宇宙微波背景辐射的提出、发现与探测

郭红锋

说起宇宙微波背景辐射，我们不得不提到以下这些大名鼎鼎的科学家。

自从牛顿提出万有引力定律以后，人们就产生过疑虑，既然宇宙万物皆有引力，那它们会不会因为引力而互相吸引坍缩到一起呢？但是宇宙并没有坍缩，所以牛顿认为宇宙是无限的，物质是均匀分布的，物质之间的引力互相抵消了。那时候，科学家们的观察结果也说明宇宙的物质在大尺度上看起来都是均匀分布的，各向同性的。牛顿对宇宙的描述是稳恒的，时空是绝对的，即时间是无始无终的，空间是无穷无尽的。

到了爱因斯坦时代，他的狭义相对论修正了牛顿理论的一些问题，提出了时空变化的相对性原理。接下来爱因斯坦发展了他的广义相对论，他推导出的广义相对论场方程预示了宇宙是动态的（或者膨胀，或者收缩），而不是静态的。这个结果爱因斯坦本人也不愿意接受，于是他在方程式中加了一个宇宙常数来限定引力和斥力相互抵消，保持宇宙的稳定。

時间来到1922年，俄罗斯物理学家弗里德曼提出质疑，说爱因斯坦在方程中添加宇宙常数是多此一举，本来这个方程就预示着宇宙时空是动态的，不是稳恒的。这样一种新的宇宙观，在当时很难被人们接受。

大约同一时期，比利时物理学家勒梅特也独立地求解了爱因斯坦的方程，他还去美国访问了哈勃等科学家。1927年，勒梅特写了一篇论文介绍自己的工作，因为用法文发表而没有引起当时科学界的重视。1931年，著名科学家爱丁顿把勒梅特的文章介绍到英国皇家天文学会用英文发表，才引起全球科学家的注意。勒梅特提出了宇宙膨胀假设，并且反推到遥远的过去，认为宇宙在开始的时候应该非常小，并且所有的物质和能量都应该集中于一点（勒梅特称之为宇宙蛋）。在这篇论文中，勒梅特还率先推导出“星系离开我们的速度（退行速度）与星系的距离成正比” 这一规律，并利用美国天文学家维斯托·斯莱弗观测的星系退行速度数据和哈勃发表的星系距离数据，第一个估算了这一比例系数的大小。当时几乎没有人能接受勒梅特的想法。尽管重视他观点的爱丁顿帮助勒梅特约见了爱因斯坦，爱因斯坦也当面听取了勒梅特的想法，但爱因斯坦还是没有接受勒梅特的观点。

直到1929年，哈勃用观测数据说明了星系的距离和速度之间的关系（下图），即距离我们越远的星系，其远离我们的速度越快，验证了勒梅特的理论推导。

这一结论在2018年以前一直都被称为“哈勃定律”，比例系数也被称为“哈勃常数”，勒梅特的贡献被不公正地忽视了。2018年，国际天文学联合会全体会员投票决定将哈勃定律更名为哈勃-勒梅特定律，以此纪念勒梅特对现代宇宙学发展做出的贡献，历史终将是公正的。

1933年，爱因斯坦还专门拜访了哈勃工作的威尔逊山天文台，在看了哈勃观测的实证数据以后，就放弃了自己的静态宇宙观，转而支持了勒梅特和哈勃的观点。从此，爱因斯坦把“宇宙常数”称为自己人生中最大的失误。

勒梅特所说的宇宙具有一个起始点，这就否定了永恒静态的宇宙观，在当时的学术圈里很难令人接受，因为这种有起点的宇宙观契合了神创论的观点，特别是勒梅特本人也是个神父，这更让一些无神论科学家感到别扭。

然而科学家更相信事实。时间来到20世纪40年代，曾经师从著名宇宙学家弗里德曼的俄罗斯物理学家伽莫夫移居美国，和他的学生们将相对论引入宇宙学，发展了勒梅特的大爆炸理论，提出了热大爆炸宇宙学模型。热大爆炸宇宙学模型认为，宇宙最初开始于高温、高密的原始物质，温度超过几十亿度。随着宇宙开始膨胀，温度逐渐下降，最终形成了现在的恒星、星系等我们今天观测到的天体结构。伽莫夫的学生阿尔菲还计算了宇宙因膨胀而冷却下来所残留的背景辐射温度，现在应该在5K（“K”是开氏温标中的温度单位，在物理学中表示绝对温度）左右，这是宇宙中残留背景辐射的最早预言。

以上工作主要是伽莫夫指导他的学生拉尔夫·阿尔菲的博士论文，按理说论文发表署名伽莫夫和阿尔菲即可，但伽莫夫是一个充满幽默的人，他发现二人的名字首字母正好是希腊字母a和g的读音，于是就把他的朋友汉斯．贝特也加进文章署名，首字母正好是希腊字母的前3位读音，伽莫夫戏称这是 a、b 、g论文，他们的论文发表日期是1948年4月1日愚人节，也好像是个玩笑。

当时人们确实没把这篇文章当回事，著名科学家霍伊尔还说他们对宇宙起源的描述就像一场“大爆炸”，但不幸言中，后来人们不仅沿用了霍伊尔带有嘲讽意味的名称“大爆炸宇宙学”，而且在观测事实面前都陆续接受了伽莫夫的学说。现在，“大爆炸宇宙学”已被更多科学家接受并发展成为众多解释宇宙起源的主流学说。