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第8章 膨胀的宇宙(1)

第(3/4)节
看,也不论在任何地方进行观察,宇宙看起来都是一样的。弗里德曼指出,仅仅从这两个观念出发,我们就应该预料宇宙不是静态的。事实上,弗里德曼在1922年所做的预言,正是几年之后埃德温·哈勃观察到的结果。

    很清楚,关于宇宙在任何方向上都显得一样的假设,实际上是不对的。例如,正如我们看到的,我们星系中的其他恒星形成了横贯夜空的叫做银河系的光带。但是如果看得更远,星系数目则或多或少显得是相同的。所以假定我们在比星系间距离更大的尺度下来观察,而不管在小尺度下的差异,则宇宙确实在所有的方向看起来是大致一样的。在很长的时间里,这为弗里德曼的假设——作为实际宇宙的粗糙近似提供了充分的理由。但是,近世出现的一桩幸运事件揭示了以下事实,弗里德曼假设实际上异常准确地描述了我们的宇宙。

    1965年,美国新泽西州贝尔电话实验室的两位美国物理学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在检测一个非常灵敏的微波探测器。(微波正如光波,但是它的波长大约为1厘米。)他们的探测器收到了比预想的还要大的噪声。彭齐亚斯和威尔逊为此而忧虑,这噪声不像是从任何特别的方向来的。首先他们在探测器上发现了鸟粪并检查了其他可能的故障,但很快就排除了这些可能性。他们知道,当探测器倾斜地指向天空时,从大气层里来的任何噪声都应该比原先垂直指向时更强,因为从接近地平线方向接收比起直接从头顶方向接收,光线要穿过多得多的大气。然而,不管探测器朝什么方向,这额外的噪声都是一样的,所以它一定是从大气层以外来的。并且,它在白天、夜晚、整年都是一样,尽管地球围绕着自己的轴自转或围绕太阳公转。这表明,这辐射必须来自太阳系以外,甚至星系之外,否则,当地球的运动使探测器指向不同方向时,噪声就会变化。

    事实上,我们知道这辐射必须穿过我们可观察到的宇宙的大部分才行进至此,并且由于它在不同方向上都一样,如果只在大尺度下,这宇宙也必须是各向同性的。现在我们知道,不管我们朝什么方向看,这噪声的变化总是非常微小:这样,彭齐亚斯和威尔逊无意中非常精确地证实了弗里德曼的第一个假设。然而,由于宇宙并非在每一个方向上,而是在大尺度的平均上完全相同,所以微波也不可能在每一个方向上完全相同。在不同的方向之间必须有一些小变化。1992年宇宙背景探险者,或称为be,首次把它们检测到,其幅度大约为十万分之一。尽管这些变化很小,但是正如我们将在第八章解释的,它们非常重要。

    大约与彭齐亚斯和威尔逊在研究探测器中的噪声的同时,在附近的普林斯顿大学的两位美国物理学家,罗伯特·狄克和詹姆斯·皮帕尔斯也对微波感兴趣。他们正在研究乔治·伽莫夫(曾为亚历山大·弗里德曼的学生)的一个见解:早期的宇宙一定是非常密集的白热的。狄克和皮帕尔斯认为,我们应该仍然能看到早期宇宙的白热,这是因为从它的非常远的部分来的光,刚好现在才到达我们这里。然而,宇宙的膨胀把光红移得如此厉害,现在只能作为微波辐射被我们观察到。正当狄克和皮帕尔斯准备寻找这辐射时,彭齐亚斯和威尔逊听到了他们的工作,并且意识到,他们自己已经找到了它。为此,彭齐亚斯和威尔逊被授予1978年的诺贝尔奖(狄克和皮帕尔斯看来有点难过,更别提伽莫夫了)。

    现在初看起来,关于宇宙在任何方向看起来都一样的所有证据似乎暗示,我们在宇宙中的位置有点特殊。特别是,如果我们看到所有其他的星系都远离我们而去,那似乎我们必须在宇宙的中心。然而,还存在另外的解释:从任何其他星系上看宇宙,在任何方向上也都一样。正如我们已经看到的,这是弗里德曼的第二个假设。我们没有任何科学的证据去相信或反驳这个假设。我们之所以相信它只是基于谦虚:因为如果宇宙只在围绕我们的所有方向显得相同,而在围绕宇宙的其他点却并非如此,则是非常令人惊奇的!在弗里德曼模型中,所有的星系都相互直接离开。
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