解广袤的宇宙。正如第3章中提到的，物体发出的电磁辐射的波长范围.2
的虚焊点、布线瑕疵、电子学故障、接收器偏差等。甚至为保万全，所
有接口处都拿铝膜胶带缠定。
有一点引起了他们注意：一对鸽子在喇叭天线内做窝。彭齐亚斯和
威尔逊认为，沉积在喇叭上的鸽子屎这种“白色介电材料”可能是噪声的
原因。因此，他们捉住鸽子，把它们安置在一辆邮车上，送到距贝尔实
验室50千米外的地方放飞。他们将天线擦洗得锃亮，但可惜，鸽子有归
巢的本能，又飞回到望远镜的号角天线内，并开始再次沉积白色介电材
料。彭齐亚斯再次将鸽子捕获，但这次他不情愿地决定一劳永逸地摆脱
它们：“有一个鸽友愿意帮我们处理掉它们，但我想最人性化的做法是
打开笼子，开枪射杀。”
经过一年的检查、清洁和重新布线，射电望远镜的噪声水平有所降
低。彭齐亚斯和威尔逊将剩余噪声归结为可能是大气的影响以及环境在
射电望远镜的号角壁上产生的效应，他们只得接受：这两种噪声源是完
全不可避免的。但是，这仍不能完全解释他们检测的所有噪声。他们投
入了巨大的时间、精力和金钱，以便理解并尽量减少射电望远镜的噪
声，但总有这种既神秘莫测又源源不绝的噪声成分：无论何处，无论何
时，在各个方向上总存在这种莫名来源的无线电波。
两位沮丧的射电天文学家没有意识到，他们遇到了宇宙学史上最重
要的一个发现。他们完全无视这样一个事实，即这种无所不在的噪声其
实是大爆炸的残留物：它是宇宙早期膨胀阶段的“回响”。这种恼人
的“噪声”将成为证明大爆炸模型的正确性的最具说服力的证据。
如果你还记得，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼曾计算过，在大爆炸后宇
宙会经历一个大约30万年的过渡期。届时宇宙的温度会下降到大约
3000℃，冷到足以让以前自由飘浮的电子被原子核俘获，形成稳定的原
子。充斥宇宙间的光海不再与带电的电子或原子核相互作用，因为后者
已经彼此结合成中性原子。宇宙演化史上的这一刻称为重组，此后原始
光线可以没有任何改变地穿过宇宙——只有一点除外。
伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼曾预言，随着宇宙随时间膨胀，原始光的
波长会随着空间本身的延展而拉长。就是说，在宇宙大爆炸之初，原始
光的波长大约是千分之一毫米，而根据大爆炸模型，宇宙在这30万年里
膨胀了大约1000倍，因此这些光的波长现在应该有大约1毫米，即它们
处于电磁波谱的射电波段。
大爆炸的回声现已转变成无线电波，并且被彭齐亚斯和威尔逊的射
电望远镜当作噪声检测到。这些波在电磁波谱上属于微波波段，这就是
为什么这种大爆炸的回声后来被称为宇宙微波背景（CMB）辐射的原
因。存在不存在CMB辐射对于大爆炸与稳恒态的辩论至关重要，它被
列为表4中的第五项判据。
虽然CMB辐射的存在早在20世纪40年代就已明确预言，但到60年
代科学界很大程度上将其遗忘了。这就是为什么彭齐亚斯和威尔逊没能
将测得的无线电噪声与大爆炸模型联系起来的原因。然而，他们使得称
颂的是，他们没有忽略掉这种神秘的无线电噪声，尽管一直为此感到苦
恼和困惑。他们一直在相互之间以及与同事之间探讨这个问题。
1964年底，彭齐亚斯参加在蒙特利尔召开的天文学会议。在会议期
间，他很偶然地向麻省理工学院的伯纳德·伯克提到了这个噪声问题。
几个月后，伯克兴奋地给他打电话。他收到了普林斯顿大学的宇宙学家
罗伯特·迪克和詹姆斯·皮布尔斯的论文初稿。这篇文章解释说，普林斯
顿团队一直在研究大爆炸模型，并意识到宇宙间应该存在一种无所不在
的CMB辐射，这种辐射在今天应为1毫米左右的波长的无线电信号。迪
克和皮布尔斯根本不知道他们是在步15年前伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼的
