，但双方都没有得到大多数科学家的广泛支持。

缺乏共识的原因是，支持和反对这两种模型的证据都是不确定的，甚至是矛盾的。天文学家们是在技术条件和认识上的理解均非常有限的状况下进行观测的，因此，从这些观测中推断出的“事实”需要高度谨慎地处理。例如，对星系退行速度的每一次测量可以称为一个事实，但评论界对于这个事实难置一词，因为要想理解它牵扯到非常复杂的逻辑和观察链。首先，对退行速度的测量依赖于对星系微弱光线的探测，需要假设这些光线在通过干扰性的空间和地球大气时如何受到或不受影响；其次，必须测量光的波长，并确定发出这种光的星系原子；第三，必须确定谱线的频移，并通过宇宙的多普勒效应将这一频移与退行速度联系起来；最后，天文学家们还必须考虑所有设备及其使用过程——如望远镜、光谱仪、底片甚至显影过程——的固有误差。这是一套非常复杂的逻辑链，天文学家必须对每一个步骤都非常有信心。实际上，在宇宙学里，对星系的退行速度的测量已属于较为确定的事实。其他学科领域的逻辑链更复杂，更让评论界莫衷一是。

在支持或反对大爆炸或稳恒态模型都没有确凿证据的情况下，许多科学家将他们对宇宙模型的偏好建立在直觉或是对那些捍卫对手模型的人的人格尊重的基础上。这种情形在丹尼斯·席艾玛身上表现得尤为突出。他将成为20世纪的最重要的宇宙学家，正是在他的指导下有了斯蒂芬·霍金、罗杰·彭罗斯和马丁·里斯的工作。席艾玛自己曾受到霍伊尔、戈尔德和邦迪的启发，称他们对“像自己这样的年轻人具有令人振奋的影响力。”

席艾玛发现自己也受到各种理论的哲学方面的吸引：“稳恒态理论开创了这样一种令人兴奋的可能性：物理学定律可能确实通过要求宇宙的所有特征都是自我传播的……决定了宇宙的内容。因此，自我传播的要求是一个强有力的新原则，借助于这一新原则，我们第一次看到了回答下述问题的可能性：为什么事情都不像它们被谈论的那么简单？因为它们是自在的。”

后来他发现他偏爱稳恒态胜于大爆炸的另一个原因是：“这似乎明显是唯一的允许生命延续的模式。生命总要在某处延续……即使这个星系老了，死了，总会有新的年轻的星系诞生出来，在那里生命将继续演化。因此，薪火相传永世不绝。我想在我看来这可能是最重要的事情。”

席艾玛选择稳恒态模型的主观原因很大程度上是宇宙学的不确定性和混乱的症状。在20世纪肇始，宇宙学是一个令人满意的学科，一个永恒不变的静态宇宙已深入人心，但20世纪20年代的测量结果和新的理论表明，这一观点显然不能令人满意。不幸的是，两种新出现的替代品没有一个是完全令人信服的。稳恒态宇宙学属于原始的永恒静态的世界观的修订版，但支持它或反对它的观测证据非常少。大爆炸宇宙学是一种更激进和更具颠覆性的宇宙论观点，既有支持它的证据也有反对它的证据。总之，宇宙处在浴火重生的当间儿。或者更专业点说，宇宙学正处在范式转变的过程中。

科学史的传统观点认为，对科学的理解是通过一系列细微变化逐步发展来的，先是公认的理论在几十年间不断得到微调，然后是新理论从旧理论中脱胎而出。这是一种由达尔文的进化论和自然选择原理发展而来的科学发展观。理论发生变异，然后在适者生存的原则下，那些最符合观察结果的理论被采纳。

然而，科学哲学家托马斯·S.库恩认为，这只是故事的一部分。1962年，他写了一本书叫《科学革命的结构》，在其中他将科学进步描述为“平静期不断被智力暴力革命打断的一系列过程”。所谓平静期是指这么一段时期，在此期间理论处于前述的渐变演化阶段。但每隔一段时间，思维就会有重大转变，这种转变被称为范式的转变。

例如，天文学家在几个世纪里一直对宇宙的地球中心说范式修修补补，不断加入本轮和均轮，以使模型与太阳、恒星和行星的观测路径更切合。渐渐地，对行星轨道的预测出现一系列问题，在自然哲学上持保守主义的大多数天文学家选择忽略，坚持尊崇现有的范式。最后，当问题堆积到不能容忍的地步后，如哥白尼、开普勒和伽利略这样的挑战者就会站出来提出一种新的太阳中心说的范式。经过几代人的努力，整个天文学界抛弃了旧的范式，转移到新的范式。此后，一个新的稳定的科学时代开始了，研究模式建立在新的基础和新的范式上。地球中心说不是演变成太阳中心说，而是被后者所取代。从原子的葡萄干布丁模型到卢瑟福的核模型的转换是这种范式转变的另一个例子。从充满以太的宇宙到没有以太的宇宙的转换也是如此。在每一种情况下，新的范式一旦适时闪现，而旧的范式已经完全不可信，那么从一种范式到另一种范式的转移就会发生。转移的速度取决于许多因素，包括支持新范式的证据分量以及旧范式抗拒改变的程度。年长的科学家，在旧范式下付出了太多的时间和精力，通常都是最后接受改变，而年轻的科学家们一般都更喜欢冒险并持开放的态度。只有当老一代人退出了科学生活，年轻一代已成为新的权威，范式的转变才可能完成。旧范式可能已经盛行了几个世纪，因此持续了几十年的转换期还是比较短的。

在宇宙学领域，情况有点不同寻常，作为旧范式的静态的、永恒的宇宙已经被抛弃（因为星系显然不是静态的），但却出现了两个互不相让的新范式：稳恒态模型和大爆炸模型。宇宙学家们希望，这一不确定时期和冲突能通过寻找到无可争议的证据予以结束。这些证据将证明这两种新模型中有一个是正确的。

为了解决我们到底是生活在大爆炸的余波之中还是处于稳恒态之中，天文学家必须将重点放在一系列关键性判据上，它们是确立两个竞争性模型哪一个能胜出的关键。这些判据总结在表4中，其中每一项判据都给出了简要评估，用以指示在1950年的可用数据基础上看哪个模型较为成功。

虽然这个表不包括区分两个模型优劣的每一项潜在准则，但它已将主要判据包含在内，如每个模型的解释各种元素的丰度的能力。就第二项判据来看，大爆炸模型能准确地解释宇宙中氢和氦的丰度，但对于更重原子的丰度则无能为力。大爆炸模型因为在这一点上只是部分成功，故吃了个问号。稳恒态模型在这里也有疑问，因为我们不清楚在退行星系之间产生的物质是如何发展形成我们所观察到的原子丰度的。

两个模型不仅必须解释各种原子的形成及其丰度，而且还得解释这些原子如何聚集在一起形成恒星和星系——表4中的第三个判据。这个问题在前面章节里没做细节上的讨论，它向大爆炸模型提出了一个大问题。宇宙在创生后迅速膨胀，这将使意欲形成的婴儿星系变得被拉散。同时，由于大爆炸宇宙只有有限的历史，因此星系演化只有10亿年左右——这是一个相对较短的时间尺度。换句话说，没有人能够解释星系是如何在大爆炸模型的背景下形成的。稳恒态理论在这个问题上较为自信，因为永恒宇宙间允许星系有更多的时间进行演化。

反映两个竞争性模型具体的成功和失败的两列里包含了“√”、“×”和“？”，因此无论哪一个理论都不能完全令人满意。因此我们可以想像，接受大爆炸模型的宇宙学家可以通过解释宇宙的某些方面来消除它们之间的分歧，同样，赞同稳恒态模型的宇宙学家也可以解释其他一些问题来做到这一点。然而，宇宙学不是可以共享荣耀的竞赛。大爆炸模型和稳恒态模型在最基本的层面上是矛盾的和不相容的。一种模型宣称宇宙是永恒的，而另一种则声称宇宙是创生的，它们不可能都正确。假设两种模型中只有一种是正确的，那么最终取得胜利的这个就必然粉碎其竞争对手。

表4

下表列出了可以判断大爆炸模型和稳恒态模型孰是孰非的不同判据。它显示的是在1950年所获数据的基础上这两个模型的表现。“√”和“×”给出每个模型在相关判据前的大致优劣，问号表示该项缺乏数据或赞同和不赞同的难辨胜负。判据4和5的问号是由于缺乏观测数据。

时标困难

大爆炸的支持者所面临的最紧迫的问题是表4中的第六项判据——宇宙年龄。打叉突显出大爆炸模型的荒谬：宇宙要比它所含的恒星年轻。这就像一位母亲比女儿年轻一样荒谬——恒星肯定不能比宇宙本身更年长吗？第3章描述了哈勃是如何测量到星系的距离以及它们的视速度的。随后大爆炸宇宙学家将这个距离除以速度推断出，大约在18亿年前宇宙的总质量集中于创生的一个点上。但对岩石的放射性测量表明，地球至少有30亿岁，于是逻辑上形成这样一个局面：恒星更古老。

甚至支持大爆炸学说的爱因斯坦也承认，这一问题可能会推翻模型，除非有人能找到断然的证据：“宇宙的年龄……肯定大于由矿物质的放射性得出的地球地壳的年龄。由于通过这些矿物质确定的年龄从各方面看都是可靠的，因此如果发现存在违背这一结果的矛盾，那么[大爆炸模型]将被推翻。对此我看不出有什么合理的解决办法。”

这种年龄差异被称为时标困难，一个并未真实反映出它所引起的大爆炸模型的巨大尴尬的术语。解决年龄悖论的唯一途径是发现对远处星系距离的测量或是对其速度的测量上存在错误。例如，如果远处星系的距离比哈勃估计的大，那么到达那个星系所需的时间就要比按目前距离估计的时间长，这将意味着宇宙的年龄比现在估计的要大。或者，如果星系退行的速度比哈勃估计的要慢，那么就需要更长的时间才能到达该星系，这同样意味着一个更古老的宇宙。然而哈勃作为世界上最受尊敬的观测天文学家，向以精确和勤奋闻名，所以没有人真正怀疑他的观测的准确性。何况他的测量结果已得到其他人的独立检核。

当美国加入二战后，天文观测和主要观测站的活动在很大程度上陷于停顿。随着天文学家献身祖国，试图解决大爆炸与稳恒态模型之间争论的任何计划均被推迟。甚至连哈勃，当时已年届五十，也离开了威尔逊山，受命领导马里兰州的阿伯丁弹道试验场，成为华盛顿特区以外的最高文职官员。

留在威尔逊山的唯一高级人员是沃尔特·巴德，一位在1931年就加入了天文台工作人员队伍的德国流亡者。尽管已在美国生活工作了10年，但他仍然受到怀疑，被禁止参加任何军事研究项目。从巴德的角度来看，境况并不算太坏，因为他现在成了久负盛名的100英寸胡克望远镜的唯一使用者。此外，战时灯火管制消除了洛杉矶郊区恼人的光污染，将观测条件提高到1917年望远镜建成以来前所未有的水平。唯一的问题是，巴德的敌国侨民身份使得他被限于从日落到日出这段时间不得离开他的住所，这对一个天文学家来说很不好受。巴德向有关当局指出，他已经在办理申请入籍美国的手续，并最终让他们相信他不是一个安全隐患。经过短短的几个月，当局便取消了对他的宵禁，尽管他仍不能进行军事研究。巴德有了在理想的观测条件下自主使用世界上最好的望远镜的机会。他还设法配制出非常灵敏的底片，拍摄了无与伦比的清晰图像。

巴德在研究被称为天琴RR型星的过程中度过了战争年代。天琴RR型星是一种类似于造父变星的变星。在哈佛天文台与亨丽埃塔·莱维特一起工作的威廉米娜·弗莱明曾表明，天琴RR型星的光变特性可以像造父变星一样用于距离测量。但到那时为止，她的这项技术仅限于在银河系内被采用，因为天琴RR型星的发光不像造父变星那么亮。不过，巴德的雄心是想用理想的观测条件去发现仙女座星系里的天琴RR型星。仙女座是离我们最近的大星系。这样，他就可以利用天琴RR型星的光变特性来测量仙女座的距离，并与之前基于造父变星测得的距离进行交叉检验。

事实上，巴德很快就意识到，仙女座的天琴RR型星的距离超出了100英寸胡克望远镜所能够得着的范围。因此他只好用这架100英寸的仪器对银河系里的这些恒星进行观测，为日后采用200英寸的望远镜做准备，这架望远镜将很快在战后完成建造。他乐观地认为，新的巨型望远镜将使仙女座的天琴RR型星纳入视线范围。

200英寸的望远镜——乔治·海耳的最大的天文学工程——建在威尔逊山东南方200千米外的帕洛玛山上。在它开始建设的两年后，海耳就于1938年去世了。因此海耳没有机会看到有史以来获得的最壮观的宇宙景象。当这架仪器最终完成后，它被命名为海尔望远镜。

1948年6月3日，洛杉矶的各界名人出席了这架望远镜的落成典礼。面对坐落于1000吨旋转圆顶下的这架巨型仪器，宾客们惊叹不已。它的凹面镜抛光精度为1毫米的百万分之五十。当影片《赏金兵变》的主演巨星查尔斯·劳顿被问到海耳望远镜是否给人震撼时，他回答说：“极其震撼，我的天！简直可怕极了。他们打算用它做什么？开始与火星打仗吗？”

到海耳望远镜完全就绪时，威尔逊山和帕洛玛山两大天文台的研究力量配备也已完全到位。尽管如此，巴德在寻找仙女座星系天琴RR型星方面还是要领先一步。这要归功于他在二战期间用100英寸望远镜打下的良好基础。他立刻将新的200英寸望远镜对准仙女座星系，搜寻其微弱的恒星亮度的快速变化，这是天琴RR型星的指征。

经过一个月的细致测量，巴德没有发现他希望看到的天琴RR型星的任何迹象。他继续坚持，但用这架强大的海耳望远镜还是没找到任何预料中的迹象。他百思不得其解。他知道，是否能看到仙女座星系的天琴RR型星只取决于3个因素——恒星的亮度、200英寸望远镜的能力和星系的距离。他的计算表明，这些恒星应该绝对是可见的。为了确定是什么使得他未能发现天琴RR型星，他重新检查了决定观测成败的3个因素。从战时的研究中他确信天琴RR型星的亮度测得没错，而且他也确信自己十分了解望远镜的能力……那么唯一的原因莫非是仙女座的距离远远大于人们以前的预期？

巴德确信，唯一合乎逻辑的和可能的解释就是仙女座星系的公认距离存在误判。最初他的同事们对此持怀疑态度，但当他能够严谨地指出以前对仙女座星系的测量是如何以及为什么存在失误后，他们相信巴德是对的。

正如第3章解释的，最初对仙女座星系距离的测量一直用的都是造父变星，这已经成为测量星系距离的基本准则。亨丽埃塔·莱维特已表明，造父变星有一个有用的性质，就是两个亮度峰值之间的时间段是其固有光度的优越的指征，而后者可用于与其视亮度进行比较来确定它到地球的距离。哈勃曾第一个发现了银河系外的造父变星，从而测量了另一个星系（即仙女座星系）的距离。

然而到了1940年，事情变得很明显，大多数恒星可以分为两大类型，称为星族。较老的恒星属于星族Ⅱ，在这些恒星瓦解之后，其碎片变成新的、年轻恒星（即星族Ⅰ）的成分。这些新星通常要比星族Ⅱ的恒星热，也更明亮，光谱更偏蓝。巴德认为造父变星也可以分为这两类，并认为这正是仙女座星系距离背后的矛盾所在。

巴德认为仙女座更远的观点是基于简单的两步。首先，星族Ⅰ的造父变星要比有同样光变周期的星族Ⅱ的造父变星亮；其次，天文学家们往往只观测仙女座星系中较亮的星族Ⅰ的造父变星，但他们无意间用了银河系中较暗的星族Ⅱ的造父变星来建立仙女座星系的造父变星的距离尺度。

哈勃不知道造父变星有两种类型，因此犯了这样一个错误：用本地较暗的星族Ⅱ的造父变星与仙女座星系的相对明亮的星族Ⅱ的造父变星作比较，结果他错误地估计了仙女座星系的距离，即他估计的距离要比实际距离近。

为了直接解决这个问题，巴德着手根据两类造父变星来重新校准造父变星的标准尺度。通过这种方式，他可以正确估算出到仙女座星系的造父变星的距离，也就是到仙女座本身的距离。他指出，平均来看，星族Ⅰ造父变星的亮度是星族Ⅱ中具有相同光变周期的造父变星的4倍。简单来说就是，如果一颗恒星到观察者的距离远离到原先的两倍，那么它的光强将减弱为原先的四分之一。因此，仙女座星系必须挪远到原先的两倍距离上——大约为200万光年的距离——才能矫正这样一个事实：平均而言，仙女座星系中可见的星族Ⅰ的造父变星的亮度，是原先用来测定距离的星族Ⅱ的造父变星的亮度的4倍。现在，到仙女座星系的距离得到了纠正。因此毫不奇怪，在200万光年的距离上，天琴RR型星的亮度太微弱根本观察不到。

如果说调整仙女座星系的距离是巴德这项工作的唯一结果的话，那么它在天文学史上就似乎不值得大书特书了。然而实际上，到仙女座的距离已被用于估计我们到其他星系的距离，所以仙女座距离的加倍意味着到所有其他星系的距离都要加倍。

