踏過宇宙漣漪，我心澎湃依舊：2019年諾貝物理學獎的故事_風聞

【袁嵐峯，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，青年科學家社會責任聯盟理事，中國無神論學會理事，安徽省科學技術協會常務委員】

2019年10月8日，今年的諾貝爾物理學獎得主公佈了，有三個人。諾貝爾獎委員會對他們獲獎原因的敍述（https://www.nobelprize.org/prizes/lists/all-nobel-prizes-in-physics/）是“因為對我們理解宇宙演化與地球在宇宙中的位置的貢獻”（for contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos）。

在這個總的名目下，又分成兩個子項。一位獲獎者，加拿大科學家詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），是“因為物理宇宙學中的理論發現”（for the oretical discoveries in physical cosmology）。

詹姆斯·皮布爾斯

另外兩位獲獎者，瑞士科學家米歇爾·梅厄（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz），是“因為發現環繞類太陽恆星的系外行星”（for the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star）。

米歇爾·梅厄

迪迪埃·奎洛茲

這裏有一點很奇怪。後面那個是一個明確的具體成果，前面那個卻是一個很寬泛的説法。什麼叫“物理宇宙學中的理論發現”？

我讀過許多關於諾貝爾獎的資料，也跟諾貝爾獎獲得者工作過，就是我的博士後導師Roald Hoffmann教授，所以我很清楚，諾貝爾獎獎勵的是單項成果，而不是終身成就。有許多德高望重的科學家，雖然成果很多，在業內廣受尊崇，但由於缺乏單個最頂級的成果，所以始終得不了諾貝爾獎。

2002年Roald Hoffmann（1981年諾貝爾化學獎獲得者）研究組合影

因此，皮布爾斯的這個獲獎理由，在我看來十分反常。正如李元芳的名言：“其中必有蹊蹺！”

在調研了一些介紹材料，以及跟一些天文學家朋友交流後，我終於領悟到了原因。這裏有一個曲折動人的故事。

如果在皮布爾斯的工作中只提一項最值得獲獎的，那麼就是“宇宙微波背景輻射”（cosmic microwave background radiation，簡稱CMB）。

諾貝爾獎委員會為什麼不直接説這個呢？因為皮布爾斯並不是這個理論的頭號提出者，至少還有他的博士導師羅伯特·迪克（Robert Henry Dicke，1916-1997），以及更早的喬治·伽莫夫（George Gamow，1904-1968）等人。這位伽莫夫大大的有名，因為他寫過一本經典的科普著作《從一到無窮大》，此書激勵了一代又一代人走上科學道路。

羅伯特·迪克

喬治·伽莫夫

《從一到無窮大》

那麼，為什麼不把諾貝爾獎發給這些更重要的貢獻者呢？

因為他們都已經去世了，諾貝爾獎只發給活着的人。事實上，皮布爾斯也已經84歲高齡了。

所以，我估計諾貝爾獎委員會的心理活動是這樣的：把皮布爾斯作為提出宇宙微波背景輻射的理論家的代表，再加上他的其他成果，例如提出暗物質、暗能量，總之打包把這個獎發給他，這樣就可以彌補一個歷史性的缺憾。

咦，什麼叫做歷史性的缺憾？

就是這項成果的實驗發現者獲獎了，理論提出者卻沒獲獎，在理論和實驗之間出現了一次失配。

為什麼會這樣呢？

這就引出了一個傳奇。

1964年，美國貝爾實驗室有兩位年輕的工程師阿諾·彭齊亞斯（Arno Allan Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Woodrow Wilson），他們造了一根號角形的天線，用來探測來自宇宙的無線電波，也就是一台射電望遠鏡。令他們奇怪的是，天線無論指向什麼方向，總是有一種噪音在干擾信號。

阿諾·彭齊亞斯

羅伯特·威爾遜

他們想盡了一切辦法來排除干擾，例如把所有能拆的零件都拆掉重新組裝了一遍，但全都沒用，那個噪音依然存在。

最富有戲劇性的是，他們在天線裏找到了一個鴿子窩，於是認為自己發現了真相，肯定是因為鳥糞！嗯，這真是讓我想起了科大的“天使路”和“勤奮路”。

在清理掉鳥糞之後，你猜怎麼着？噪音依然故我！

折騰了一年，到1965年，他們在絕望中打電話給附近普林斯頓大學的迪克教授。在他們敍述完問題後，迪克立刻就明白了：這正是我們預言的宇宙微波背景輻射啊！我們正打算做實驗去尋找這個預測，你們居然已經找到了！真是“有心栽花花不發，無心插柳柳成蔭”！

1978年，諾貝爾物理學獎發給了彭齊亞斯和威爾遜，而沒有發給理論家。

你可能會問：諾貝爾獎不是能發給三個人嗎？為什麼不帶上一個理論家？

回答是：那一年已經滿三個名額了。另一個人是蘇聯科學家彼得·卡皮查（Pyotr Leonidovich Kapitsa，1894-1984），他獲獎的原因是“低温物理領域中的基礎發明與發現”（for his basic inventions and discoveries in the area oflow-temperature physics）。

彼得·卡皮查

就這樣，伽莫夫、迪克和皮布爾斯等人與諾貝爾獎失之交臂。你説這該怪誰呢？怪彭齊亞斯和威爾遜？怪卡皮查？怪評獎委員會？好像誰都不怪，只能説命運如此。

許多人聽過彭齊亞斯和威爾遜的故事後，感覺他們純粹是瞎貓撞上死耗子，撿了一個諾貝爾獎。但其實，這倆人本來就是射電天文學的博士。要不然，他們怎麼會想到架個天線去探測太空信號呢？而且這天線是當時世界上靈敏度最高的。正如笛卡爾所説：“機遇只垂青有準備的頭腦。”