后尘。尽管姗姗来迟，但毕竟他们独立地重新提出了CMB辐射。迪克
和皮布尔斯也没想到贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊已经发现了CMB
辐射。
总之，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼在1948年就已预言了CMB辐射，
但在随后的10年里每个人都忘记了这一预言。接着在1964年，彭齐亚斯
和威尔逊发现了CMB辐射，但并没有意识到这一点。在大致相同的时
间，迪克和皮布尔斯再次预言了存在CMB辐射，但他们不知道这一预
言有人在1948年就已经做出。最终，伯克告诉了彭齐亚斯有关迪克和皮
布尔斯的预言。
突然间，彭齐亚斯意识到一切都已水落石出。他终于明白一直困扰
他的射电望远镜的噪声源是什么，并认识到它的重要性。这种无处不在
的噪声之谜终于得到解决。它无关乎鸽子、无关乎线路板走线或纽约大
都市，它起源于宇宙的创生。
彭齐亚斯打电话给迪克，告诉后者他已经检测到普林斯顿论文中所
描述的CMB辐射。迪克惊呆了，特别是因为彭齐亚斯打电话的时机。
它打断了正在进行的午餐会。本来他们打算在午餐会上讨论普林斯顿自
己的CMB辐射探测器的建设，迪克和皮布尔斯想亲自检测他们的预
言。现在这种探测器建造已变得毫无意义，因为彭齐亚斯和威尔逊已经
验证了这一预言。迪克放下电话，转身对他的组员惊呼道：“各位，我
们已经被人抢先了。”迪克和他的团队迫不及待地于第二天拜访了彭齐
亚斯和威尔逊。对射电望远镜及其数据的检查证实了一切。发现CMB
辐射的这场竞赛以贝尔实验室小组悄无声息地击败对手普林斯顿而宣告
结束。
1965年夏天，彭齐亚斯和威尔逊在《天体物理学期刊》上发表了他
们的结果。他们用短短的600字保守地宣布了他们所检测到的东西，不
附带任何个人解释。这一机会留给了迪克和他的团队，他们在同一杂志
上发表了姐妹篇，明确地将彭齐亚斯和威尔逊的观测结果与CMB辐射
联系起来。他们解释了贝尔实验室的两人是如何发现所预言的大爆炸的
回声的。这是一场美丽的联姻。迪克团队给出一个理论但没有观测数
据，而彭齐亚斯和威尔逊有观测数据但没有理论。把普林斯顿大学和贝
尔实验室合在一起，便将一个恼人的问题变成了一个巨大的胜利。
大爆炸模型明确预言了CMB辐射的存在及它今天应有的波长。相
比之下，稳恒态模型没有提到CMB辐射，也无法想象宇宙中充满微波
的情景。因此，CMB辐射的发现似乎是一项决定性的证据，它证明了
宇宙始于数十亿年前的一个全能的大爆炸。
因此，CMB辐射的发现也驳斥了稳恒态模型。这使得威尔逊在享
受确立CMB辐射和大爆炸理论的真实性所带来的幸福感的同时不免有
些悲伤，因为他在某种程度上一直保持着对稳恒态模型的偏爱：“我的
宇宙观是在加州理工学院从霍伊尔那里学到的，我非常喜欢稳恒态宇
宙。哲学上，我还是有点喜欢它。”
他的悲伤无疑很快被铺天盖地而来的喝彩声冲淡了。美国宇航局的
天文学家罗伯特·杰斯特罗认为，彭齐亚斯和威尔逊“做出了500年来现
代天文学的最伟大的发现”。哈佛大学的物理学家爱德华·珀塞尔则在赞
美对CMB辐射的检测上准备走得更远：“这可以说是史无前例的最重要
的事情。”
然而，这一切都是侥幸的结果。彭齐亚斯和威尔逊的这一发现纯属
意外。他们的主要目标一直是开展标准的射电天文学普查，但他们最大
的分心竟然是他们最大的发现。30年前，卡尔·央斯基曾在贝尔实验室
做出了一个幸运的发现，并因此创立了射电天文学；现在还是在同一门
学科，还是同一个研究机构，偶然性再度来袭，只是这次的发现更加辉
煌。
CMB辐射只是在等待被那些偶然将足够灵敏的射电天线对准宇宙
的人来发现。碰巧这两人就是彭齐亚斯和威尔逊。然而，他们这一发现
的偶然性质并非羞于启齿，因为这样的突破不仅需要运气，还需要有相
当的经验、知识、洞察力和坚忍不拔的毅力。有确凿的证据表明，法国