而且，估算给出的这些星系的退行速度保持不变，因为它们是从光谱的红移推算出来的，它们不受巴德的研究成果的影响。这对大爆炸模型有着巨大的积极影响。如果距离加倍，速度保持不变，那么从创生那一刻到所有星系当前距离的时间也必须加倍。换句话说，大爆炸模型下的宇宙年龄现在应当向上修正到36亿年，这个数字不再与地球的年龄相冲突。

大爆炸模型的批评者指出，恒星和星系比地球年长，因此很可能超过36亿年，这意味着宇宙似乎仍含有比宇宙本身年龄更大的天体。这样的话，这些批评者声称，所谓时标困难仍然是一个问题。但是，大爆炸模型的支持者没有被这一完全合理的论点扰乱，因为巴德的研究已经表明，就测量星系的距离和宇宙的年龄而言，仍有很多东西需要学习。他发现了一个错误，就使宇宙的年龄翻番，因此很可能日后人们发现另一个错误，宇宙年龄会再次翻番。

在修正大爆炸模型的重大缺陷问题上，巴德走过了很长的路才取得突破。这一突破的更重要的意义是强调了天文学中普遍存在的弱点——盲从的习惯。由于哈勃的声誉，天文学家很久以来一直毫不犹豫地接受了他公布的仙女座星系和其他星系的距离。不敢质疑和挑战这样的基本判断，即使这些判断是由著名权威刚做出的；这是不发达科学的主要特点之一。

许多年后，受到仙女座星系距离判断失误这一案例的启发，加拿大天文学家唐纳德·弗尼尖锐地指出了科学上盲从这一不良品质的危害性：“对天文学家的群体本能的权威性的研究还有待进行，但有许多次，我们像羚羊一般聚在一起，低着头密集地排着队，以坚定的决心沿着特定方向如隆隆雷声滚过平原。只要领头的一声信号，我们便掉转头，以同样坚定的决心，向着一个完全不同的方向，仍然鱼贯有序地紧挨着前进。”

巴德在出席于1952年罗马召开的国际天文学联合会会议上正式宣布，宇宙的年龄是以前认为的两倍。会议室里那些支持大爆炸模型的同行一眼就看出了这个新的测量值支持他们所信仰的创生时刻——或至少是去除了绊脚石。要不怎么说历史常有巧合呢，当时这个专题讨论会的会议记录正是大爆炸模型的激烈的批评者——弗雷德·霍伊尔。他尽职尽责地记录下会议结果，但他对永恒宇宙的根深蒂固的信念迫使他选择了这样一种遣词造句的方式，就是小心翼翼地避免引向大爆炸模型或物质创生模型。他写道：“哈勃的宇宙特征时间尺度现在必须从大约18亿年提高到大约36亿年。”

唯一对这个结果感到比霍伊尔更加失望的人是埃德温·哈勃。不论大爆炸模型正确与否，他都不会有一丝一毫的挫败感，因为他从来不会让宇宙学问题来打扰自己。哈勃只关心他的测量结果的准确性，而不是对它的解释并根据它们来确立理论的正确性。因此在这一刻，他彻底绝望了，因为巴德发现了他的距离测量中存在重大缺陷。

当哈勃认真考虑了巴德的新的测量结果的意义后，他感到一阵彻痛的辛酸。尽管他荣获了许多国家奖和国际奖项，但他始终感到遗憾的是，他从来没有被授予诺贝尔奖，这一直是他的终极目标。现在，巴德指出了他的工作中的一个错误，这似乎让荣获诺贝尔奖变得更加遥不可及。

事实上，诺贝尔物理学奖评审委员会毫不怀疑哈勃是他那个时代最伟大的天文学家。在他们眼中，巴德的研究几乎没有玷污这位伟人的声誉。毕竟，哈勃通过证明存在河外星系解决了1923年的大辩论问题，他还在1929年用他的星系红移定律奠定了大爆炸与稳恒态模型争论的基础。诺贝尔基金会忽略他的唯一原因是他们从未认为天文学是物理学的一部分。哈勃吃亏是吃在了专业方向上。

哈勃曾满足于媒体和公众对他的赞美。他们尊他为宇宙英雄，他们适时地赞颂了他的成就。正如一位记者所说的那样：“正如哥伦布航行3000英里，发现一个大陆和一些岛屿一样，哈勃在无限的空间中漂泊，发现了数百个巨大的新世界、星岛、次大陆和星座，这些星座可不是仅仅在数千里之外，而是在百万亿英里之外。”

1953年9月28日，哈勃死于脑血栓。可叹的是，他完全不知道，诺贝尔物理学奖评审委员会已秘密决定修改他们的规则，授予他诺贝尔奖来认可他的成就。事实上，该委员会正准备公布对他的提名时，哈勃去世了。

诺贝尔奖不能追授，而且协议规定该委员会的讨论内容不得外漏。要不是因为有两名委员——恩里科·费米和苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡——决定与哈勃的遗孀格蕾丝·哈勃联系告知此事，哈勃被提名的事儿将一直是个秘密。他们急于让格蕾丝知道，她丈夫对理解宇宙所做出的无与伦比的贡献没有被忽视。

越暗，越远，越古老

通过挑战并纠正公认的仙女座星系的距离，沃尔特·巴德一直提醒他的同事们，过去的测量结果应当受到质疑和审查，如果发现不足就应丢弃。这是一个健康的科学氛围的基本要素。只有当测量结果经过检查、反复检查、再三检查、交叉检验，它才可以赢得“事实”的称号。即便如此，偶尔的推翻性质的重新评估永远不会是有害的。

怀疑和批评的传统甚至也被用到巴德的距离测量上。事实上，正是巴德自己的学生，阿伦·桑德奇，修正了他导师的测量结果，从而再次增加了宇宙的年龄。

桑德奇像他的若干同事一样，第一次透过望远镜的目镜张望星空就迷上了天文学。他从没忘记童年时“一场大爆炸出现在我的大脑里”的那一刻。他考取了威尔逊山天文台的博士生，师从巴德，后者要求他对他所观察到的最遥远的星系拍出新的图像。巴德只是想让桑德奇来检查他的距离估计是否正确。

天文学家不能用造父变星的尺子去测量到最远的星系的距离，因为在那么远的距离上已无法检测到造父变星。相反，他们必须采用一种完全不同的测量技术，它依赖于这样一个合理的假设：仙女座星系中最亮的恒星本质上与任何其他星系里最亮的恒星一样亮。因此，如果遥远星系的最亮的恒星的视亮度只有仙女座星系中最亮的星的1/100（1/102），那么该星系的距离被认为是仙女座星系的10倍，因为亮度与距离的平方成反比。

尽管恒星的亮度差别很大，但用这种方法来测量距离不是没有道理。例如人的身高差异也很大，但随机选取50个成年人组成一个样本，我们可以合理地假设其中最高的人的高度大致为190厘米。因此，如果将这样的两个组分开适当的距离，我们看到一个组里最高者的高度是另一个组最高者的三分之一，那么我们可以合理地猜测，前一组的距离是后一组的3倍远。这是因为两个组里最高的人的高度应大致相等，而表观高度与距离成反比。这种方法不尽完美，因为一个组拉来的人可能正要去参加篮球赛，而另一个组的人原本可能是要去参加赛马。但在大多数情况下，这种距离估计的误差应在百分之几以内。

如果用这种方法来评估人的平均身高或恒星的平均亮度，将更加准确。但天文学家们研究的天体是如此遥远，他们不得不将这种方法应用到每个星系的最亮的恒星上，这是他们能够看到的对象。自1940年以来，天文学家一直就用这一技术来测量遥远星系的距离，并自信这么做基本上是可靠的，尽管他们有思想准备，所测的距离可能需要进行调整。这就是为什么巴德要求桑德奇来检查他的估计值。事实上，桑德奇发现，最亮恒星方法有一个根本性的缺陷。

由于照相术的改进，桑德奇可以看出，以前一直被认定为遥远星系中最亮的恒星其实是聚在一起的别的东西。宇宙中大部分的氢已聚合成熟悉的致密星，但也有相当数量的氢是以巨大的云团的形式存在的，它们称为HⅡ区。HⅡ区吸收周围恒星的光，并被这些光加热到超过10000℃。由于它的温度和大小，一个HⅡ区的光度可以盖过几乎所有的恒星。

在桑德奇之前，天文学家一直无意识地错将仙女座星系中可见的最亮恒星与更遥远的、新发现的星系里最亮的HⅡ区做比较。以为HⅡ区是恒星。天文学家认为这些新星系比较接近，因为它们的最亮“恒星”看起来相对较亮。当桑德奇得到了分辨率高到足以将这些HⅡ区与真正的恒星区分开来的图像后，他的结论是，遥远星系中最亮的恒星实际上要比误解的HⅡ区暗很多，因此这些星系必定比以前估计的远得多。

根据大爆炸模型，这些遥远星系的距离对于估算宇宙的年龄绝对关键。1952年，巴德将星系的距离翻了一番，同时也将宇宙的年龄翻了一番，达到36亿年。两年后，桑德奇将星系推得更远，宇宙的年龄也被增加到55亿年。

尽管有了这些增加，测量值还是低估了。在整个20世纪50年代，桑德奇一直在从事他的星系距离测量工作。不论是星系距离还是由此导致的宇宙年龄一直在持续拉长。事实上，桑德奇将成为测量星系距离和宇宙年龄的主要人物，并且很大程度上正是由于他的观察，在100亿岁到200亿岁之间的宇宙最终变得清晰。这个宽广的范围与宇宙中其他对象肯定是相容的。稳恒态理论不再嘲笑大爆炸理论说它解释不了为什么宇宙会比它所包含的恒星年轻了。

宇宙炼金术

尽管时标困难现在算解决了，但大爆炸模型还有来自其他问题的困扰。最重要的是有关核合成，特别是重元素形成的问题。乔治·伽莫夫曾夸口：“这些元素冷却的时间比做一盘烧鸭加烤土豆所花的时间还要短。”总之，他认为所有各种原子核都是在大爆炸后的1小时内产生的。然而，尽管伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼尽了最大努力，但除了最轻的原子，如氢和氦，其他元素的原子的形成机制一直无法找到，即使在大爆炸后存在一个炽热期。如果重元素不是在大爆炸之后瞬间产生，那么问题很清楚：它们是何时何地被创造出来的？

（最后一排左起）F.霍伊尔、H.C.范德胡斯特、A.R.桑德奇、J.A.惠勒、H.赞斯特拉、L.勒杜

（中间一排左起）O.S.克莱恩、W.W.摩根、B.V.库卡尔金、M.菲尔兹、W.巴德、H.邦迪、T.戈尔德、L.罗森菲尔德、A.C.B.洛弗尔、J.热厄尼奥

（中间一排前站着的两人）V.A.安巴尔楚米扬、E.沙兹曼

（前排坐着的）W.H.麦克雷、J.H.奥尔特、G.勒迈特、C.J.高特、W.泡利、W.L.布拉格、J.R.奥本海默、C.穆勒、H.沙普利、O.赫克曼

图88　这是出席1958年索尔维会议的一张集体照。照片显示阿伦·桑德奇和沃尔特·巴德参加了这次会议。他们修订的星系测量距离增加了大爆炸模型下的宇宙年龄。大爆炸模型和稳恒态模型之间争论的主要角色都在照片里，包括霍伊尔、戈尔德、邦迪和勒迈特。

尽管学术争论非常激烈，但不影响两个阵营之间的个人友谊。例如，霍伊尔非常喜欢勒迈特，形容他是一个“粗壮敦实的人，满嘴笑话，充满了笑声”。霍伊尔深情地回忆起在罗马的一次会议后他们驱车游览意大利的情形：“整个行程只有乔治出了点状况，那是在午餐后。我中午总是随便吃点，这样下午我可以继续开车，而乔治想来顿大餐，上瓶酒，这样他下午就可以在车上睡觉了。我们达成一致，下午让乔治在车后座睡觉。但不幸的是，严重的头痛几乎让他合不上眼。”

亚瑟·爱丁顿曾提出一种可能的核合成理论：“我认为恒星就是较轻元素的原子复合成较重元素的坩埚。”然而，恒星的温度据估计在表面只有几千度，在核心也只有几百万度。这个温度当然足以使氢慢慢变成氦，但要将这些氦原子聚变成真正的重核，这个温度显然不够，这需要数十亿度的温度才行。

例如，要形成氖原子，需要30亿度的温度，要产生更重的硅原子将需要130亿度甚至更高的温度。这导致了另一个问题。即使存在创造氖的环境，也未必就能热到产生硅。反之，如果环境温度高到足以产生硅，那么所有的氖都将被转换成某种较重的元素。仿佛每一种元素的原子都需要各自的量身定做的坩埚，宇宙将不得不组建种类繁多的致密环境。可惜的是，即使这些坩埚存在的话，也没人能知道它们在哪里。

对解决这个问题做出主要贡献的当属霍伊尔。他不是将核合成看成是大爆炸与稳恒态模型孰胜孰败的问题，而是这两个理论都需要关注的共性问题。宇宙大爆炸模型在某种程度上需要解释宇宙开始时的基本粒子是如何转变成不同丰度的较重的原子的。同样，稳恒态模型也需要解释星系退行时不断生成的粒子是如何转换成较重的原子的。霍伊尔自打成为初级研究员开始便一直惦记着核合成问题，但直到20世纪40年代末他才迈出解决这个问题的试探性的第一步。当他猜测到恒星在其生命的不同阶段所发生的事情时，这个问题开始取得进展。

中年恒星通常是稳定的，它通过将氢聚变成氦来产生热能，通过辐射光能来耗散掉这些热量。同时，恒星的所有质量靠自身引力被拉向内，这种向内的拉力靠星核的高温引起的巨大的向外压力来抵消。如在第3章所讨论的，恒星的这种平衡类似于气球上的受力平衡，橡皮膜的应力总试图让气球向内收缩，而气球内的空气压强则使气球向外膨胀。这个比喻可用来解释为什么造父星的光度是可变的。

霍伊尔对于恒星理论和引力坍缩与指向外的热压强之间的平衡理论很熟悉，但他想知道当这种平衡被打破时会发生什么。具体来说就是，霍伊尔想了解，在恒星的晚年，当氢燃料行将耗尽时会发生什么。毫不奇怪，燃料短缺将导致恒星开始降温。温度的下降将导致向外压力的下降，引力作用会变得过强，恒星将开始收缩。关键是，霍伊尔意识到这种收缩不是故事的结束。

随着整个恒星向内收缩，压缩将导致恒星星核升温并使向外的压力增大，由此使得收缩停止。压缩带来的温度上升有几个原因，但其中的一个是压缩导致更多的核反应，从而产生更多的热量。

虽然这种额外的热量使得恒星重新建立起某种程度的稳定性，但它只是一种暂时的中止。恒星的死亡只是被推迟了。恒星继续消耗更多的燃料，并最终减少到燃料供应变得至关重要。缺乏燃料意味着缺乏产能，因此星核开始再次冷却，这导致了另一个压缩阶段。同样，这次压缩使得星核再次得到加热，坍缩再次停止，直到下一次燃料短缺。这种反复起-停的坍缩方式意味着很多恒星都将经历一个缓慢的、挥之不去的死亡过程。

霍伊尔着手分析了不同类型（如小型的、中型的、大型的、星族Ⅰ的，星族Ⅱ的）恒星的演化过程。经过几年的专门研究，他成功地完成了对不同的恒星在其接近寿命终点时所发生的所有温度和压力变化的计算。最重要的是，他还制定了每个恒星在濒临死亡时的核反应，关键是给出了极端温度和压力的不同组合是如何导致一系列中等质量和重原子核的产生的，其结果如表5所示。

表5

霍伊尔计算了不同的恒星在其寿命的不同阶段会发生何种核合成的条件。下表给出了大约25倍太阳质量的恒星上所发生的核合成反应类型。与典型星相比，这种大质量恒星的寿命非常短。最初，恒星花上几百万年的时间使氢聚变成氦。在其寿命的后期阶段，温度和压力增加，使得氧、镁、硅、铁和其他元素的核合成得以进行。而各种更重的原子则要在最终和最激烈的阶段才能产生。

很明显，每种类型的恒星都可以作为生成不同元素的坩埚，因为恒星在其寿命和死亡的过程中内部发生着巨大变化。霍伊尔的计算甚至可以说明今天我们所知道的几乎所有元素的准确丰度，可以解释为什么氧和铁是常见的，而金和铂金则是罕见的。

在例外的情况下，一个质量非常大的恒星的早期坍缩阶段变得不可停歇，恒星死亡得相当迅速。这便是超新星，恒星死亡最猛烈的例子，它以无与伦比的强度引起内爆。当超新星爆发时，一颗恒星所释放的能量大到超过100亿颗一般恒星亮度的总和（这就是为什么一颗超新星的爆发会让参与大辩论的天文学家感到困惑的原因，如前面第3章所讨论的那样）。霍伊尔表明，超新星打造出一种最极端的恒星环境，从而允许罕见的核反应发生，从而产生出最重和最奇特的原子核。

霍伊尔的研究的最重要的结论之一是恒星的死亡并不标志着核合成过程的结束。随着恒星向内爆缩，它发出巨大的冲击波，从而导致整个星体爆炸，使得原子飞向整个宇宙。重要的是，一些原子是恒星寿命最后阶段的核反应的产物。这颗恒星碎片与漂浮在宇宙中的其他碎片（包括来自其他死亡恒星的原子）混合在一起，最终凝聚成全新的恒星。这些第二代恒星一开始就能进行核合成，因为它们已经有了某些较重的原子。这意味着当它们濒临死亡和内爆时将会合成更重的原子。我们自己的太阳可能就是第三代恒星。

