主题：2006 炸药物理奖 -- 邪恶本质

今年的诺贝尔物理奖颁给了美国航空航天局（NASA）的John Mather和加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的George F. Smoot，以表彰他们在发现宇宙微波背景辐射的黑体谱形式和各向异性中做出的贡献。

宇宙微波背景辐射（CMBR）是在1965年由美国贝尔实验室的 Arno Penzias 和 Robert Woodrow Wilson在研究如何降低一个卫星信号接收天线的本底信号的时候无意中发现的。他们发现在波长为7.35cm的波段上存在一个信号，这个信号并非来自地球、太阳甚至银河系，而是来自各个方向！这个信号等价于2.7K温度的黑体辐射，而地球就沐浴在这个辐射当中，该辐射被称为微波背景辐射。而他们因此获得了1978年的诺贝尔物理奖。

在实验上发现微波背景辐射之前，有不少物理学家对可能存在的微波背景辐射的温度做出了预言，但是由于缺乏实验证据，一直没能得到重视。而 Penzias 和 Wilson 不是做宇宙学的，他们不知道该如何解释他们的数据。这时刚好在离他们不远处的普林斯顿大学的一个小组正准备做实验探测微波背景，他们认为如果大爆炸存在的话，将留下一个微波背景辐射。Penzias的一个朋友看到了普林斯顿那个小组关于背景辐射的一篇文章，将其告诉了Penzias。Penzias 立即意识到这可能是他们无法解释的信号来源。在和普林斯顿的小组联系了以后，他们决定双方联合发表两篇文章。普林斯顿的文章提出微波背景辐射作为大爆炸理论的证明的重要性，而Penzias等人的文章则说我们在某个波段发现了一个信号，该信号各向同性且可以用上篇文章解释云云。

根据已经非常成熟的热大爆炸宇宙学，微波背景辐射的来源不是在大爆炸的时刻，而是在宇宙早期的一个状态，在宇宙年龄为40万年时，这时温度降低到3000K，发生了光子的退耦合，也就是随着宇宙的膨胀，由于能量，光子很难再和其它粒子发生反应（这时光子等效能量只有0.25电子伏特，远小于让氢原子电离的13.6电子伏），而是飞向无限远。这些光子就是今天的微波背景辐射。在退耦合的时候，温度是相当高的，但是由于宇宙的膨胀，光子发生红移，频率降低，到了今天我们观测的时候就是仅仅相当于温度为高于绝对零度2度的黑体辐射了——现在的宇宙空间中是非常寒冷的。

从理论上来说，如果在退耦合时刻的物质完全均匀，微波背景辐射将是完全各向同性的。也就是说，由于地球相对于微波背景辐射也有相对运动，考虑到多普勒效应，并把该效应扣除后，我们观测到的背景辐射在各个方向上是完全一样的。早期的实验在它们的精度上也证实了这一点。但是考虑实际退耦合的物理过程，必然存在小的扰动，上世纪七十年代，有人做出估计，微波背景辐射上存在10e-4到10e-5数量级的不均匀性。这么小的量级意味着需要在更高的精度上测量微波背景辐射，人们也希望着能发现背景辐射上的小扰动。

在地球上观测微波背景辐射，干扰很多，精度不高。于是物理学家就开始想办法把探测器装到探空气球和卫星上。第一个专门用于探测微波背景辐射的卫星COBE （Cosmic Background Explorer，宇宙背景探索者）于1989年发射，该项目的两位领导人就是本届诺贝尔物理奖的得主。

1994年，COBE组发布了一幅在较新的宇宙学教材上广为引用的图片，就是宇宙微波背景辐射的谱图。

在该图上可以看出，测量的点刚好分布在一条等效于2.73K的理想黑体辐射[注1]的谱图上，这就是所谓的微波背景辐射的黑体形式。该发现意味着热大爆炸宇宙学的理论是非常正确的。

COBE也给出了反映微波背景辐射的内在各向异性的结果。

它反映了早期宇宙在局部存在涨落，物理学家相信正是这些微小的涨落导致了后来的结构形成，也才有了宇宙的今天。通过对各向异性的理论推导和更新的实验（比如 CBI、WMAP）的数据分析，物理学家甚至在非常高的精度范围内计算出宇宙的年龄和物质的分布，暗物质和暗能量也是在2003年新的实验数据发布之后才深入人心的。

作为卫星探测微波背景辐射的先驱，COBE极大地推动了宇宙学的发展，也使得我们对于宇宙的认识发生了革命性的变化。作为项目负责人的Mather和Smoot，诺贝尔奖当之无愧。

[注1]理想黑体：完全吸收所有外来辐射而不发生反射和透射的物体，理想黑体发出辐射只和它的温度有关，可以用Planck黑体辐射公式来描述。