人埃米尔·拉鲁在1955年，乌克兰人季格兰·什毛诺夫于1957年都曾在进
行射电天文学巡查期间独立检测到CMB辐射，但他们都把它当作仪器
的瑕疵引起的白噪声给忽略掉了。他们缺乏彭齐亚斯和威尔逊发现
CMB辐射时所具有的决心、毅力和严谨性。
甚至在彭齐亚斯和威尔逊的论文发表之前，他们的这一突破的消息
就已在宇宙学界迅速传开了。1965年5月21日，《纽约时报》以头版向
公众报道了这个故事，它采用的通栏标题是：“信号暗示’大爆炸’宇
宙”。读者对这一发现狂热到痴迷的程度，因为这是宇宙的意义，而且
还具有一定朴实的魅力。彭齐亚斯是这样描述的：
当你今晚走到户外，并摘下帽子，你的头皮就能感受到大爆炸带来
的一丝温暖。如果你有一个品质良好的调频收音机，而且你站在两个微
波中继站之间，你就会听到“嘶-嘶-嘶”的声音。你可能听到过这样的哗
哗声。它像是一种抚慰。有时它很像海浪的拍击声，你听到的声音，大
约有千分之五是来自数十亿年前传来的噪声。
《纽约时报》的文章只是对宇宙创生的大爆炸模型的一种非正式的
认可。爱因斯坦、弗里德曼和哈勃——几位对大爆炸模型做出卓越贡献
的人——都没能活着看到它的平反。唯一活着见证历史上最伟大的宇宙
学争论的结论的宇宙学之父是乔治·勒迈特，他曾率先给出了大爆炸的
理论基础。当他听说已检测到CMB辐射的消息时，他因心脏病发作刚
在鲁汶大学校医院被抢救过来。仅仅一年后，他便去世了，享年71岁，
他一辈子都是一位忠实的牧师和献身宇宙学的宇宙学家。
当伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼得知CMB辐射的发现时，他们的喜悦
掺杂了些苦涩。他们在迪克和皮布尔斯之前就曾预言了大爆炸的这种回
声，但他们的这种开拓性贡献几乎没有得到学术界的认可。发表在《天
体物理学期刊》上宣告这一突破的两篇原始论文没有提及他们的贡献；
随后，迪克在《科学美国人》杂志上发表的综述性文章也没有提到他们
的名字。事实上，几乎所有的学术文章和科普文章在谈及彭齐亚斯和威
尔逊的发现时都没有提及伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼。
相反，迪克和皮布尔斯则是提出存在CMB辐射预言的理论家。迪
克和皮布尔斯毫无疑问是杰出的宇宙学家，但他们仅仅是重走了一遍
1948年就已开辟的路径，问题在于宇宙学已由新一代物理学家所把持，
他们对伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼的工作根本不熟悉。
伽莫夫试图利用一切机会确立他的团队在预言大爆炸回声方面的优
先权。例如，在得克萨斯州举行的讨论CMB辐射的天体物理学会议
上，当伽莫夫被问到最近发现的辐射是否确实是他、阿尔弗和赫尔曼曾
预言的现象时，伽莫夫站在讲台上回答道：“好吧，让我打个比方。我
在这附近掉了一枚硬币，现在在我掉硬币的地方找着了一枚硬币，我知
道所有的硬币看起来都一样，但我认为这枚硬币就是我掉的那枚硬
币。”
当彭齐亚斯最终得知CMB辐射的最初预言可以追溯到1948年时，
他给伽莫夫写了一张和解的便条，要求伽莫夫提供更多的信息。伽莫夫
给出了自己早期在相关研究方面的详细描述：“因此你看，世界并不是
始于万能的迪克。”
拉尔夫·阿尔弗感到更加愤慨，因为他一直是预言CMB辐射这一研
究项目的主要负责人，但他得到的认可甚至还不如伽莫夫。在从事预言
CMB辐射的研究时他还是个年轻人，因此风头经常被伽莫夫盖过。更
糟糕的是，在阿尔弗、贝特和伽莫夫联名撰写的关于核合成的论文署名
（α-β-γ）上，他的排序地位甚至更靠后。
当后来有记者问阿尔弗他是否对于彭齐亚斯和威尔逊不承认他的贡
献感到愤慨时，他说出了他的内心感受：“我受到伤害了吗？是的！他
们考虑过我的感受吗？他们甚至从来没有邀请过我们去看看该死的射电
