原始火球的发现

第五章　原始火球的发现

对于崇尚科学的人来说，一个突然出现的宇宙是很不合口味的观念。但是宇宙膨胀的证据已是清楚得不可否认了。我们有没有办法去接受一个膨胀宇宙的观念，同时却排斥它爆炸性的诞生呢？难道还有其他办法来恢复宇宙的永恒性吗？

许多年前，三位英国天文学家——托马斯·戈尔德（Thomas Gold），赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）和弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）曾经说明如何可能，并且如何去建造一个不断膨胀，同时又是永恒的宇宙。他们提议说，在空洞的宇宙空间里，新生的物质可能继续不停地从无变有被创造出来。这新造出来的物质以氢原子的气体状态进到宇宙中，然后渐渐凝聚成浓密的云状新鲜物质；新的恒星和星云就在这种云状物质中形成了。

随着宇宙的膨胀，这些新形成的恒星和星云就移进那些旧星云因膨胀散开而留下的空隙里。这样一来，太空就不会随着时间的消逝而变得空虚；无论何时，在宇宙的每一个角落里都有同样多的恒星和星云了。

有些星云很古老，包含着许多已死及将死的恒星；有些星云很年轻，包含着最近才形成的炽热的恒星。当这些恒星也变老的时候，新形成的星云中的新恒星就会兴起来取代它们。这样宇宙中就总会有光和热，其中的生命也总是没有穷尽。这样的世界存在于一种永无休止的平衡状况中，永远在膨胀，永远在变老，但又永远在更新。

邦迪、戈尔德和霍伊尔的建议后来被称为“稳恒宇宙论”。它对科学家来说是一种动人的学说，因为它容许一个无始也无终的宇宙的想法。

然而，另一个发现将这巧妙的理论投入疑团之中。这故事始于第二次世界大战末期，两个青年物理学家——拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）和罗伯特·霍尔曼（Robert Herman）——开始跟乔治·盖莫（George Gamow）去探究大爆炸理论的各种后果。阿尔弗和霍尔曼计算出，假使的确曾经发生过宇宙大爆炸的话，整个宇宙在爆炸后的一剎那必定充满了强烈的辐射。这种辐射就像一颗氢弹爆炸后所产生的大火球一样。然后，宇宙膨胀并冷却，火球的亮度就逐渐减弱，但它不会完全消失。事实上，这原始火球的一些遗骸应当仍然存在于宇宙中。

第二次世界大战时，雷达研究进展很快，灵敏度高、足以探察出这原始火球遗骸的仪器已经存在，但那些熟悉这些仪器的科学家们要么对阿尔弗和霍尔曼的工作一无所知，要么就是对它毫不重视。霍尔曼说：“当时我们就确知所得的结果将会非常有趣。但是天文学界的反应不是疑心就是敌对。”直到1965年，AT&T贝尔实验室（Bell Laboratory）的两个物理学家——阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔森（Robert Wilson）——发觉了阿尔弗和霍尔曼所预料的宇宙火球辐射，这才使它成为现代天文学500年来最伟大的发现之一。

彭齐亚斯和威尔森当时正在使用一些设备测量天空中的辐射，这些设备是为了一个通讯卫星的计划而造的。测量结果显示：整个地球都被从天上各个方向射来的一种微弱辐射包围着。这辐射不是来自地球本身，也不可能来自月球，太阳或其他的天体；它们似乎来自整个宇宙。尽管两位物理学家对此而感到困惑，但他们并未联想到宇宙的起源，也没有意识到他们已得到了宇宙奥秘的答案。直到一个朋友告诉彭齐亚斯他所听到的一篇演讲，讲到在太初充满宇宙的大火球所遗留下来的辐射，在今天仍然可以测量的可能性。彭齐亚斯和威尔森这才了解他们其实早已观测到这个原始火球。以后的故事就是科学的历史了。

