另一个重要证据，有了！

风景天成 2017-07-20

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■小溪/文

■L老师、郑伟/审校

决定着宇宙何去何从命运的暗能量不得不令人关注，相关的重要科学成果显示了暗能量的可能存在

可暗能量的存在是否还有其它的证据呢？的确有，还有一个重要的证据来自对“宇宙微波背景辐射”的观测。

几十年前有人提出了“大爆炸宇宙论”，根据这个学说，宇宙空间应该充满微波背景辐射。听起来真有点像天方夜谭，可宇宙大爆炸后遗留下来的微波背景辐射已被实验观测所证实。更进一步，宇宙微波背景辐射在不同方向上存有的极微小差异也被精确地测量出来了，目前的结果只有用宇宙中可能存在着“暗能量”才能予以解释。

在寻找这个重要证据的过程中发生了不少十分有趣的故事……。

“宇宙微波背景辐射”（Cosmic Microwave Background Radiation，简称CMB）。

“微波”是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米~ 1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，频率在300 MHz（兆赫兹）~ 300 GHz（吉赫兹）之间。

电磁波谱示意图（图片来自网络）

“辐射”是指物体的能量以电磁波或粒子的形式向外扩散。自然界中的一切物体，只要温度在绝对零度（绝对零度简称0K，与摄氏零下273.15度相对应）以上，都会以电磁波或粒子的形式不停地向外传送能量，这种传送能量的方式被称为辐射。

“宇宙微波背景辐射”是指来自宇宙空间背景的微波辐射。为何宇宙空间会有微波辐射呢？这要从“大爆炸宇宙论”的学说谈起，这种学说认为：宇宙诞生于距今约140亿年前的一次大爆炸，发生大爆炸时宇宙温度极高，之后慢慢降温，微波背景辐射约产生于大爆炸后的四十万年左右，是宇宙大爆炸之后的遗留辐射，它穿越了漫长的时间与空间后成为微波，均匀地分布在整个宇宙空间。到现在，宇宙中应该还残留着大约绝对温度3K左右的热辐射，而科学家们则从宇宙微波背景辐射的微小涨落中找到了暗能量的身影。

弗里德曼的预言

“大爆炸宇宙论”学说是在实验观测及理论推导的共同推动下逐渐形成的。

1912年，美国的斯莱弗（VestoMelvin Slipher，1875-1969）在实验观测中测量到一个“旋涡星云”的多普勒频移（指发射源与接收者间的相对运动造成接收到的信号频率与发射源发出的信号频率产生了差值）。1917年，根据斯莱弗和怀兹（Carl Wilhelm Wirtz，1876-1939）的实验观测，已可证明“许多旋涡星云都正以巨大的速度远离银河系而去”。不过，当时他们并没有联想到这对宇宙学意味着什么，也没想到所发现的星云其实是银河系外的其他星系。

斯莱弗（图片来自网络）

1917年，爱因斯坦（AlbertEinstein，1879-1955）发表了《广义相对论下的宇宙观》一文，将自己1915年提出的广义相对论引力场方程增加了一项“宇宙常数”，建立了一个“静态、有限、无界”的“静态宇宙模型”。

俄罗斯的弗里德曼（Alexander Friedman，1888-1925）擅长纯数学和应用数学，他从纯数学的角度研究了爱因斯坦的引力场方程。弗里德曼认为：爱因斯坦1915年提出的引力场方程完全正确，这个方程预言宇宙将随时间而膨胀、收缩。而爱因斯坦之后为在大尺度上保证宇宙的静态而加入的那个“宇宙常数”却可能造成了一个错误。

这是因为：初等代数中有一个规则，以任何量，只要这个量不等于零，去除方程的两边都是允许的。而爱因斯坦增加了“宇宙常数”的引力场方程在证明过程中却用一个复杂项去除方程的两边，这个项在某些情况下是有可能等于零的。

弗里德曼（图片来自网络）

1922年，弗里德曼在德国《物理学》杂志上发表了题为《论空间曲率》的论文，文中阐述了他不用“宇宙常数”证明了引力场方程其实存在着“允许各向同性、均匀物质分布的非静态解”：宇宙不一定是静态的，它可以是膨胀的，也可以是振荡的，这是弗里德曼提出的“宇宙膨胀模型”。