望远镜，我能不失望吗？发火当然很愚蠢，但我确实很恼火。”
在描述他们工作的《大爆炸的成因》一书中，阿尔弗和赫尔曼给出
了更为得体的反应：
一个人从事科学出于两个原因：第一次认识到一个事物或首次测量
了某个量所带来的快感，以及这么做了之后至少被人知道，如果得不到
同行认可的话。但有些同事认为，科学的进步才是最重要的，至于是谁
做出的这一贡献则无关紧要。然而，我们不能不注意到，同样是这些同
事，他们对他们的工作得到认可感到高兴，并在尊敬的科学界评选成果
时欣然接受这样一种认可。
同时，为表彰彭齐亚斯和威尔逊的工作，在他们做出这一发现的10
年后的1978年，他们荣获了诺贝尔物理学奖。在这期间，天文学家们细
化了他们对CMB辐射的测量，仔细检查了这种辐射特性与大爆炸模型
所预言的那些性质的符合程度。结果表明，CMB辐射和大爆炸模型显
然都货真价实。
彭齐亚斯利用颁奖仪式的机会向他父母表示了由衷的感谢。他们将
他从纳粹德国的魔爪下解救出来并带他到了纽约：
我想，如果我可以这么说的话，要一件犹太人做的燕尾服，就是服
装市场做的那种。我母亲就曾在那里工作，整整一代犹太移民通过在那
里工作把他们的下一代送进了大学。我不想在普林斯顿或纽约的时装店
里买燕尾服，在那里买的话，卖给你的那个人可能会让你因为穿着它感
到羞愧。我想这件燕尾服就是我而不是某种服装。
他还利用做诺贝尔颁奖报告的机会以正视听，明确承认并称赞了伽
莫夫、阿尔弗和赫尔曼的贡献。彭齐亚斯对大爆炸模型的发展和证明的
过程做了历史性回顾。这种回顾主要是基于几个星期前与阿尔弗进行的
长时间讨论。阿尔弗似乎终于找到了一种能与物理学界和平交流的方
式。
然而仅仅一个月后，阿尔弗便罹患了严重的心脏病。也许他为了争
得学术成果得到承认已不堪重负，也许没能分享诺贝尔奖所带来的失望
过于强烈。阿尔弗的健康在逐渐恢复，但他已不得不继续与疾病的困扰
做长期斗争。
宇宙涟漪的必然性
诺贝尔奖颁给彭齐亚斯和威尔逊标志着大爆炸模型已成为科学主流
的一部分。没过多久，这个宇宙创生模型甚至得到了史密森国家航空航
天博物馆的认可。要举办一个表现大爆炸模型的发展背后所奠定的理论
和观测成果的展览可不是一件容易的事情，但展览策划者提出了一些富
有想象力的决定。史密森选择展示君度酒瓶，就是伽莫夫和阿尔弗为庆
祝他们在核合成方面的突破所用的那个酒瓶（如图83所示）。理想情况
下，博物馆还可以安装贝尔实验室的6米见方的射电望远镜用于检测
CMB辐射，但这是不切实际的。取而代之的是，它展示了彭齐亚斯和
威尔逊为降低噪声而曾经用过的鸽子笼（如图97所示）。
图97 用于捕捉做窝于贝尔实验室的射电望远镜的鸽子的鸽子笼。这个鸽子笼是当年彭齐亚斯
和威尔逊试图解释神秘的噪声来源时所做出的努力的一部分，现成为史密森国家航空航天博物
馆的展品之一。
CMB辐射的检测给了宇宙学家一个新的信心。CMB辐射不仅存
在，而且是以预期的波长形式存在。这除了意味着大爆炸模型是基本正
确的之外，还意味着宇宙学家已经了解了宇宙在大爆炸之初其温度和密
度如何演化的一些细节。
对于大多数研究人员来说，CMB辐射是有利于创生时刻和不断演
化的宇宙的确凿证据，它对于基本稳恒的宇宙是不利的。每过去一年，
就有越来越多的科学家改换门庭从稳恒态模型转向大爆炸模型。1959
年，即大爆炸与稳恒态的争论处于巅峰的那一年，有机构对美国天文学
家的倾向性做过问卷调查。1980年，即彭齐亚斯和威尔逊荣获诺贝尔奖
之后两年，该机构再次进行了同一问卷调查。1959年的结果表明，有
33%的天文学家支持大爆炸理论，24%的人赞成稳恒态，其余43%的人
没有表态。而在1980年的调查中，支持大爆炸的天文学家上升到69%，
而坚持稳恒态的只有2%，29%的人没有表态。
变节者之一是稳恒态的先驱赫尔曼·邦迪，他曾说过：“如果存在大
爆炸，让我看看它的化石。”现在他不得不承认CMB辐射就是完美的化