原始火球留下辐射的发现，给天文学家们留下了深刻的印象。从此“稳恒宇宙论”的支持率就大大削弱，虽然还有部分天文学家仍然赞同它。除了这几名“怀疑的多马”之外，说服多数人的关键是彭齐亚斯和威尔森所发现的、在不同的波长和频率之中辐射的强度都依照着一种特殊模式，与爆炸所产生的辐射的模式完全吻合。

图5.2

这种在不同波长之中辐射强度变化的模式称为辐射的幅度。图5.2中阴暗的区域代表实际测量出的幅度的数值，这区域的宽度代表测量的不肯定性。实线则代表一团气体所发出的辐射依照计算而得的幅度。

图5.3　阿尔弗和霍尔曼

计算与测量的两个幅度在质量上很相符；它们都在6cm-1的频率时达到巅峰，也都在巅峰两边依照相似的角度降落。

图5.4　乔治·盖莫

然而，在数据和理论之间仍有若干明显的差距。这就给那些要否定大爆炸理论者一点安慰。这些人又从高空火箭所测量出的数据得到另一些安慰，因为这些数据在高频率的一端显出了更大的差别。

图5.5　阿尔诺·彭齐亚斯（右）和罗伯特·威尔森（左）

图5.6　彭齐亚斯（右）和威尔森在角内状天线内

图5.7　彭齐亚斯和威尔森在1978年荣获诺贝尔奖

直到几年前，一颗专为研究宇宙火球而装备的国家航天署（NASA）的人造卫星重新测量了这个幅度后，这些差距都消失了。这些从卫星测得的结果是非常准确的，因为它们完全避免了地球大气层的干扰，而且每次可以连续测量好几个月，与以前高空火箭只有几分钟的测量不同。从卫星测得的数据证明以前的数据是不正确的。事实上，卫星测得的数据与一次宇宙性爆炸的幅度十分吻合。

图5.2中的图像将几年前的人造卫星的测量与一次爆炸所产生的辐射在理论上的幅度作一比较。那些小空格代表卫星测得的数据，而那条实线则代表在理论上一次爆炸所产生的辐射模式。由于两者十分相似，因此那条理论的曲线看来好像是用数据连络而成的，但事实上两者是完全独立的。

这个图表所产生的数据，在科学与哲学上有着超卓的涵义，它证实了宇宙起初的景象。这是现代科学最伟大的胜利之一。

拉尔夫·阿尔弗（图5.3左）和罗伯特·霍尔曼（图5.3右）在1948已预告了那颗宇宙大火球。当他们跟随着乔治·盖莫（图5.4）去研究所有元素源于“大爆炸”的理论时，阿尔弗和霍尔曼推算出当宇宙还年轻的时候极其炽热，并且充满着一种强烈的辐射，直到今天这辐射仍然存在，只是减弱了不少，而且仍在继续减弱。如能探测出这种辐射，就可证明这个宇宙是从一次爆炸开始的。不知为何，没有人去探索这火球的辐射，追究他们这个惊人的预告。后来，当这辐射的发现成了科学史上最有意义的大事之一时，阿尔弗和霍尔曼才得到了迟到的赏识和好几种学术团体的荣誉。

1965年阿尔诺·彭齐亚斯（图5.5右）和罗伯特·威尔森（图5.5左）完成了现代天文学最伟大的发现之一。他们无意中探测到了阿尔弗和霍尔曼所预告的宇宙火球那种辐射。这发现所用的仪器是图5.6中的巨型角状天线。这支外形像一个喇叭耳机的角状天线能察觉宇宙间最微弱的无线电私语。当彭齐亚斯和威尔森发现那种辐射时，他们并不是在探求世界起源的线索。他们只是在试验这套仪器时，注意到无线电收音器里发出一种不可解释的静电干扰杂音。为了找寻这杂音形成的原因，他们爬进这大角的另一端，发现有鸽子在它后面搭了窝，然而把鸽子和窝都弄走之后，那些杂音仍然存在。显然这干扰并非来自仪器，而是太空中传来的某种辐射。