马库斯·乔恩——《魔法炉》的作者——描述了恒星炼金术的意义：“为了我们能够活着，已经有数十亿、数百亿、甚至上千亿颗恒星死亡了。我们血液中的铁，我们骨骼中的钙，我们每一次呼吸而充满我们肺部的氧气——所有这些都是在地球诞生之前很久的星星炉里煮出来的。”浪漫主义者可以认为自己是由星尘构成的。愤世嫉俗者可以认为自己就是核废料。

霍伊尔解决了宇宙学中最大的困惑，并找到了一个几乎堪称完美的解决方案，但有一个突出问题尚待解决。表5显示了某种特定类型恒星上的核合成链：氢转化为氦，然后氦聚变成碳，碳变成更重的元素。虽然表中明确列出了氦到碳的阶段，但实际上霍伊尔并没有真正解决这一步是怎么发生的。据他所见，没有什么可行的核途径使氦转化成碳。这是一个主要问题，因为除非他能解释碳的形成，否则他无法解释其他所有的核反应是怎么发生的，因为在生成它们的反应链的某个点上都需要有碳的参与。这对于所有类型的恒星都是个问题——根本没有办法把氦变成碳。

霍伊尔在此遇到了与当年阻止伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼前进脚步完全相同的核砖墙。伽莫夫等人当时就试图解释在宇宙大爆炸早期时刻氦如何转换成更重的元素。如果你还记得的话，伽莫夫小组发现，涉及氦的核反应只能生成不稳定的原子核。氦核加氢核给出的是不稳定的锂5核；2个氦核合并给出的是不稳定的铍8核。仿佛大自然已经谋划好了要阻止氦核转成较重原子核（最主要的是碳）的唯一两条途径。除非这两个障碍可以被除去，否则构建较重原子核的问题将破坏霍伊尔有关恒星核合成理论的立论基础。他抱有的解释各种各样元素的希望将破灭。

伽莫夫团队在大爆炸核合成的框架下无法解决这一问题，而霍伊尔在恒星核合成的框架下也无法解决它。将氦转化为碳似乎是不可能的。但霍伊尔没有放弃寻找生成碳的某种可行途径的希望。他所预言的所有复杂的核反应全都有赖于碳的存在，因此他必须解开碳本身是如何形成的奥秘。

碳的最常见的形式是所谓的碳12，因为它的原子核包含12个粒子，即6个质子和6个中子。氦的最常见的形式是所谓的氦4，因为它的原子核包含4个粒子，即2个质子和2个中子。因此霍伊尔的问题可以归结为一个简单的问题：是否存在将3个氦核转变成1个碳核的可行机制？

一种可能是3个氦核同时碰撞在一起形成1个碳核。这是个好主意，可惜在实践中是不可能的。3个氦核恰好同时同地以相同的速度发生聚变的可能性实际为零。另一种途径是2个氦核聚变形成1个铍8核（4个质子加4个中子），然后这个铍8核再与另一个氦核聚变形成碳。这条途径和三氦核碰撞机制如图89所示。

图89　图（a）显示了氦到碳的一条可能的核聚变路径，它需要3个氦核同时碰撞。这种可能性非常低。第二条路径如图（b）所示，需要先2个氦核碰撞形成铍，然后铍核再与另一个氦核碰撞聚变成碳。

然而，铍8很不稳定，这就是为什么它被伽莫夫称为生成氦之后的核的道路上的绊脚石的原因。事实上，铍8核是如此不稳定（罕见形式），以至于通常在自发衰变前只能维持不到10-15秒。我们只能想象一个氦核在其飞行路径上恰巧遇到一个短暂存在的铍8核并合并成碳12。但即使这个过程确实能发生，也还需要克服另一个障碍。

氦核与铍核的结合质量比一个碳核的质量要大得多，因此，如果氦和铍聚合成碳，那么就可能会有多余的质量。通常情况下，核反应可以将多余的质量转换成能量（通过E=mc2），但质量差越大，反应所需的时间就越长。而铍8核并不具备这个时间。碳的形成必须几乎在生成铍8核的同时完成，因为铍8核的生命期实在太短。

因此，取道铍8路生成碳核的路径上有两个障碍。首先，铍8根本不稳定，持续时间不足亿万分之一秒；其次，氦和铍聚变为碳需要一个很长的时间窗口，因为存在轻微的质量不平衡。僵局似乎不可能打破，因为这两个问题彼此冲突。对此霍伊尔似乎可以选择放弃，转向研究些较简单的东西。但相反，他在此完成了科学史上的一次最伟大的直觉跳跃。

虽然任何核都有一个标准结构，但霍伊尔知道，核内的质子和中子还可以有另一种安排。我们可以将构成碳核的12个粒子看成是12个小球。这些小球有两种可能的排列，如图90所示。一种排列是分成两层每层6个的矩形结构；另一种是分3层每层4个的三角形排列（这里过于简单化了，因为在核的层面上事情并非像几何排列那么简洁）。让我们假设，第一种安排就是我们最常见的碳的形态，第二种是所谓的碳的受激形态。通过注入能量是可以将一般形态的碳核转变为受激态的。因为能量和质量是等价的（同样还是由于E=mc2），受激态的碳核的质量要比普通碳核稍大。霍伊尔断定，碳12的受激形式肯定具有正确的质量，即与铍8和氦4的组合质量完全匹配的质量。如果存在这样的碳核，那么铍8与氦4就可以迅速反应形成碳12。尽管铍8寿命很短，但生成大量的碳12是可能的。

图90　碳的两种可能形式。虽然实际上质子（深色球）和中子（浅色球）不会排列得如此整齐，而是倾向于形成球形团簇。图示要点在于表明碳核可以存在具有不同质量的不同排列方式。

问题解决了！

但是科学家不能想象一个问题只有一种解决方案。正如霍伊尔知道，虽然具有所需质量的碳12激发态打开了生成碳，乃至通向所有重元素的大门，但这并不意味着这种状态一定存在。受激核可以有非常特殊的质量，但科学家不能总寄希望于有一个方便的值。幸运的是，霍伊尔不只是一位只会想象的人。他对存在碳的正确激发态的自信是基于一种看似怪异但十分有效的逻辑推理链。

霍伊尔的推理前提是，他存在于宇宙。不仅如此，他指出，他还是一个以碳为基础的生命形式。因此，宇宙中必然存在一种制造碳的方式。然而，生成碳的唯一方法似乎依赖于碳的某个特定激发态的存在。因此这种激发态必定存在。霍伊尔严格运用的这种思考问题的方法后来被称为人存原理。这一原理可以用多种方式来定义和解释，但有一个版本可以这么来陈述：

我们在这里研究宇宙，因此宇宙的法则必定与我们的存在相一致。

在霍伊尔的推理中，他说碳12核是他的一个组成部分，因此碳的正确激发态必须存在，否则碳12和弗雷德·霍伊尔都不会存在。

从专业上讲，霍伊尔预测，他提出的碳的激发态的能量要比基本碳核高出7.65兆电子伏（MeV）。对于测量像原子核这样的微观粒子来说，兆电子伏能量是一个很小的能量单位。霍伊尔现在想知道这个激发态是否真的存在。

1953年，在他提出碳的这种激发态后不久，霍伊尔利用学术休假应邀到访加州理工学院。在那里，他有机会来检验他的理论。著名的凯洛格辐射实验室就坐落在加州理工学院的校园里，该实验室的威利·福勒是世界上最伟大的实验核物理学家之一。一天，霍伊尔来到福勒的办公室，告诉他自己对碳的激发态能量要比普通态高出7.65兆电子伏的预言。以前还没有人对核的激发态作出这样精确的预测，因为其中的物理和数学过于复杂。但霍伊尔的预测纯粹是基于逻辑，而不是数学或物理。霍伊尔想让福勒去寻找他所预言的这种碳12的激发态来证明他是对的。

福勒是第一次遇见霍伊尔，他对这个约克郡佬的想法没有一点思想准备。福勒最初的反应是，碳12已经有详细的测量结果，没发现有7.65兆电子伏的激发态的记录。他后来回忆说，他对霍伊尔的反应完全是负面的：“我很怀疑这位稳恒态宇宙学家，这个理论家，问的这个碳12核的问题……这个有趣的小个子男人认为我们应该停止我们所有正在进行的重要工作……来寻找这种态，我们把他打发了。离开我们这里，小伙子，你打扰了我们。”

霍伊尔继续展开他的论证，指出福勒只需几天时间专门搜寻一下碳12的7.65兆电子伏的态就可以检验这一理论。如果霍伊尔是错误的，那么福勒得花上几个晚上来追补他的日程安排；但如果霍伊尔是正确的话，福勒将作出核物理学领域的最大发现之一而获得奖励。福勒被这个简单的成本-效益分析折服了。他要求他的团队立即开始搜寻这种激发态，万一它在早期测量中被忽略了呢。

经过10天的对碳12核的分析，福勒的研究小组发现了一种新的激发态。正是7.65兆电子伏，与霍伊尔说的完全一样。这是第一次，也是唯一一次，科学家用人存原理做预测并被证明是正确的。这是极其天才的一个实例。

霍伊尔终于证明并确认了由氦转化为铍，然后变成碳的机制。他证实了碳是在大约2亿摄氏度的温度下通过图89（b）所示的反应合成的。这是一个缓慢的过程，但数十亿颗恒星经过数十亿年的演化，可以制造出大量的碳。

对碳的生成的解释确立了生成宇宙中所有其他元素的核反应的起点。霍伊尔解决了核合成问题。这对于稳恒态模型是一个突破，因为霍伊尔可以声称，退行星系之间产生的简单物质会聚集在一起，形成恒星和新的星系，于是它们会成为锻造更重元素的不同的恒星熔炉。霍伊尔的工作对于大爆炸模型也是一种提升，否则我们就不能解释重元素如何从所有的氢和氦中产生，而后者则是在宇宙诞生之初就立即生成的。

乍一看，核合成问题的解决现在可以看成是两个敌对的宇宙学阵营打了个平手。毕竟，无论是大爆炸还是稳恒态模型都可以借助于同样的恒星演化过程来解释重元素的合成。但事实上，大爆炸已经成为两款模型中的强者，因为对于轻元素如氦的产生，只有大爆炸模型能圆满解释它们的丰度。

氦是宇宙中丰度排行第二的元素，也是仅次于氢的最轻元素。恒星将氢转变成氦，只是这个过程非常缓慢，因此从大爆炸的观点看，恒星不可能说明今天宇宙中存在的大量的氦。然而，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼已经证明，如果在大爆炸之后瞬间就完成了氢到氦的聚变，那么今天宇宙中的氦的丰度就可以得到说明。大爆炸模型的最新计算结果表明，氦应该占到宇宙中所有原子的10%，这个估计非常接近于基于观察的最新估计，因此理论和观测是一致的。

相比之下，稳恒态模型却不能解释氦的丰度。因此，从重元素的核合成这一点看，大爆炸和稳恒态不相上下，但只有大爆炸模型可以真正解释氦的核合成。

有利于大爆炸核合成的局面还因为下述新的计算结果而得到进一步加强，这就是对像锂和硼这类元素的原子核的核合成的计算。这些元素都比氦重，但比碳轻。计算表明，这些锂核和硼核无法在恒星上合成，但可以在大爆炸瞬间产生的炽热状态下，与氢转化为氦的过程同时完成。事实上，理论上基于热大爆炸模型对锂和硼的丰度的估计与从当前宇宙中观察到的结果非常一致。

具有讽刺意味的是，虽然核合成的完整解释让大爆炸模型赢得了最终胜利，但这一胜利是建立在对立阵营的霍伊尔做出的巨大贡献的基础上的。乔治·伽莫夫对霍伊尔给予了极大的尊重，承认他的成就轻松改写了《创世纪》，如图（文）91所示。伽莫夫版的《创世纪》实际上是对核合成理论——从大爆炸的热中产生出轻核，到超新星爆发中产生出重核——的一个绝妙总结。

起初，神创造了辐射和伊伦。伊伦没有形状或数量，核子在渊面上疾驰。

神说：“要有质量2。”就有了质量2。神看到了氘，说这很好。

神说：“要有质量3。”就有了质量3。神看到了氚，说这很好。

神继续叫号，直到他遇到超铀元素。但当他回头看自己的工作时，却发现不够好。在叫号的兴奋中，他错过了叫质量5，所以，自然地，没有更重的元素可以形成。

神非常失望，希望先让宇宙收缩回去，再从头开始。但这太简单了。因此，全能的神决定用最不可能的方式来改正错误。

神说：“要有霍伊尔。”就有了霍伊尔。神看着霍伊尔，告诉他按他高兴的方式做重元素。

霍伊尔决定在恒星上做重元素，并通过超新星爆发散布到周围。但在这样做时，他必须得到与神没忘记叫号质量5时由伊伦的核合成给出的相同的丰度。

所以，在神的帮助下，霍伊尔按这样的方式做重元素，但它是如此复杂，以至于在今天不论是霍伊尔，还是神，还是其他任何人，都无法能弄清楚它究竟是如何完成的。

阿门

图（文）91伽莫夫版《创世纪》

根据恒星内部演化过程来解释核合成的整个研究方案涉及几十个步骤和无数次改进，时间上前后跨越十多年。霍伊尔始终是全身心地投入，但他显然得到了威利·福勒实验工作的支持，他还与伯比奇夫妇——玛格丽特·伯比奇和杰弗里·伯比奇——进行合作。四人合作的成果是一篇有104页的报告，标题为“恒星元素的合成”。文章里确定了恒星各阶段的作用以及每一步核反应的结果。文章包含了一个非比寻常的大字声明：“我们发现，在一般情况下，用恒星上的和超新星的核合成来解释从氢到铀的几乎所有原子的同位素的丰度是可能的。”

这篇文章变得如此有名，以至于人们干脆用作者姓氏的首字母（B2FH）来命名它。它被公认是20世纪科学领域最伟大的胜利之一。毫不奇怪，它的一位作者将获得诺贝尔奖。令人惊讶的是，1983年的诺贝尔物理学奖授予了威利·福勒，而不是弗雷德·霍伊尔。

霍伊尔被忽略这一事实成了诺贝尔奖历史上最大的冤案。诺贝尔奖评审委员会拒绝霍伊尔的主要原因是他多年来树敌太多，归咎于他直率的本性。例如，当1974年度诺贝尔物理学奖被授予脉冲星的发现时，他有过大声抱怨。他同意对这些脉动恒星的检测是一项重大突破，但该奖没授予对这一脉冲星观测做出了关键性贡献的年轻的天文学家乔斯林·贝尔这一点让他感到愤怒。看来最明智的策略是始终保持沉默，不争论，但霍伊尔无法做到置礼貌于诚信和正直之上。

同样，霍伊尔在剑桥大学工作期间一直反对荒谬的大学治理政策，而且始终不肯低头。1972年，在这一系统里斗争多年之后，心灰意冷的霍伊尔选择了辞职：

我看不出在这块没有希望胜出的战场上继续战斗下去还有什么意义。剑桥体制被设计得有效防止人们提出有针对性的政策——重要决定可以被组成上有缺陷且怀有政治动机的委员会否决。为在这个体系里做得有成效，我们必须永远盯着同事，几乎就像处在罗伯斯庇尔的间谍系统里。如果一个人照这样行事的话，那么他当然就很少有时间去从事真正的科学研究。

虽然霍伊尔对物理学和生活的这种直截了当的方法使他在某些圈子里不受欢迎，但大多数科学家都很喜欢他，包括美国天文学家乔治·O.阿贝尔：

他是一位出色的演说家和一位优秀的教师。他还是一个热情的人，总是找时间和学生交谈，他对几乎所有的事情都很有感染力。事实上，他是一个有思想的人，他是那种几乎在任何情况下，只要有交谈就会出现他的身影的人……正是有了这样的思想财富，虽然其中有些是错的，有些虽错但很绝妙，有些不仅绝妙而且正确，科学才取得进步。

辞职后，霍伊尔作为一名流浪的天体物理学家度过了他人生的下一个三十年，他到各大学做访问学者，在湖区^[11]待过一段时间，最后隐居于伯恩茅斯岸边。正如皇家天文学家马丁·里斯指出的，这是一个伟大人物的可悲结局：“他与广大学术界的隔绝不仅有损于他自己的科学研究；对我们其他人也是一种令人悲伤的损失。”

射电天文学

那些对宇宙学史有贡献的人，都曾在经济上以各种方式来资助他们的研究。哥白尼有时间来研究太阳系是在他作为埃姆兰主教的医生期间，而开普勒则受益于瓦克赫·冯·瓦肯费尔斯先生的资助。欧洲大学的兴起为牛顿和伽利略等人提供了象牙塔，而有些研究者，如罗斯勋爵，本身就是有钱人，能够自己出资兴建自己的象牙塔，以及象牙塔般的天文台。几个世纪以来，欧洲王室的赞助有着重要影响，例如国王乔治三世对赫歇尔等人的支持。相比之下，在20世纪初，想要制作更大望远镜的美国天文学家则转向亿万富翁慈善家如安得烈·卡内基、约翰·胡克和查尔斯·泰森·耶基斯等寻求赞助。

然而，纵观截止1920年的整个天文学史，大企业就没在天文探索事业上投过资。这并不奇怪，因为探索宇宙的结构明显不是股东赚取利润的一个途径。尽管如此，一家美国公司还是决定成为宇宙学发展的主力球员，并为平息大爆炸与稳恒态模型的争论做出了重大贡献。