彭齊亞斯生於1933年，威爾遜生於1936年，他們和1935年生的皮布爾斯幾乎是同齡人。彭齊亞斯和威爾遜在45歲和42歲就拿到了諾貝爾獎，皮布爾斯卻一直等到84歲。對於理論家沒有獲獎，他們也許也一直感到遺憾。現在這個遺憾終於得到彌補，他們也許是除了皮布爾斯本人之外最高興的人。

瞭解了這些人物故事，現在我們來了解科學：宇宙微波背景輻射究竟是什麼？

基本的脈絡是這樣。

首先，我們的宇宙在膨脹。二十世紀二十年代，美國天文學家埃德温·哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-1953）通過對星系的多普勒效應紅移觀測發現，所有的星系都在遠離地球而去，而且遠離的速度剛好正比於它們到地球的距離。

埃德温·哈勃

你的第一反應也許是：難道地球是宇宙的中心？

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但仔細想想就會發現，宇宙並沒有一箇中心。因為從任何一點看出去，都會看到所有星系在遠離自己而去，而且遠離的速度正比於距離。

有一個比喻有助於大家理解這個現象。好比宇宙是一個氣球，星系是氣球表面上的若干個斑點。氣球吹大了，那麼任何兩個斑點之間都會遠離，而且遠離的速度正比於距離，但沒有一個斑點是中心，大家的地位仍然是平等的。

然後，既然現在宇宙在膨脹，那麼把錄像帶倒放，就會看到宇宙在收縮。收縮到什麼程度是盡頭呢？就是一個點。

因此，一個順理成章的想法就是，整個宇宙最初都來自一個點，從這個點開始不斷地膨脹，成了現在這個樣子。這個點最初的膨脹創生了整個宇宙，被稱為“大爆炸”（Big Bang）。根據現在的觀測，大爆炸大約發生在138億年前。

大爆炸

這就是當今宇宙學中標準的理論，大爆炸理論。伽莫夫就是大爆炸理論的頭號提出者，可惜他在獲得諾貝爾獎之前就去世了。

許多人可能會問：大爆炸之前是什麼呢？

回答是：這個問題沒有意義，時間、空間都是大爆炸創造出來的。當然，單憑這種打機鋒式的對話是不可能真正理解前沿理論的。如果你真的想了解宇宙學，就需要拿起教科書認真去學習。

最後，我們終於可以解釋宇宙微波背景輻射是什麼了，它就是大爆炸的餘暉。大爆炸時宇宙的温度非常高，但隨着體積的膨脹，温度逐漸下降。到了現在，宇宙的温度已經下降到了3 K左右，也就是零下270攝氏度左右。因此，我們無論在什麼地方、什麼方向，都能探測到相當於3 K温度的輻射。這就是它為什麼叫做背景輻射。

宇宙微波背景輻射是大爆炸理論的關鍵證據之一，對它的測量也成了一座金礦，不斷在揭示出關於宇宙的關鍵信息。例如，宇宙的年齡有多大了？它的最終命運是什麼？宇宙中有多少物質和能量？

這最後一個問題引出了皮布爾斯的另外一項重要成果：提出暗物質和暗能量。以後有了更恰當的機會，我們再來詳細介紹暗物質和暗能量。

2006年的諾貝爾物理學獎頒給了美國科學家約翰·馬瑟（John C. Mather）和喬治·斯穆特（George F. Smoot），就是因為他們對宇宙微波背景輻射的精細測量。宇宙微波背景輻射大致是各向同性的，但又有十萬分之一量級的各向異性。好比大海的表面，遠看是光滑的，靠近卻能看到漣漪。這些漣漪，就揭示了宇宙的早期歷史。

約翰·馬瑟

喬治·斯穆特

瞭解了這些你就會感到，探測的都獲獎了，提出的卻沒獲獎，這真是太説不過去了！

宇宙微波背景輻射的探測裝置，以前都來自歐美，例如COBE（Cosmic Background Explorer）、WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）和Planck衞星。它們不斷接力，把精度推向前進。

宇宙微波背景輻射全天圖：從COBE到Planck

（宇宙大爆炸之前是什麼？| 天問專欄）

現在，中國也要加入進來了。在西藏阿里，中國科學院高能物理研究所主導的“阿里原初引力波探測實驗”正在建設中。它的望遠鏡通過對宇宙微波背景輻射的偏振觀測，可望探測到原初引力波，也就是大爆炸留下的另一種信號，引力波的信號。

對於這個目標，海拔高、大氣乾燥是對台址的基本要求。阿里地區海拔高達5250米，大氣透射率高，水汽含量低，因此是北半球的最佳觀測點。

我的朋友、科大天文系的蔡一夫教授，現在就經常往阿里跑。雖然他是理論家，不是實驗家，但他非常希望阿里項目能夠檢驗他的宇宙學理論。是的，我們即將進入用自己的儀器、檢驗自己的理論的時代！

瞭解了這些令人心馳神往的科學道理之後，讓我們再回到科學家個人的情感。

1965年，在彭齊亞斯和威爾遜向他的導師迪克打電話的時候，皮布爾斯只有30歲。很難想象，從那時到現在84歲，他的心裏經歷了多少波瀾？有沒有抱怨過命運的不公？有沒有想到過自己在有生之年還能獲獎？有沒有想到過以這種理由獲獎？

諾貝爾獎委員會發的一條推特，給出了他的一個正式回應（https://m.jiemian.com/article/3557852.html）。在得知自己獲獎之後，他説：

“我對進入科學的年輕人的建議是：你應該出於對科學的熱愛來從事它……你進入科學的原因應該是，你對它深深地着迷。”

皮布爾斯對年輕人的建議