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1978-12-011978年諾貝爾物理獎的故事 108 期

Author 作者 沈君山、劉源俊

背景微波輻射

今年的諾貝爾物理獎頒給三位物理學家,蘇俄的卡畢察(P. Kapitza),美國的潘塞斯(A. A. Penzias)和威爾森(R.M. Wilson),前者是因為他在低溫物理方面的成就,後者是因為他們發現了宇宙背景微波輻射(cosmic background microwave radiation),也就是一般所謂的3K黑體輻射。(下文簡稱背景輻射)

 

潘塞斯 威爾森 卡畢察

 

背景輻射是本世紀最偉大的發現之一,此一發現確定了霹靂說(big bang cosmology),也讓科學家直接「看到」百億年前初生時的宇宙,使人們不得不相信宇宙的確有個開端。因此,諾貝爾獎給予發現背景輻射的人,是再恰當不過了。但是,潘塞斯和威爾森的得獎,則實在不能不說是有點因緣際會的。

1930年前後,紅位移(red shift)的發現,證實了宇宙在不斷地膨脹,自此宇宙論分為兩派,一派認為宇宙在演進,有開始也有結局,蓋模(G. Gamow)就是這派塞旗的大將。他們認為在百億年前,宇宙原是密度極大(每立方厘米 1015克以上),溫度極高(絕對溫度在1012K 以上)的一團,包含了各式各樣的粒子(質子、電子、光子、微中子,和其他奇異的粒子),霹靂一聲而起爆炸,自此四散奔馳,膨脹而成今日的宇宙。因此,混沌初開時,溫度到很低。據蓋模和他的學生赫曼(Herman)估計應在5K至28K之間。
 


圖一:不同來源的輻射,其波長與強度之比較。最上一條代表混沌之初的輻射,至今尚有少許殘留在宇宙間,就是最底下一條的3K輻射。

 

蓋模和他的學生在1948年發表了一篇文章,首度預測太空間應有低溫背景微波。但是那時候並沒有科學家去設法探測,一來地球表面的大氣溫度在300K左右,即使在1公分到10 公分的微波範圍內,它的强度仍比蓋漠所預測的背景微波高一萬倍以上;因此探測後者在實驗上非常困難。二來,霹靂說剛出來不久,永恒說(steady state cosmology)隨即問世,永恒說的理論是:宇宙雖然不斷地膨脹,但萬象始終如一,既無開始,亦無結束;當然更沒有所謂溫度幾度的背景微波了,永恒說的宇宙論在五0年代大行其道,蓋模的預測就更不為人重視了。
 

直到六0年代初期,普林斯頓大學有位出色的實驗物理學家狄基(Dicke),他篤信霹靂說,也相信目前太空中仍留存著混沌之初火餘下的殘燼一低溫的背景輻射。乃和他的助理威金森(R. Wilkinson)共同研究,設計裝置一架儀器專門搜索低溫微波。辛苦了兩年多,到1964年冬,儀器裝置得差不多了,就要開始觀測。一天,威金森的辦公室來了兩位楞頭楞腦的小伙子,他們自我介紹說叫潘塞斯和威爾森,在離普林斯頓五十哩的貝爾電話公司實驗室工作。他們利用貝爾公司的巨型喇叭微波天線,去測量大氣電離層的微波,發現一種他們不能解釋的「均向微波輻射」(isotropic microwave radiation)。
 


圖二:貝爾電話實驗室的巨型喇叭式微波電線。原是為了搜尋迴聲衛星所反射的電波而設,卻意外測到了背景微波輻射。
 

原來那時衛星通訊時代剛剛開始,第一類專為通訊而放射的迴聲(Echo)衛星發射不久。貝爾電話公司裝設喇叭型微波搜索器,就是專為研究外太空和大氣層中的微波强度。只有先了解何者是天然的微波,才可設法控制人造衛星在傳遞訊息時的噪音。
 

潘塞斯和威爾森測量大氣層和外太空的微波,發現一種極微弱),但是均向的微波——也就是說,在任何時間,任何方向去看,强度都是一樣。這微波極弱,在他們所測量的波長七公分處,其强度只有大氣層中一般熱輻射的萬分之一;本來隨著觀測的角度不同,所看到的大氣層中的「厚度」各異,大氣層的輻射强度也會有顯著的差別,只有這弱微波不受變强度。
 