爱因斯坦认为弗里德曼的论文中有错误，他写的批评弗里德曼文章的短文刊登在紧接着的一期《物理学》杂志上。而弗里德曼认为爱因斯坦的批评有误，他写信给爱因斯坦指出问题所在。估计爱因斯坦那段时间忙于出席在瑞士、日本、巴勒斯坦、荷兰等地的各种研讨会，没有见到这封信。直到半年多后，爱因斯坦发表一篇短文，宣布撤回对弗里德曼文章的批评，承认弗里德曼的主要结果是正确的。

由于还得不到任何实验观测数据的证实，弗里德曼提出的宇宙膨胀模型当时没有得到科学界的广泛认可，也没有人认识到正是弗里德曼开创了宇宙学的新纪元。

十分不幸的是，弗里德曼1925年在一次乘气象气球飞行时着了凉，不久由重感冒转成肺炎而英年早逝。

勒梅特的假说

比利时的勒梅特（Georges Lemaitre，1894-1966）1923-1924年在英国剑桥大学以及美国麻省理工学院学习，他对现代天文学、数值方法等很感兴趣，对爱因斯坦的广义相对论也有较为深刻的理解。1925年，勒梅特回到比利时在鲁汶大学任教。

勒梅特（图片来自网络）

1927年，勒梅特用法文在《布鲁塞尔科学学会年刊》上发表了题为《考虑河外星云视向速度的常质量增半径均匀宇宙》的论文，表述了有关宇宙膨胀的一种新颖观念。文中介绍了他新找到的一个新的广义相对论场方程的解，勒梅特认为：旋涡星云退行的现象是宇宙膨胀引起的。

1929年，美国的哈勃（EdwinPowell Hubble，1889-1953）发表了题为《河外星云距离与视向速度的关系》的论文，公布了一个震惊科学界的发现。他在分析了与银河系近邻的24个星系的观测数据后，发现大部分星系的光谱都存在红移现象，可以推算出它们都以每秒几百公里的速度在逐渐远离我们。哈勃发现了一个规律（称为哈勃定律）：一个星系的远离速度同这个星系离我们的距离成正比，离我们越远的星系向外运动的速度越快，这是宇宙正在膨胀的表现。

哈勃定律为弗里德曼预言的宇宙膨胀模型提供了最重要的观测证据。但哈勃定律无法说明宇宙的最初情况，也无法清楚地描述宇宙从初始之后的真正发展过程。

哈勃（图片来自网络）

1931年，勒梅特对自己1927年的成果作了补充。他指出：现在观测到的宇宙是由一个极端高热、极端压缩状态的“原初原子”膨胀而产生的。那个“原初原子”在一场无比猛烈的爆发中炸成无数碎片。这些碎片后来形成了无数的星系，至今仍在继续向四面八方飞散开去。他本人称此为“原初原子假说”，实际上这就是宇宙大爆炸理论的前身。但勒梅特的理论基本上仍然属于一种猜想，并没有从物理上提供坚实的理论基础。

伽莫夫、阿尔弗、赫尔曼的推算

俄裔的伽莫夫（George AntonovichGamow，1904-1968）接受并发展了勒梅特的思想。为了更好地进行这方面的研究，他找了两个合适的人选：华盛顿大学的研究生阿尔弗（RalphAsher Alpher，1921-2007）与普林斯顿大学的研究生赫尔曼（Robert Herman，1914-1997）。

伽莫夫（图片来自网络）

阿尔弗（左）、赫尔曼（右）（图片来自网络）

1948年4月1日，美国《物理评论》杂志发表了伽莫夫等人署名，题为《化学元素的起源》的论文。正是在这篇论文中，伽莫夫提出了宇宙大爆炸学说。

伽莫夫认为：宇宙起源于一个温度和密度接近无穷大的“原始火球”，有过一段由密到稀、由热到冷的演化史。这个演化过程伴随着宇宙的膨胀，开始时十分迅猛，如同一次规模巨大的爆炸，所以被称为“大爆炸宇宙模型”。伽莫夫预言，根据这一模型，应能观测到宇宙空间残存着的温度很低的“背景辐射”。

