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他俩曾和鸽子较劲,却歪打正着获得诺奖

果壳网 2019-12-05

作者:鞠强

编辑:Yuki

科学家进行科学研究的时候,一般都会有研究计划,不会盲目行动。但也有时候,重大成果的取得,得益于一些不经意的发现。41 年前,三位科学家分享了 1978 年度诺贝尔物理学奖,其中两位获奖者的发现就可以说是真正的 " 歪打正着 "。

大爆炸遗迹

这次要说的两位科学家,是阿诺 · 彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特 · 威尔逊(Robert Wilson),他们获奖还要从宇宙大爆炸说起。今天大家耳熟能详的宇宙学主流理论 "宇宙大爆炸"(The Big Bang Theory),在刚刚提出的时候是一个很大胆的想法。

20 世纪 40 年代,乔治 · 伽莫夫(George Gamow)提出这个理论的时候,曾经饱受质疑,甚至 " 大爆炸 " 这个名字本身就是来自这个理论的反对者、英国天体物理学家弗雷德 · 霍伊尔(Fred Hoyle),他以此描述这个理论的荒诞之处。霍伊尔本人是稳态宇宙理论的支持者,否认宇宙是从一次大爆炸演化而来的。

阿诺 · 彭齐亚斯(图左)和罗伯特 · 威尔逊(图右)|参考资料 [ 1 ]

大爆炸从一个猜想变成目前的主流理论,得益于半个多世纪以来一系列的观测证据,其中最重要也最具有戏剧性的就是 1964 年彭齐亚斯和威尔逊的一个意外发现。

根据宇宙大爆炸理论,大爆炸之后宇宙开始膨胀,同时不断降温。当温度降低到足够低时,光子不再被束缚,可以在宇宙中自由穿行。伴随着宇宙的膨胀,在光谱的可见光部分的光子,会逐渐失去能量,变成红外光子,再继续失去能量的话就在微波波段,也就是光子在今天的状态,所以我们把它叫作 "宇宙微波背景"(cosmic microwave background,CMB)。这个 " 背景 " 就是曾经炽热的早期宇宙残存的印记。

宇宙微波背景的存在是大爆炸理论的重要预言,因此能否找到宇宙微波背景就成为判断这个理论能否成立的关键。虽然伽莫夫本人曾经进行过理论计算,估计了宇宙微波背景的温度,他的博士学生拉尔夫 · 阿尔弗(Ralph Alpher)和另一位物理学家罗伯特 · 赫尔曼(Robert Herman)甚至在 1948 年完成了更加精确的计算(他们算出宇宙微波背景的温度为 5K),但是由于缺乏合适的观测设备等原因,宇宙微波背景在此后十几年里还只存在于理论中。

偶然的发现

20 世纪 60 年代初,彭齐亚斯和威尔逊都在美国贝尔实验室工作,他俩当时的研究和宇宙学本来没什么关系,而是和无线电通信有关。他们的实验设备是位于美国新泽西州霍姆德的喇叭天线(Holmdel Horn Antenna)。这是一台极其灵敏的设备,最初是用来接收从回声 1 号卫星(Echo 1)反射回来的无线电信号,后来又被用于接收世界上第一颗投入实际使用的通信卫星 " 电视星 "(Telstar)发出的无线电信号。这些信号非常微弱,因此研究人员要想方设法消除所有可能的干扰,才能探测得到。

威尔逊、彭齐亚斯和喇叭形天线|参考资料 [ 2 ]

但是,即使采用了所有想得到的办法去消除噪声,彭齐亚斯和威尔逊仍然能够探测到一种奇怪的嗡嗡声,这种噪声全天候地来自天空中的各个方向。他们曾经把天线对准纽约市,看看是否是人类活动带来的影响。此外,他们对设备进行了一系列检查。他们发现有鸽子在天线中筑巢,便赶走了鸽子,还清理了鸽子粪便(彭齐亚斯觉得它们会对信号产生干扰,并戏称之为 " 一种白色的介电物质 "),但即使这样,残留的噪声依然存在。

