如果你家里还有那种带雪花屏的老式电视机，当你把它调到一个没有信号的频道时，屏幕上那跳动的黑白噪点和嘶嘶声中，大约有百分之一的能量，来自于138亿年前。这并不是夸张的修辞，而是真实存在的物理现象。这些古老的信号就是宇宙微波背景辐射，它是宇宙大爆炸留下的余温，也是现代宇宙学中最宏大的发现之一。

更有趣的是，这个足以载入史册的伟大发现，最初竟被误认为是一层恼人的鸽子粪便造成的干扰。

寻找宇宙起源的两种声音

将时钟拨回到20世纪40年代，那时的天文学界正处于一场激烈的辩论之中。一方是坚持“稳恒态理论”的科学家，他们认为宇宙在时间上是无始无终的，虽然在膨胀，但新的物质不断产生，总体保持不变；另一方则支持更为激进的“大爆炸理论”，认为宇宙起源于一次极高密度的爆发。

虽然大爆炸理论听起来更具戏剧性，但在当时缺乏实锤证据。直到物理学家乔治·伽莫夫和他的同事拉尔夫·阿尔菲、罗伯特·赫尔曼提出了一个关键的预言：如果宇宙真的诞生于一次极热的大爆炸，那么随着宇宙的膨胀，最初的高温辐射会逐渐冷却，光波的波长会被拉长。经过数十亿年的演化，这种辐射在大自然中应该依然存在，只是它已经冷却到了极低的温度，并以微波的形式弥漫在整个宇宙空间。

根据他们的计算，这种余温大约在绝对零度以上几度左右。遗憾的是，当时的观测技术尚不成熟，这个精彩的预言被尘封在了学术期刊的角落里，等待着被唤醒的那一天。

贝尔实验室的“完美静音”计划

故事的转折发生在1964年。在新泽西州的克劳福德山上，贝尔实验室的两位年轻射电天文学家——阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊，正对着一台巨大的喇叭状天线发愁。

他们的任务原本与宇宙起源毫无关系。当时，他们计划使用这台高灵敏度的霍姆德尔喇叭天线来接收从回声卫星反射回来的微弱无线电信号，并以此绘制银河系的射电地图。为了完成这项精密的观测，他们必须消除一切可能的干扰源，让接收器达到完美的“静音”状态。

这两位严谨的科学家展现出了惊人的执着。他们排除了雷达干扰，抑制了地面传来的广播信号，甚至使用液氦将接收器冷却到接近绝对零度的4开尔文，以消除设备自身电子运动产生的热噪声。

可是，无论他们如何努力，总有一股顽固的、无法消除的“嘶嘶”声残留了下来。

鸽子、粪便与无法解释的噪音

这股神秘的噪音在微波波段上持续存在，对应的天线温度大约是3.5开尔文。最令彭齐亚斯和威尔逊感到困惑的是，这股噪音是各向同性的。也就是说，不管他们把天线对准天空的哪个方向，无论白天还是黑夜，无论春夏秋冬，这个噪音的强度都纹丝不动。

如果是来自太阳、银河系中心甚至是地平线上的城市干扰，噪音的强度理应随着天线方向的改变或地球的自转而发生变化。但这股噪音就像是某种幽灵，均匀地涂抹在整个天空背景上。

为了彻底查清真相，他们将目光投向了天线内部。他们发现有一对象征和平的鸽子在喇叭天线深处筑了巢，还在天线壁上留下了不少白色的排泄物。在天文学家眼中，这些鸽子粪便被称为“白色介电物质”，它们确实可能在常温下产生微弱的热辐射。

于是，两位科学家不得不亲自爬进巨大的天线里，清理了鸟巢和粪便，并将鸽子“流放”到远处。然而，当他们满怀期待地重新启动设备时，那股恼人的背景噪音依然存在，不多不少，还是那个数值。

排除了一切可能的错误后，他们意识到，这个信号不是来自地球，也不是来自太阳系或银河系，它来自更遥远、更深邃的地方。

普林斯顿的电话：这就是大爆炸

就在彭齐亚斯和威尔逊对着噪音一筹莫展时，仅在几十公里外的普林斯顿大学，另一组科学家正在为寻找同样的东西而焦头烂额。

由罗伯特·迪克带领的团队，包括吉姆·皮布尔斯等理论物理学家，正在重新独立推导大爆炸的余温理论。他们不仅计算出了宇宙背景辐射的温度，甚至正在着手建造一台专门的辐射计来寻找它。

历史性的时刻发生在一次随意的通话中。彭齐亚斯在与麻省理工学院的一位同行闲聊时提到了那股无法消除的噪音，同行建议他联系普林斯顿的迪克小组。当彭齐亚斯拨通迪克的电话，详细描述了那个各向同性、温度约为3.5开尔文的微波信号时，迪克挂断电话，转身对他的同事们说了一句著名的玩笑话：

“伙计们，我们被人抢先了。”

宇宙的第一张婴儿照

很快，两组科学家在《天体物理学杂志》上背靠背发表了两篇论文。彭齐亚斯和威尔逊冷静地描述了他们的观测数据，题目平实地称为《在4080兆赫上测量的额外天线温度》；而迪克团队则在紧随其后的论文中，对这个信号进行了宇宙学的解释。

这个被意外捕获的信号，正是宇宙微波背景辐射。

为了理解它的本质，我们可以想象宇宙刚诞生后的38万年。那时的宇宙像是一锅滚烫浓稠的粒子汤，温度高达3000开尔文。电子和原子核游离态共存，光子被频繁散射，就像在浓雾中穿行，无法自由传播。随着宇宙膨胀冷却，温度降低到一定程度，电子被原子核捕获形成中性原子，光子终于获得了自由，开始在宇宙中畅通无阻地穿行。

这一时刻发出的光，承载着宇宙早期的信息。随着130多亿年的空间膨胀，这些光波的波长被拉长，从可见光变成了微波，温度也从当年的3000开尔文冷却到了今天的$2.725 \text{ K}$左右。彭齐亚斯和威尔逊听到的，正是这束穿越了时空的古老光线。

尾声：从哲学到科学

宇宙微波背景辐射的发现，被誉为大爆炸理论的“罗塞塔石碑”。它一举终结了稳恒态理论与大爆炸理论的争论，将宇宙学从一种基于哲学的推测，转变为了一门精确的观测科学。

1978年，彭齐亚斯和威尔逊因这项意外的发现获得了诺贝尔物理学奖。

今天，通过COBE、WMAP和普朗克卫星等更先进的探测器，我们已经绘制出了极高精度的宇宙微波背景辐射全天图。那上面的每一个微小温度起伏，都对应着早期宇宙中物质密度的微小扰动，正是这些扰动，最终演化成了我们今天所看到的星系、恒星，以及仰望星空的我们。

来源: 张天缘的科普号