大爆炸之后的0.01秒内，宇宙的温度之高，超乎我们的想象，这个璀璨至极的世界最重要的任务是不断膨胀。每时每刻，宇宙都在不停地变大，越来越多的空间从虚无变为真实的存在（这或许很难想象，不过在这个问题上，事实胜于常识）。在膨胀的过程中，宇宙也在不断冷却、变暗。几十万年里，物质和能量彼此交缠，搅成了一锅浓汤，飞速运动的电子与光子不断发生碰撞，使光子向着四面八方散射。

在这个阶段，看遍整个宇宙恐怕是个不可能完成的任务。光子在进入你眼睛之前的几纳秒内，就会被你面前的电子弹开。无论望向哪里，你只能看到一片模糊的光雾，半透明的红白色强光弥漫在你周围，亮度堪比太阳表面。

光子携带的能量随着宇宙的膨胀不断下降。直到年轻的宇宙迈过38万岁的门槛，它的温度降到了3000K以下，质子和氦原子核终于能够永久性地捕获电子，原子就此诞生。在此之前，每个光子携带的能量都足以击碎新形成的原子，但是此时，得益于宇宙的膨胀，光子失去了这样的能力。捣乱的自由电子变少了，光子才能在空间中飞驰，不必担心撞上什么东西。在这个阶段，宇宙变得透明起来，浓雾散去，遍布宇宙的背景可见光获得了自由。

这些残余的背景光一直存留到了今天，它们来自炽热混沌的早期宇宙。无处不在的光子拥有波和粒子的双重性质。光子的波长等于两个相邻波峰之间的距离——你可以用尺子来测量这段距离，如果你能抓到光子的话。真空中的所有光子以相同的速度运动，即299792千米/秒，我们顺理成章地称之为光速。光子的波长越短，每秒经过特定点的波峰数量就越多。正是出于这个原因，光子的波长越短，单位时间传播的波的数量就越多，光的频率也越高，每秒经过特定点的波的数量也越多。光子的频率直接影响它的能量：频率越高的光子携带的能量越多。

在宇宙冷却的过程中，光子因为宇宙膨胀而损失了能量。从γ射线和X射线中诞生的光子一步步变成了紫外线光子、可见光光子，乃至红外线光子。随着波长的增长，光子的温度变得越来越低，携带的能量也越来越少，但它的基本性质始终不曾改变。在大爆炸137亿年后的今天，宇宙背景光子的频率已经降低到了微波的范围内，所以天体物理学家才叫它“宇宙微波背景辐射”，不过更具前瞻性的名字应该是“宇宙背景辐射”（Cosmic Background Radiation，CBR）。从现在开始，再过1000亿年，等到宇宙进一步膨胀冷却，未来的天体物理学家或许会认为CBR应该叫作“宇宙无线电波背景辐射”。

随着宇宙不断膨胀变大，它的温度也直线下降。这是由物理定律决定的。宇宙中不同区域之间的距离变得越来越远，CBR光子的波长必然随之变大。时间和空间的构造像弹性纤维一样拉长了宇宙中的光波。由于光子的能量和它的波长成反比，自由光子的波长每增加一倍，它的能量就会降低一半。

任何高于绝对零度的物体都会向外辐射全波长谱系的各种光子，但这样的辐射存在峰值。家用普通电灯泡输出的光子能量峰值落在红外线范围内，所以你才会觉得灯光照得你的皮肤暖烘烘的。当然，灯泡也会释放出足量的可见光，不然我们就不会买它了。因此，你的眼睛和皮肤都能感受到台灯的辐射。

宇宙背景辐射的输出峰值波长大约是1毫米，正好落在微波范围内。步话机里咝咝的静电音就来自无所不在的微波，CBR贡献了其中的一部分，其余的“噪声”则来自太阳、手机、警用测速雷达等干扰源。除了峰值的微波辐射以外，CBR还包含了少量的无线电波（所以它会干扰地球上的无线电信号）和极微量的频率高于微波的光子。

20世纪40年代，生于乌克兰的美国物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）和他的同事预测了CBR的存在。1948年，他们在一篇论文中运用当时已知的物理定律分析了早期宇宙的古怪状况。他们的基础观点来自比利时天文学家兼耶稣会牧师乔治·爱德华·勒梅特（Georges Edouard Lemaître）于1927年发表的一篇论文，现在勒梅特已经成了举世公认的“大爆炸理论之父”。不过，首次预测宇宙背景温度的科学家不是伽莫夫，而是两位曾经跟他合作过的美国物理学家：拉尔文·阿尔菲（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）。

