科學(xué)家似乎看見(jiàn)了宇宙大爆炸“發(fā)令槍的冒煙”，從宇宙微波背景輻射的首次發(fā)現(xiàn)到到現(xiàn)在，時(shí)間過(guò)去了50多年，今天的阿爾卡特——朗訊公司早已成了貝爾實(shí)驗(yàn)室新的主人，在過(guò)去的歲月，貝爾實(shí)驗(yàn)室取得了非凡的成就，實(shí)驗(yàn)室的科研人員舉辦了簡(jiǎn)樸的慶?；顒?dòng)，貝爾實(shí)驗(yàn)室在歷史上取得的最偉大的成就之一是發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，為傳統(tǒng)天文學(xué)步入現(xiàn)代形態(tài)鋪平了道路。宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸遺留的痕跡，對(duì)“宇宙化石”細(xì)節(jié)性的發(fā)現(xiàn)和研究使得人們對(duì)宇宙的誕生、形成和演變有了透徹而深刻的理解，這一發(fā)現(xiàn)的“紅利”延續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)，科學(xué)家曾在2014年3月錯(cuò)誤地宣布了原初引力波的發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)時(shí)間的年輪轉(zhuǎn)回到1964年，當(dāng)時(shí)的兩位實(shí)驗(yàn)室工程師意外地發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，人們還記得有趣味的發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)，一群鴿子的糞便差一點(diǎn)迷惑了兩位工程師的理性判斷，當(dāng)時(shí)的新澤西州的一個(gè)微波通訊接收裝置受到了某種揮之不去的噪聲干擾，他們起初以為是鴿子的糞便擋住了信號(hào)通學(xué)的時(shí)代背景有關(guān)。道，產(chǎn)生了嗡嗡嗡的背景噪聲，但在清掃了鴿子糞之后，嗡嗡的低沉噪聲依然如故。微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)之旅開(kāi)始于一次無(wú)線電通訊實(shí)驗(yàn)，背景輻射的“Eureka”或找到了不全是突發(fā)和偶然的因素促成的，看似科學(xué)家心血來(lái)潮的發(fā)現(xiàn)，帶有一定的偶然性，其實(shí)天體物理學(xué)家在理論和觀測(cè)上都進(jìn)行了長(zhǎng)期的準(zhǔn)備。

1964年不是一個(gè)特別的年份，貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜不是天文學(xué)領(lǐng)域的研究人員，兩人為貝爾實(shí)驗(yàn)室下屬的總公司服務(wù)，主要研發(fā)商用的微波通訊技術(shù)，兩人將通訊接收器的端口任意指向天空的一個(gè)方向，從接收器傳來(lái)了嗡嗡的聲音，噪聲穩(wěn)定而持續(xù)，無(wú)法解除棘手的嘈雜聲，噪聲與接收端口的指向無(wú)關(guān)，無(wú)論端口指向天空的哪個(gè)方向，惱人的噪音總會(huì)出現(xiàn)，他們懷疑是硬件設(shè)備出了故障，在巨大的信號(hào)接收裝置上堆積了鴿子的糞便，清除了喇叭口的鴿子糞，但依舊傳來(lái)嗡嗡的噪聲，他們懷疑實(shí)驗(yàn)裝置所在地——新澤西州與紐約市靠得太近，不可忽略的市區(qū)噪聲干擾。兩位工程師設(shè)法讓通訊裝置冷卻下來(lái)，盡可能地消除外部熱源的噪音，他們的努力都無(wú)濟(jì)于事，彭齊亞斯和威爾遜被噪音問(wèn)題困擾。

兩位工程師十分幸運(yùn)，噪音困擾的問(wèn)題沒(méi)有耽擱太久，附近的普林斯頓大學(xué)的研究人員正在尋找一種由宇宙大爆炸遺存的能量輻射。遺存的或背景的能量輻射源于宇宙的起源時(shí)期，在宇宙大爆炸之后的幾秒時(shí)間，宇宙的能量密度下降到足夠的程度，第一批原子核隨之形成，原子的形成則在數(shù)十萬(wàn)年之后，宇宙溫度冷卻到足夠的程度，原子核捕獲了電子，兩者結(jié)合為中性的原子，從原子形成的過(guò)程中釋放了大量能量，輻射的或背景的能量在時(shí)間長(zhǎng)河中發(fā)生了紅移，逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉úǘ蔚墓庾V。