石，并不再相信他曾帮助建立起的模型。但是托马斯·金则坚守信
念：“我实在看不出稳恒态理论有什么毛病。我不会因为相信一件事情
的人数而改变自己的信念。科学不是由盖洛普民意调查来进行的。”
同样，霍伊尔继续嘲笑大爆炸模型和那些相信它的人：“将大爆炸
宇宙学紧紧揽入科学怀抱的那种狂热显然深深根植于对《创世纪》第一
页所述的信仰，是宗教原教旨主义的最强形态。”
如果霍伊尔打算扭转舆论潮流并赢得这场辩论，他就必须更努力地
去做而不是对大爆炸的支持者进行诽谤。通过与同事如贾扬特·纳里
卡、钱德拉·维克拉马辛哈和杰佛瑞·伯比奇等人的合作，他将原始的稳
恒态模型改造成一个开始看上去与天文学观测比较一致的升级版。新的
准稳恒态模型要求宇宙在两次长期膨胀之间有一个规则的收缩阶段。修
订版不再声称物质被不断创造出来，而是依赖于爆发时所创造的物质。
尽管有了这些修改，宇宙的准稳恒态模型还是未能赢得广泛的支持。
图98 霍伊尔与他的朋友和同事贾扬特·纳里卡。后者帮他发展出宇宙的准稳恒态模型。他们一
边喝着茶一边在黑板上讨论他们的理论。
尽管如此，霍伊尔继续捍卫他的模型：“我认为，公平地说，这个
理论已表现出强大的生命力，它就是我们应该正确寻找的理论。一方面
理论和观察并行不悖，另一方面突变和自然选择均有用武之地。理论提
供了突变机制，观察提供了自然选择的结果。理论从来不能被证明是正
确的。它们能做到最好的就是生存。”但稳恒态模型及其准稳恒态版本
还是挣扎在生死线上。任何不抱偏见的观察者都可以看出，它们处在灭
绝的边缘，而大爆炸模型不仅生存无忧，而且蓬勃发展。
宇宙显然在大爆炸模型的背景下显得更具意义。例如，在1823年，
当时的科学家们认为宇宙是无限的和永恒的，而德国天文学家威廉·奥
尔伯斯却想知道为什么夜空不是被星光照耀得如同白昼。他的理由是，
一个无限大的宇宙包含有无限数量的恒星，如果宇宙真是无限古老，那
么就将允许星光经过无穷长的时间达到我们这里。因此我们的夜空应该
充满了来自所有这些恒星的无限量的光。
空间明显不具有这种无限大的光的事实被称为奥尔伯斯佯谬。可以
有多种方法来解释为什么夜空不是无限明亮，但其中大爆炸的解释也许
是最具说服力的。如果宇宙只是在数十亿年前被创造出来的，那么星光
就需要有足够长的时间从有限体积的空间到达我们这里，因为光速只有
30万千米/秒。总之，宇宙的有限年龄和光速的有限性导致夜空只存在
有限的光，这就是我们观察到的结果。
最能说明大爆炸对稳恒态宇宙占据明显优势的方法是重新审视我们
在本章开头给出的关键判据表（表4）。它呈现的是1950年辩论双方的
状态，一些研究结果有利于大爆炸，另一些则看好稳恒态模型。但是，
自1950年以后，每项新的观测证据似乎都支持大爆炸模型，不利于稳恒
态模型，如表6所示。这个表显示的是1978年对垒双方的状态，这一年
彭齐亚斯和威尔逊荣获了诺贝尔物理学奖。
在7项决定性的判据中，大爆炸模型在其中4项上较强。其余3项可
以判断为：有一项稳恒态模型胜出，一项是两个模型均成功，一项是两
个模型均失败。
撇开创生问题，这个问题对两个模型都仍很困难，宇宙学家的注意
力集中在大爆炸模型剩下的唯一问题上：目前还不清楚从大爆炸创生的
宇宙如何能够演化出星系。正如霍伊尔曾经指出的：“如果你假定足够
猛烈的爆发能够解释宇宙的膨胀，那么像星系这样的凝聚状态就永远无
法形成。”换句话说，霍伊尔抱怨的是，大爆炸之所以荒谬，就是因为
它把所有现存物质炸得四分五裂来创建一个包含稀薄的，甚至一鳞半爪
的物质的宇宙，而不是一个物质集中于星系的宇宙。
大爆炸的支持者被迫同意，大爆炸将导致——至少在初期——一锅
物质汤，它确实被宇宙膨胀炸得四分五裂。大爆炸模型面临的挑战是明
确的——宇宙如何能够从无可比拟的平淡景观中演化出一个由巨大的虚
空隔开的大质量星系？
大爆炸宇宙学家希望，早期宇宙虽然很均匀，但不可能一直呈完全
