NOBEL 2006

NOBEL 2006

今年早些时候炸药奖颁奖的时候,写给某报纸的文章,现在应该贴出来没有什么关系了

据诺贝尔奖官方网站消息，2006年度诺贝尔物理学奖将颁发给美国的两位科学家约翰。马瑟（JOHM C. MATHER）和乔治。斯莫特(GEORGE F. SMOOT)。MATHER现在正在为美国国家航天局（NASA）的下一带空间光学望远镜JWST工作，而斯莫特现在美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)领导着一个研究组。他们二人参与了美国国家航天局发射的COBE卫星的相关研究工作。这一卫星的全名意为“宇宙背景探测者”，它旨在探测宇宙早期微波背景辐射。马瑟和斯莫特在探测宇宙微波背景辐射的黑体谱形式和各向异性的研究中扮演了关键角色，因此而获得本年度的诺贝尔奖。

相比于大爆炸理论，微波背景这个名词在大众眼里还比较陌生。你可能不会想到，这次已经是微波背景辐射的研究第二次获得诺贝尔奖。而微波背景辐射的观测已经成为宇宙学研究的基石之一。

根据大爆炸宇宙学，宇宙不是静止的存在。今天的宇宙正在经历均匀且各项同性的膨胀。换句话说，你处在宇宙的任何一个角落，都会看到远处的星系离你而去。如果在时间上回溯，宇宙的密度和温度相比今天便会越来越大。自然的结果是，在遥远的过去，宇宙会处于一个高温且高密度的状态。在这样极端的条件下，行星，恒星，星系都无法存在。所有的物质只能以最基本的粒子形态在宇宙中横冲直撞。剧烈的碰撞使得整个宇宙的物质处于近乎完美的均匀状态。这一时期距离今天已经百亿年之远，但我们仍然可以观测到它的遗迹——微波背景辐射。正像名字描述的那样，这一辐射的峰值处在微波波段（没错，就是微波炉里的那种微波）。辐射弥漫在全空间，在地球的任何一处向任何一个方向看去，微波背景辐射的强度都几乎相同。更妙的是，大爆炸宇宙学预言，微波背景辐射具有自然界最完美的黑体辐射谱形式。

早在六十年前，三个富有远见的宇宙学家Alpher, Gamow, 和Herman就指出了微波背景辐射的存在。但观测上的证实却来自20年后两个外行的意外发现。贝尔实验室的天线工程师Penzias和Wilson,他们在1965年费尽心机想要去除天线接受到的噪声（确实是费尽心机，他们甚至花时间拔出了天线上的鸟窝），结果却发现噪声始终无法消除。进一步的他们发现噪声似乎没有一个特定的源头，而是全天均匀的辐射。这正是理论家们预言的微波背景辐射，它的观测，有力的支持了大爆炸宇宙学。Penzias和Wilson因此而获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

微波背景辐射中包含了早期宇宙丰富的信息，但不走运的是，地球的大气层对辐射的吸收使得地面的观测设备难以将这些信息提取出来。虽然Penzias和Wilson的发现坚定了宇宙学家们对大爆炸理论的信心。但人们却无法从这样简单的观测中读出早期宇宙更多的故事。在高山上建立观测站或者用热气球将观测设备送到高空可以缓解大气层带来的问题。但只有到太空中去观测才能真正把人们带回大爆炸之后不久的宇宙。

1974年，一批美国的科学家联合向美国国家航天局提出了观测宇宙微波背景辐射的初步计划。计划提出将一个探测器送入太空观测微波背景辐射，这就是COBE卫星。COBE卫星肩负着两个重要任务，观测微波背景辐射的黑体谱形式，以及探测微波背景辐射的各项异性。而这一计划的最重要的推动者，正是获得今年诺贝尔奖的John Mather. John Mather同时负责观测微波背景辐射黑体形式仪器的总体设计。COBE卫星本计划由航天飞机送上太空，但美国“挑战者”号航天飞机失事后，这一计划一拖再拖。1989年底，COBE卫星被火箭送上太空。虽然发射过程有些曲折，但COBE在太空工作的异常顺利。仅仅在观测9分钟之后，COBE送回了观测的第一批数据，数据显示，微波背景辐射的能谱正如大爆炸理论预期的那样，是近乎完美的黑体辐射谱。

微波背景辐射具有黑体辐射谱的形式，这说明宇宙早期确实存在一个高度温高压，物质分布高度均匀的时期。但如果这样的均匀是没有涨落的，那么今天的我们看到的宇宙中的种种结构，如星系，恒星便不可能形成，更不要提生命的存在。今天，我们存在在宇宙中，说明宇宙早期各处的物质密度中仍存细小差别。而物质之间的万有引力作用会使这些细微的密度涨落，随着时间的流逝逐步增长。密度相对周围环境高一些的地方会吸引更多的物质聚集成团，并最终形成今天存在在宇宙中的结构。这些早期的细小涨落，同样会在微波背景辐射上留下印记。使得我们看到的微波背景辐射在不同方向上存在微小的差别。

另一位诺贝尔奖获得者George.Smoot，正是在COBE计划中负责微波背景辐射的各项异性观测。正如前面提到的，微波背景辐射的各项异性观测可以揭示宇宙的很多秘密。科学家们可以以此为出发点，模拟宇宙中结构的演化，星系的形成历史。这一观测还可以告诉我们宇宙的组成，物质，暗物质，暗能量所占比例。甚至我们还可以从各项异性的观测中推断宇宙的形态。如果说黑体谱形式的观测宣告了大爆炸宇宙学理论的巨大胜利，那么微波背景辐射各项异性的观测可以说是将宇宙学带入了精确科学的时代。

在COBE之后微波背景辐射的探测仍然在继续。不久前刚刚释放了第三年数据的WMAP卫星以更高的分辨率将微波背景辐射呈现给我们。而不久后欧洲将发射的PLANK卫星会告诉我们更多早期宇宙的细节。

如果你打开收音机，你受到的噪声便有一小部分来自微波背景的贡献。虽然这信号看似微弱，但毫不夸张的说，我们关于宇宙演化的知识一半以上都来源于微波背景辐射各项异性的观测。