理論物理學(xué)家和天文學(xué)家預(yù)測(cè)了微波背景輻射，甚至十分準(zhǔn)確地計(jì)算了背景輻射的溫度，但他們沒(méi)有找到對(duì)背景輻進(jìn)行搜索的方法，理論推測(cè)和實(shí)際檢測(cè)之間產(chǎn)生了失衡。彭齊亞斯、威爾遜和同事們進(jìn)行交談，他們得知，普林斯頓大學(xué)的研究人員探尋了背景輻射的“遺跡”，他們隱約地意識(shí)到，背景輻射是背景噪音的根源。貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師和普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家組成了聯(lián)合科學(xué)團(tuán)隊(duì)，宇宙微波背景輻射的研究成果發(fā)表在1965年一期的《天體物理學(xué)》雜志，1978年，彭齊亞斯和威爾遜由于“意外的發(fā)現(xiàn)”而榮獲了物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的觀測(cè)和分析，一個(gè)顯著的物理特征的事實(shí)突現(xiàn)出來(lái)，從地球上觀測(cè)的微波背景輻射的均勻性與宇宙大尺度的均勻性相互一致，微波背景在大尺度的均勻性證明了宇宙大尺度空間的平滑性，但微波背景輻射在極小尺度的不均勻性證明了，在宇宙空間的小尺度范圍有起伏變化，微小尺度的不均勻性最終形成了宇宙空間的塊狀星系團(tuán)和巨大的宇宙空洞。各種各樣的宇宙模型試圖解釋宇宙大尺度的均勻性和宇宙小尺度的不均勻性，其中的宇宙模型的“暴漲”理論占據(jù)了主導(dǎo)地位，在宇宙的最早期發(fā)生了超光速的暴漲現(xiàn)象，其膨脹的速度超乎想象。

微小、均勻而平坦的能量點(diǎn)或“能量火球”迅速膨脹成地球和太陽(yáng)尺寸、甚至超過(guò)太陽(yáng)系和銀河系尺寸的“小宇宙”，從宇宙“小球”極快速地暴漲為宇宙“大球”，微小的量子漲落和不均勻的質(zhì)量分布在宇宙高速膨脹中迅猛地拉伸和抹平，最終形成了星系和宇宙的大結(jié)構(gòu)，今日宇宙早已是一個(gè)超級(jí)的結(jié)構(gòu)體系。很多版本的宇宙膨脹理論假設(shè)了一種情形，宇宙星系的物質(zhì)團(tuán)塊結(jié)構(gòu)與宇宙背景輻射中微波能量的微小漲落有關(guān)聯(lián)性，探索微小的能量漲落現(xiàn)象成了一項(xiàng)緊迫的科學(xué)使命，科學(xué)家的共識(shí)促成了宇宙背景探索衛(wèi)星（COBE）的研制和發(fā)射，COBE衛(wèi)星在1989年發(fā)射升空，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家還在爭(zhēng)論一個(gè)問(wèn)題，微波能量的漲落是否有足夠的程度。利用當(dāng)時(shí)的太空探索技術(shù)，科學(xué)家可能檢測(cè)到微小的能量漲落現(xiàn)象。

1992年，COBE科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了檢測(cè)的成果，他們似乎找到了現(xiàn)代宇宙形成的“種子”，在宇宙微波背景輻射中確實(shí)存在極小的能量漲落，變化的幅度為一千分之一。2006年，COBE科學(xué)團(tuán)隊(duì)的主要科學(xué)家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特在背景輻射中的量子漲落發(fā)現(xiàn)中做出了重要貢獻(xiàn)，兩個(gè)分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。人們追索現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展歷程，可以得出一個(gè)結(jié)論，COBE探測(cè)衛(wèi)星的運(yùn)行和發(fā)現(xiàn)標(biāo)志了一個(gè)精確天文學(xué)時(shí)代的開(kāi)始。WMAP，Planck和BICEP進(jìn)行了一場(chǎng)接力賽，COBE的發(fā)現(xiàn)成果標(biāo)志了宇宙探測(cè)的開(kāi)始。