的均匀。他们乐观地认为，早期宇宙中一定存在某种程度上的小扰动，
是它打乱了宇宙的同质性。如果是这样的话，那么他们认为，这些密度
上最微小的变化足以引发宇宙必要的演化。
稍致密点的区域将会形成吸引物质的引力中心，从而使得这些区域
吸引更多的物质，变得更为致密，如此循环，直至形成第一个星系。换
句话说，如果宇宙学家推测密度上存在丝毫变化，那么就不难想象引力
是如何驱使宇宙形成丰富而复杂的结构和次级结构的。
如果这就是大爆炸模型的星系形成机制，那么宇宙极早期的密度涨
落将成为非凡的宇宙凝结的最早的种子。今天宇宙中充满了平均密度大
约为1 g/cm 3的物质，这个密度与水的密度差不多。例如，太阳的密度
比水稍致密些，为1.4 g/cm3，而土星则不太密集，为0.7 g/cm3。另一方
面，宇宙也有巨大的虚空，虚到几乎没有任何物质。因此，宇宙的整体
平均密度，如果同时将星系和虚空空隙考虑进来，大致是
0.000000000000000000000000000001g/cm3。这意味着有些宇宙区域，特
别是我们居住的地方，要比平均密度致密1030倍。
因此，大爆炸的看法是，早期宇宙是一锅最均匀、最一致、最顺滑
的可以想象的物质汤。在这个几乎处处均匀的海洋里有那么一丁点变
化，它在数十亿年间引发了一连串事件，使得宇宙变成既有高密度的星
系又有密度接近于零的虚空空间。
表6
下表列出了大爆炸模型和稳恒态模型孰是孰非的不同判据。它显示
的是在1978年所获数据基础上这两个模型的表现。本表是表4的升级
版。“√”和“×”给出每个模型在相关判据前的大致优劣，问号表示该项缺
乏数据或赞同和不赞同的难辨胜负。
为了证明真的发生过这种巨大的转变，大爆炸宇宙学家们将不得不
去寻找触发星系形成的密度变化的证据。否则，没有这些确凿的涨落证
据，大爆炸模型就无从回答少数稳恒态理论家（如霍伊尔）的批评。
寻找早期宇宙涨落的最合适的地方显然是宇宙最古老的遗迹，即
CMB辐射。这种辐射是宇宙历史上某个特定时刻发射出来的，因此现
在被当作化石，它代表宇宙在创生后大约30万年间最早原子形成时的状
态。因此通过检测这种CMB辐射，射电天文学家能够在时间上有效地
回溯宇宙在其早期阶段的演化。大爆炸模型估计，宇宙至少有100亿
岁，所以能够看到年龄30万年的宇宙就相当于看到了仅为目前年龄的
0.003%时的宇宙。让我们给宇宙一个更人性化的时间尺度。我们将当今
的宇宙比作一个70多岁的老人，那么CMB辐射的出现则发生在宇宙还
只是一个出生仅短短几个小时的初生婴儿。
观察CMB辐射相当于时间上回头看可能不是那么显然，但天文学
家观测一颗遥远恒星时其实做的是同样的事情。如果一颗恒星距离我们
100光年，那么它的光就将要100年才能到达我们这里，所以我们只能看
到的这颗恒星是它100年前的状态。同样，如果CMB辐射是在数十亿年
前被释放出来的，并用了数十亿年才到达我们这里，那么当天文学家最
终发现它时，他们实际看到的便是数十亿年以前的宇宙，那时它只有30
万岁。
如果在宇宙史上此时发生了密度变化，那么它们应该在我们今天看
到的CMB辐射上留下印迹。这是因为如果宇宙有些地方的密度稍高于
平均密度——一个鼓包——那么在这个地方CMB辐射就会有明显的效
应。从这个区域放出的辐射在逃脱鼓包的高于平均密度的额外引力时就
会经历一个稍大的挣扎。因此，鼓包处的CMB辐射会失去一些能量，
因此它的波长稍长。
这样，通过检查来自宇宙不同方向的CMB辐射，天文学家希望检
测到其波长稍有不同。来自波长稍长方向的辐射将表明，它来自古宇宙
那些密度稍大的地方，而来自波长略短的不同方向的辐射将表明它源自
古宇宙那些密度略小的地方。如果天文学家能从CMB辐射中找到这些
波长变化，那么他们将能够证明，在宇宙早期确实存在密度涨落，它们
就是形成星系的种子。这样，大爆炸模型将变得更加引人注目。
彭齐亚斯和威尔逊已经证明，存在CMB辐射而且它有大致正确的
