为什么天空中每个方向都有微波背景辐射

1964年,美国贝尔实验室的两位青年科学家彭齐亚斯和威尔逊打算把该实验室一台曾用于卫星通信实验的微波天线改造成射电望远镜。他们对改造后的设备进行一系列测试,在测试中意外地发现,总有一种多余的“噪声”无法消除。最初,他们怀疑这是仪器本身的问题,但进行了大量检查和实验(包括清除了在天线上做窝的一对鸽子和它们留下的粪便)后,他们确认仪器本身并没有问题,这一噪声确实是由于天线接收到的微波辐射引起的。而且这一噪声的大小与天线所指的方向没有关系,任何方向都有这种微波辐射而且强度相同。这是非常奇怪的,因为无论是人类产生的微波辐射,还是太阳、恒星、银河系等天体产生的辐射,都来自特定的方向,不可能处处都有同样的强度。

彭齐亚斯和威尔逊与他们的微波天线
WMAP卫星在2012年测得的宇宙微波背景辐射图,红色代表温度较高,蓝色代表温度较低

正当他们为无法解释这一现象而苦恼时,彭齐亚斯在一次出差时偶然遇到了麻省理工学院的伯克教授。伯克教授告诉他,普林斯顿大学的迪克和皮伯斯有一种理论可以解释他们观测到的现象。迪克和皮伯斯研究过宇宙大爆炸理论。大爆炸理论预言宇宙早期的时候温度应该非常高,这时宇宙中应该有许多光子。宇宙在不断膨胀,这些大爆炸早期的光子需要走过漫长的路程才能来到今天的地球。从地球上看来,这些光子是从距离非常远的一个球壳发出来的。根据哈勃定律的距离-红移关系,这些非常遥远处发出的光子红移应该非常大,以至于它们会被拉长到微波波段。由于宇宙是均匀的,因此各个方向的辐射强度也应该处处基本相等,这被称为宇宙微波背景辐射。

其实,早在迪克和皮伯斯之前,伽莫夫同他的学生阿尔弗和赫尔曼也曾经在理论研究中预言了这一现象,但是他们没有想到这一辐射可以被探测到,而他们的研究结果也被人遗忘了。彭齐亚斯和威尔逊发表了他们的观测结果,迪克和皮伯斯也同时发表了其理论解释。彭齐亚斯和威尔逊因发现宇宙微波背景辐射而荣获了1978年度诺贝尔物理学奖。

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