美国电话电报公司（AT&T）通过构建美国的通信网络和采用亚历山大·格雷厄姆·贝尔的电话专利而建立起自己的声誉。随后，在1925年与西电公司合并之后，公司在新泽西州成立了贝尔实验室作为自己的研究基地，迅速赢得了世界一流研究水平的声誉。除了应用通信研究之外，贝尔实验室还专门辟出大笔资金用于纯理论和基础研究。它的理念始终是：一流的、神秘的、纯理论的研究能够培育一种好奇心文化，建立起与大学合作的桥梁，这些终将导致具体的商业利益。除了这些好处之外，贝尔实验室的研究发现已经拿下6项诺贝尔物理学奖，11位获奖科学家分享此殊荣。这是一项只有世界上最伟大的大学才能与之匹敌的记录。例如，1937年，克林顿·J.戴维森因在物质的波动性质方面的研究荣获当年度诺贝尔物理学奖；1947年，巴丁、布拉顿和肖克利因发明晶体管被授予该奖；1998年，斯脱默、劳克林和崔琦因对分数量子霍尔效应的发现和解释而共享该奖。

贝尔实验室参与宇宙学研究的故事颇为曲折，可以追溯到1928年，即AT&T开始提供横越大西洋的无线电话服务的后一年。无线电线路一次可通一个电话，前3分钟的价格是75美元——折合成现今的价格几乎相当于1000美元。AT&T急于通过提供高品质的服务以保持这个利润丰厚的市场，因此要求贝尔实验室对无线电波的天然信源进行调查，这种信号引起一种背景噪声对远距离无线电通信产生干扰。调查这种恼人的射电源的任务落到了卡尔·央斯基头上。央斯基当时22岁，是一位才从威斯康星大学物理系毕业的初级研究员，他的父亲是威斯康星大学电气工程专业的一名讲师。

图92　卡尔·央斯基在对天线进行调整。这架天线被设计用来检测来自自然射电源的无线电波。福特牌T型车的车轮使得天线可在转盘上转动。

无线电波，像可见光波一样，是电磁频谱的一个波段；但无线电波是不可见的，具有比可见光更长的波长。可见光的波长小于千分之一毫米，而无线电波的波长则从几毫米（微波）到几米（FM波段无线电波）和几百米（AM波段无线电波）。AT&T的无线电电话系统所涉的波长为几米量级，因此央斯基在贝尔实验室所在的霍姆德尔镇建立了一个大型高灵敏度的无线电天线基站（如图92所示），这副天线能够检测14.6米的无线电波。天线被安装在一个可旋转的机架上，每小时转3圈，使得它可以接收到来自所有方向的无线电波。只要央斯基不在，当地的孩子们就会爬上这架世界上最慢的旋转木马玩耍，因此人们给这副天线取了个绰号叫“央斯基的旋转木马轮”。

到1930年秋，天线建造完毕。央斯基花了几个月的时间来检测在一天的不同时段来自不同方向的无线电干扰的强度。他给天线装上扬声器，这样他可以实际听到自然界无线电干扰的嘶嘶声、噼啪声和静态噪声。慢慢地，他将干扰分为三类。第一类是当地雷雨天气带来的偶然影响；第二类是来自遥远地区的风暴的影响，这种声音较弱，但更恒定；第三类干扰更弱，央斯基将它描述为“由其来源不明的非常稳定的嘶嘶声构成”。

大多数研究人员会忽略掉未知的射电源，因为比起其他两类信源它并不显著，也不会对跨大西洋通信造成严重影响。然而央斯基决定探究这个神秘信号的起因，他花了几个月的时间来分析这种莫名其妙的干扰。渐渐地，事情变得清晰起来：这种嘶嘶声来自天空中某个特定区域，而且每隔24小时达到一次峰值。事实上，当央斯基更仔细地查看他的数据后，他发现峰值到来的周期为23小时56分钟。峰值之间几乎相隔一整天，但不完全。

央斯基向同事梅尔文·斯凯勒特提到这种奇妙的时间间隔。斯凯勒特是天文学博士，能够指出这失踪的4分钟的意义。地球每年绕其自转轴旋转365又1/4次，每天持续24小时，所以一年时间为（365+1/4）×24=8766小时。然而，地球每年除了绕其自转轴旋转365又1/4次之外，还绕太阳旋转一周。因此，地球实际上在8766个小时里是旋转了366又1/4次（一年），所以每次旋转的时长为23小时56分钟，这个时间被称为恒星日。恒星日的意义在于，它是我们相对于整个宇宙旋转一周所持续的时间，而不是我们局地的一天24小时。

斯凯勒特非常熟悉恒星日的持续时长及其天文学的相关意义，但这些知识在央斯基听来则是一个惊喜，他马上开始考虑他测得的无线电干扰的意义。他意识到，如果这种神秘的无线电嘘嘘声每个恒星日达到一次峰值，那么其信源必定是远远超出地球和太阳系的某个天体。恒星日暗示存在一种宇宙射电源。事实上，当央斯基试图确定这种无线电信号的方向时，他发现它来自银河系中心。唯一的解释是，我们的银河系正在发射无线电波。

年仅26岁的卡尔·央斯基成为了探测和识别来自外太空无线电波——一个真正的历史性的发现——的第一人。现在我们知道，银河系中心有很强的磁场，它与快速运动的电子相互作用导致无线电波的恒定输出。央斯基的研究打开了探索这一现象的一扇窗。他在一篇题为“河外源的显性电性干扰”的文章里宣布了这一结果。

《纽约时报》拾起这个故事，在1933年5月5日的报纸头版进行了文章报道。它向读者保证：“没有任何迹象表明……这些星系的无线电波是某种星际信号，或者说它们是某种形式的智慧生命力图进行星际通信。”但这不足以阻止一堆信件堆上央斯基的办公桌，它们声称他正接收到来自外星人的重要讯息，我们不应忽视这些外星人的存在。

央斯基的突破的真正意义甚至超越了银河系发射无线电波这一重大发现。他的成就在于建立起射电天文学这一学科分支，它表明，天文学家可以通过对超出人眼可见的狭窄的电磁波波段以外的波段的观察来了解广袤的宇宙。正如第3章中提到的，物体发出的电磁辐射的波长范围非常宽阔。这些波长，如图93所总结的那样，既可以比我们可见的熟悉的彩虹的波长长，也可以比它的短。

图93　可见光的光谱只是电磁波谱中的一小段。所有电磁辐射，包括可见光，是由电场和磁场的振动构成的。可见光波长的范围仅限于电磁波谱中的一个非常狭窄的波段。因此，为了尽可能全面地研究宇宙，天文学家试图在整个波长范围上——从十亿分之一米（X射线波段）到几米（射电波段）——来检测辐射。

虽然我们无法用眼睛看到这些极端的波长，但它确实存在。这种情况就如同声音一样。动物发出的声音有一个波长范围，但是我们人类只能听到其中非常有限范围内的声音。我们既听不到大象发出的次声波（长波长），也听不到蝙蝠发出的超声波（短波长）。我们之所以知道超声波和次声波的存在，只是因为我们可以用特殊仪器检测到它们。

央斯基走在了他所处时代的前头，因为他那个时代的天文学家还不熟悉无线电技术，不愿跟进他的突破。更糟糕的是，又赶上大萧条，贝尔实验室无法拨出资金支持射电天文学，于是央斯基只好被迫放弃他的研究。然而，央斯基的突破及时鼓励了天文学家去拓宽超出可见光谱的观测范围。

今天的天文学家不仅运用射电望远镜，还包括红外望远镜、X射线望远镜等设备，这使他们能够获取整个电磁频谱的信息。通过探索这些不同波长的信息，天文学家能够从不同方面来研究宇宙。例如，X射线望远镜探测的是最短的波长，这个波段是观测宇宙中最活跃事件的理想场所。红外线望远镜在观测我们自己的银河系方面非常有效，因为红外线波长能够穿透星系尘埃和气体，使可见光看不清的对象变得清晰。

利用天体发出的每一种可能波长的光来探测已成为现代天文学的中心原则。光，无论是可见的还是不可见的，是研究宇宙的唯一途径，因此天文学家们必须利用一切可以利用的波长去拾取每一个可能的线索。

说点题外话。有趣的是，央斯基对星系射电辐射的探测纯属偶然，因为他遇到的这种美妙的东西并非他一开始就要寻找的东西。其实，这只是科学发现上鲜为人知但出奇地常见的特征——偶然的机遇——的美好例证之一。“偶然的机遇（serendipity）”这个词是由政治家兼作家罗伯特·沃波尔爵士于1754年创造的。他在一封信里讲述关于一个熟人的一件偶然而幸运的发现时用了它：

这个发现确实几乎称得上我说的那种“偶然的机遇”，一个非常富有表现力的词，我没有更好的表达方式来传递这其中的微妙关系，我将努力向你解释：通过推演而不是定义你会更好地理解它。我曾经读过一个可笑的童话，叫作《塞伦迪普的三个王子》中讲道：在这三位殿下的旅行中，他们一直在通过偶然而睿智的方式来发现那些并非他们追求的东西。

科学技术史上充满着偶然。例如，1948年，乔治·德梅斯特拉尔在瑞士乡间散步时，看到他裤子上粘了一些带刺的种子，他发现这些刺的弯钩牢牢地抓在织物的纹理上，于是受到启发，发明了尼龙搭扣。称得上偶然的另一个例子是，阿特·弗莱在开发强力胶时，意外地配制出一种粘性非常低的胶水。这种胶水的粘性低到被粘在一起的两件东西轻轻一拉就脱开了。弗莱，这位当地教堂唱诗班的成员，机敏地将这种配制失败的胶水涂抹在纸边上，然后在这种涂有胶水的纸上写上页码贴在赞美诗集上，就这样，报事贴便条便诞生了。医疗上偶然性的一个例子是伟哥，这种药最初是开发用来治疗心脏病的。后来发现参与临床试验的患者坚决拒绝交还那些尚未服用的药片，即使这些药物对他们的心脏问题没有显著的作用，于是研究人员开始怀疑这种药物可能有积极的副作用。

我们不宜轻易地给那些抓住机遇的科学家贴上“幸运”的标签，这是不公平的。所有这些借助偶然而成功的科学家和发明家们之所以能够抓住仅有的一次机会取得成功，是因为他们已经积累了足够的知识，成功只是水到渠成的结果。正如路易斯·巴斯德——他也得益于偶然——所说的那样：“机遇垂青有准备的头脑。”沃波尔在上述的他的信里也强调了这一点，他将意外发现描述为“偶然和智慧”的结果。

此外，那些受到机遇垂青的人在机遇来临时必须准备好拥抱机遇，而不是简单地将裤子上粘着的刺儿果刷掉，将配制失败的胶水倒入水槽，或放弃一个不成功的医疗试验了事。亚历山大·弗莱明之所以能发明青霉素，全赖于从窗户吹进来漂浮在培养皿上的一块青霉菌斑，它落在培养皿上，杀死了培养的细菌。许多微生物学家此前极有可能也遇到过青霉斑点污染了他们培养的细菌的情况，但他们都将受污染的菌体倒掉了，而不是看到有可能发现能挽救数百万人的生命的抗生素的机会。温斯顿·丘吉尔曾经说过：“男人偶尔会被真理绊倒，但他们大多数自己爬起来，匆匆赶路，好像什么事也没发生过一样。”

返回到射电天文学，我们将看到，偶然性不仅仅孕育了这种新的观测技术，其实它要有用得多。在未来几年里，它将在这一领域的几项发现中发挥着核心作用。

例如，在二战期间，中学教师斯坦利·海伊被借调到陆军作战研究小组从事英国雷达研究项目。传输和接收无线电波是雷达工作的基础，海伊被要求解决盟军雷达所面临的一个特殊问题。操作员在监视雷达系统时偶尔发现，屏幕会出现像圣诞树那样的闪光，这种干扰阻碍他们识别敌人的轰炸机信号。他们认为这是德国工程师们开发的一种新的雷达干扰技术，让英国的雷达站的雷达出现闪屏。海伊给自己定下的任务是搞清楚德国人是如何产生如此强大的无线电干扰信号的，搞清楚这一点，就能找到对付它们的办法。后来，到1942年春天，他搞明白了，英国雷达上出现的问题与德国人无关。

海伊注意到，干扰似乎在早晨来自西边，中午时分来自南边，下午又转移到东边，日落后消失。显然，这不是纳粹的秘密武器，而只是太阳发出的射电辐射的结果。事有凑巧，太阳正处在其11年太阳黑子周期的峰值期，射电辐射的强度与强烈的太阳黑子活动联系在一起。通过研究雷达，海伊意外地发现，太阳——想必所有的恒星——会发射无线电波。

海伊似乎特别受机遇的青睐，因为在1944年，他又做出了另一个幸运的发现。在使用特种雷达系统指向某个很窄的角度时，这是他开发出来用来对付入侵的V-2火箭的技术，海伊注意到，流星在穿过大气层时也发出嘶嘶的无线电信号。

当战时雷达研究的热潮在1945年结束时，盟军方面留下了大量冗余的无线电设备和一大帮懂得如何使用它们的科学家。正是出于这些原因，射电天文学开始成为一个严肃的研究领域。第一批全职射电天文学家中有两人——斯坦利·海伊和他的战时同行，雷达研究员伯纳德·洛弗尔。洛弗尔设法弄到了一台前陆军机动雷达装置，开始实施射电天文观测的计划。但这只是洛弗尔在曼彻斯特建立射电天文学观测台的起点。电车经过带来的无线电干扰迫使他将观测站移到焦德雷尔班克——该城市以南大约30千米外的一个植物园里。在那里，他开始建造一个世界级的无线电观测站。与此同时，剑桥大学的马丁·赖尔则试图不落焦德雷尔班克之后。也正是赖尔将射电天文学变成了判断大爆炸与稳恒态争议的关键手段。

图94　斯坦利·海伊战时的发现被赋予新的生命。1963年4月，《每日先驱报》在“科学前沿”栏目里曾以连环漫画的形式描绘了这一技术的特征。

4幅连环画的文字：

（左上）1942年2月，二战期间，英国出现了噩梦般的危机。全国所有的雷达都报告说，一种新的“嗡嗡”声完全破坏了英国的雷达防空系统。

（右上）J.S.海伊领导的英军雷达运行调查组立即着手研究其原因。

（左下）海伊惊异地发现，雷达干扰不是来自海峡对面的德军，而是来自太阳黑子的强电磁活动。当时正处太阳黑子和太阳风活动的爆发期。

（右下）这是导致诞生全新的天文学——射电天文学——的重大事件之一。在这个领域，科学家就像用眼睛看到一样可以“听到”遥远恒星所发出的声音。

赖尔于1939年毕业于物理专业，二战期间也从事雷达工作。他先是被编入研究机载雷达的工作机构，后转职到空军研究部，并在那里研究出如何瘫痪V-2火箭制导系统的方法。他战时的最大成就是成为绝密的“月光计划”的成员。这一项目可以通过在德国雷达上产生虚假信号来模拟海上或空中攻击。在D日登陆行动中，他通过模拟在法国远离实际登陆地点的两次大规模海军攻击来帮助盟军分散和误导德军的注意力。

战争结束后，赖尔负责清理以前的军事装备，并着手提高射电天文测量的精度。与光学望远镜相比，射电望远镜在精确定位信号源方面能力非常弱，这主要是因为射电波的波长要比可见光波的波长长得多。1946年，赖尔借助于当时最先进的所谓干涉技术解决了这个问题。这项技术将几台射电望远镜的信号叠加起来大大改进了测量的总体精度。

因此，到1948年，赖尔已能够仔细巡天来找出是否存在几乎不发出可见光而只辐射大量的射电波的天体的迹象。这种天体对光学望远镜是不可见的，但能够用他的射电望远镜清晰地显示出来。赖尔的方法类似于警察在漆黑的夜晚搜寻一个逃犯。如果他们用一副光学望远镜来扫描，那么他们什么也看不见，因为逃犯不发出任何光，而且夜间很黑暗。但如果他们使用的是热成像仪，就是那种设计用来检测有体温的身体所发出的红外辐射的仪器，那么逃犯就将被清楚地显示出来。另外，如果该逃犯使用手机与同伙联系，手机会发射无线电波，警察就可以使用无线电讯号定位仪来确定他的位置。换句话说，不同的对象发出不同波长的能量，如果你想“看到”对象，那么你必须采用调谐到正确波长的适当的探测器。

赖尔的第一次调查结果，即《第一剑桥（或1C）射电源表》，给出了50个不同的射电源。这些天体发出强烈的无线电信号，但是是不可见的。紧接着是如何解释这些对象的问题。赖尔认为它们是我们银河系内的一种新型恒星，但其他人，例如稳恒态支持者托马斯·戈尔德，则认为它们是独立的星系。戈尔德有心要超越剑桥的射电天文研究组，但赖尔的这项工作击溃了他，因此这一科学争论染有个人恩怨的痕迹。

赖尔没有认真听取戈尔德的意见，因为戈尔德是一位理论家，而不是一位观测天文学家。1951年，在伦敦召开的一次大学学院的会议上，赖尔公开不点名地贬斥戈尔德的观点：“我觉得理论家误读了实验数据。”换句话说，理论家根本不知道他们自己在说什么。霍伊尔当时也在场，他感到赖尔的语气暗示理论家是“一些低劣可憎之辈”。