波长，但现在天文学家们开始要更精确地来测量它，以便表明来自宇宙
某一部分的辐射的波长确实不同于其他部分所发出辐射的波长。不幸的
是，CMB辐射看起来似乎处处一样。它应该是大致一致的，因为早期
宇宙在空间每一点上是非常相似的，但测量显示，来自各个方向的辐射
不只是相似，而是完全相同。波长上没有一丁点增加或减少的迹象。
稳恒态理论家抓住这个否定结果作为大爆炸模型的危险征兆，因为
今天的CMB辐射的波长观测不到变化意味着在早期宇宙中不存在密度
变化，这意味着我们今天看到的星系没法解释。
但大多数宇宙学家并不慌张。他们认为变化肯定是确实存在的，但
太微弱，没被检测到，因为现有的观测技术还太粗糙。这似乎是一个合
理的说法。例如，你看的这一页的纸张看起来非常光滑，但借助足够灵
敏的设备，其表面的不平整度就会变得十分明显（如图99所示）。也许
可以证明CMB辐射的真实结构同样如此，其变化还有待更仔细的检查
来发现。
到了20世纪70年代，最新设备的灵敏度足以检测出CMB辐射的1%
的电位差，但仍然没有任何变化的迹象。变化的可能性只能留到小于
1%的区间里去寻找了，但是检测这么微小的变化在地球表面上进行似
乎是不可能的。
图99 在图（a）中，肉眼看上去光滑的纸经放大250倍后的结构和变化。图（b）是放大1000倍
后的纹理。
因为CMB辐射是在电磁频谱的微波波段，而大气中的水分连续辐
射的也是微波，虽然很微弱，但足以压倒CMB辐射的可能存在的任何
微小变化。
一个创新的解决方案是设计一个巨大的充有氦气的高空气球，它能
上升到地球上空几十千米处，接近太空边缘，这样，气球携带的CMB
探测器将能够漂浮在几乎不含水分的大气层上空，由此大气微波带来的
干扰将被减低到最小。
然而气球实验困难重重。单一个低温就可能引起脱胶，使得探测器
解体。另外，如果设备出现故障，天文学家将束手无策。即使设备运行
正常，探测器在气球下降之前也只能工作几个小时。最糟糕的是，装有
探测器的缆车有可能落地时会与地面发生撞击，使得数据丢失或毁坏，
这样，多年精心准备的努力将毁于一旦。
加州大学伯克利分校的乔治·斯穆特一直痴迷于寻找CMB辐射的变
化，曾参加了几次气球实验，但到70年代中期他已不再对此抱有希望。
他的气球实验经常是以灾难结束，即使落地完好的那些结果也依然未能
揭示CMB辐射有任何变化。对此，斯穆特采用新的战略。他计划将微
波探测器安装在飞机上，这样他就可以在较长的时间里以较高的可靠性
来收集数据。这要比危险地悬吊在不靠谱的气球下进行实验好多了。
斯穆特试图找出具有在高海拔条件下长时间滞空能力的飞机，这两
个条件是检测CMB有效辐射所必需的。最后，他确定理想的飞行器是
洛克希德·马丁公司制造的U-2侦察机，即冷战期间专事间谍任务的传奇
飞行器。他向美国空军打了一份正式报告，让他意外的是得到了他们的
积极响应。他们很乐意参加这样一个破解宇宙中最大谜团的研究项目。
军方高层人物是如此合作，他们甚至告诉斯穆特可以使用U-2上绝密的
机顶舱口，这样他的实验将获得一个相当开阔的太空视角。这个舱口最
初只是设计用来测试洲际弹道导弹轨迹用的，当时U-2的任务是监测这
些导弹再入大气层时的状态。
以前的气球吊舱实验使用的探测器已显得相当粗糙，因为没有人愿
意将大量金钱投入到一台落地时十有八九要毁坏的设备上。现在，斯穆
特有了一个更可靠的机载平台，他用最新技术构建了一套CMB辐射探
测器。它能够比较来自两个不同方向的CMB辐射，而且灵敏度比以往
大有提高。
1976年，实验在U-2上起步。短短几个月内，斯穆特及其同事就发
现了CMB辐射的惊人变化。来自半边天空的辐射的波长要比来自另一
半天空的辐射波长长1/1000。这是一个重要的结果，但不是斯穆特真正
要找的结果。
在早期宇宙中成为星系形成种子的这种辐射涨落应该是非常不规则
的，因此它们在天空中应表现为随机的区域斑块。然而，斯穆特检测到
