宇宙的出生照片

公元2001年6月30日，在美国卡拉维拉尔角航天发射场一枚Delta II型火箭发射升空，它搭载着一艘负有重大历史使命的天文观测飞船，840 kg 的WMAP号宇宙微波背景辐射探测飞船。该飞船在地月系统中经过3次轨道调整，1个月后，借助于月球的引力，飞船进入地球-太阳系统的第二拉格朗日点轨道，在这个位置上，飞船保持与地球和太阳之间的相对静止，并且一直躲在地球的阴影后面，同时在对着太阳与地球的方向还撑开一把大伞，而两付反射望远镜则躲在伞的后面，背对背靠着，以便最大限度地避开了来自太阳的辐射干扰，然后随着飞船1小时1圈的自转与进动变化，以6个月完成一幅全景图的速度，而开始了对整个天空的全景进行耐心扫描和拍摄。

（搭载着WMAP的Delta II型火箭发射升空）

（躲藏在地球阴影后面的WMAP宇宙微波背景辐射探测飞船）
这艘飞船的探测任务是令所有的宇宙学家兴奋和激动的，它所探测的频率范围是23~94GHz，也就是波长大概为1.3~0.3厘米的微波，而1965年在地面偶然发现的宇宙微波背景辐射，正是处于这个波段的厘米波。根据预言了宇宙背景辐射的存在的宇宙热大爆炸起源理论，这个充满了整个宇宙的均匀的微波辐射，具有黑体辐射的特征，即属于一个绝热平衡系统所具有的辐射强度随频率分布的特征。而宇宙整体只有在甚早期，才可以看作是一个绝热平衡系统，以后随着宇宙尺度的增大，不同位置之间就难以进行迅速的物质和能量的交换而达到热力学平衡。也就是从宇宙的诞生，一直到38万年的时候，由于宇宙的物质和能量都高度均匀连续分布，宇宙尺度还不是很大，各个不同部分相互作用密切，而使得整个宇宙处于处处热力学平衡的所谓黑体状态。于是作为当时黑体辐射的整个宇宙所发射出来的电磁辐射，从宇宙年龄38万年这个临界时间开始，由于宇宙已经膨胀得足够大，而使得辐射与物质粒子基本上不再发生相互作用，这样一直随着宇宙的绝热膨胀而冷却，相当于在宇宙年龄38万年时发射出来的光，畅通无阻地随着宇宙的膨胀，行进了将近137亿年，投射到今天我们人类的WMAP号飞船的底片上，自然就形成了宇宙在刚诞生38万年时的整个影像。

（宇宙演化历史过程中的几幅生平照片）
如果把已经具有137亿年寿命的宇宙比作80岁的人，那么38万年的宇宙就相当于出生不到20小时的新生儿。所以WMAP所拍摄的整个天空宇宙微波背景辐射的照片，实际上就是我们隔着137亿光年的空间距离和137亿年的时间距离，所拍摄下来的这个宇宙在出生时的形象，也可以说是我们人类所能够直接看到的宇宙的最早影像了，而且是有史以来人类获得的最为精细的宇宙出生照片！