这些射电源天体究竟是恒星还是星系这个问题在接下来的一年中得到了解决。剑桥组能够确定标记为天鹅座A的射电源的位置，其定位精度使得帕洛玛山天文台的沃尔特·巴德能够用200英寸望远镜在该区域尝试检测光信号。在巴德看来，看到的才可信：“当我检查底片时，我知道有些东西不寻常。片子上布满了星系，数量有两百多个，最亮的处在中心……我脑子一时应接不暇，以至于开车回家吃晚饭时不得不半道儿把车停下来琢磨琢磨。”

巴德表明，赖尔的射电源与那些迄今看不见的星系恰好处于完全相同的位置。因此他得出结论，无线电波的波源是星系而不是某颗恒星。这样巴德便证明了赖尔的断言是错的，戈尔德是正确的。有了第一次自信地将一个射电源与一个星系联系起来，天文学家随后便将《1C射电源表》里的其他射电源与星系联系起来。这些主要是发射射电波而不是可见光的星系被称为射电星系。

戈尔德一直记得在一次会议上巴德第一次带着他的天鹅座A是射电星系的消息走过来时的情形：

在通往会议室的大厅里，人们和往常一样三三两两地聚在一起聊天。沃尔特·巴德站在那里。他叫道：“汤米！到这里来！看看我们得到了什么！”……随后赖尔推门而入。巴德喊道，“马丁！过来！看看我们发现的东西！”赖尔走过来，铁青着脸看着这些照片，一句话也不说，跌坐在附近的沙发上——垂着头，埋在两手之中——抽泣起来。

赖尔将自己的职业声誉押在这样一个事实上：《1C射电源表》里的射电源是恒星，而他的对手，主要是霍伊尔和戈尔德，则无情地认为这些射电源是星系。这是一场已变得越来越具有敌意的战斗，所以当他不得不承认霍伊尔和戈尔德是对的时，赖尔受到了重大打击。

带着尴尬和羞辱，赖尔决定，如果他能找到反对稳恒态而支持大爆炸模型的新证据，那么他就能对霍伊尔和戈尔德进行报复。赖尔集中全力试图测出年轻星系的分布。这种分布的意义见前述表4中的稳恒态与大爆炸模型比拼的第4项标准。从本质上讲，两个模型预言的年轻星系的分布截然不同：

（1）大爆炸模型认为，年轻星系只能存在于早期宇宙中，因为它们随着宇宙年龄的增长才逐渐成熟起来。尽管如此，我们还是能看到年轻星系，但只有在宇宙深处，因为遥远星系的光线要过数十亿年才能到达我们这里，因此我们看到的是它们处在早期宇宙中的情形。

（2）稳恒态模型认为，年轻星系应该分布得更均匀。在稳恒态宇宙中，年轻星系全都诞生自退行星系之间宇宙新产生的物质。因此，我们应既能看到邻近的年轻星系，也能看到遥远的年轻星系。

最重要的是，天文学家认为——尽管非常笼统——射电星系要比普通星系年轻。因此，如果大爆炸模型是正确的，那么射电星系通常应该在离我们银河系很远的地方。反之，如果稳恒态模型是正确的，那么它们应该无论远近都有出现。因此，测量射电星系的分布将是检验哪个模型正确的一个决定性方式。

赖尔决定进行这项关键性检验，他暗自希望结果将不利于稳恒态模型，而有利于大爆炸模型。因此在1C普查之后，他随即展开了一系列更为严格的巡天普查，并将之命名为2C、3C和4C普查。他建造了玛拉德天文台，从而使剑桥成为世界级的射电天文学研究中心。当遇到恶劣天气时，射电天文学研究不像光学天文学研究那般娇气，因为无线电波不会被云层阻隔。位于剑桥的射电望远镜因此即使在英国寒冷的冬天里也可以与世界上其他国家的天文台展开竞争。

到1961年，赖尔已编目5000颗射电星系，并分析了它们的分布。他无法测得到每一个射电星系的精确距离，但他可以采用一种复杂的统计方法来推断它们的分布是与稳恒态模型一致还是与大爆炸模型一致。结果很明确：系的分布无远近差别。如果赖尔的结果支持这一预言，那么霍伊尔会毫不犹豫地将它看作有利于他的模型的证据。霍伊尔本该对赖尔的结果给予平等的尊重，即使它与稳恒态模型的预言相抵触，但是他却试图从观测结果是如何被收集以及如何被解释这两个方面来寻找漏洞。

往往是距离越远，射电星系越常见，这正是大爆炸模型所预言的结果。赖尔用在悉尼的另一个射电天文学小组的数据检查了他的结论，后者一直在南半球进行类似的调查。他们一致认为，射电星系的分布支持大爆炸模型。

10年前巴德已经证明，大多数射电源是星系，这意味着赖尔错了，戈尔德和霍伊尔是正确的。最后，赖尔居然转败为胜，真的实现了复仇。他在伦敦组织了一个新闻发布会来公布这一结果，并邀请霍伊尔参加。为了使公告的影响最大化，赖尔没有事先告知霍伊尔他将宣布什么。这使得新闻发布会变成了对霍伊尔的羞辱仪式，因为他误解了邀请并期待一个完全不同的结果。霍伊尔后来回忆说：“当然，如果“结果”是不利的，我就很难这么气定神闲地坐着。当然，这肯定表示赖尔要宣布的结果与稳恒态理论是一致的……我坐在那里，几乎没怎么听，而是变得越来越确信，简直不可思议，我真的被下套了。”

赖尔的观测结果明确支持大爆炸模型，该模型描述了一个具有有限的历史和创生时刻的宇宙。发布会后的几个小时里，晚报的报贩已开始吆喝“圣经是正确的！”霍伊尔想躲起来分析赖尔的数据，希望能找到其中严重的缺陷，但无论是公众还是新闻界，都让他和他的家人难有片刻安宁：“接下来的一周里，我的孩子们在学校遭到戏弄。电话响个不停。我懒得去接，但我妻子总担心孩子会发生什么事情，总是接听，结果被骚扰得不胜其烦。”

伽莫夫得知赖尔的测量结果后非常高兴，并用一段顺口溜来纪念有利于大爆炸的这一突破（见图95）。这段顺口溜生动描绘了赖尔和霍伊尔之间的紧张关系。

稳恒态团队的生死攸关的预言是，宇宙将被证明是处处一样的，年轻星系的分布无远近差别。如果赖尔的结果支持这一预言，那么霍伊尔会毫不犹豫地将它看作有利于他的模型的证据。霍伊尔本该对赖尔的结果给予平等的尊重，即使它与稳恒态模型的预言相抵触，但是他却试图从观测结果是如何被收集以及如何被解释这两个方面来寻找漏洞。

稳恒态已过期

“你摸爬滚打的这些年，”

赖尔对霍伊尔说道，

“全是瞎耽误功夫，相信我。

稳恒态，

己过期，

除非我的眼睛欺骗了我。

我的望远镜

已经破灭了你的希望；

您的信条已被驳倒。

让我简单扼要地说吧：

我们的宇宙

每天都变得更稀薄！”

霍伊尔说，“你鹦鹉学舌，

勒迈特，我注意到，

还有伽莫夫，好了，忘了他们！

那是不靠谱的团伙，

还有他们的大爆炸，

为什么要帮助他们，

教唆这种理论？

你看，我的朋友，

宇宙渺渺无尽头，

而且它也没起始。

就像邦迪、戈尔德

和我坚守的那样，

你就是等到秃顶也无济于事！”

“不是这样的！”赖尔大叫道。

他怒从心头起，

勒了勒裤腰带：

“遥远的星系，

就像人们看到的那样，

更紧密地挤在一起！”

“你给我下套！”

霍伊尔暴跳如雷，

他的发言开始语无伦次。

“每天早晚新物质都在诞生。

这幅图像是不变的！”

“别胡扯了，霍伊尔！

我的目标就是挫败你”

（有趣的开始）。

“而且一会儿，”

赖尔继续道，

“我就会让你恢复理智！”

图（文）95乔治·伽莫夫写的这首打油诗最早出现在他的《汤普金斯先生神游仙境》一书中。此书描述了马丁·赖尔对射电星系分布的研究和霍伊尔的反应。

霍伊尔指出，赖尔的测量从2C到3C，以及从3C到4C的调查存在显著变化，旁敲侧击地暗示说如果进行第5次调查，就可能会给出与稳恒态模型一致的不同结果。戈尔德支持霍伊尔，称这种不断变化的结果为“赖尔效应”。戈尔德还认为射电天文学是一门新兴学科，可能还不能被信任，并说：“我不认为这种观察结果可作为判决性的证据。”

赖尔承认，过去的普查结果存在错误，但他坚持认为4C调查是可靠的，并重申这一结果已得到澳大利亚天文学家的独立证实。有一次，当赫尔曼·邦迪继续站在稳恒态的立场上对4C表进行猛攻时，赖尔终于忍不住拍案而起。据马丁·哈维特的描述，赖尔“勃然大怒，导致在公众场合下出现科学家之间最恶劣的争吵，实为我作为一个专业天体物理学家在30多年里所仅见”。

虽然霍伊尔、戈尔德和邦迪拒绝接受赖尔有关射电星系分布的结果，但越来越多的宇宙学家可以看出，大爆炸模型越来越处于优势地位，而稳恒态模型则变得越来越不稳定。更糟糕的是，赖尔的射电星系的测量结果还导致了对稳恒态模型的另一个重大打击。

1963年，荷兰裔美籍天文学家马尔滕·施密特对赖尔的3C射电源表中的第273号射电源（通常称为3C 273）进行研究。当时大部分射电源已被认为是遥远的星系，但是3C 273的射电信号是如此强烈，以至于该天体被认为是我们银河系内的一种新型的奇特近距恒星。不仅如此，3C 273还可以被光学望远镜看到，其像是一个点光源而不是模糊一片，这增强了人们认为它是一颗恒星而非星系的观点。施密特试图着手测量3C 273发射的光的波长，以便确定其物质组成。但从一开始就令他困惑的是，测得的波长似乎与任何已知原子所发光的波长均不相关。

突然，他意识到是什么导致了他的困惑。他正检测的波长与氢相关，只是它们的红移大到从未有过的程度。这让人感到惊讶不已，因为3C 273被认为是一颗近域恒星，而近域恒星的退行速度通常小于50千米/秒，远远低于施密特观察到的红移所给出的速度。事实上，所测红移意味着3C 273以48000千米/秒——大约16%的光速——后退。根据哈勃定律，这意味着3C 273是有史以来发现的最遥远的天体，距离银河系超过10亿光年。3C 273不是一颗合理亮度的近域恒星，而是一个极其明亮的遥远星系，其亮度比迄今已知最亮的星系还要亮上几百倍。然而，其亮度主要是无线电波而不是可见光。

3C 273被称为准恒星射电源天体（或类星体），因为它是一个距离极其遥远的射电星系，而其亮度则让它看起来像一颗近域恒星。不久之后，又有一些射电源被确定为分外夺目的和遥远的类星体星系。毫不奇怪，伽莫夫为庆祝类星体的发现又创作了一首打油诗，这次强调的是天文学家不知道这些遥远的类星体星系的能源是什么：

一闪一闪，准恒星，

远道而来的最大难题。

它与其他恒星是如此不同，

其亮度超过十亿个太阳。

一闪一闪，准恒星，

我想知道你是什么！

类星体的另一个神秘性质——一个与大爆炸与稳恒态争论高度相关的性质——是它们的分布。每一个类星体似乎位于宇宙的极深处。大爆炸理论的支持者对这一点意味着什么毫无疑问。他们认为，如果类星体只能在遥远的距离外被感知到，那是因为它们的光要经过数十亿年的时间才能到达我们这里，所以我们看到的是它们几十亿年以前的样子——这意味着类星体仅存在于宇宙的早期阶段。也许早期宇宙的更热、更致密的条件有利于创生极为耀目的类星体。根据大爆炸模型，很可能早期宇宙中在我们附近就曾出现过类星体，但随着时间流逝，它们演化成了普通星系，这就是为什么我们今天看不到任何近域类星体的原因。

然而，类星体的分布对于霍伊尔、戈尔德和邦迪就很成问题，因为稳恒态模型声称，宇宙在任何时候和任何地方都是相同的。如果在过去、在远处存在类星体，那么它们也应该存在在现今和这里，但事实似乎并非如此。稳恒态理论家们试图通过表明类星体是罕见天体，我们在附近没找到它们只不过是我们运气不好的缘故来挽回面子。此外，还没有人可以解释类星体的本质或它们背后的非凡的动力源，所以霍伊尔、戈尔德和邦迪认为，他们的稳恒态模型不可能被这种知之甚少的现象所推翻。

这些借口很勉强。稳恒态模型开始失势，越来越多的宇宙学家倾向于归属大爆炸阵营。倒戈者之一丹尼斯·席艾玛称对类星体的观测是“迄今获得的击败稳恒态宇宙模型的最决定性的证据”。他的立场的转变似乎经历了一个痛苦的过程：“对我来说，丢弃稳恒态理论有着很沉痛的原因。稳恒态理论具有力道和美感，而出于一些无法解释的原因，宇宙的建筑师似乎忽略了这些特质。其实宇宙是一项拙劣的工作，但我想我们必须做到最好。”

射电天文学为观察宇宙开辟了新的窗口，探索的是全新的对象。它为大爆炸与稳恒态模型之间的争论提供了关键证据。遗憾的是，射电天文学之父卡尔·央斯基在生前几乎没有因无意中发明了射电望远镜和对天空做出的第一次射电观测而得到应有的评价。1950年，他在刚到44岁的盛年去世。而正是在他去世后的这10年里，射电天文学确立了作为天文学中一个真正重要分支的地位。

然而，卡尔·央斯基最终得到了永恒的纪念。1973年，国际天文学联合会通过用他的名字来命名射电流量的单位认可了他的贡献。这个单位——央斯基——被射电天文学家用来表示任何射电源的强度。一个强的类星体可能测得的强度达100央斯基，而一个弱的射电源测得的强度可能只有几毫央斯基。

资助央斯基开展射电天文学方面工作的贝尔实验室，通过设立射电天文学研究项目来向他表示敬意。特别是，贝尔实验室为射电天文学历史上最有名的两个人——一位直率的、雄心勃勃的犹太难民和一位来自得克萨斯州油田的安静的、勤奋好学的科学家——提供了一个家园。他们将共同做出一项发现，这项发现将彻底动摇现有的宇宙学观念。

彭齐亚斯和威尔逊的发现

阿诺·彭齐亚斯于1933年4月26日出生在慕尼黑的一个犹太家庭。这一天也正巧是盖世太保成立的日子。他第一次遭遇到反犹主义是在他4岁时。当时他正与他母亲一道坐电车：

当你是受宠的长子时，你会有一种成天显摆的感觉。但当那天我向其他人表明我是犹太人时，电车上的气氛立马紧张起来，我母亲不得不带我们下车等下一趟。从这件事情上我意识到我不应该在公共场合谈论自己是犹太人。如果你这么做，你就会让你的家人处于危险之中。这对我是一个很大的震动。

虽然他出生于德国，但彭齐亚斯的父亲是一名波兰公民，这使得他们家还要承受特殊的压力。德国当局曾威胁要逮捕拒绝离开该国的波兰人，但波兰政府已于1938年11月1日取消了犹太人的护照，所以彭齐亚斯一家人无法跨越边界。仿佛他们已经无从逃脱纳粹的迫害。不过，美国人在国内发起了一项运动：鼓励人们将这些德国犹太人认作亲戚。这个纯粹的人道主义策略可以使那些犹太家庭获得许可离开德国。仅过了一个多月，彭齐亚斯一家被告知，有一位美国人愿意资助他们办理出境签证。1939年春天，他们逃到英国，并在那里登上了开往纽约的轮船，从此开始了在布朗克斯的新生活。

彭齐亚斯的父亲以前在慕尼黑做皮革生意，但现在他只好找了一份在一个公寓做门卫的工作，工作事项包括给大楼的供暖炉上煤和清除炉渣。彭齐亚斯看到父亲是怎样为一家人的生活而挣扎的，同时他也注意到，“那些上大学的人似乎穿得更体面，通常不用为一日三餐发愁”。正是渴望这种舒适和安全感，他变得非常努力，学业成绩表现出色，继而赢得了上大学的机会。

彭齐亚斯对物理学情有独钟，但他担心当物理学家可能无法谋生，于是就去问他父亲他该选择什么专业为好。他说，“物理学家认为他们能做工程师能做的任何事情。如果他们真能做到这一点的话，他们至少可以像工程师那样挣钱糊口。那时，来读物理学的个个都是牛逼哄哄的。他们想法新奇，满脸阳光，但就是很难合群。大脑聪明的孩子似乎是出于审美的原因才来读物理学。”

在免费的纽约城市大学获得第一个学位后，彭齐亚斯来到哥伦比亚大学物理系攻读射电天文学方向的博士学位。哥大物理系到1956年已经荣获了3项诺贝尔奖。彭齐亚斯的导师查尔斯·汤斯，一位因其在微波激射器（微波波段的激光）领域的贡献而将成为哥伦比亚大学的第四位诺贝尔物理学奖的获得者。彭齐亚斯的论文项目需要建造一台超灵敏的无线电接收器，而其中的关键器件就是汤斯的微波激射器。

虽然这台无线电接收器的性能表现出色，但它并没有让彭齐亚斯实现他的主要目标——检测到星系间的氢气云所发出的无线电波。彭齐亚斯称他最后的博士论文“很糟糕”，虽然称作“没有定论”也许更合适。无论哪种说法，总之在1961年他确实获得了博士学位，并离开哥伦比亚大学在贝尔实验室谋得了一个博士后的职位，这是当时世界上唯一的聘请有潜质的射电天文学家的工业实验室。