的是一种非常简单的二分变化。实际观察结果与宇宙学家真正想看到的
结果之间的区别如图100所示。
斯穆特的测量结果有一个十分显然的解释。宽阔的半球形变化其实
是由地球自身的运动以及由此产生的多普勒效应引起的。当地球在空间
穿行时，如果探测器是向前探测入射的CMB辐射，那么辐射波长会略
短；如果探测器是向后探测，那么波长将变得稍长。通过测量辐射波长
的这种差异，斯穆特实际上可以测得地球在宇宙中的速度。这个速度是
地球绕太阳旋转，与太阳绕银河系转动，以及银河系自身运动活动的综
合效应。《纽约时报》于1977年11月14日在头版公布了这一结果：星系
在宇宙中的速度被发现超过100万英里/时。
虽然这是一个有趣的结果，但它对解决大问题——成为星系种子的
CMB辐射的变化在何处？——没有什么大的用处。甚至在除去多普勒
效应的贡献后，仍然没有看到大爆炸变化的迹象。如果大爆炸模型是正
确的，那么它们必定存在，但没有人能找到它们。斯穆特的设备是非常
灵敏的，所以他未能看到错落有致的斑块说明这种变化必定小于
1/1000。这样微小的变化即使是机载实验也很难探测到，因为那里仍然
有一层稀薄的大气，它将使探测器的非常精细的测量变得模糊不清。
图100 这两个球代表了CMB辐射的两种不同的分布。从我们地球（处于球体的中心）上看，
整个球就是我们看到的太空，阴影区表示我们从不同方向看到的CMB辐射的平均波长。深色阴
影表示CMB辐射波长稍长于平均波长，浅色阴影表示CMB辐射的波长稍短于平均波长。
图（a）所示的变化错落有致，是宇宙学家迫切需要找到的形态。长于平均波长的区域表明这里
在早期宇宙时密度稍高，因此可能成为星系形成的种子。宇宙学家不能确定CMB辐射的精确模
式可能呈什么形态，但他们知道，它应该相当复杂才能解释星系的现代分布。
图（b）给出的是简单的结构，一个半球是较短的波长，另一半球的波长较长。斯穆特的U-2实
验检测到的正是这种变化模式。它无助于解释宇宙大爆炸模型给出的星系形成所需的复杂变
化。
天文学家开始逐渐认识到，他们寻找这种难以捉摸的变化（如果存
在的话）的唯一希望就是得把CMB辐射探测器架到地球大气层之外，
就是得安装到空间轨道卫星上才行。星载实验能够排除大气微波的影
响，将会是非常稳定的，而且能够对整个天空进行扫描，并能够逐天运
行。
甚至在斯穆特进行机载实验时，他就考虑过卫星可能是检测CMB
辐射变化的唯一途径。为此他酝酿了一个更加雄心勃勃的实验计划。早
在1974年，美国航空航天局（NASA）就曾要求科学家们就如何利用最
新的“探测者号”卫星提出想法，由此产生了一系列旨在支持天文学研究
的相对便宜的项目。包括乔治·斯穆特的伯克利团队提交了关于星载
CMB辐射探测器的建议书，但他们不是唯一的申请者。来自加州帕萨
迪纳喷气推进实验室的一个小组也已提出了类似的建议，此外还有一个
叫约翰·马瑟的年仅28岁的雄心勃勃的NASA天体物理学家也提出了相关
建议书。
热衷于支持这种宇宙学意义实验的美国航空航天局将这三项建议统
一成一项予以资助，这就是后来被命名为“宇宙背景探测”（首字母缩写
为COBE，发音押“托比”韵）卫星的实验研究。此次合作于1976年开始
实验的设计，同时斯穆特仍积极参与了U-2间谍飞机的测量。由于现在
仍只是初步阶段，所以斯穆特的一心二用没有问题。由科学家和工程师
组成的团队将在未来花上6年的时间来搞定如何制作一个探测器，它可
以实现发现CMB辐射变化的宇宙学目标，而且既要体积足够小，又要
性能足够强，便于被发射到太空后能够稳定运行。
最终的设计包括三套独立的探测器，每一套测量CMB辐射的不同
方面（如图101所示）。戈达德空间飞行中心（整个项目的基地）的麦
克·豪瑟领导的团队负责漫射红外背景辐射实验（DIRBE），约翰·马瑟
负责第二套探测器——远红外绝对光度分光光度计（FIRAS）。乔治·斯