伽莫夫提出的“宇宙大爆炸学说”仍然只是一种推算与猜想，还缺乏有力的观测证据，因而刚开始时没有引起太多的关注，若干年后却越来越显示出它的深远影响。伽莫夫被誉为真正的“大爆炸宇宙学之父”。

不久，阿尔弗和赫尔曼估算出：如果宇宙最初的温度约为10亿度，由于宇宙的膨胀和冷却，它目前所残留的温度应该在绝对温度5-10 K。但是他们的预言在当时并未引起科学界的足够重视。

泽尔多维奇、狄克的再发现

20世纪六十年代初，苏联的泽尔多维奇（YakovBorisovich Zel'dovich，1914-1987）和美国普林斯顿大学的狄克（Robert Henry Dicke，1916-1997）分别独立地“重新”发现了伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼的预言——宇宙应当残留有绝对温度为几K的背景辐射。

泽尔多维奇（左）、狄克（右）（图片来自网络）

1964年，苏联的达瓦希科维奇（AndreiDoroshkevich，1937-）和诺维科夫（IgorNovikov，1935-）进一步指出这种背景辐射在厘米波段（即微波波段）上应该可以观测到。

彭齐亚斯、威尔逊抢了先

要想观测到对应于很低温度的辐射，首先需要排除来自其它方面的干扰，即各类“噪声”。

普林斯顿大学的狄克除了在理论物理研究方面的建树，在制造低噪声天线方面也是专家。1945年，狄克的团队在测量月球、太阳的微波辐射时就曾发现天体背景也有辐射，辐射温度的上限约为绝对温度20 K，他们认为这可能代表着宇宙中所有星系物质的总辐射。他们的这一发现1946年发表在《物理学评论》上。

1964年，狄克的同事罗尔（Peter Roll）和威尔金森（David Todd Wilkinson，1935-2002）开始研制一种低噪声新天线，用于探测宇宙中可能存在的微波辐射，他们采用狄克发明的增强雷达灵敏度的技术来克服噪声。与此同时，皮伯斯（JimPeebles，1935-）正从理论上重新计算宇宙中残留的辐射背景场的温度，作为新天线的参考。没想到的是，就在他们的天线接近完工时却让别人在无意中抢了先。

威尔金森（图片来自网络）

此时，美国贝尔实验室的彭齐亚斯（Arno Penzias，1933-）和威尔逊（Robert WoodrowWilson，1936-）正致力于研制射电天文观测用的超灵敏低温微波接收器。为研究来自银河系边缘的微波讯号，他们忙于对新泽西州克劳福德山上一台本来用于接收卫星信号的“喇叭天线”（Horn）进行改造。“喇叭天线”是一套高敏感设备，先后被用来探测回声号气球卫星、首个有源通信卫星“电星号”传回的无线电波。这些无线电波极其微弱，要尽可能排除所有干扰才能探测到它们。

彭齐亚斯（左）、威尔逊（右）（图片来自网络）

为了检测这台天线的噪声性能，他们刻意避开各类噪声源，将天线指向天空的不同方向进行测量。可无论天线指向什么天区，在波长7.35厘米处的微波波段，总会接收到一个昼夜不停的噪声，信号在各个方向的强度都一样。正由于它完全不随方向变化，很显然不可能来自太阳系或银河系，也不可能来自河外星系的某个射电源。彭齐亚斯与威尔逊怀疑问题是否会出自天线系统本身，他们彻底检查和打扫了天线，清理了天线上的鸟屎，甚至将一对常来光顾的鸽子邮寄到一百多公里外。最后，没办法了，他们就将天线完全卸开再重新组装，可这个噪声依然存在。

喇叭天线（Horn）（图片来自网络）

彭齐亚斯（右）与威尔逊在喇叭天线前（图片来自网络）

从1964年到1965年，他们为消除这个神秘的噪声忙乎了快一年，彭齐亚斯与威尔逊只得认为：这个无处不在且均匀分布的背景噪声一定来自银河系之外的、更广阔的宇宙，它在各方向上分布均匀，弥漫于整个空间背景中。但这种微波背景辐射究竟是什么原因造成的？他们还无法回答。