鸽子和它产生的 " 白色介电物质 " | unsplash

到了 1964 年,在进行各种检查后,二人确认这种噪声不是来自地球、太阳或者银河系,而是来自我们的星系之外

此后不久,他俩了解到普林斯顿大学的天体物理学家罗伯特 · 迪克(Robert H. Dicke)、詹姆斯 · 皮布尔斯(Jim Peebles)和大卫 · 威尔金森(David Wilkinson),正在寻找一种探测起源于宇宙大爆炸的残存辐射的方法。但是由于没有现成的设备,迪克等人要先建设探测器,然后才能进行观测。

彭齐亚斯给迪克打电话,说明了他和威尔逊的发现。迪克很快意识到,彭齐亚斯和威尔逊探测到的辐射与自己的理论的预测完全吻合。迪克给彭齐亚斯和威尔逊寄去了尚未发表的相关论文的副本,而他也应邀去霍姆德亲自听了一下期待已久的信号。在这期间,他和彭齐亚斯及威尔逊确认这个噪声就是宇宙微波背景。当时迪克对他的团队说:" 我们被他们抢先一步。"1965 年 7 月,彭齐亚斯和威尔逊在《天体物理学报》(Astrophysical Journal)上公布了他们的发现,迪克的团队也在同一期杂志上发表论文解释了这个发现的意义 [ 3 ] 。

贝尔实验室通报彭齐亚斯和威尔逊发现的新闻稿|参考资料 [ 4 ]

开启新时代

宇宙微波背景的发现是 20 世纪人类最重要的天文发现之一,也是宇宙学发展过程中一个具有里程碑意义的事件,开启了全新的时代。在此之前,宇宙学更多的是进行理论研究;而在此之后,宇宙学开始可以进行直接的观测。

1978 年,诺贝尔物理学奖授予三位物理学家,彭齐亚斯和威尔逊因为 " 发现宇宙微波背景辐射 " 分享了一半的奖金(各自获得 1/4 的奖金)。

1978 年诺贝尔物理学奖获得者|nobelprize.org

在随后的日子里,宇宙微波背景成为宇宙学研究中的一个热门领域。截至目前,科学家已经先后研制和发射了 3 台重要的探测器对宇宙微波背景进行测量,分别是美国国家航空航天局发射的 COBE 卫星与威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),以及欧洲空间局在 2009 年发射的普朗克卫星。美国天体物理学家约翰 · 马瑟(John Mather)和乔治 · 斯穆特(George Smoot)因为对宇宙微波背景的研究获得了 2006 年诺贝尔物理学奖。

目前,宇宙微波背景温度的精确测量值为 2.7K,与当年阿尔弗和赫尔曼的计算非常接近,这是理论计算的杰出成就。但是,如果没有彭齐亚斯和威尔逊的观测证据,宇宙微波背景还只是猜测,宇宙大爆炸理论也就缺少了一个重要的支柱。

宇宙微波背景似乎离我们很遥远,但其实它无处不在。看过老式电视机的读者可能会对电视机上的 " 雪花 " 印象深刻。这些雪花绝大部分是由于电视机接收机自身的噪声以及周围环境中的电磁辐射造成的,但其中有大约 1% 的干扰就来自于宇宙微波背景。

电视上的雪花|图虫创意

正是一次 " 歪打正着 " 的发现,让我们知道原来电视机中藏着宇宙的秘密。不过,这个 " 歪打正着 " 也不是天上掉下的馅饼,如果没有细致严谨的分析,彭齐亚斯和威尔逊也不可能从令人困扰的噪声中发现宇宙微波背景。科学也许就是这样,时刻做好准备,惊喜就会不期而至。

排版:凝音

参考资料:

[ 1 ] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1978/summary/

[ 2 ] https://www.bell-labs.com/about/history-bell-labs/stories-changed-world/Cosmic-Microwave-Background-Discovery/

[ 3 ] http://adsabs.harvard.edu/doi/10.1086/148307

[ 4 ] https://media-bell-labs-com.s3.amazonaws.com/pages/20140518_1641/1965_BL_Press_Release_on_Radiation.pdf

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