（宇宙的出生照）
这张宇宙的出生照片是非常来之不易的。爱因斯坦有句名言，“我们的理论决定我们看到了什么”，人们对于宇宙的观察与理解的历史尤其说明了这点。如果不是站在宇宙热大爆炸起源与演化的理论图像上，就很难理解从天空探测到的微波背景辐射的来源，更不会把整个天空分布的微波辐射看作是宇宙在刚出生不久时的全身照。因此今天我们获得这张照片，经历了一个非常曲折的从实验到理论，又从理论到实验的历史过程。首先，理论上的前提当然是要确切地知道宇宙存在一个出生和演化的过程，而在宇宙出生不久，还必须存在这么一个特殊的时刻，整个宇宙所发射的光，从发射出来开始，就一直不与任何物质发生作用，从而能够一直行进在空旷而膨胀着的宇宙空间，一直到被今天的人类所捕获；然后是基于对这张照片的精密测量，能够进一步为我们的理论细节，提供支持和约束；最后在实验技术方面，还必须能够制造足够灵敏而精密的望远镜和照相机，在排除了挡在望远镜和背景辐射之间的天体的干扰，以及地球相对背景辐射的运动的干扰之后，才可能获得清晰的宇宙出生照片。
下面让我们首先回顾一下这个曲折的理论与实验相互促进的发展历程。
宇宙具有一个起点，自古以来就是人们对于宇宙历史的诸多设想之一。例如中国一直就有盘古开天的神话，而见诸文献的古代思想流派里面，“清升浊降，始有天地”也一直是一种典型的唯物主义宇宙观。不过“宇宙是演化的，而且具有一个起点”真正作为一个严格的科学推断，则是到公元1929年才确立，因为在这年天文学家哈勃通过大量的天文观测，总结出一条经验规律：所有的天体都在沿着与地球的连线，而背向地球运动，也就是说所有的天体都在远离地球，运动的速度与该天体到地球的距离成正比。这就是开启了现代宇宙学革命的第一个重大发现—哈勃定律。对于这个定律的物理解释非常简单，而且也是唯一的解释，即整个宇宙的任何两点之间都在膨胀。这样，只要假设这种膨胀是持续进行着的，反过来推理，宇宙就肯定有一个时空的起点，这就是现代宇宙学所理解的宇宙的诞生。
基于我们已经掌握的物理学规律，物理学家开始设想宇宙的诞生与随后的演化应该是一个什么样的过程。早在1934年，Tolman就基于对宇宙膨胀演化的认识，把整个宇宙看作一个类似于发动机汽缸里面的气体那样的热力学系统，讨论了宇宙在膨胀过程当中的热力学性质，不过认识到在宇宙热力学演化过程的早期存在一个绝热平衡的黑体辐射阶段，则是在1948年，Alpher和Herman在研究宇宙早期原子核的合成过程时提出的，随后他们和Gamow合作，进行了更加仔细和全面的研究，Gamow进而提出了宇宙热大爆炸理论，即宇宙的起点是一个温度和密度都无限大的时空点，剧烈的爆炸使得这个时空点迅猛地扩展，持续膨胀，持续冷却，然后陆续地出现各种粒子，元素，和天体结构，最终而演变成为今天的浩淼宇宙。他在这个理论当中预测了宇宙早期，在黑体状态下所发射出来的微波黑体辐射的温度大概为3K到50K之间。这个预测对于宇宙热大爆炸的演化理论，是非常关键的判别性结论。即只要能够验证这个结论，就能够说明热大爆炸理论框架上的基本正确。但是这个预测表面看起来似乎不是非常精确，因此尽管当时已经具备了成熟的雷达技术，无线电天文观测学也开始得到发展，但就是没有天文学家主动去验证这个理论预测。甚至曾经有不少无线电天文学家都已经在种种机缘下观测到了天空的微波背景辐射信号，但都没有意识到它的物理意义，而使得这个重大发现落到了1963年的Penzias和Wilson手上，而他们俩也因这个其实是偶然的发现而荣获诺贝尔物理学奖。
在1963年，美国贝尔公司的两位无线电天文学家Penzias和Wilson，利用当时进行人造卫星通讯实验的非常灵敏的无线电天文望远镜，试图测量一个超新星射线源。但是在波长为7.3厘米的微波波段，他们发现无论天线朝向哪个方向，总是有一个恒定强度的信号。由于无线电信号最终起源于电子的运动，而描述粒子的运动强度都可以使用温度概念，所以把这个信号的强度折算为温度的话，大概足足有3.7K，考虑到这架望远镜能够把地面强达300K的噪声，减弱为0.3K，所以这是一个非常强的来历不明的信号。为了找到这个信号的来源，他们考虑了各种可能性，起初认为是来自望远镜系统本身的电子噪声，甚至想到是来自天线表面的鸟粪，然而经过仔细的检查，这些因素都被排除，于是他们认为这种微波信号只可能是来自天空。恰好这时他们了解到理论物理学家基于热大爆炸理论，已经预测了整个宇宙充满一种10K左右的微波背景辐射，于是在1965年，他们发表了这个发现，而同时一组理论物理学家也发表了相应的文章，指出了%体状态下所发射出来的微波黑体辐射的温度大概为3K到50K之间。这个预测对于宇宙热大爆炸的演化理论，是非常关键的判别性结论。即只要能够验证这个结论，就能够说明热大爆炸理论射電望遠鏡之前)
这个发现立刻震惊了天文学界，因为正是Gamow的宇宙热大爆炸理论预言了这个微波背景黑体辐射，而任何其他的宇宙演化模型都无法得到这个预言，因此这个发现使得热大爆炸理论获得了决定性的验证，也就使得宇宙热大爆炸理论成为今天得到广泛承认的宇宙演化的标准模型的基础。
下面我们来看宇宙标准模型是如何为我们描述宇宙微波背景辐射的来龙去脉的。
根据宇宙标准模型，我们对于宇宙的历史可以上溯到几乎接近宇宙的零点，当时整个宇宙没有任何的天体，没有任何的化学元素，也没有任何实物粒子，没有任何的电磁辐射，只是一种温度和密度都几乎无限高的，在任何物理意义上都完全对称的极其单纯的真空状态，这种真空状态在几乎是一瞬间，一刹那间，就发生了急剧的暴涨，这个暴涨过程决定了我们这个宇宙的全部命运，即整个宇宙是均匀而平坦的，宇宙的平均密度也恰好使得宇宙能够持续地膨胀，而不至于在自身引力作用下缩回来。然后这个暴涨过程还不断地破坏真空的各种对称性，而使得宇宙不断地产生新的物理内容，按照最一般的分类就是产生了各种基本粒子和辐射，同时宇宙温度不断下降，宇宙尺度不断膨大，整个宇宙形成一个原始的火球，占据主要份量的高温的辐射和少量粒子混合在一起，发生密切的相互作用，构成一个整体的绝热平衡系统。这个系统随着温度降低而发生相变，犹如绿豆粥在冰箱里面冻结为冰激凌一样，宇宙在从1秒到100秒的年龄阶段，专心利用基本的粒子来“冻结”出基本的原子核，即氢核与氦核，然后再继续进行轻核的合成，如此经过大概38万年的演化，宇宙温度降到约3000度，这时由于宇宙尺度已经足够地大，使得辐射光子和实物粒子已经很难碰撞在一起，也就是光子的自由程已经接近无限远，而由于随着宇宙绝热膨胀，光子的温度下降比实物粒子的温度下降要慢得多，在光子逐渐难以与实物粒子发生能量交换作用的情况下，整个宇宙的不同位置开始出现温差，也就是开始变成非平衡状态，这预示着宇宙开始要形成局部的结构。因此在这个转折点发射出来的辐射，就成为了宇宙平衡态的最后影像。显然这个影像反映的是一个处于绝热平衡状态的宇宙，那么它的辐射，如果按照不同的频率来测量辐射强度的话，构成一个典型的黑体辐射谱。任何温度下的平衡系统所发射的黑体辐射谱的形状都是一样的，只是谱线顺着频率而整体平移反映了系统的温度的不同。因此我们今天从天空接收到的背景辐射正好是按照黑体辐射的规律分布的，只是经过137亿光年的长途跋涉，温度已经从约3000K降到了约2.73K。
万年的那个敏感时刻，一方面平衡状态开始终结，一方面非平衡状态开始出现，因此背景辐射固然是一幅处处均匀，各向同性的图像，但是又不能是绝对均匀，绝对各向同性，否则今天的宇宙就不会出现如此复杂的天体结构，处于如此局部不平衡的状态。所以如果精密测量这张照片的话，一定能够找到天体结构开始形成的征兆，也就是反映为辐射分布的涨落。同时由于地球相对这个背景辐射以约每秒300公里的速度运动着，那么用相对地球静止的照相机拍摄到的辐射照片，由于多普勒效应，而使得在顺着地球的运动方向，辐射频率增高，反之则减小，这就使得测量得到的照片上面，一端温度增高，另一端温度降低。
为了印证这幅图像，天文学家们一直不懈地探测宇宙微波背景辐射。关键的一个进步是在1974年就已经规划好的宇宙背景探测计划（COBE），到1989年把探测器发射升空，在1990年获得确切的结论，即背景辐射完全地属于黑体辐射，而在宇宙大尺度上，背景辐射的分布完全是均匀和各向同性的。这个观测结果被霍金评论为20世纪的“世纪大发现”。
为了进一步获得背景辐射的精细图像，进入21世纪就开始了WMAP计划，这次发射的WMAP探测飞船在测量精度上达到了极高的程度，因为它的望远镜探测系统经过特别的设计，使得其系统误差优于5%，这对于宇宙学观测来说，几乎是一个革命性的进步，因为以往的宇宙学观测的误差达到50%乃至100%都是非常常见的，而这个观测系统一下子使得宇宙学观测终于进入了精密物理测量的阶段。