在开展自己的纯理论研究的同时，彭齐亚斯也希望为实验室正在进行的商用研究项目提供帮助。例如，贝尔实验室设计了一款通讯卫星，这是第一颗有效的通信卫星。在它发射后，开发者便遇到了如何将天线指向卫星的问题。新来的男孩彭齐亚斯站在30位天线委员会的大佬们面前，向他们解释了如何采用已知的射电星系的位置来校准天线的方向，从而找到通讯卫星。这堪称纯基础研究与商用研究的完美结合。彭齐亚斯的这一解决办法，为贝尔实验室一贯坚持的让纯理论科学家与搞应用的科学家和工程师们一起工作将会取得意想不到的成果，提供了强有力的证明。

两年来，彭齐亚斯是贝尔实验室的唯一的射电天文学家。但到了1963年，罗伯特·威尔逊加盟进来。这位年轻的德克萨斯州来的小子从小在他的父亲——当地油田的一名化学工程师——的熏陶下对科学有着强烈的兴趣。长大后他去了休斯敦的莱斯大学学习物理，1957年毕业后去了加州理工学院攻读博士学位。在那里威尔逊选修了霍伊尔开设的宇宙学研究生课程。1953年，与威利·福勒合作后，霍伊尔成为加州理工学院的常设访问学者。与彭齐亚斯一样，威尔逊的博士论文题目也是射电天文学领域，获得博士学位后也放弃了学术界奔向贝尔实验室。

威尔逊被吸引到贝尔实验室的部分原因是附近的克劳福德山设有跨度6米的喇叭形射电天线（如图96所示）。这副天线最初被设计用来检测新颖的称为“回声”的气球卫星所返回的信号，该卫星已于1960年发射升空。“回声”在发射时被压缩置于直径66厘米的球体内。进入预定轨道后，它会膨胀成一个巨大的银质球体，直径达30米。它能够被动地反射回地基发射器和接收器之间的信号。然而，政府对通信行业的干预，使得AT&T因为经济原因而退出该项目，留下的喇叭天线被免费改造成一个射电望远镜。对于射电天文学研究来说，喇叭天线有加倍的好处：它不仅大大屏蔽当地的无线电干扰，而且其尺寸意味着它可以非常准确地定位射电源天体的位置。

彭齐亚斯和威尔逊得到贝尔实验室的许可，他们可以花费一定的时间来扫描天空以研究各种射电源。但在能够进行测量之前，他们首先要充分了解射电望远镜和它所有的怪癖。特别是，他们要检查它捡拾噪声的最低水平，噪声这个术语用来描述可能掩盖真正信号的任何随机干扰。

这与你调谐收音机收听某个电台的广播时可能遇到的噪声是完全一样的。电台的信号可能伴有嘶嘶声，这就是噪声。信号和噪声总是相伴的，理想的状况是信号比噪声强得多。通常情况是当你调到一个当地电台来收听，你可以听得很清楚，噪声是微不足道的。但是，如果你调到国外的电台，信号就可能很微弱，噪声对广播的清晰度造成严重影响。在最坏的情况下，无线电信号完全被噪声淹没，根本无法正确地听到。

图96　罗伯特·威尔逊（左）和彭齐亚斯在贝尔实验室位于新泽西州克劳福德山上的喇叭天线前的留影。这个射电望远镜实际上是一台巨大的射电信号接收器。它的孔径为6米见方，监控设备安装在锥顶的一个小屋里。

在射电天文学领域，来自遥远星系的信号极其微弱，因此抑制噪声变得至关重要。为了检查噪声水平，彭齐亚斯和威尔逊将射电望远镜对准几乎没有任何星系射电信号的空间区域。因此，这时检测到任何讯息都可以归结为噪声。他们原本以为此时的噪声可以忽略不计，但实际测量后却惊讶地发现，噪声水平要比预料的高。这个噪声水平令人失望，但还不至于高到会严重影响他们打算进行的测量。事实上，大多数射电天文学家会忽略这个问题并着手进行调查。然而，彭齐亚斯和威尔逊决心进行的是最灵敏的调查，因此他们立即着手试图找出噪声来源，可能的话，设法减少甚至完全去除这种噪声。

噪声源大致可以分为两种类型。首先是外部噪声，即由射电望远镜之外的某些因素（如地平线上的大城市或附近的一些电气设备）引起的噪声。彭齐亚斯和威尔逊调查了周围景观的杂散噪声源，甚至将望远镜指向纽约大都会，但这种噪声既没有增加也不见减少。他们还监测了噪声水平随时间的变化，结果发现这种噪声是连续的。总之，这种噪声是绝对恒定的，无论何时望远镜指向何处。

这迫使二人考虑这种噪声是否属于第二类，即设备固有的噪声。射电望远镜包括许多部件，每个部件都有可能产生自身的噪声。这就如同你听广播。即使广播公司发出的是很强的信号，但你接收到的信号有可能因为你的收音机的功放、扬声器或线路所产生的噪声而降低品质。彭齐亚斯和威尔逊为此检查了他们的射电望远镜的每一个环节，查找可能的虚焊点、布线瑕疵、电子学故障、接收器偏差等。甚至为保万全，所有接口处都拿铝膜胶带缠定。

有一点引起了他们注意：一对鸽子在喇叭天线内做窝。彭齐亚斯和威尔逊认为，沉积在喇叭上的鸽子屎这种“白色介电材料”可能是噪声的原因。因此，他们捉住鸽子，把它们安置在一辆邮车上，送到距贝尔实验室50千米外的地方放飞。他们将天线擦洗得锃亮，但可惜，鸽子有归巢的本能，又飞回到望远镜的号角天线内，并开始再次沉积白色介电材料。彭齐亚斯再次将鸽子捕获，但这次他不情愿地决定一劳永逸地摆脱它们：“有一个鸽友愿意帮我们处理掉它们，但我想最人性化的做法是打开笼子，开枪射杀。”

经过一年的检查、清洁和重新布线，射电望远镜的噪声水平有所降低。彭齐亚斯和威尔逊将剩余噪声归结为可能是大气的影响以及环境在射电望远镜的号角壁上产生的效应，他们只得接受：这两种噪声源是完全不可避免的。但是，这仍不能完全解释他们检测的所有噪声。他们投入了巨大的时间、精力和金钱，以便理解并尽量减少射电望远镜的噪声，但总有这种既神秘莫测又源源不绝的噪声成分：无论何处，无论何时，在各个方向上总存在这种莫名来源的无线电波。

两位沮丧的射电天文学家没有意识到，他们遇到了宇宙学史上最重要的一个发现。他们完全无视这样一个事实，即这种无所不在的噪声其实是大爆炸的残留物：它是宇宙早期膨胀阶段的“回响”。这种恼人的“噪声”将成为证明大爆炸模型的正确性的最具说服力的证据。

如果你还记得，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼曾计算过，在大爆炸后宇宙会经历一个大约30万年的过渡期。届时宇宙的温度会下降到大约3000℃，冷到足以让以前自由飘浮的电子被原子核俘获，形成稳定的原子。充斥宇宙间的光海不再与带电的电子或原子核相互作用，因为后者已经彼此结合成中性原子。宇宙演化史上的这一刻称为重组，此后原始光线可以没有任何改变地穿过宇宙——只有一点除外。

伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼曾预言，随着宇宙随时间膨胀，原始光的波长会随着空间本身的延展而拉长。就是说，在宇宙大爆炸之初，原始光的波长大约是千分之一毫米，而根据大爆炸模型，宇宙在这30万年里膨胀了大约1000倍，因此这些光的波长现在应该有大约1毫米，即它们处于电磁波谱的射电波段。

大爆炸的回声现已转变成无线电波，并且被彭齐亚斯和威尔逊的射电望远镜当作噪声检测到。这些波在电磁波谱上属于微波波段，这就是为什么这种大爆炸的回声后来被称为宇宙微波背景（CMB）辐射的原因。存在不存在CMB辐射对于大爆炸与稳恒态的辩论至关重要，它被列为表4中的第五项判据。

虽然CMB辐射的存在早在20世纪40年代就已明确预言，但到60年代科学界很大程度上将其遗忘了。这就是为什么彭齐亚斯和威尔逊没能将测得的无线电噪声与大爆炸模型联系起来的原因。然而，他们使得称颂的是，他们没有忽略掉这种神秘的无线电噪声，尽管一直为此感到苦恼和困惑。他们一直在相互之间以及与同事之间探讨这个问题。

1964年底，彭齐亚斯参加在蒙特利尔召开的天文学会议。在会议期间，他很偶然地向麻省理工学院的伯纳德·伯克提到了这个噪声问题。几个月后，伯克兴奋地给他打电话。他收到了普林斯顿大学的宇宙学家罗伯特·迪克和詹姆斯·皮布尔斯的论文初稿。这篇文章解释说，普林斯顿团队一直在研究大爆炸模型，并意识到宇宙间应该存在一种无所不在的CMB辐射，这种辐射在今天应为1毫米左右的波长的无线电信号。迪克和皮布尔斯根本不知道他们是在步15年前伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼的后尘。尽管姗姗来迟，但毕竟他们独立地重新提出了CMB辐射。迪克和皮布尔斯也没想到贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊已经发现了CMB辐射。

总之，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼在1948年就已预言了CMB辐射，但在随后的10年里每个人都忘记了这一预言。接着在1964年，彭齐亚斯和威尔逊发现了CMB辐射，但并没有意识到这一点。在大致相同的时间，迪克和皮布尔斯再次预言了存在CMB辐射，但他们不知道这一预言有人在1948年就已经做出。最终，伯克告诉了彭齐亚斯有关迪克和皮布尔斯的预言。

突然间，彭齐亚斯意识到一切都已水落石出。他终于明白一直困扰他的射电望远镜的噪声源是什么，并认识到它的重要性。这种无处不在的噪声之谜终于得到解决。它无关乎鸽子、无关乎线路板走线或纽约大都市，它起源于宇宙的创生。

彭齐亚斯打电话给迪克，告诉后者他已经检测到普林斯顿论文中所描述的CMB辐射。迪克惊呆了，特别是因为彭齐亚斯打电话的时机。它打断了正在进行的午餐会。本来他们打算在午餐会上讨论普林斯顿自己的CMB辐射探测器的建设，迪克和皮布尔斯想亲自检测他们的预言。现在这种探测器建造已变得毫无意义，因为彭齐亚斯和威尔逊已经验证了这一预言。迪克放下电话，转身对他的组员惊呼道：“各位，我们已经被人抢先了。”迪克和他的团队迫不及待地于第二天拜访了彭齐亚斯和威尔逊。对射电望远镜及其数据的检查证实了一切。发现CMB辐射的这场竞赛以贝尔实验室小组悄无声息地击败对手普林斯顿而宣告结束。

1965年夏天，彭齐亚斯和威尔逊在《天体物理学期刊》上发表了他们的结果。他们用短短的600字保守地宣布了他们所检测到的东西，不附带任何个人解释。这一机会留给了迪克和他的团队，他们在同一杂志上发表了姐妹篇，明确地将彭齐亚斯和威尔逊的观测结果与CMB辐射联系起来。他们解释了贝尔实验室的两人是如何发现所预言的大爆炸的回声的。这是一场美丽的联姻。迪克团队给出一个理论但没有观测数据，而彭齐亚斯和威尔逊有观测数据但没有理论。把普林斯顿大学和贝尔实验室合在一起，便将一个恼人的问题变成了一个巨大的胜利。

大爆炸模型明确预言了CMB辐射的存在及它今天应有的波长。相比之下，稳恒态模型没有提到CMB辐射，也无法想象宇宙中充满微波的情景。因此，CMB辐射的发现似乎是一项决定性的证据，它证明了宇宙始于数十亿年前的一个全能的大爆炸。

因此，CMB辐射的发现也驳斥了稳恒态模型。这使得威尔逊在享受确立CMB辐射和大爆炸理论的真实性所带来的幸福感的同时不免有些悲伤，因为他在某种程度上一直保持着对稳恒态模型的偏爱：“我的宇宙观是在加州理工学院从霍伊尔那里学到的，我非常喜欢稳恒态宇宙。哲学上，我还是有点喜欢它。”

他的悲伤无疑很快被铺天盖地而来的喝彩声冲淡了。美国宇航局的天文学家罗伯特·杰斯特罗认为，彭齐亚斯和威尔逊“做出了500年来现代天文学的最伟大的发现”。哈佛大学的物理学家爱德华·珀塞尔则在赞美对CMB辐射的检测上准备走得更远：“这可以说是史无前例的最重要的事情。”

然而，这一切都是侥幸的结果。彭齐亚斯和威尔逊的这一发现纯属意外。他们的主要目标一直是开展标准的射电天文学普查，但他们最大的分心竟然是他们最大的发现。30年前，卡尔·央斯基曾在贝尔实验室做出了一个幸运的发现，并因此创立了射电天文学；现在还是在同一门学科，还是同一个研究机构，偶然性再度来袭，只是这次的发现更加辉煌。

CMB辐射只是在等待被那些偶然将足够灵敏的射电天线对准宇宙的人来发现。碰巧这两人就是彭齐亚斯和威尔逊。然而，他们这一发现的偶然性质并非羞于启齿，因为这样的突破不仅需要运气，还需要有相当的经验、知识、洞察力和坚忍不拔的毅力。有确凿的证据表明，法国人埃米尔·拉鲁在1955年，乌克兰人季格兰·什毛诺夫于1957年都曾在进行射电天文学巡查期间独立检测到CMB辐射，但他们都把它当作仪器的瑕疵引起的白噪声给忽略掉了。他们缺乏彭齐亚斯和威尔逊发现CMB辐射时所具有的决心、毅力和严谨性。

甚至在彭齐亚斯和威尔逊的论文发表之前，他们的这一突破的消息就已在宇宙学界迅速传开了。1965年5月21日，《纽约时报》以头版向公众报道了这个故事，它采用的通栏标题是：“信号暗示’大爆炸’宇宙”。读者对这一发现狂热到痴迷的程度，因为这是宇宙的意义，而且还具有一定朴实的魅力。彭齐亚斯是这样描述的：

当你今晚走到户外，并摘下帽子，你的头皮就能感受到大爆炸带来的一丝温暖。如果你有一个品质良好的调频收音机，而且你站在两个微波中继站之间，你就会听到“嘶-嘶-嘶”的声音。你可能听到过这样的哗哗声。它像是一种抚慰。有时它很像海浪的拍击声，你听到的声音，大约有千分之五是来自数十亿年前传来的噪声。

《纽约时报》的文章只是对宇宙创生的大爆炸模型的一种非正式的认可。爱因斯坦、弗里德曼和哈勃——几位对大爆炸模型做出卓越贡献的人——都没能活着看到它的平反。唯一活着见证历史上最伟大的宇宙学争论的结论的宇宙学之父是乔治·勒迈特，他曾率先给出了大爆炸的理论基础。当他听说已检测到CMB辐射的消息时，他因心脏病发作刚在鲁汶大学校医院被抢救过来。仅仅一年后，他便去世了，享年71岁，他一辈子都是一位忠实的牧师和献身宇宙学的宇宙学家。

当伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼得知CMB辐射的发现时，他们的喜悦掺杂了些苦涩。他们在迪克和皮布尔斯之前就曾预言了大爆炸的这种回声，但他们的这种开拓性贡献几乎没有得到学术界的认可。发表在《天体物理学期刊》上宣告这一突破的两篇原始论文没有提及他们的贡献；随后，迪克在《科学美国人》杂志上发表的综述性文章也没有提到他们的名字。事实上，几乎所有的学术文章和科普文章在谈及彭齐亚斯和威尔逊的发现时都没有提及伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼。

相反，迪克和皮布尔斯则是提出存在CMB辐射预言的理论家。迪克和皮布尔斯毫无疑问是杰出的宇宙学家，但他们仅仅是重走了一遍1948年就已开辟的路径，问题在于宇宙学已由新一代物理学家所把持，他们对伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼的工作根本不熟悉。

伽莫夫试图利用一切机会确立他的团队在预言大爆炸回声方面的优先权。例如，在得克萨斯州举行的讨论CMB辐射的天体物理学会议上，当伽莫夫被问到最近发现的辐射是否确实是他、阿尔弗和赫尔曼曾预言的现象时，伽莫夫站在讲台上回答道：“好吧，让我打个比方。我在这附近掉了一枚硬币，现在在我掉硬币的地方找着了一枚硬币，我知道所有的硬币看起来都一样，但我认为这枚硬币就是我掉的那枚硬币。”

当彭齐亚斯最终得知CMB辐射的最初预言可以追溯到1948年时，他给伽莫夫写了一张和解的便条，要求伽莫夫提供更多的信息。伽莫夫给出了自己早期在相关研究方面的详细描述：“因此你看，世界并不是始于万能的迪克。”

拉尔夫·阿尔弗感到更加愤慨，因为他一直是预言CMB辐射这一研究项目的主要负责人，但他得到的认可甚至还不如伽莫夫。在从事预言CMB辐射的研究时他还是个年轻人，因此风头经常被伽莫夫盖过。更糟糕的是，在阿尔弗、贝特和伽莫夫联名撰写的关于核合成的论文署名（α-β-γ）上，他的排序地位甚至更靠后。

当后来有记者问阿尔弗他是否对于彭齐亚斯和威尔逊不承认他的贡献感到愤慨时，他说出了他的内心感受：“我受到伤害了吗？是的！他们考虑过我的感受吗？他们甚至从来没有邀请过我们去看看该死的射电望远镜，我能不失望吗？发火当然很愚蠢，但我确实很恼火。”

