导语：宇宙微波背景—开启了解宇宙之门
关键词：宇宙微波背景；宇宙大爆炸
偶然的发现。（图片来源：NASA/wikimedia）
五十年前，Bob Dylan刚开始用电吉他演奏。人类对宇宙的了解还没有飞跃地进展，许多人还以为大爆炸就像是挤爆一个气球一样。
但在1965年7月，Arno Penzias和Robert Wilson作出了一个发现，这一发现将巩固我们对于宇宙形成的理解。他们对于宇宙微波背景（CMB，Cosmic Microwave Background，即宇宙形成时留下的辐射）的检测，为宇宙是从最初的猛烈爆炸（The Big Bang，大爆炸）扩张而成的理论提供了可能是有史以来最有力的证据。现在，宇宙微波背景对于我们了解宇宙仍然是最重要的信号。
140亿年前大爆炸发出的光从那以后就在宇宙空间传播，这使得我们可以在地球上检测到这一“余晖”。在它被发现时，关于宇宙的形成有两种不同的理论。一个是大爆炸理论（the Big Bang theory），另一个是主张宇宙从来就存在的“稳恒态理论”（the Steady State theory）。
自被发现以来，天文学家已经使用宇宙微波背景获知了大量关于宇宙的信息，比如其形成、年龄、成分、扩张率甚至其将来的情形。
偶然的发现
Penzias和Wilson在新泽西州的贝尔实验室用一台高精度射电望远镜寻找中性氢这种完全不同的物质时无意中发现了一种奇特的信号。
为了检测这种微弱信号，他们需要知道望远镜监测到的每个信号的信号源。就这点而论，他们必须考虑许多特殊因素的影响，比如电线绝缘性不好以及天线喇叭中的鸽粪。
Wilson（前）和Penzias在贝尔实验室的天线喇叭前。（图片来源：wikimedia）
然而，有一部分信号是他们无论如何都没法消除的。一年到头无论白天还是晚上，不管他们将天线指向哪里这些信号都存在。他们对这些信号的本质感到很困惑，直到Penzias在飞机上偶然遇到了在华盛顿地磁部工作的Bernard Burke，他建议Penzias给普林斯顿大学的Bob Dicke打电话。
Dicke和他的团队实际上正在寻找宇宙微波背景，因为他们的理论模型表明一个年轻的、热的、密度大的宇宙会产生这样的辐射。Penzias和Wilson率先进行了测量，几个月后Dicke和他的团队也进行了测量。Dicke挂了Penzias的电话后对他的同事说：“伙计们，我们被抢先了。”
他们的发现被出版在7月发行的《天体物理学报》上，其题目是物理学历史上最朴素的：“对频率为4080Mc/s的超过预期值得天线温度测量”（“A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s”.）。但是这些文字的背后是科学历史上最重要的发现之一—宇宙始于大爆炸的第一个直接的证据。
后来发现，早在1948年俄罗斯理论学家George Gamow带领的团队就预测了宇宙微波背景的存在。当Dicke在1965年发表他的发现时并不知道Gamow的研究成果，因此当Dicke的论文刊出时，Gamow写信给Dicke指出了自己团队早期的研究成果。从那以后这一预测就被归功于这两个团队。在1978年，Penzias和Wilson为他们共同发现了宇宙微波背景获得了诺贝尔物理学奖。Dicke和Gamow则一无所获。
破译宇宙微波背景
在过去50年中，天文学家越来越详细地研究宇宙微波背景。在十九世纪七十年代早期，理论学家们（如普林斯顿的Jim Peebles和俄罗斯的Rashid Sunyaev和Yakov Zel’dovich）意识到宇宙微波背景信号应该是有结构的，即是各向异性的（anisotropies）。这种结构是可用于判断宇宙属性（包括整体密度、年龄和将来的命运）的重要参数。然而，预测的各向异性结构将表现为温度的微小变化，而这是地基望远镜不可能监测到的。
1989年美国宇航局发射了宇宙背景探测器（COBE），在1990年它以更高的测量精度验证了之前对宇宙微波背景的测量。在1992年，它第一次观测到各向异性—这一结果被宇宙背景探测器的科学家George Smmot称赞为“就像看到了上帝的指纹”。然而，宇宙背景探测器的精度不足以判断宇宙的几何结构。根据爱因斯坦的引力理论这种结构与宇宙命运有关。
用宇宙背景探测器的数据绘制的宇宙微波背景。（图片来源：NASA）
十年以后，球载望远镜BOOMERANG第一次从宇宙微波背景测量到了宇宙的几何结构，后来美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP，Wilkinson Microwave Anisotropies Probe）卫星也测量到了这一结构。实际上，威尔金森微波各向异性探测器以更高的精度验证了BOOMERANGE的发现，并且判断了宇宙的年龄、成分和未来。再后来的欧洲的普朗克（Planck）卫星以更高的精度验证了威尔金森微波各向异性探测器的发现并且通过最近的宇宙物质测量了宇宙微波背景的光的极化（polarisation）。
2014年3月，BICEP2团队宣布了一则令人振奋的消息，他们用位于南极的望远镜首次发现了“宇宙膨胀”（“cosmic inflation”）的证据，这一理论认为宇宙在爆炸的一刹那就开始快速地扩张。然而，在2014年秋时，BICEP2团队宣布的结论被发现是错误的。那些他们检测到的信号更像是银河系的灰尘发出的噪音。而他们并没有能够从信号中剔除这些噪音。
未来的发现
对宇宙微波背景中宇宙膨胀信号的探索仍在进行，研究人员忍受南极和智利阿塔卡马沙漠（Atacama Desert）的极端环境去寻找这些信号。对于宇宙微波背景的研究日趋成熟，我们已经进入一个通过精确测量来寻找大爆炸理论提出的具体预测。其中，以寻找引力波的证据并以此找到宇宙膨胀的证据最为重要。
在宇宙微波背景首次被发现以来的50年中，可以毫不夸张地说我们通过研究宇宙微波背景了解的宇宙特性比用其它任何一种观测手段更多的宇宙特性。其在1965年7月的首次被发现确实是20世纪科学发展的里程碑。
作者简介：
Rhodri Evans是卡迪夫大学（Cardiff University）物理和天文荣誉研究员及《宇宙微波背景如何改变了我们对宇宙的理解》一文的作者。
（翻译：张文泰；审校：傅斓）
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