彭齐亚斯与麻省理工学院的伯克（BernardBurke）是好朋友，有天他给伯克打电话时得到了一个重要的信息：普林斯顿大学的狄克团队不久前刚发表了一篇论文预印本，文中预言在3厘米波长的微波段，应当接收到温度为绝对温度10 K左右的噪声。

彭齐亚斯与威尔逊很快向狄克发出了邀请，正在与皮伯斯（JimPeebles）、罗尔及威尔金森讨论微波背景辐射问题的狄克立刻意识到了彭齐亚斯所说的意味着什么。狄克等人立即动身与彭齐亚斯、威尔逊会面。这两个研究团队的成员一起仔细核对了观测数据，确信数据正确无误。他们相信，彭齐亚斯与威尔逊发现的这一无法消除掉的噪声，很可能正是狄克团队理论预言并正在努力寻找而还没有找到的东西。

回到普林斯顿大学后，狄克等人虽然因被别人抢了先有些沮丧，但还是决定把自己的工作继续进行下去，毕竟科学实验或观测需要多次的独立验证。几个月后，罗尔与威尔金森的天线也得到了与彭齐亚斯、威尔逊一致的数据。

由于彭齐亚斯、威尔逊对大爆炸宇宙论与微波背景辐射之间的关系等理论问题并不十分了解，两个研究团队经过协商决定：由彭齐亚斯和威尔逊在《天体物理学报》上以“在4080兆赫上额外天线温度的测量”为题发表论文，正式公布这个发现。狄克、皮伯斯、罗尔和威尔金森则在同一期杂志上以“宇宙黑体辐射”为题另外发表一篇论文，对这个发现给予理论上的解释——论证彭齐亚斯和威尔逊观测到的这种辐射就是宇宙大爆炸后残留下来的宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景辐射的发现有力且直接地证实了伽莫夫等人对“大爆炸宇宙论”的预言与推算，自此，许多人把大爆炸宇宙模型看成“标准宇宙模型”。彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

研究并没画上句号

对宇宙微波背景辐射的研究并没有就此画上句号。

1979年底，美国的古斯（Alan Guth，1947-）在大爆炸宇宙模型的基础上进一步提出了一个宇宙暴涨理论：早期的宇宙存在一段极快速的膨胀过程。随后，俄籍的林德（Andrei Linde，1948-）进行了一些修订，形成了早期宇宙暴涨模型。该模型包括一个短暂的（指数型）快速膨胀，即：在大爆炸之后的一瞬间（从10^-36秒起持续到10^-33至10^-32秒之间），宇宙发生过急速膨胀的过程，尺度因子在这极短的时间里迅速膨胀。此后宇宙经历了一次相变（常见的相变是水蒸气随着温度的降低凝成水滴）而转变为以非指数型式继续膨胀。

古斯（左）、林德（右）（图片来自网络）

霍金（Stephen William Hawking，1942-）等人在20世纪70年代将量子理论中的量子涨落与广义相对论相结合，提出了“量子引力理论”，并将这种理论应用于早期宇宙的研究。量子引力理论应用于宇宙暴涨时段，就会得出今天的宇宙微波背景辐射场在有些区域应具有非常小的起伏的结论，而不是像理论上最初预期的那样完全均匀，也就是说，宇宙微波背景辐射一定存在微小的“各向异性”（不同方向、不同区域中的微波背景辐射温度存有差异）。

霍金（图片来自网络）

马瑟、斯穆特的测量

要想证实“量子引力理论”的这一结论，就需要对宇宙微波背景辐射进行更精确、全方位的测量。20世纪90年代后，空间望远镜技术有了重大发展，陆续发射的空间探测器收集到了大量数据，为大爆炸宇宙论新的重大突破打下了基础。

