红蓝化石——宇宙微波背景辐射

张鹏杰

140亿年的“光化石”

   化石、遗迹对于不少学科来说是至关重要的研究对象和知识来源。生物学是一例。三叶虫、始祖鸟、恐龙化石、北京人头盖骨等，都昭示着生命进化的奇妙过程，也印证着达尔文进化论这一伟大学说。历史学是一例。甲骨文的发现，以确凿的证据打破了西方学界对中国商朝存在与否的傲慢怀疑，印证了太史公《史记》的信史地位。而1980年发现的大兴安岭嘎仙洞石刻祭文，竟然与《魏书》的相关记载几乎丝毫不差，魔术般真实地再现了一段上千年前的历史。

   还有一门学科，对于它的所有实测几乎都来自化石，这些化石飘渺而真实，隐藏着宇宙无数的秘密。这门学科就是天文学。这些化石，就是各种天体的图像。保存这些图像的介质，就是光。因为天体间的广阔距离，即使是宇宙中最快的使者——光子，也不能在瞬间到达。我们看到的，实际上是这些天体若干时刻前的样子，从这点上来说，我们看到的就是保持在光子中的天体化石。我们看到的太阳，是八分钟前的太阳；看到的恒星，至少是4.3年以前的样子；看到的仙女座大星云——我们银河系的姐妹星系，是她220万年前的倩影，那时候人类还在茹毛饮血。那些位于可见宇宙边缘的星系，它们发出的光要跋涉百亿年才能到达我们。百亿年前，不要说人类不存在，就是我们赖以生存的地球、太阳，甚至银河系，都还不存在。

   这些“光化石”看似虚无缥缈，但实际上非常真实可靠。这得益于宇宙的特性。从140亿年前的那个时刻开始，光（主要指低能量的光，如微波、可见光等）就开始几乎不受干扰地传播，即使在长途跋涉百亿年后，也几乎不散射、不被吸收、不被污染，从而忠实地保存了天体的形态。这些“光化石”，是天文学家探索宇宙的主要途径，几乎所有天文学的重大发现，都来源于“光化石”携带的信息。而最古老的“光化石”，也就是本文要介绍的“红蓝化石”，保存的就是140亿年前宇宙诞生之初的信息，即大名鼎鼎的宇宙微波背景辐射。四十多年前，这种化石被偶然发现，成为支持大爆炸宇宙学说的确凿证据。又经过二十年艰苦卓绝的努力，宇宙学家终于提取出了这些化石上微小的宇宙涟漪。这些宇宙学家梦寐以求的“宇宙原初扰动”，正是日后星系、恒星和人类诞生的摇篮。

   按照标准宇宙学，宇宙在诞生之后经历了一个呈指数膨胀的暴胀阶段，随后暴胀场的能量转化为物质和辐射，开始了热大爆炸宇宙学的进程。随着不断膨胀，宇宙逐渐冷却，然而其中的物质和辐射仍然耦合在一起，称为物质—辐射流体。到了140亿年前，也就是宇宙诞生后40万年左右的时候，氢原子核开始与自由电子结合形成氢原子，这就是宇宙的复合过程。这个过程导致宇宙中的自由电子急剧减少。没有了自由电子的康普顿散射，宇宙中的光子开始自由、不受干扰地传播。由于140亿年的宇宙膨胀造成的能量损失，这些曾经炙热的光子的能量已经红移到了微波波段，这就是我们今天看到的宇宙微波背景辐射。这种微波背景，正是大爆炸宇宙学的关键预言之一。

   发现“红蓝化石”

   早在1940年代，伽莫夫（G. Gamow）、阿尔弗(R.Alpher)、赫尔曼（R. Herman）等人就意识到了宇宙微波背景辐射的存在。同时代的其他物理学家，例如泽尔多维奇（Y. B Zel’dovich），迪克（R. Dicke）等人也有类似的预言。到1960年代，迪克和他的研究团队成员，包括皮布尔斯（P. J. E. Peelbes）和威尔金森（D. T. Wilkinson），开始动手寻找这种估计温度为10开（实际上为绝对零度以上3开）左右的微波背景。于此同时，贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯（A. Penzias）和威尔逊（R.Wilson）在他们的天线里偶然发现了一种神秘的宇宙背景噪声，对应温度约为3开。经过与迪克研究组的合作讨论，双方确定这种神秘的噪声就是宇宙微波背景辐射。这就是众所周知的1960年代天文学四大发现之一，它是支持大爆炸宇宙学说的确凿证据。这项发现为两位发现者赢得了1978年度诺贝尔物理学奖。

