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第6章 大爆炸的余晖宇宙微波背景辐射（第1页）

第6章大爆炸的余晖——宇宙微波背景辐射

COBE卫星将在大气层之外拍摄宇宙微波背景辐射。此次拍摄的成果将是一张宇宙的“婴儿照片”，那时的宇宙大约只有38万岁，冷却的大爆炸物质刚刚开始在引力作用下聚集在一起，构成那些最终会形成星系的东西。

大爆炸留下的辐射和微波炉里的辐射是一样的，但威力要小得多。而且前者只会把比萨加工到零下270。4摄氏度——对解冻比萨来说不太好，更不用说烹饪了!

——斯蒂芬·霍金（StephenHawking）

这些元素的烹调时间比做一盘烤鸭和烤土豆的时间还短。

——乔治·伽莫夫（Geamow）

1965年春天，新泽西州霍姆德尔

在一年的大部分时间里，阿诺·彭齐亚斯（ArnoPenzias）和罗伯特·威尔逊（RobertWilson）都饱受着研究计划的拖延和受挫的折磨，一种静态射电干扰顽固的静噪搞得他们连一点点天文学工作也做不成。但现在，当他们穿上工装连衣裤和靴子，拿着大扫帚爬进20英尺（约6米）的喇叭天线张开的嘴里时，他们觉得噩梦很快就会结束了。

该喇叭天线是一个巨大的金属漏斗状设备，有火车的车厢那么大，坐落于新泽西州霍姆德尔附近的克劳福德山上一个长满树木的土丘上。该套设备建于1959年，隶属美国电话行业巨头美国电话电报公司（AmeriTelephoelegraphp;T），由贝尔实验室（BellLabs）管理。它是用来测试利用一系列围绕地球的通信卫星发送电话和电视信号的可行性的。

建设这种通信卫星的理念是由英国科幻作家亚瑟·查理斯·克拉克（ArthurC。Clarke）提出的。[101]他在刊登于1945年10月的《无线电世界》（WirelessWorld）杂志上的一篇文章中指出：物体离地球越远，受到地球引力的束缚就越弱，因此轨道运行速度就越慢。在离地球中心35787千米的距离处，物体的轨道速度会慢到绕地球一周需要24个小时。从地面上看这样的卫星，它就像是悬挂在天空中没有动过一样。

克拉克设想在地球同步轨道（geosynousorbit）上等距离地布置3颗通信卫星。环球通信，比如从英国向澳大利亚发送电话通话信号时，英国的发射机就可以向最近的卫星发送无线电信号，然后再由这颗卫星转发给下一颗卫星，下一颗卫星再转发给澳大利亚的接收器。

在1945年，环绕地球的通信卫星只存在于疯狂的科幻小说中。但是对在皇家空军担任雷达技术员的克拉克来说，德国纳粹用V2导弹（德国在1942年研制的第一种弹道导弹，依靠自身动力装置推进）轰炸伦敦的事件让他印象深刻，那时他就已经意识到，既然这种导弹可以发射到如此遥远的城市，那它也可以很容易被射到很高的天空中去。有这种想法的不止克拉克一个人。1947年，美国人缴获了德国纳粹一枚V2火箭，并将之从新墨西哥州的白沙试验场（theWhiteSandsMissileRange）射向天空。火箭冲出了大气层，从太空拍下了地球的第一张照片。

1957年10月4日，当苏联人发射第一颗人造卫星时，克拉克相信科幻小说中的情节很快就会成为科学现实。斯普特尼克1号（Sputnik1）是一个直径58厘米的金属球状体，在环绕地球运行的过程中不停地发出嘟嘟声。这吓坏了美国人，他们担心苏联人会用这种方式向纽约之类的城市投掷氢弹。人造卫星的出现标志着太空时代的到来，并开启了世界上两个超级大国之间的太空竞赛。AT&T公司和其他许多公司都立刻意识到，他们要进军卫星商务领域，而且要快。

用卫星通信传递信号的最佳方式是利用微波，即波长在几厘米到几十厘米范围内的短波长无线电波。问题是，人、树、建筑物、天空等所有的一切都会发射微波。因此，AT&T公司的工程师面临的挑战是，如何在四面八方都发出强烈干扰信号的情况下接收到天空中卫星传来的微弱的微波信号。

克劳福德山上的微波喇叭天线是根据AT&T公司的工程师们提出的解决方案，于1959年夏天开始建造的。当喇叭天线20平方英尺（约1。86平方米）的开口对准天空中某个点状的物体时，其他来源发出的微波就很难拐进锥形的天线内部。这意味着只有来自指定来源的微波，才会被传送到喇叭天线的锥形末端，并被安置在那里的无线电接收器检测到。

首次对20英尺（约6米）喇叭天线的功能进行测试时，使用了回声1号（Echo1），这是由美国国家航空航天局（NASA）在1960年发射的一种属于“石器时代”的通信卫星，它实际上是一个直径100英尺（约30。48米）、像充气海滩气球的银色反射体，微波喇叭天线发出的无线电波应该被这个球反射回来，然后再次被喇叭天线接收（喇叭天线具有发射和接收无线电波的能力）。紧随回声1号之后的是第一颗现代通信卫星，电星（Telstar）卫星并不只是简单被动地反射来自地面的无线电波，而是会在转发之前增强无线电波的强度。1962年，电星卫星在美国和欧洲之间转播了有史以来第一次的电视画面，这在全球引起了轰动，甚至还发行了关于这颗卫星的流行音乐唱片。