1974年，美国国家宇航局曾邀请宇航员和宇宙学家递交以空间为实验基地的项目建议书。戈达德航天中心的马瑟（John CMather，1945-）等人提出了发射探测宇宙微波背景辐射卫星COBE（Cosmic Background Explorer）的建议，并领导组成了1000多人的研制团体，由马瑟担任首席科学家。1986年，因美国“挑战者”号航天飞机发生爆炸，航天飞机停飞了，COBE卫星的发射陷入困境。在马瑟等人的努力下，终于争取到一枚火箭，最终于1989年11月18日将COBE送入太空。COBE装备了三套功能不同的设备：寻找宇宙红外线背景辐射、绘制各种不同的宇宙微波辐射、将背景辐射的光谱与精确黑体（能吸收全部入射辐射的理论上的理想物体）的光谱进行比较。

宇宙背景探索者卫星COBE（图片来自网络）

从实施COBE项目开始，马瑟与加州大学伯克利分校的斯穆特（GeorgeFitzgerald Smoot，1945-）就开始了合作。马瑟负责关键设备“远红外线绝对光度计”的研制，目标是揭示宇宙微波背景辐射的黑体形式；斯穆特负责另一关键设备“微波辐射差值计”的研制，目标是探寻微波背景辐射在不同方向的微小温差。

马瑟（左）、斯穆特（右）（图片来自网络）

借助COBE卫星，马瑟与斯穆特领导的团队完成了对宇宙微波背景辐射的精确测量，获得了重大发现。

COBE开始测量后很快就探测到了完全符合黑体辐射特征的宇宙微波背景辐射曲线。1990年1月，马瑟在一次会议上展示了这条曲线，它的波长对应于绝对温度约2.7 K（零下270.46摄氏度）的光谱。与会人员兴奋得起立欢呼。这个结果与大爆炸宇宙论对微波背景辐射所作的预言非常吻合，为大爆炸宇宙论提供了有力支持。

1992年4月，斯穆特团队宣布探测到了早期宇宙的辐射温度差异，他们测绘出宇宙大爆炸所发射产生的微波背景辐射强度分布图，发现在不同方向上存在区域中十万分之一量级的极微小差异，即存在着“各向异性”。这种微小的温度差异揭示了宇宙中的物质如何积聚成恒星和星系，成为大爆炸宇宙论的又一有力证据。

根据COBE数据绘制的宇宙微波背景辐射图（图片来自网络）

COBE项目的重大研究成果清晰地揭示了宇宙结构的起源，标志着宇宙学进入了“精确研究”时代，为人类确立了大爆炸宇宙论的模型，堪称20世纪最重要的科学成就之一。马瑟与斯穆特因领导了此项工作而获得了2006年诺贝尔物理学奖。

暗能量存在的直接证据

为了继COBE之后以更高的精度来探测宇宙微波背景辐射的各向异性，美国国家航空航天局1995年立项的各向异性探测器WMAP于2001年6月30日在肯尼迪航天中心发射升空。耗资1.45亿美元的WMAP全名是威尔金森微波各向异性探测器（WilkinsonMicrowave Anisotropy Probe），目的是探测宇宙中大爆炸后残留的热辐射。该探测器发射时名为MAP，后来为了纪念普林斯顿大学2002年9月不幸逝世的威尔金森（DavidWilkinson）而改为WMAP（威尔金森是宇宙微波背景辐射探测的先驱及主要骨干，代表了COBE团队的精神力量）。

科学家们认为，宇宙微波背景辐射强度分布图应是宇宙小时候的第一张“照片”，当时，宇宙中的物质分布不应该是绝对均匀分布的，而这个由原初扰动演化形成的不均匀性应该在这张“照片”上有所体现。WMAP的物理目标就是找出宇宙微波背景辐射温度的微小涨落，以帮助检验宇宙学相关的各种理论。

威尔金森微波各向异性探测器WMAP（图片来自网络）

2003年7月23日，美国匹兹堡大学的斯克兰顿（Ryan Scranton）领导的多国科学家团队宣布，他们借助WMAP的观测数据发现了暗能量存在的另一个证据。

宇宙微波背景辐射大约在“大爆炸”后38万年产生，其中的光子在宇宙中穿行时经历了一系列的物理过程，特别是在经过质量较大的星系时，这些光子将遭遇“引力势阱”。

如果星系主要由普通物质组成，那么光子在落入及逃出“引力势阱”的过程中，其能量总体上不会变化。但如果星系中包含暗能量，就完全不同了。由于暗能量的排斥力作用，光子在落入及逃出“引力势阱”的过程中，“势阱”会逐渐变浅，能量反而增加，这在宇宙微波背景辐射的观测图上会有体现，经过这些星系区域的宇宙微波背景辐射温度将出现细微上升。