在描述他们工作的《大爆炸的成因》一书中，阿尔弗和赫尔曼给出了更为得体的反应：

一个人从事科学出于两个原因：第一次认识到一个事物或首次测量了某个量所带来的快感，以及这么做了之后至少被人知道，如果得不到同行认可的话。但有些同事认为，科学的进步才是最重要的，至于是谁做出的这一贡献则无关紧要。然而，我们不能不注意到，同样是这些同事，他们对他们的工作得到认可感到高兴，并在尊敬的科学界评选成果时欣然接受这样一种认可。

同时，为表彰彭齐亚斯和威尔逊的工作，在他们做出这一发现的10年后的1978年，他们荣获了诺贝尔物理学奖。在这期间，天文学家们细化了他们对CMB辐射的测量，仔细检查了这种辐射特性与大爆炸模型所预言的那些性质的符合程度。结果表明，CMB辐射和大爆炸模型显然都货真价实。

彭齐亚斯利用颁奖仪式的机会向他父母表示了由衷的感谢。他们将他从纳粹德国的魔爪下解救出来并带他到了纽约：

我想，如果我可以这么说的话，要一件犹太人做的燕尾服，就是服装市场做的那种。我母亲就曾在那里工作，整整一代犹太移民通过在那里工作把他们的下一代送进了大学。我不想在普林斯顿或纽约的时装店里买燕尾服，在那里买的话，卖给你的那个人可能会让你因为穿着它感到羞愧。我想这件燕尾服就是我而不是某种服装。

他还利用做诺贝尔颁奖报告的机会以正视听，明确承认并称赞了伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼的贡献。彭齐亚斯对大爆炸模型的发展和证明的过程做了历史性回顾。这种回顾主要是基于几个星期前与阿尔弗进行的长时间讨论。阿尔弗似乎终于找到了一种能与物理学界和平交流的方式。

然而仅仅一个月后，阿尔弗便罹患了严重的心脏病。也许他为了争得学术成果得到承认已不堪重负，也许没能分享诺贝尔奖所带来的失望过于强烈。阿尔弗的健康在逐渐恢复，但他已不得不继续与疾病的困扰做长期斗争。

宇宙涟漪的必然性

诺贝尔奖颁给彭齐亚斯和威尔逊标志着大爆炸模型已成为科学主流的一部分。没过多久，这个宇宙创生模型甚至得到了史密森国家航空航天博物馆的认可。要举办一个表现大爆炸模型的发展背后所奠定的理论和观测成果的展览可不是一件容易的事情，但展览策划者提出了一些富有想象力的决定。史密森选择展示君度酒瓶，就是伽莫夫和阿尔弗为庆祝他们在核合成方面的突破所用的那个酒瓶（如图83所示）。理想情况下，博物馆还可以安装贝尔实验室的6米见方的射电望远镜用于检测CMB辐射，但这是不切实际的。取而代之的是，它展示了彭齐亚斯和威尔逊为降低噪声而曾经用过的鸽子笼（如图97所示）。

图97　用于捕捉做窝于贝尔实验室的射电望远镜的鸽子的鸽子笼。这个鸽子笼是当年彭齐亚斯和威尔逊试图解释神秘的噪声来源时所做出的努力的一部分，现成为史密森国家航空航天博物馆的展品之一。

CMB辐射的检测给了宇宙学家一个新的信心。CMB辐射不仅存在，而且是以预期的波长形式存在。这除了意味着大爆炸模型是基本正确的之外，还意味着宇宙学家已经了解了宇宙在大爆炸之初其温度和密度如何演化的一些细节。

对于大多数研究人员来说，CMB辐射是有利于创生时刻和不断演化的宇宙的确凿证据，它对于基本稳恒的宇宙是不利的。每过去一年，就有越来越多的科学家改换门庭从稳恒态模型转向大爆炸模型。1959年，即大爆炸与稳恒态的争论处于巅峰的那一年，有机构对美国天文学家的倾向性做过问卷调查。1980年，即彭齐亚斯和威尔逊荣获诺贝尔奖之后两年，该机构再次进行了同一问卷调查。1959年的结果表明，有33%的天文学家支持大爆炸理论，24%的人赞成稳恒态，其余43%的人没有表态。而在1980年的调查中，支持大爆炸的天文学家上升到69%，而坚持稳恒态的只有2%，29%的人没有表态。

变节者之一是稳恒态的先驱赫尔曼·邦迪，他曾说过：“如果存在大爆炸，让我看看它的化石。”现在他不得不承认CMB辐射就是完美的化石，并不再相信他曾帮助建立起的模型。但是托马斯·金则坚守信念：“我实在看不出稳恒态理论有什么毛病。我不会因为相信一件事情的人数而改变自己的信念。科学不是由盖洛普民意调查来进行的。”

同样，霍伊尔继续嘲笑大爆炸模型和那些相信它的人：“将大爆炸宇宙学紧紧揽入科学怀抱的那种狂热显然深深根植于对《创世纪》第一页所述的信仰，是宗教原教旨主义的最强形态。”

如果霍伊尔打算扭转舆论潮流并赢得这场辩论，他就必须更努力地去做而不是对大爆炸的支持者进行诽谤。通过与同事如贾扬特·纳里卡、钱德拉·维克拉马辛哈和杰佛瑞·伯比奇等人的合作，他将原始的稳恒态模型改造成一个开始看上去与天文学观测比较一致的升级版。新的准稳恒态模型要求宇宙在两次长期膨胀之间有一个规则的收缩阶段。修订版不再声称物质被不断创造出来，而是依赖于爆发时所创造的物质。尽管有了这些修改，宇宙的准稳恒态模型还是未能赢得广泛的支持。

图98　霍伊尔与他的朋友和同事贾扬特·纳里卡。后者帮他发展出宇宙的准稳恒态模型。他们一边喝着茶一边在黑板上讨论他们的理论。

尽管如此，霍伊尔继续捍卫他的模型：“我认为，公平地说，这个理论已表现出强大的生命力，它就是我们应该正确寻找的理论。一方面理论和观察并行不悖，另一方面突变和自然选择均有用武之地。理论提供了突变机制，观察提供了自然选择的结果。理论从来不能被证明是正确的。它们能做到最好的就是生存。”但稳恒态模型及其准稳恒态版本还是挣扎在生死线上。任何不抱偏见的观察者都可以看出，它们处在灭绝的边缘，而大爆炸模型不仅生存无忧，而且蓬勃发展。

宇宙显然在大爆炸模型的背景下显得更具意义。例如，在1823年，当时的科学家们认为宇宙是无限的和永恒的，而德国天文学家威廉·奥尔伯斯却想知道为什么夜空不是被星光照耀得如同白昼。他的理由是，一个无限大的宇宙包含有无限数量的恒星，如果宇宙真是无限古老，那么就将允许星光经过无穷长的时间达到我们这里。因此我们的夜空应该充满了来自所有这些恒星的无限量的光。

空间明显不具有这种无限大的光的事实被称为奥尔伯斯佯谬。可以有多种方法来解释为什么夜空不是无限明亮，但其中大爆炸的解释也许是最具说服力的。如果宇宙只是在数十亿年前被创造出来的，那么星光就需要有足够长的时间从有限体积的空间到达我们这里，因为光速只有30万千米/秒。总之，宇宙的有限年龄和光速的有限性导致夜空只存在有限的光，这就是我们观察到的结果。

最能说明大爆炸对稳恒态宇宙占据明显优势的方法是重新审视我们在本章开头给出的关键判据表（表4）。它呈现的是1950年辩论双方的状态，一些研究结果有利于大爆炸，另一些则看好稳恒态模型。但是，自1950年以后，每项新的观测证据似乎都支持大爆炸模型，不利于稳恒态模型，如表6所示。这个表显示的是1978年对垒双方的状态，这一年彭齐亚斯和威尔逊荣获了诺贝尔物理学奖。

在7项决定性的判据中，大爆炸模型在其中4项上较强。其余3项可以判断为：有一项稳恒态模型胜出，一项是两个模型均成功，一项是两个模型均失败。

撇开创生问题，这个问题对两个模型都仍很困难，宇宙学家的注意力集中在大爆炸模型剩下的唯一问题上：目前还不清楚从大爆炸创生的宇宙如何能够演化出星系。正如霍伊尔曾经指出的：“如果你假定足够猛烈的爆发能够解释宇宙的膨胀，那么像星系这样的凝聚状态就永远无法形成。”换句话说，霍伊尔抱怨的是，大爆炸之所以荒谬，就是因为它把所有现存物质炸得四分五裂来创建一个包含稀薄的，甚至一鳞半爪的物质的宇宙，而不是一个物质集中于星系的宇宙。

大爆炸的支持者被迫同意，大爆炸将导致——至少在初期——一锅物质汤，它确实被宇宙膨胀炸得四分五裂。大爆炸模型面临的挑战是明确的——宇宙如何能够从无可比拟的平淡景观中演化出一个由巨大的虚空隔开的大质量星系？

大爆炸宇宙学家希望，早期宇宙虽然很均匀，但不可能一直呈完全的均匀。他们乐观地认为，早期宇宙中一定存在某种程度上的小扰动，是它打乱了宇宙的同质性。如果是这样的话，那么他们认为，这些密度上最微小的变化足以引发宇宙必要的演化。

稍致密点的区域将会形成吸引物质的引力中心，从而使得这些区域吸引更多的物质，变得更为致密，如此循环，直至形成第一个星系。换句话说，如果宇宙学家推测密度上存在丝毫变化，那么就不难想象引力是如何驱使宇宙形成丰富而复杂的结构和次级结构的。

如果这就是大爆炸模型的星系形成机制，那么宇宙极早期的密度涨落将成为非凡的宇宙凝结的最早的种子。今天宇宙中充满了平均密度大约为1 g/cm 3的物质，这个密度与水的密度差不多。例如，太阳的密度比水稍致密些，为1.4 g/cm3，而土星则不太密集，为0.7 g/cm3。另一方面，宇宙也有巨大的虚空，虚到几乎没有任何物质。因此，宇宙的整体平均密度，如果同时将星系和虚空空隙考虑进来，大致是0.000000000000000000000000000001g/cm3。这意味着有些宇宙区域，特别是我们居住的地方，要比平均密度致密1030倍。

因此，大爆炸的看法是，早期宇宙是一锅最均匀、最一致、最顺滑的可以想象的物质汤。在这个几乎处处均匀的海洋里有那么一丁点变化，它在数十亿年间引发了一连串事件，使得宇宙变成既有高密度的星系又有密度接近于零的虚空空间。

表6

下表列出了大爆炸模型和稳恒态模型孰是孰非的不同判据。它显示的是在1978年所获数据基础上这两个模型的表现。本表是表4的升级版。“√”和“×”给出每个模型在相关判据前的大致优劣，问号表示该项缺乏数据或赞同和不赞同的难辨胜负。

为了证明真的发生过这种巨大的转变，大爆炸宇宙学家们将不得不去寻找触发星系形成的密度变化的证据。否则，没有这些确凿的涨落证据，大爆炸模型就无从回答少数稳恒态理论家（如霍伊尔）的批评。

寻找早期宇宙涨落的最合适的地方显然是宇宙最古老的遗迹，即CMB辐射。这种辐射是宇宙历史上某个特定时刻发射出来的，因此现在被当作化石，它代表宇宙在创生后大约30万年间最早原子形成时的状态。因此通过检测这种CMB辐射，射电天文学家能够在时间上有效地回溯宇宙在其早期阶段的演化。大爆炸模型估计，宇宙至少有100亿岁，所以能够看到年龄30万年的宇宙就相当于看到了仅为目前年龄的0.003%时的宇宙。让我们给宇宙一个更人性化的时间尺度。我们将当今的宇宙比作一个70多岁的老人，那么CMB辐射的出现则发生在宇宙还只是一个出生仅短短几个小时的初生婴儿。

观察CMB辐射相当于时间上回头看可能不是那么显然，但天文学家观测一颗遥远恒星时其实做的是同样的事情。如果一颗恒星距离我们100光年，那么它的光就将要100年才能到达我们这里，所以我们只能看到的这颗恒星是它100年前的状态。同样，如果CMB辐射是在数十亿年前被释放出来的，并用了数十亿年才到达我们这里，那么当天文学家最终发现它时，他们实际看到的便是数十亿年以前的宇宙，那时它只有30万岁。

如果在宇宙史上此时发生了密度变化，那么它们应该在我们今天看到的CMB辐射上留下印迹。这是因为如果宇宙有些地方的密度稍高于平均密度——一个鼓包——那么在这个地方CMB辐射就会有明显的效应。从这个区域放出的辐射在逃脱鼓包的高于平均密度的额外引力时就会经历一个稍大的挣扎。因此，鼓包处的CMB辐射会失去一些能量，因此它的波长稍长。

这样，通过检查来自宇宙不同方向的CMB辐射，天文学家希望检测到其波长稍有不同。来自波长稍长方向的辐射将表明，它来自古宇宙那些密度稍大的地方，而来自波长略短的不同方向的辐射将表明它源自古宇宙那些密度略小的地方。如果天文学家能从CMB辐射中找到这些波长变化，那么他们将能够证明，在宇宙早期确实存在密度涨落，它们就是形成星系的种子。这样，大爆炸模型将变得更加引人注目。

彭齐亚斯和威尔逊已经证明，存在CMB辐射而且它有大致正确的波长，但现在天文学家们开始要更精确地来测量它，以便表明来自宇宙某一部分的辐射的波长确实不同于其他部分所发出辐射的波长。不幸的是，CMB辐射看起来似乎处处一样。它应该是大致一致的，因为早期宇宙在空间每一点上是非常相似的，但测量显示，来自各个方向的辐射不只是相似，而是完全相同。波长上没有一丁点增加或减少的迹象。

稳恒态理论家抓住这个否定结果作为大爆炸模型的危险征兆，因为今天的CMB辐射的波长观测不到变化意味着在早期宇宙中不存在密度变化，这意味着我们今天看到的星系没法解释。

但大多数宇宙学家并不慌张。他们认为变化肯定是确实存在的，但太微弱，没被检测到，因为现有的观测技术还太粗糙。这似乎是一个合理的说法。例如，你看的这一页的纸张看起来非常光滑，但借助足够灵敏的设备，其表面的不平整度就会变得十分明显（如图99所示）。也许可以证明CMB辐射的真实结构同样如此，其变化还有待更仔细的检查来发现。

到了20世纪70年代，最新设备的灵敏度足以检测出CMB辐射的1%的电位差，但仍然没有任何变化的迹象。变化的可能性只能留到小于1%的区间里去寻找了，但是检测这么微小的变化在地球表面上进行似乎是不可能的。

图99　在图（a）中，肉眼看上去光滑的纸经放大250倍后的结构和变化。图（b）是放大1000倍后的纹理。

因为CMB辐射是在电磁频谱的微波波段，而大气中的水分连续辐射的也是微波，虽然很微弱，但足以压倒CMB辐射的可能存在的任何微小变化。

一个创新的解决方案是设计一个巨大的充有氦气的高空气球，它能上升到地球上空几十千米处，接近太空边缘，这样，气球携带的CMB探测器将能够漂浮在几乎不含水分的大气层上空，由此大气微波带来的干扰将被减低到最小。

然而气球实验困难重重。单一个低温就可能引起脱胶，使得探测器解体。另外，如果设备出现故障，天文学家将束手无策。即使设备运行正常，探测器在气球下降之前也只能工作几个小时。最糟糕的是，装有探测器的缆车有可能落地时会与地面发生撞击，使得数据丢失或毁坏，这样，多年精心准备的努力将毁于一旦。

加州大学伯克利分校的乔治·斯穆特一直痴迷于寻找CMB辐射的变化，曾参加了几次气球实验，但到70年代中期他已不再对此抱有希望。他的气球实验经常是以灾难结束，即使落地完好的那些结果也依然未能揭示CMB辐射有任何变化。对此，斯穆特采用新的战略。他计划将微波探测器安装在飞机上，这样他就可以在较长的时间里以较高的可靠性来收集数据。这要比危险地悬吊在不靠谱的气球下进行实验好多了。

斯穆特试图找出具有在高海拔条件下长时间滞空能力的飞机，这两个条件是检测CMB有效辐射所必需的。最后，他确定理想的飞行器是洛克希德·马丁公司制造的U-2侦察机，即冷战期间专事间谍任务的传奇飞行器。他向美国空军打了一份正式报告，让他意外的是得到了他们的积极响应。他们很乐意参加这样一个破解宇宙中最大谜团的研究项目。军方高层人物是如此合作，他们甚至告诉斯穆特可以使用U-2上绝密的机顶舱口，这样他的实验将获得一个相当开阔的太空视角。这个舱口最初只是设计用来测试洲际弹道导弹轨迹用的，当时U-2的任务是监测这些导弹再入大气层时的状态。

以前的气球吊舱实验使用的探测器已显得相当粗糙，因为没有人愿意将大量金钱投入到一台落地时十有八九要毁坏的设备上。现在，斯穆特有了一个更可靠的机载平台，他用最新技术构建了一套CMB辐射探测器。它能够比较来自两个不同方向的CMB辐射，而且灵敏度比以往大有提高。

1976年，实验在U-2上起步。短短几个月内，斯穆特及其同事就发现了CMB辐射的惊人变化。来自半边天空的辐射的波长要比来自另一半天空的辐射波长长1/1000。这是一个重要的结果，但不是斯穆特真正要找的结果。