1963年，世界真正进入了通信卫星的时代，AT&T公司已经不再需要克劳福德山上的20英尺（约6米）喇叭天线了，于是该公司决定让一些射电天文学家接手管理天线。这并非一种利他主义行为，这些射电天文学家和该公司一样，也从事探测天空中超微弱信号的工作，该公司认为，把喇叭天线交给科研人员或许会增加收益。实际上，这并不是该公司首次涉足天文学领域。在20世纪30年代，AT&T公司曾聘请卡尔·詹斯基（KarlJansky）找出某种严重干扰无线电接收的干扰源。詹斯基通过该项目，收集到了来自太阳的电波和银河系中心的一种神秘信号源〔后来被证实是超大质量（supermassive）黑洞〕的电波，使他获得了“射电天文学之父”的称号。为了向他致敬，人们将射电发射强度的单位称为詹斯基。

阿尔诺·彭齐亚斯，31岁，纽约人，精力充沛，1962年到霍姆德尔，他的家人都是逃离德国纳粹的难民。罗伯特·威尔逊，28岁，沉默寡言，1964年初到霍姆德尔，来自帕萨迪纳市的加州理工学院。就在威尔逊到来的那年夏天，他们二人开始合作研究。

威尔逊怀疑，在我们所在的形状像一张CD光盘的银河系的周围可能仍保留着由星系形成时残留下来的、极冷的氢气构成的球形晕圈。如果真是这样的话，该气体应该会发出非常微弱的射电波，而喇叭天线能够屏蔽来自周围环境的干扰信号，提高了它接收这种微弱信号的能力，用它来证实晕圈的存在再合适不过了。

然而，威尔逊想寻找的微弱信号很可能会被来自天空的射电杂波所淹没，因此需要对喇叭天线进行改造。通常射电天文学家解决这种问题的方法是将望远镜的视场在天文信号源（比如恒星或星系）和邻近的一片天空之间快速切换。然后将目标观测信号与其他背景信号相减，从而巧妙地消除天空中其他电波的影响。[102]但观测银晕时不能这样做，因为我们在银河系内部，整个天空中都是银晕的信号，我们没有可切换的“别处”了。

彭齐亚斯和威尔逊提出的解决方案是将银晕信号与人工射电源信号相减。彭齐亚斯用冷却到比绝对零度（absolutezero，零下273。15摄氏度）高4开尔文的液态氦建造了一个人工射电源。他把这个冷负载安放在装有射电接收器的棚子里，绑在喇叭天线的锥形末端。

在开始观测银晕微波前，彭齐亚斯和威尔逊要先观测下他们预计的银晕不会发射的某种射电频率，以便确定设备工作正常。这看似奇怪，但自有其道理：如果他们把喇叭对准一片无信号的天空时，检测到信号为零，也就能知道设备是在正常工作的了。

然而，当用非目标频率的信号测试时，意外发生了。倒不是说记录到的信号为零，反而是在没有无线电时检测到了一种静噪。这是物体在大约零下270摄氏度，或者说比绝对零度高3开尔文时发出的电磁波。

起初，两位天文学家以为静噪来自离霍姆德尔不远的纽约。但是，当他们把喇叭天线的接收方向从纽约移开时，静噪仍然存在。于是他们又猜测，静噪可能来自太阳系里的某个射电源，毕竟太阳和木星都会发射射电波。然而好几个月过去了，地球一直绕着太阳转，可是静噪依然维持不变。接下来，两位天文学家猜测静噪是不是氢弹在高空爆炸引起的。1962年7月9日，海星一号（StarfishPrime）向范艾伦辐射带（Vas）注入了高能电子。范艾伦辐射带是最近才发现的地球磁场区域，在这个区域可以捕获来自太阳的带电粒子，预计这些粒子绕着磁场线做螺旋运动时会发射出射电波。但这种影响会随着时间的推移而明显减弱，然而静噪并没有减弱的迹象。

最后，彭齐亚斯和威尔逊的目光落在了在喇叭天线里筑巢的两只鸽子身上。乍一看，这似乎不是个安家的好地方。毕竟，每当喇叭天线转向新的方向时，鸽子都得重新筑巢。然而，新泽西州的冬天非常寒冷，而鸽子筑巢的地方——喇叭天线的锥形末端——就在冷却射电接收器的制冷机旁边。去过制冷机后面的人都知道那里很温暖，鸽子们选择了这个舒适的地方来提高家庭生活质量。然而，鸽子长时间的居住逐渐在喇叭天线的内部留下了一层彭齐亚斯和威尔逊所称的白色介电材料。所有人都明白，这就是鸽子粪，它像其他东西一样会发出射电波。彭齐亚斯和威尔逊交换了一下眼神，难道这就是恼人的静噪的来源吗？几个月来一直妨碍他们进行天文研究的干扰大概就是它们产生的吧。

彭齐亚斯和威尔逊在当地的一家五金店购买了一个使用诱饵的哈瓦哈特（Havahart）捕鸟笼。当鸟踩在平衡板上时，后面的门就会掉下来把鸟困住。在这个捕鸟笼的帮助下，两位天文学家抓住了鸽子，并把鸽子邮寄到AT&T公司在新泽西州惠帕尼（Whippany）的另一个站点。[103]送走鸽子后，彭齐亚斯和威尔逊爬进了喇叭天线的大嘴，用扫帚辛苦地打扫了1个小时。另外，为了减小喇叭天线内部的铆钉对射电信号的干扰，他们还用铝片盖住了铆钉。

回到地面，换好衣服和鞋子，彭齐亚斯和威尔逊满以为这下问题解决了，终于可以开始真正的天文学研究了。当重达16吨的喇叭天线在支撑轴上开始慢慢转动时，彭齐亚斯和威尔逊的眼睛紧盯着笔式记录器在纸卷上留下的线条，满指望能保持一条直线。然而，当喇叭天线大张的嘴再次指向天空时，笔式记录器的笔尖开始抖动。