起初他們以為是儀器有問題,經再三仔細檢查後,仍找不出毛病。普通人或會就此放棄,反正那點微波也不會干擾到衛星通訊,但他二人卻有鍥而不捨的精神,他們對天文雖不是專家,卻總覺得有些蹊跷。他們想起鼎鼎大名的普林斯頓大學,不過相距五十哩,便開了車,輾轉地問到威金森這兒來了。
 

威金森一聽之下,認為這很可能就是他們要找的背景微波。第二天馬上和狄基一起去研究潘塞斯等的儀器和測得的記錄。仔細考證之後,更加確定了他們的臆測。威金森當時真是悲喜交集,喜的是原以為只是想像中存在的背景微波,終於被證實了;悲的是,這個劃時代的成果他們已辛苦了兩年,只要再努力幾個月就可有收獲的,卻被別人無心插柳地捷足先登了去。
 

在1965年第142期的天文物理雜誌上,潘塞斯和威爾森,狄基和他的學生分別發表了兩篇文章,前者報導了均向微波的發現,後者則解釋這發現的物理意義。又過了六個月,威金森也在波長3.5公分處用他的儀器測到均向的微波。此後,許多科學家用更精密的儀器,更仔細地籌劃去量這背景微波。
 


圖三:1975
年柏克萊大學的實驗者利用氣球詳測高空輻射量,發現在頻率10附近,有很劇烈的起伏(黑線),恰是3K輻射存在應有的現象。這之前曾以無線電(黑圈)或光學方法(白圈)觀測,以為曲線會很平滑(虛線)。

 

須知,要測量如此低溫的背景微波要克服很多困難。第一,噪音(noise)太多。一般儀器本身噪音的强度,就超過3K幅射的一千倍,再加上大氣層本身的輻射在幾公分波長處,相當於背景輻射的一萬倍,在這麼多背景噪音下測定均向微波很不容易。第二,大部分的3K背景輻射,波長應在0.5公分到5公分之間,但是在通過大氣層時,波長1公分以下的電磁波都給吸收了,在地面上測量,只能量到背景微波的一點吧。但是經過了十二年,經過了許許多多種嘗試,有的用氣球,也有的用火箭;最近一次是用U-2飛機,在飛機背上開了個口,裝上儀器,飛到兩萬多公尺的高空去探測,終於有了確定的結果。這背景微波確是黑體輻射,温度是2.7K,其均向性高達1/3000,但在獅子星座方向其强度則有約1/1000 的增加。蓋模在30年前預測的開天闢地時火的餘隱,終於被證實了。(在其後的實驗中,威金森和他的普林斯頓集團貢獻最大,潘塞斯和威爾森反而默默無聞。)

背景微波使人類「看到」真正宇宙初生時的情況,它證實了宇宙確有一個開始,而且是一個「熱」的開始。它也確立了霹靂說在各種模式的宇宙論中唯我獨導的地位,永恒說無法解釋這背景微波的起源;正反物質宇宙論他們認為正物質宇宙只是許多宇宙中的一個,還有反物質宇宙——也無法說明那高達1/3000 的均向性一除非地球恰在物質宇宙的正中央,否則那背景微波的强度,為什麼會各向相等呢?
 

此外,背景微波也給了我們一個客觀的座標。自古以來,人類就在尋找一個絕對靜止的座標——以太,但愛因斯坦的相對論廢棄了以太的存在。背景微波正代表宇宙初生時,一切運動的綜合,也可以說它代表宇宙「重心」的運動。因此用它作為我們宇宙的客觀座標,可說是最適宜不過了。最近的觀測,又發現相對於背景微波,地球正在以每秒鐘300公里的速度向獅子星座前進。
 

是以,背景微波和紅位移可以說是本世紀最出色的兩個天文大發現,因而得諾貝爾獎是毫不意外的,但是只頒給潘塞斯和威爾森,而狄基、威金森等籌劃經年的開路先鋒,卻以一步之差,失去中選的機會。命矣運矣,不禁令人扼腕感嘆。

參考資料:
1. 沈君山,3K黑體輻射,科學月刊一卷一期。
2. 
沈君山,絕對靜止的標準,科學月刊七卷五期。
3. G. Gamow: Physics Review. 74, 505 (1948).
4. A. A Penzias and R. W. Wilson: Astrophysical Journal, 142 420 (1965).
5. P.J.E Peebles: Physical Cosmology, Princeton Press.