斯克兰顿团队的探测结果显示，宇宙年龄约为137亿年，宇宙由23％的暗物质，73％的暗能量，4％的普通物质组成。宇宙中所占比例最多的暗能量反而是人类最迟也是最难了解的，至今仅知道它们可能存在着，但并不清楚它们的性质。

根据WMAP数据绘制的宇宙微波背景辐射图（图片来自网络）

与WMAP运行的同时，美国另有一项“斯隆数字化巡天”（SDSS）观测项目。SDSS的全称是Sloan Digital Sky Survey，使用位于美国新墨西哥州阿帕奇山顶波因特天文台（APO）一台专用的2.5米口径望远镜来测定宇宙中星系的位置和彼此间距离。

斯克兰顿团队将WMAP、SDSS的观测结果进行了对比分析，结果发现，经过一些大质量星系区域的宇宙微波背景辐射温度确实出现了微升。科学家们认为，这一结果用宇宙中存在“暗能量”可以予以解释。

SDSS使用的2.5米口径望远镜（网络图片来源：美国加州理工学院）

精确的宇宙微波背景图

2009年5月14日，由欧洲空间局和美国国家航空航天局共同研制的新一代宇宙微波背景辐射各向异性探测器——普朗克（Planck）从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。这颗卫星以德国科学家普朗克（Max KarlErnst Ludwig Planck，1858-1947）的名字命名，它携带了一系列灵敏度极高的仪器，能够对宇宙微波背景辐射进行更精确的探测，有助于研究早期宇宙的形成和物质起源的奥秘。

普朗克（Planck）探测器（图片来自网络）

2013年3月21日，欧洲航天局在其法国巴黎总部发布了根据“普朗克”探测器头15个半月内传回的数据绘制的宇宙微波背景辐射全景图，这张5000万像素的宇宙微波背景辐射图见证了宇宙“大爆炸”38万年后的宇宙景象，椭圆形图中蓝色和棕色光点代表了辐射温度的涨落。

根据Planck数据绘制的宇宙微波背景辐射图（图片来自网络）

除了以前所未有的精确度很好地验证了宇宙标准模型之外，这幅图还修正了科学家们此前的一些认识，对宇宙的组成部分有了新的认识。宇宙中普通物质和暗物质的比例高于此前假设，而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量则比想象中少，占不到70%。

由这幅全景图，反映宇宙膨胀率的“哈勃常数”也被修正了：一个星系与地球的距离每增加一百万秒差距（一秒差距约为3.26光年），其远离地球的速度增加67.15公里/秒。这个数据意味着宇宙的年龄约为138.2亿年，比之前科学家预计的早了0.8亿年。

另外，需要说明：除了太空卫星之外，地面上也有很多宇宙微波背景辐射的观测实验。比如位于南极的BOOMERanG气球实验、ACBAR（Arcminute Cosmology Bolometer ArrayReceiver）实验、位于智利的CBI（Cosmic Background Imager）实验、以及位于西班牙的VSA（Very Small Array）实验等。相对来说，太空卫星观测的是宇宙微波背景辐射在各个尺度上的温度涨落，这些地面实验主要提供宇宙微波背景辐射在小尺度上的温度涨落信息作为补充。

结语

从勒梅特的“原初原子假说”，到伽莫夫的“宇宙大爆炸学说”，从彭齐亚斯、威尔逊测到宇宙微波背景辐射，到发现宇宙大爆炸后遗留下来的微波背景辐射在不同方向上存有的差异，再到获得精确的宇宙微波背景辐射全景图，暗能量的存在有了另一个重要的证据。

为揭开宇宙的命运之秘，必须要真正地捕捉到暗能量，世界上陆续投入建设以及准备实施的各类大型探测项目（包括中科院高能所主导的阿里原初引力波探测计划AliCPT）将在不远的将来组成一个围猎暗能量的网，期待神秘的暗能量最终显出它的本来面目。