COBE探測(cè)衛(wèi)星確定了微波能量的漲落起伏現(xiàn)象，宇宙微波背景的能譜以黑體輻射的曲線形式發(fā)生了搖擺，能譜的波動(dòng)現(xiàn)象蘊(yùn)含了宇宙學(xué)的細(xì)節(jié)信息，通過(guò)對(duì)搖擺精確圖形的研究，科學(xué)家確定了宇宙年齡、宇宙中暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的數(shù)量、直接與宇宙膨脹速度相關(guān)的哈勃常數(shù)和其它參數(shù)。2001年，NASA發(fā)射了威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP），主要的使命是收集宇宙微波背景漲落的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，精確測(cè)定微波背景的能譜。經(jīng)過(guò)多年的觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析，WMAP在2010年退役，已經(jīng)完成了科學(xué)使命的WMAP目前仍在軌飛行。

WMAP科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)布過(guò)數(shù)據(jù)分析的結(jié)論，宇宙“大球”71%的成分是暗能量，24%的成分是暗物質(zhì)，普通物質(zhì)成分的占比低于5%，而少于5%的普通物質(zhì)構(gòu)成了可觀測(cè)宇宙中的恒星、星系和其它天體。歐洲航天局在WMAP退役之前發(fā)射了普朗克衛(wèi)星，新一代的微波背景探測(cè)器的分辨率和靈敏度明顯高于WMAP，普朗克衛(wèi)星科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)布了更加精確和可靠的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)，這是到目前為止人類達(dá)到的宇宙學(xué)最高的認(rèn)識(shí)水平。普朗克衛(wèi)星也被設(shè)計(jì)成具有接收微波背景輻射中偏振信號(hào)的功能，這是檢測(cè)極早期宇宙暴漲現(xiàn)象的關(guān)鍵性技術(shù)，直接證明宇宙暴漲的發(fā)生，依然是一個(gè)主要的科學(xué)問(wèn)題，目前缺少能夠證實(shí)極早期宇宙發(fā)生極快速膨脹的直接證據(jù)。

2014年3月，BICEP2科學(xué)團(tuán)隊(duì)似乎發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的證據(jù)，在宇宙早期的“第一縷光線”中收集了偏振信號(hào)，這些偏振信號(hào)既有可能由宇宙引力波引起，也有可能發(fā)源于銀河系的塵埃，按照宇宙學(xué)理論的推測(cè)，宇宙引力波在宇宙暴漲過(guò)程中滲透了整個(gè)太空。在普朗克衛(wèi)星科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)布數(shù)據(jù)之前，BICEP2科學(xué)團(tuán)隊(duì)的進(jìn)展速度更快，在普朗克團(tuán)隊(duì)之前發(fā)布了數(shù)據(jù)，通過(guò)南極望遠(yuǎn)鏡在河外星系發(fā)現(xiàn)了明顯的偏振信號(hào)，BICEP2科學(xué)團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)布了宇宙背景輻射的成像圖片，有些科學(xué)家懷疑數(shù)據(jù)的有效性，可重復(fù)性檢驗(yàn)成了問(wèn)題的關(guān)鍵，只有可重復(fù)性檢驗(yàn)才能打消科學(xué)家的顧慮。

有必要深入研究微波背景圖譜中能量起伏和古老光線偏振性的科學(xué)問(wèn)題，很多疑問(wèn)有待消除。事實(shí)上，相關(guān)的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論一直都在發(fā)生，舊的疑問(wèn)沒(méi)有解決，新的疑問(wèn)又產(chǎn)生了。清晰的數(shù)據(jù)和模糊的解釋，或者模糊的數(shù)據(jù)和清晰的解釋，這說(shuō)明探索宇宙微波背景的大門(mén)沒(méi)有完全關(guān)閉，精確宇宙科學(xué)的研究大道始終暢通。從彭齊亞斯和威爾遜在1964年發(fā)現(xiàn)了微波背景輻射到現(xiàn)在，50多年過(guò)去了，兩人最初使用了簡(jiǎn)陋的信號(hào)接收裝置，現(xiàn)在的科技人員研制了精密的探測(cè)器，大批年輕的科學(xué)家接過(guò)了科學(xué)探索的接力棒，他們?cè)诙唐趦?nèi)可能很難從微波背景數(shù)據(jù)的收集和分析中取得實(shí)質(zhì)性成果，但在長(zhǎng)期內(nèi)有希望取得突破性的進(jìn)展。

（編譯：2014-5-23）