今天的这篇文章，有点专业性。这是在2008年华东六省一市物理教学专业委员会年会上，北京大学物理系俞允强先生所作的专题报告。我在前面的博文中已经提到，俞先生授课最大的特点就是深入浅出，能够将非常深奥的现代宇宙学问题，用通俗易懂的语言表达出来，让听着能够听得懂。这是非常了不起的，也为我们如何当好一名教师树立了一个标杆。

将俞教授的报告用文字呈现出来，已经很难再现他报告时的风采了。而简略的语言，可能还会在理解上出现一些障碍。如果你还能读的懂，那更要佩服俞先生。有兴趣的读者不妨读读看。

一、背景辐射的问题由来

现代宇宙学奠基于20年代。在当时，确立了两个要点：第一，发现宇宙在膨胀(Hubble)；第二，建立了宇宙膨胀动力学(Freidmann)。今天看来两者都很对，但在当时由于观测的可靠度很低，导致了与事实不符的结果。比如说当时测出的Hubble常数比实际值大了7倍，于是推断出的宇宙年龄为实际值的1/7，即T₀ = 20亿年。这个数字比地球的年龄还小！这显然是有问题的，所以当时多数人认为这表明了宇宙膨胀的理论是不对的。

由于观测上的原因，使得很多人不相信宇宙膨胀的理论，也不去进一步探索宇宙膨胀这一现象，导致了宇宙学在很长一段时间内停滞不前。1950年，伽莫夫（Gamow）用现代宇宙学的有关知识研究了宇宙的早期（最初十万年），提出了两个基本观点：第一，早期宇宙中不会有星系和恒星，今天宇宙的物理状态是演化产生的；第二，提出了一切星系形成前的宇宙是均匀的高温高密气体的观念。从今天我们的认识看，Gamow 的理论绝对是诺贝尔奖层次上的贡献，但由于现代宇宙学不被人们所认可，人们根本不相信Gamow的理论，反对者讥讽地称它为“大爆炸理论”，并斥之为伪科学。

一个新物理理论要被人们普遍接受，必须提出关键性的预言，等待将来的观测来证实或证伪。根据Gamow的理论，如果真的如Gamow的理论所说的那样，那么在宇宙的空间之中，一定会存在着一种微波背景辐射(CBR)。这件事情其实并不难以测量，相关的测量设备及其精度在当时是完全可以达到的。但由于大家都不相信现代宇宙学理论，因此就没有人愿意去做一下这个实验，来对它进行证实或者证伪。

二、CBR的提出和发现

Gamow的基本想法是：星系不可能自古存在；星系应来自均匀气体的碎裂（猜想）；时间越早，这均匀气体的温度越高；当 t < 10万年，T＞105 K.气体为plasma（等离子体）；热平衡的plasma必包含光子组分；膨胀降温，核与电子必结成中性原子；光子将不再和那些核、电子等发生作用，所以一直保留了下来，并遗留至今，这就叫宇宙背景辐射。遗留的光子没有热碰撞，但它依然随宇宙膨胀而降温。Gamow估出它今天温度应低于10 K，其主要辐射在射电和微波波段。

背景辐射是早期宇宙留下的遗迹，问题在于它是否确实存在。由于一直没有人利用射电天线来观测宇宙背景辐射，所以这样的一个重要问题又给耽搁了下来。

    65年，Bell电话公司的Penzias and Wilson意外地在4070MHz上发现了一种背景信号，温度为3K，但他们完全不知道这信号来自什么。他们请教普林斯顿（Princeton）大学的宇宙学家，Peebles等人指出，它应当就是他们正在想找的微波背景辐射（CBR）。这当然是对被斥之为“伪科学”的Gamow理论的肯定。

1978年，很有眼力的评奖委员们决定授予他们Noble物理奖。

三、COBE对遗留疑问一锤定音

为什么讲Noble评奖委员很有眼力？

这是因为当时其实还遗留了一个很重要的疑问：凭什么认为所测到的背景辐射和HBB预言的背景辐射是一回事？在没有完全证实的情况下，就颁发Noble物理奖，是要冒很大的风险的，但评委们显然意识到了这件事情的重要性，他们宁可冒一点风险，也不愿意错过这样一个重大的发现。

    很多人意识到，应当全波段地测量辐射频谱。来考证HBB预言的CBR是否高度与Planck公式一致。但是这件工作说起来简单，做起来却非常困难。这是因为温度为3 K的热辐射的短波段为毫米波，由于有地球大气的干扰，来自远处的毫米波信号很难准确测量。当时已经有人进行了一些测量，但为数不多的几个测量结果引起很大争议，有的结果还表明所测到的背景辐射谱与Planck谱有很大差别。

    要有清楚的回答，只能用观测卫星在地球大气之外做测量。COBE卫星应运而生。

COBE是多目标的背景辐射观测卫星。其目标之一是全波段地测量微波背景辐射的频谱。

它在30几个波长上同时测量辐射强度，每个波长上设置了4个接收器。它上天不久，地面立刻得到了测量结果：实际存在的背景辐射谱与T = 2.735 K的Planck热辐射谱高度相符。

这使HBB的可靠性得到了铁证！

凭什么说这是铁证？与Planck谱高度相符，表明辐射源有高度的热平衡。在已有星系或恒星的宇宙中已不能存在高度热平衡的物体。唯一只有早期宇宙才能是这样的源！高度符合Planck公式的背景辐射只能来自早期宇宙。于是HBB完成了它成长的三部曲：

     * 最初被当作伪科学，

     * 65年后被认识到有一定道理，

     * COBE把它的可靠性证实到无可置疑的地步。

    光凭这点就早该得Noble奖了！

何况它的重大贡献不止于此。

四、宇宙结构的形成疑难

宇宙早期是没有结构的均匀气体(球)，宇宙学必须回答：后来的结构怎么形成的。定性回答简单而清楚：自引力不稳定性使小扰动发展成物质结团。

如果真的是这样，背景辐射上应能观测到密度(温度)的微小起伏。70年代后期，若干组做了这样的探测，得到的都是零结果。于是知道：△T/T < 1×10^－4。

    从理论方面：

若CBR上的小扰动已知，后来它们随宇宙膨胀而演化至今天，应当可以算出今天宇宙的实际面貌。如：星系应当多大(一个范围)单位体积内星系平均应当有多少个？等等。

这种计算需要输入两方面信息：

* 今天宇宙物质的平均密度多大？

   当时只知道：宇宙平均密度为

                     ρ_m = 0.2～1.0ρ_c

                     ρ_c = 10 氢原子质量/m³.

* 宇宙中暗物质的主要组分是哪几种？

    当时认为：暗物质总归也是重子(质子、中子)等所组成。（注意：今天已知道这不对！）利用△T/T < 1×10^－4算下去，人们发现：这样的小扰动演化到今天是来不及形成星系的。可是星系已大量形成却是铁的事实。我们正生活在某一个星系内呢！宇宙学遇到了天大的疑难！

哪儿错了？