阿尔菲、伽莫夫和赫尔曼提出了一个假说（今天的我们可能觉得这个想法相当简单，因为学界已经得出了定论）：昨天的时空构造比今天的更小。根据物理学的基本规律，更小就意味着更热，所以物理学家回望宇宙的开端，推演出了我们刚才描述的那个时期。当时的宇宙过于炽热，以至于所有原子核都孤零零地暴露在外，因为光子的碰撞解放了所有电子，让它们在空间中自由游荡。阿尔菲和赫尔曼提出，在这种情况下，光子不可能像今天一样在宇宙中自由穿行。如今的光子之所以能够畅行无阻，是因为宇宙的温度降低到了一定程度，电子能够在原子核周围的轨道上安定下来。完整的原子诞生以后，光才能在宇宙中自由穿行。

早期宇宙的温度一定比现在高得多。虽然这个决定性的观点是伽莫夫提出的，但阿尔菲和赫尔曼却首次算出了早期宇宙温度残留至今的余韵：5K。其实他们算错了，现在CBR的确切温度是2.73K。但无论如何，这三位科学家成功推演出了早期的宇宙面貌，虽然那段历史早已湮没在时空的长河中，但这仍是科学史上最伟大的成就之一。根据在实验室里总结出的最基本的原子物理法则，他们推演出了人类有史以来研究过的尺度最大的对象（我们这个宇宙的温度史），这绝对是个颠覆性的成果。普林斯顿大学的天体物理学家J.理查德·戈特三世（J. Richard Gott III）在《爱因斯坦宇宙中的时间旅行》（ Time Travel in Einstein's Universe ）一文中盛赞了这一发现：“预测宇宙背景辐射的存在并准确计算出它的温度，误差在两倍以内，这是个了不起的成就。这相当于预测一艘直径15米的飞碟将降落在白宫的草坪上，结果我们看到了一艘直径8米的飞碟缓缓落地。”

伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼做出这些预测的时候，物理学家还没确定宇宙是怎么诞生的。1948年，也就是阿尔菲和赫尔曼的论文问世的同一年，在英国发表的两篇论文提出了一套恒稳态理论，其中一篇论文由数学家赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）和天体物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）共同撰写，另一篇论文的作者则是宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）。根据恒稳态理论，宇宙在膨胀过程中将始终保持不变——简洁是这套假说最诱人的特质。但是，既然宇宙不断膨胀，稳定态宇宙的温度和密度又始终保持一致，那么按照邦迪、戈尔德和霍伊尔的设想，物质必须以恰到好处的频率持续地凭空出现在这个宇宙中，这样宇宙才能在膨胀的同时维持它的密度不变。与此相对，大爆炸理论（弗雷德·霍伊尔轻蔑地给它起了这个名字）则要求所有物质瞬间同时出现，某些人认为这套假说更对胃口。请注意，恒稳态理论将宇宙起源的时间推向了无限远处——对那些不愿意应对这个棘手问题的人来说，这真是方便极了。

宇宙背景辐射的预测就像一支拉满弦的利箭，它的箭头对准了恒稳态理论的要害。CBR的存在将清晰地证明，昔日的宇宙和我们今天看到的很不一样——它比现在小得多，也热得多。因此，关于CBR的第一批直接观测结果给恒稳态理论的棺材钉下了第一颗钉子（但弗雷德·霍伊尔从不曾完全接受这样的现实：CBR推翻了他优雅的理论。终其一生，他一直试图为这种辐射寻找其他解释）。1964年，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在新泽西州美利山（Murray Hill）的贝尔电话实验室（简称“贝尔实验室”）偶然发现了CBR的存在。1978年，他们的勤奋和幸运得到了奖励，彭齐亚斯和威尔逊荣获诺贝尔物理学奖。

彭齐亚斯和威尔逊是怎么拿到诺贝尔奖的呢？20世纪60年代初，物理学家已经知道了微波的存在，但谁也无法准确探测微波波段的微弱信号。那时候的无线通信设备（例如，接收器、探测器和发送器）主要针对波长更长的无线电波。要捕捉微波，科学家需要能对波长更短的波进行探测的探测器和灵敏的天线。贝尔实验室就有一套这样的设备，这台巨大的喇叭状天线能专门捕捉微波，而且性能和普通设备一样好。