在早期宇宙中成为星系形成种子的这种辐射涨落应该是非常不规则的，因此它们在天空中应表现为随机的区域斑块。然而，斯穆特检测到的是一种非常简单的二分变化。实际观察结果与宇宙学家真正想看到的结果之间的区别如图100所示。

斯穆特的测量结果有一个十分显然的解释。宽阔的半球形变化其实是由地球自身的运动以及由此产生的多普勒效应引起的。当地球在空间穿行时，如果探测器是向前探测入射的CMB辐射，那么辐射波长会略短；如果探测器是向后探测，那么波长将变得稍长。通过测量辐射波长的这种差异，斯穆特实际上可以测得地球在宇宙中的速度。这个速度是地球绕太阳旋转，与太阳绕银河系转动，以及银河系自身运动活动的综合效应。《纽约时报》于1977年11月14日在头版公布了这一结果：星系在宇宙中的速度被发现超过100万英里/时。

虽然这是一个有趣的结果，但它对解决大问题——成为星系种子的CMB辐射的变化在何处？——没有什么大的用处。甚至在除去多普勒效应的贡献后，仍然没有看到大爆炸变化的迹象。如果大爆炸模型是正确的，那么它们必定存在，但没有人能找到它们。斯穆特的设备是非常灵敏的，所以他未能看到错落有致的斑块说明这种变化必定小于1/1000。这样微小的变化即使是机载实验也很难探测到，因为那里仍然有一层稀薄的大气，它将使探测器的非常精细的测量变得模糊不清。

图100　这两个球代表了CMB辐射的两种不同的分布。从我们地球（处于球体的中心）上看，整个球就是我们看到的太空，阴影区表示我们从不同方向看到的CMB辐射的平均波长。深色阴影表示CMB辐射波长稍长于平均波长，浅色阴影表示CMB辐射的波长稍短于平均波长。

图（a）所示的变化错落有致，是宇宙学家迫切需要找到的形态。长于平均波长的区域表明这里在早期宇宙时密度稍高，因此可能成为星系形成的种子。宇宙学家不能确定CMB辐射的精确模式可能呈什么形态，但他们知道，它应该相当复杂才能解释星系的现代分布。

图（b）给出的是简单的结构，一个半球是较短的波长，另一半球的波长较长。斯穆特的U-2实验检测到的正是这种变化模式。它无助于解释宇宙大爆炸模型给出的星系形成所需的复杂变化。

天文学家开始逐渐认识到，他们寻找这种难以捉摸的变化（如果存在的话）的唯一希望就是得把CMB辐射探测器架到地球大气层之外，就是得安装到空间轨道卫星上才行。星载实验能够排除大气微波的影响，将会是非常稳定的，而且能够对整个天空进行扫描，并能够逐天运行。

甚至在斯穆特进行机载实验时，他就考虑过卫星可能是检测CMB辐射变化的唯一途径。为此他酝酿了一个更加雄心勃勃的实验计划。早在1974年，美国航空航天局（NASA）就曾要求科学家们就如何利用最新的“探测者号”卫星提出想法，由此产生了一系列旨在支持天文学研究的相对便宜的项目。包括乔治·斯穆特的伯克利团队提交了关于星载CMB辐射探测器的建议书，但他们不是唯一的申请者。来自加州帕萨迪纳喷气推进实验室的一个小组也已提出了类似的建议，此外还有一个叫约翰·马瑟的年仅28岁的雄心勃勃的NASA天体物理学家也提出了相关建议书。

热衷于支持这种宇宙学意义实验的美国航空航天局将这三项建议统一成一项予以资助，这就是后来被命名为“宇宙背景探测”（首字母缩写为COBE，发音押“托比”韵）卫星的实验研究。此次合作于1976年开始实验的设计，同时斯穆特仍积极参与了U-2间谍飞机的测量。由于现在仍只是初步阶段，所以斯穆特的一心二用没有问题。由科学家和工程师组成的团队将在未来花上6年的时间来搞定如何制作一个探测器，它可以实现发现CMB辐射变化的宇宙学目标，而且既要体积足够小，又要性能足够强，便于被发射到太空后能够稳定运行。

最终的设计包括三套独立的探测器，每一套测量CMB辐射的不同方面（如图101所示）。戈达德空间飞行中心（整个项目的基地）的麦克·豪瑟领导的团队负责漫射红外背景辐射实验（DIRBE），约翰·马瑟负责第二套探测器——远红外绝对光度分光光度计（FIRAS）。乔治·斯穆特负责第三套探测器——差分微波辐射计（DMR），这个探测器被专门设计用来发现CMB辐射的变化。DMR探测器，顾名思义，就是同时检测来自两个方向的CMB辐射并测量这两路微波辐射的差异。

1982年，在项目提出的8年后，COBE终于等来了绿灯。建设终于可以上马了。COBE原定于在1988年由航天飞机送入太空，但在卫星建造了4年后，整个项目陷入危机。1986年1月28日，“挑战者号”航天飞机升空后不久爆炸，所有7名宇航员全部壮烈牺牲。

“我惊呆了，”斯穆特回忆道，“我们所有人都惊呆了。我们为宇航员痛心。这次事故的悲剧是空前的，而且对COBE的影响可能会逐渐显露出来……

一架损失三架封存，NASA的航天飞行计划被叫停。所有飞行都取消了。谁也不知道COBE的升空会推迟多久，也许是几年。”

天文学家和工程师花了超过10年设计和建造的COBE卫星，其未来现在看来似乎很黯淡。所有的航天飞机飞行被取消，航天飞机承担的任务很快积压起来。即使恢复飞行，很明显，列在COBE之前的还有诸多任务有待进行。事实上，在1986年底之前，美国航空航天局正式宣布，COBE已经从航天飞机的发射计划中划去。

COBE团队开始寻找替代的运载工具，唯一像样的选择是老式的一次性火箭。最好的发射器当属欧洲的阿丽亚娜火箭，但是资助了COBE的美国航空航天局不准备让外国竞争对手窃取发射卫星的荣耀。一位COBE小组成员指出：“我们与法国人讨论了两三次，但是当NASA总部发现之后，他们命令我们中止接触并取消这一设想，并威胁我们说，如果我们不停止的话，很难保证人身安全。”与俄国人商谈显然就更不可能了。

火箭业务大大下降，因此很少有其他可供替代的方式。例如，COBE团队曾与麦道公司接洽，但该公司已经暂停了德尔塔火箭的生产线。他们只保留了几个备用火箭，而且全部被指定用于新的战略防御计划（即“星球大战”计划）的武器测试。然而，当德尔塔火箭工程师听说了COBE的困境后，他们很高兴看到他们制作精美的太空舱有可能被用于比打靶更具建设性的用途。他们立即提供他们的服务，但仍有一个突出问题有待克服。

整个COBE卫星将重达近500吨，但德尔塔火箭的有效载荷只有这个重量的一半，因此COBE必须瘦身。COBE团队被迫完全重新设计卫星，大大减小其大小，并做出巨大牺牲放弃以前的工作。同时，团队必须设法确保卫星的科研内容仍完好无损——仍可以探测CMB辐射并检验大爆炸模型。更严苛的是，整个重新设计和建造工作必须在短短的3年内完成，因为1989年将有发射计划，是一个机会，错过这一期限就将受到进一步的严重滞后。

数百名科学家和工程师取消周末，24小时轮班转，以赶在空间探险史上这一最苛刻的期限到来之前完成任务。最后，1989年11月18日上午，即最初提交NASA建议书的15年后，COBE卫星终于待命发射。在此期间，其他人则继续利用地面上的气球和飞机携带的探测器来寻找CMB辐射的变化，但测得的CMB辐射仍保持完美的平滑性。从这点看，COBE卫星多晚发射都不算迟。

COBE团队没有忘记拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼，是他们于1948年最先预言了CMB辐射的存在。卫星发射前，COBE团队邀请他俩到美国加州范登堡空军基地来亲眼目睹发射过程。两位理论家甚至被允许登上龙门摸一摸火箭的鼻锥。斯穆特也在观看发射的数百人中间。他所有的抱负就取决于COBE和德尔塔火箭了：“在早年旅行时，我曾近距离见过火箭，它看上去破旧不堪，锈迹斑斑地躺在这里和那里，亲眼看到人们用环氧树脂对它进行修补。我们的职业生涯在此达到了顶点。我们没说一句话，只是无声地祈祷。”

当倒计时到零，德尔塔火箭从发射架腾空而起。在30秒内便突破音障，11分钟COBE便被成功送入轨道。最后一级推动器将卫星提升到900千米高度，然后它遵循极地轨道，每天绕地球转14圈。

很快第一批数据被传回地球，很明显，COBE运行完全正常，每个探测器在火箭发射的物理压力下完好无损地存活下来。然而，斯穆特和他的同事们还无法就其任务的主要目标对外发布任何声明。

要证实或证伪是否存在CMB辐射的变化，都需要一个漫长的过程来对DMR探测器的数据进行细致分析，甚至累积这些测量数据本身就是一个缓慢的过程。这个探测器可以同时测量并比较来自相距60°天空的两小块区域的CMB辐射，但为了测量整个天空的辐射分布，卫星首先必须绕地球转上几百次。1990年4月，DMR探测器最终完成了对整个天空的第一轮粗略巡查。

第一批数据的分析显示，在1/3000的水平上没有观测到CMB辐射的任何变化的迹象。第二轮巡查结果表明，在1/10000的水平上仍没有观测到任何变化的迹象。科普作家马库斯·乔恩将这些测量值描述为“毫无破绽的平坦”。

COBE已被送入太空去发现孕育今天星系的变化。也许它们只是很难找到。也许它们根本不存在，这样的话那对于大爆炸模型将是灾难性的，因为星系的生成就没法解释。而如果没有星系，就没有恒星，没有行星，没有生命。情况正变得越来越令人沮丧。正如约翰·马瑟说的那样：“我们还不排除我们自己的存在。但如果背景辐射没留下一丁点痕迹，我对今天的结构到底是如何会存在就完全迷惑了。”

乐观者希望，更多的数据，更仔细的巡查也许就会发现CMB辐射的变化。而悲观者担心，更仔细的检查将证明CMB辐射是完全光滑的，大爆炸模型有缺陷。随着每一个月的过去，CMB辐射的变化到底是存在还是不存在没有任何说法，谣言开始在宇宙学界和科学出版界四处流传。理论家开始发展大爆炸模型的特设变种，它不一定需要以CMB辐射的变化为前提。《天空与望远镜》杂志登了篇标题为“大爆炸：是死是活？”的文章综述了当时的心情。小的稳恒态社群振奋起来，并开始重新批评大爆炸模型。

图101　COBE卫星于1989年发射升空。3个探测器由屏蔽罩保护，以免受到来自太阳和地球的热和微波辐射。屏蔽罩中心的杜瓦瓶装着液氦，用于卫星组件的冷却，以减少卫星本身的微波辐射排放。

到目前为止，我给出的都是来自任意方向的单一波长的CMB辐射，但在实际情形下，任何方向的CMB辐射都有一个波长范围。但这种波长分布的特性可以用明显的峰值波长来表征，这就是为什么CMB辐射被处理成就好像它是由单个波长构成的一样。

大爆炸模型的命运取决于DMR探测器的测量结果。它可以对两个不同方向的入射CMB辐射进行比较，找出峰值波长的差异。这种差异表征着早期宇宙中的密度变化，较高密度区域将是今天的星系的苗圃。

FIRAS探测器和DIRBE探测器被设计用来分析CMB辐射的其他方面。

COBE团队之外没有人意识到，期待已久的变化正逐渐开始显现。这种变化的迹象非常不确定，以至于研究者不得不守口如瓶。

COBE的DMR探测器从1990年到1991年持续收集了更多的数据，并在1991年12月完成了对整个天空的第一次彻底巡查，进行了700万次测量。最后，变化在1/100000的水平上显现出来。换句话说，CMB辐射的峰值波长随位置变化的迹象在0.001%的精度上显露出来。CMB辐射在天空中的变化非常微弱，但关键是它们确实存在。它们恰好大到足以表明在早期宇宙中密度波动的影响，这种影响足以孕育星系的后续发展。

一些COBE科学家急于发布这一结果，但其他人表现得更加谨慎，而且后者占了上风。COBE团队决心彻底审查数据，以便确信这些变化不是来自探测器的故障或分析失误。为了营造谨慎和自我批评的氛围，斯穆特做了悬赏：任何人，只要能挑出分析中的错误，便可获得一张免费去世界任何地方旅游的机票。他意识到，他正从事着科学史上最敏感的测量，非常隐蔽的错误很容易影响结果。他曾经将寻找CMB辐射的微弱变化的挑战比喻成“在一片嘈杂——无线电啸叫、海浪拍岸声、人喊狗叫和穿越沙丘的越野车怒吼声——中听出一声耳语”。在这种情况下，很容易听到错误的声音，甚至想象听到某种声音但其实不是真的存在。

经过近3个月的进一步分析和论证，COBE团队一致认为变化是真的。是时候对外公布了。一篇论文被提交到《天体物理学期刊》，并商定，在1992年4月23日于华盛顿召开的美国物理协会年会上宣布这一发现。

斯穆特，作为建造DMR探测器团队的发言人，荣幸地应邀向济济一堂的听众作报告，给出真正重大的结果。自从彭齐亚斯和威尔逊发现了CMB辐射后，四分之一世纪过去了，现在，预期的变化终于得到查实。由于结果一直属于高度机密，所以连会议组织者事先都不知道斯穆特会在会上做出这样重大的公告，因此给他的发言时间就是标准的12分钟，但这已足够呈现科学史上这一最重要的发现。所有出席者均满怀敬畏地看着这一宇宙景观戏剧般地落幕。大爆炸确实能解释星系的形成。

中午举行了重要的新闻发布会。媒体的新闻稿登出了COBE给出的宇宙地图，上面的每块红色、粉红色、蓝色和淡紫色代表着不同的密度。地图的黑白版本如图102所示。每个椭圆形地图表示整个天空，它们被展开并重组成平面图，正如在地图集里球形地球的地图被展成平面图一样。

许多记者和他们的读者看到这些图片，认定每个补丁代表了CMB辐射的真正变化，并大肆吹嘘在十万分之一的水平上起伏显示得很清晰。事实上，COBE的测量受到DMR探测器本身发射的随机辐射的严重影响，因此在关键性的图[图102（b）]中，包含了显著的随机辐射成分。这种污染严重到你单独看图时根本不可能分辨哪个斑点是CMB辐射的真正变化，哪些是由探测器的随机涨落引起的。然而，COBE科学家已经用复杂的统计方法证明了，在他们宣布的精度水平上，存在CMB辐射的真正变化，因此其结果是有效的，即使分布图有点误导。本来将统计分析后的数据交给记者要比交图更准确，但没有哪位新闻记者会理解它。不管怎样，插图编辑们肯定对第二天见报的文章配有出人意料的图像心存感激。

统计分析很复杂，但乔治·斯穆特的消息传到世界其他地方却很简单。COBE卫星已找到的证据表明，大约在宇宙创生后的30万年左右，整个宇宙的密度存在十万分之一水平的微小变化，随着时间的推移，这一变化最终导致了我们今天看到的星系。在前一天花了一晚上功夫才琢磨出该怎样在新闻发布会上给出清脆的回答，斯穆特告诉聚拢来的记者：“我们已经观察到早期宇宙中最古老和最大的结构。这些结构是现今的天体结构如星系、星系团等的原始种子。”斯姆特还给了记者一个更加难忘和迅捷的引语：“好吧，如果你信教，它就像你看到的上帝的面容。”

图102　COBE看到的空间。它看到来自四面八方的CMB辐射。辐射的变化被映射到的球的表面，就像COBE被定位在球体的中心看出去的那样。COBE给出了几种球形图，其中两张被展开成这里的二维分布图。原图是彩色的，但这里显示为黑色、白色和灰色。阴影反映的是由COBE的DMR探测器测得的CMB辐射的强度的变化。

图（a）主要是叠加了我们银河系的恒星的辐射，它在赤道附近呈条纹状。这张照片得了个绰号“汉堡包”。

图（b）是剔除了银河系的影响后的辐射分布图。它较好地展示了整个宇宙的CMB辐射变化。大部分的图仍然是以随机噪声为主，但统计分析显示了在十万分之一的水平上CMB辐射的真正变化。

新闻界的反应是全部拿出整个头版来报道COBE结果。《新闻周刊》杂志最为典型，它采用了戏剧性的通栏标题：“上帝的印迹”。虽然对激情之下他说的话略显尴尬，然而斯穆特自认为没有遗憾：“如果我的评论能够让人们对宇宙学产生兴趣，那么这就对了，这是肯定的。总之现在话已出口。我不能把它咽回去。”

上帝的提及、醒目的图像和COBE突破的科学重要性确保了这段历史毫无疑问地成为近十年来最有趣的天文学故事。甚至连史蒂芬·霍金都来火上浇油地凑热闹，他说：“这是20世纪中最重大的发现，如果不说是所有人类历史上的话。”

证明大爆炸模型的争论终于结束。几代物理学家、天文学家和宇宙学家——爱因斯坦、弗里德曼、勒迈特、哈勃、伽莫夫、阿尔弗、巴德、彭齐亚斯、威尔逊、整个COBE团队，以及许许多多的其他人成功地解决了宇宙创生这一终极问题。很显然，宇宙是动态的，在不断扩张和演化，我们今天看到的一切都来自于100亿年前的一个热的、致密的、瞬间发生的大爆炸。宇宙学完成了一次革命，宇宙大爆炸模型现在已被广泛接受，范式的转变已经完成。