(COBA與WMAP)
正是由于WMAP系统的精确度，使得其收获如下的极其辉煌的观测结果：
1.      宇宙年龄为137亿年，误差为1%。
2.      宇宙背景辐射的温度为2.73K，而整个宇宙的背景辐射不同位置的温度涨落只有百万分之一K的程度。
3.      宇宙的第一颗星体是在大爆炸后2亿年后开始形成的，比以往的估计要早很多。
4.      WMAP所接收的宇宙背景辐射是在大爆炸后38万年时发射出来的。
5.世纪的“世纪大发现”。
为了进一步获得背景辐射的精细图像，进入21世纪就开始了WMAP计划，这次发射的WMAP探测飒37s=MsoNormal style="MARGIN-LEFT: 39.6pt; TEXT-INDENT: -18pt; LINE-HEIGHT: 150%">6.      哈勃常数为71千米/秒/Mpc，误差为5%。
7.      为宇宙起源的开始阶段存在暴涨期提供了进一步的证据。
(COBA與WMAP)
正是由于WMAP系统的精确度，使得其收获如下的极其辉煌的观测结果：
1.      宇宙年龄为137亿年，误差为1%。
2.      宇宙背景辐射的温度为2.73K，而整个宇宙的背景辐射不同位置的温度涨落只有百万分之一
由于WMAP每6个月完成一次全天的测量，所以在2003年的4月能够完成第3幅宇宙的新生照片。只要WMAP还能够正常工作，它就将一遍又一遍地围绕着我们这个新生的宇宙拍摄全身照，每张照片都能够给我们带来有关这个宇宙的过去，现在与未来的崭新数据。从而使得我们人类有可能在自己的一生里，对着这些照片，反复端详宇宙的一生。
(本文圖片引自NASA)