发送或接收信号的时候，你肯定不希望受到其他信号的干扰。彭齐亚斯和威尔逊试图为贝尔实验室开辟一个新的通信频道，他们希望确定这些信号会遭受多少“背景”干扰，无论这些干扰是来自地面、太阳、银河系中心，还是其他地方。为了确定探测微波信号的难度，他们开始进行一些标准测量。当时他们完全不知道，这些看似普通的测量将产生多么重大的影响。虽然彭齐亚斯和威尔逊都有天文学的背景，但他们不是宇宙学家，而是研究微波的技术派物理学家。对于伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼做出的预测，他们根本一无所知。寻找宇宙微波背景辐射绝对不是他们的目标。

就这样，他们开始了实验。校正数据的时候，两位科学家排除了一切已知的干扰源，但最后他们发现，信号中的背景噪声还是没有消失，他们完全想不出摆脱它的办法。地平线上的每个方向似乎都有噪声，而且不随时间变化。最后，他们决定检查一下大喇叭内部，结果发现鸽子在天线里面筑了巢，鸽巢附近沾满了白色的绝缘物质（鸽粪）。当时的彭齐亚斯和威尔逊肯定陷入了绝望——难道信号里的背景噪声来自鸽粪？他们清理了天线，噪声的确减弱了一点，但还是没有消失。1965年，他们在《天文物理期刊》（ The Astrophysical Journal ）上发表了一篇论文，提到了这种无法解释的“多余的天线温度”；这两位物理学家全然不知，世纪性的天文发现就悬在他们的指尖。

彭齐亚斯和威尔逊在清理鸟粪的时候，普林斯顿大学的一群物理学家正在罗伯特·H.迪克（Robert H. Dicke）的带领下修建一台探测器，这台探测器将专门用来寻找伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼预测的CBR。这些教授没有贝尔实验室充足的资源，所以他们的工作进展得很慢。彭齐亚斯和威尔逊的观测结果传到迪克团队耳朵里的那一刻，这群物理学家立即明白，他们晚了一步。他们当然知道所谓的“多余的天线温度”到底是什么。观测结果完全符合理论假说：温度符合预测，来自任何方向的信号强度完全相同，而且它不受时间影响，这意味着地球自转或者地球在绕日公转轨道上的位置都与它无关。

但我们为什么会接受这套解释呢？理由非常充分。光子从遥远的宇宙深处传到我们这里需要时间，所以当我们将目光投向深邃的宇宙，看到的景象必然来自过去。这意味着如果有另一群智慧生物定居在某个遥远的星系里，他们测量宇宙背景辐射的时间比我们早得多，那么他们测出的温度必然高于2.73K，因为在那个时候，宇宙比现在更年轻、更小也更热。

这个大胆的猜想能被证实吗？当然。我们发现，一种名叫“氰”的碳氮化合物——它最广为人知的用途是给杀人犯执行死刑——一旦暴露在微波中就会被激发。如果某种微波的温度高于现在的CBR，那么氰分子被激发的程度也会略高于CBR。因此，氰可以充当宇宙的温度计。当我们观测那些更遥远也更年轻的星系时，我们应该发现，那里的氰沐浴在比银河系CBR温度更高的宇宙背景辐射中。换句话说，那些星系应该比我们的银河系更有活力。事实也的确如此。来自远方星系的氰的光谱表明，那里的微波温度的确符合我们对更早期宇宙的推想。

这些事可做不了假。

对天体物理学家来说，CBR的意义绝不仅仅是为宇宙的灼热过往和大爆炸理论提供了最直接的证据，他们还发现，组成CBR的光子承载着宇宙变得透明之前和之后的大量细节信息。我们注意到，直到大爆炸大约38万年之后，宇宙仍是不透明的，所以就算你坐在第一排正中间，你也不可能亲眼见证物质的形成。你根本不可能看到星系团聚集成形的过程。在任何地方的任何人能看到任何值得一看的东西之前，光子就获得了在宇宙中畅通无阻的能力。每个光子都会在某个合适的时机遭遇与电子的最后一次碰撞，从此踏上跨越宇宙的漫长旅途。随着越来越多的光子摆脱电子的干扰（这得多谢电子和原子核一起形成了原子），它们形成了一层不断膨胀的光子壳，天体物理学家称之为“最后的散射面”（the surface of last scatter）。这层光子壳大约花费了10万年时间才逐渐成形，与宇宙中所有原子的诞生完全同步。