   然而仍然有两个艰巨的任务横亘面前。第一，宇宙微波背景辐射是不是黑体谱？第二，宇宙微波背景辐射的各向异性。当时，稳恒态宇宙学说正与大爆炸宇宙学说相抗衡，甚至略占上风，而黑体谱正是区分大爆炸宇宙学说和稳恒态宇宙学说的关键。但对它的验证却一波三折，在宇宙背景探测器（The Cosmic Background Explorer, COBE）发射之前，曾一度有观测声称宇宙微波背景辐射不是黑体谱。这个问题在1990年得到了彻底解决：COBE卫星上搭载的远红外绝对分光光度计（Far-Infra Red Absolute Spectrophotometer，FIRAS）精确测量了宇宙微波背景辐射的能量分布，发现其与黑体谱在十万分之一的精度上都完全符合。这是人类在自然界能够找到的最标准的黑体谱，对应的温度为2.726开。

  COBE卫星搭载的另一个装置——较差微波辐射计（Differential Microwave Radiometer，DMR）则肩负着另一个使命：测量宇宙微波背景辐射的各向异性。各项异性指宇宙微波背景辐射在各个方向上的温度差异。这些温度差异，有的来源于地球相对于微波背景的运动，这就是宇宙微波背景辐射的偶极矩。它在COBE卫星发射之前，1960年代末以来已被逐步确认。但在更小的尺度上，温度差异最可能的来源是宇宙原初扰动，也就是产生宇宙结构的种子。

   这是一项艰巨的任务，此前的诸多努力都没有得出确凿的结果。如果宇宙是重子物质组成的，我们可以推断，产生今天宇宙大尺度结构的种子在宇宙产生微波背景辐射的时刻造成的温度扰动（各向异性）大约是0.003度左右（0.003度是所谓的温度扰动均方差，不是指平均温度），这在当时仪器测量的灵敏度之内。然而COBE之前的所有观测项目都没有找到这个0.003度左右的温度扰动！问题出在哪里？

  1992年，谜底终于揭晓了。DMR成功测量到了宇宙微波背景辐射的内禀（原初）各向异性！但测量到的温度扰动，不是0.003度，而是0.000 03度，也就是在2.726开的平均背景之上十万分之一的细微扰动。这是人类第一次如此清晰地看到决定人类和星辰命运的上帝之手。黑体谱和各向异性，这两项成果在2006年为宇宙微波背景辐射赢得了第二次诺贝尔物理学奖。

   微波背景辐射上的温度扰动为什么只有0.000 03度（十万分之一），而不是此前预计的0.003度（千分之一）？如果宇宙是由重子物质组成的，0.000 03度温度扰动（十万分之一）对应的密度扰动到今天只能成长到1%左右，星系根本无法形成，而人类也不应该存在！解决这个矛盾的关键在于宇宙中存在的另一种成分——暗物质。在光子—重子脱耦，宇宙微波背景辐射诞生的时刻，暗物质里的密度扰动已经达到了千分之一的幅度。正是暗物质的存在，使得星系能够在足够短的时间形成，使得我们能够在今天思考宇宙的奥秘。事实上，宇宙微波背景辐射正是目前为止暗物质存在的最确凿证据。

  COBE卫星得到的图像分辨率不高，掩盖了很多关键的细节。所以在它之后的微波背景探测项目的一大目标就是提高分辨率。1999—2000年，MAT/TOCO、飞去来器（Boomerang）和毫米波各向异性实验成像阵列（Millimeter Anisotropy Experiment Imaging Array, MAXIMA）等观测项目在分辨率上提高了一个数量级，测量到了宇宙微波背景温度扰动功率谱的第一个声学峰。这个声学峰的位置在宇宙学上有着极其重要的意义。通过它，我们可以推测出宇宙的几何性质。这些结果表明宇宙空间是平坦的，即正是我们熟知的欧几里德空间。平坦宇宙是暴胀理论（标准宇宙学基石之一）的一个关键预言。这个结果的重要性自然是不言而喻的。

   化石上的“纹理”

  2001年，威尔金森微波各向异性探测器 （Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP，本来叫MAP，为纪念去世的威尔金森而改名成WMAP）卫星发射升空。在万众期待下，其第一年的观测结果于2003年发布。毋庸置疑，WMAP对宇宙微波背景辐射各向异性的测量精度和范围是前所未有的。神奇的是，只有六个自由参数的LCDM宇宙学能够极好地解释其结果（以及其他宇宙学的观测结果），从而成为所谓的“标准宇宙学”，而这六个参数也被测量到了前所未有的精度。我们今天说的重子物质约占宇宙中总物质和能量的4%，暗物质约占23%，暗能量约占76%，宇宙是平坦的等，其主要证据就来自于WMAP的观测结果。从这点上来说，2003年称得上是精密宇宙学的元年。

   在WMAP公布的宇宙微波背景辐射的各向异性天图中，我们看到了一堆或红或蓝、看似杂乱无章的区域。红色代表温度高于平均值而蓝色代表温度低于平均值。这些或红或蓝的区域正是宇宙原初扰动所在，也正是产生日月星辰的原初种子。因为宇宙的奇妙特性，这些原初种子被保存在了宇宙微波背景辐射之中，在经过了140亿年的漫长岁月和人类半个世纪的发掘后才重现于世，向我们诉说着宇宙最深邃的奥秘。这就是本文名为“红蓝化石”的原因。