这个时候，宇宙中很多地方的物质已经开始聚集。物质聚集得越多，产生的引力就越强，这又进一步吸引了更多物质。这些物质富集的区域为超星系团的形成播下了种子，与此同时，其他区域相对比较空旷。物质聚集区的引力场越来越强，一些光子正好在这样的区域内经历了与电子的最后一次碰撞，那么这些光子离开这片区域的时候，引力场会剥夺它们的一小部分能量，从而使它们跌落到略微冷一点的谱系中。

宇宙中的确有某些地方的CBR比平均温度高一点点或者低一点点，但波动极小。这些热点和冷点标出了宇宙中最古老的结构，也就是物质最初聚集的地方。我们之所以知道物质今天的模样，是因为我们能看到星系、星系团和超星系团。为了弄清这些系统是如何形成的，我们开始深入研究宇宙背景辐射，这些来自遥远过去的不可思议的遗迹迄今仍充斥着整个宇宙。对CBR“图案”的研究构成了“宇宙颅相学”：我们摸索青年宇宙“颅骨”上的凹凸，反推它在婴儿期的行为，预测它在成年后的未来。

结合对地球和深空的其他观测结果，天文学家可以根据CBR确定宇宙的各种基本特性。比如说，我们可以比较热区和冷区的尺寸及温度分布，由此推测早期宇宙的引力强度，进而判断物质聚集的速度。接下来，我们还能推测宇宙中普通物质、暗物质和暗能量的比例（分别是4%、23%和73%）。知道了这些基本信息，“宇宙是否会永远膨胀下去”“宇宙的膨胀是否会随时间流逝而变慢或者变快”这些问题就简单多了。

我们每个人都是由普通物质组成的，普通物质既能产生引力，又能吸收、释放光，还能和光发生其他形式的互动。正如我们在第四章中即将看到的，暗物质是一种性质未知的存在，它能产生引力，却不会以任何已知的方式与光互动。我们会在第五章中介绍暗能量，它加快了宇宙膨胀的速度，如果没有暗能量，宇宙就不会膨胀得这么快。现在，借助宇宙颅相学，宇宙学家对早期宇宙已经有所了解，但对于现在的宇宙和过去的宇宙，我们一直不清楚其中的主要成分到底是什么。

尽管有那么多未知的谜团，但今天的宇宙学家已经得到了一件前所未有的强大工具。CBR承载着我们都曾经通过的那扇大门留下的印记。

100多亿年来，宇宙一直在不断地膨胀，最初我们通过对遥远星系的观测得出了这个结论，宇宙微波背景辐射的发现验证了这一点，由此提升了宇宙学的准确性。CBR的精准确保了宇宙学在实验科学领域的地位。起初，科学家利用气球搭载的设备和南极的一台望远镜探测天空中的小块区域，由此绘制了这张地图的初稿；后来他们又通过一颗名为“威尔金森微波各向异性探测器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）的卫星扫描整个天空，补完了整张地图。2003年，WMAP输出了第一批观测结果；在我们的宇宙学故事讲完之前，这颗卫星还将为我们提供更多信息。

宇宙学家总是那么自负，不然他们又怎么能大胆推测宇宙是如何诞生的呢？但宇宙学已经走入了基于观测的新纪元，现在他们或许需要改改脾气，变得谦逊一点。每一个新的观测结果，每一组新的数据都可能对你的理论产生影响。一方面，观测为宇宙学奠定了坚实的基础，在其他很多科学领域里，这样的基础完全是默认的，因为它们早就形成了成熟的实验室观测体系；另一方面，理论家曾在缺乏观测手段的年代凭空提出了大量不着边际的假说，新的数据必然会肯定其中的一部分，打破另外一部分。

科学的硕果离不开准确数据的浇灌。现在，宇宙学正在成为一门准确的科学。 mfcqkeN5CnwQZSI1QW9YEFZN7XJuPj9wuf/twEc2Ltldgwk7Nvm+wX6MuivlwXpI