中央电视台[探索发现]科普电视片《宇宙大爆炸》（解说词记录）4-3
1946年的时候，一位移居美国的前苏联科学家也在探讨宇宙中的基本元素如何形成的问题。他在勒梅特原始原子的基础上，另辟蹊径提出宇宙中的氦主要是在大爆炸后不久的高温条件下合成的理论。这个观点给了大爆炸理论有力的支持。这位科学家的名字叫做乔治·伽莫夫。
第三章
这是一幅曾经流行的招贴画，作为宇宙大爆炸理论提出者的伽莫夫被假想成从装有大爆炸太初物质的瓶子中跳出的魔鬼。在霍伊尔提出，如果大爆炸真的发生过，请问爆炸所遗留下来的痕迹在哪里的质疑以后，伽莫夫和他的学生就在研究这个问题。伽莫夫和他的学生们坚信，高热爆炸产生的辐射即使是在100多亿年后的今天也不会完全消失。伽莫夫依据什么得出这样的结论呢？
“如果我们烧一堆篝火，或者我们进行一次爆炸，那么这个当中，它会产生一些光。这个光子就向各个方向飞出去了。我们以后就再也没有机会看到这些光子了。但是，如果宇宙深处的外星人他们正好朝这个方向看，那么他们是有机会能够看到这些篝火，或者爆炸产生的这些光的。但是宇宙大爆炸，它是处处都在进行，所以我们朝任何一个方向看去，都应该能看到大爆炸产生的这个光。那么由于宇宙的膨胀，这些光它的能量降低了，波长也变长了，所以今天它是处在这个微波波段。温度是这个绝对温度的几K。但是我们用仪器应该是能够探测到。”
正是由于知道了这一点，伽莫夫才对找到大爆炸遗留的辐射充满信心。
在铁幕的另一边前苏联核武器设计的负责人泽尔多维奇和他领导的科研小组在完成氢弹的设计研究工作后也开始研究宇宙大爆炸理论。他们也注意到大爆炸过后会有余光残留下来，用什么观测手段才能找到这样的辐射呢？由于长期从事国防研究，他们一直关注着美国在电子技术方面的最新进展。
不久前，美国贝尔实验室建立了一座用于卫星通信试验的高灵敏度微波天线。苏联人注意到这座天线的灵敏度应该足以探测到大爆炸的遗迹。然而阅读美国人关于这座天线的实验论文，似乎并没有提及这样的热辐射。这使苏联人一度认为宇宙大爆炸理论也许并不成立。
实际上贝尔实验室对这座天线性能的测试并不彻底。对卫星通信来说，这也不是必要的。卫星通讯实验结束以后，贝尔实验室的两位科学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊希望用它做一些射电天文研究。在正式开始研究以前，他们决定先进行严格的测试和校准。
“他们在测试和校准的过程当中，就发现有一种多余的躁声。这个多余的躁声的来源是什么呢？它的可能性很多。比如说是不是仪器本身有躁声，或者从天线传到仪器之间的传输线路有问题，或者是比如说地面或者大气的辐射，或者是附近的人工干扰，这种可能性是非常多的。他们两个就做了大量的实验，采取各种手段去消除这些躁声。那么把这些可能性最终都一一排除了，可是还是没有找到这个躁声的来源。而躁声依然存在。那么他们两个是非常着急。”
威尔逊和彭齐亚斯觉得实验室就在纽约附近的小山上，是不是城市的躁声传过来了呢？他们把天线对向纽约，结果没发现任何特别的状况，这意味着纽约并没有发出那种频率的躁声。不管把天线对着哪个方向，烦人的躁声总是挥之不去。即使把天线指向太空，躁声依然存在。威尔逊和彭齐亚斯心想，既然躁声与方向无关，是不是天线本身的问题呢？他们在检查以后发现天线里面住了一对鸽子。在他们接管这里之前，天线闲置了很长时间。鸽子住在里面，弄得到处都是鸽粪。威尔逊和彭齐亚斯觉得这下总算找到根源了。他们花了两个星期来清除鸽粪，并把鸽子送到了离贝尔实验室最远的分公司。但几天以后鸽子又飞回来了。他们只好请工人带猎枪过来。
鸽子事件以后奇怪的无线电躁声仍然不断。威尔逊和彭齐亚斯用了一年的时间彻底检查他们的天线。到第二年他们快要绝望的时候，彭齐亚斯偶然和同行伯克聊起此事。伯克说他的一位朋友曾听过普林斯顿大学一位叫皮伯斯的学者作过的一个报告，谈到他们也在进行类似的工作。伯克告诉彭齐亚斯，他们发现的奇怪的躁声，可能正是普林斯顿大学狄基小组正在寻找的东西。于是彭齐亚斯赶紧给狄基打去电话。
“普林斯顿大学的 狄基教授是一位很有思想的科学家。他认为宇宙既不像霍伊尔他们认为的是一个永恒不变的处在稳恒态的宇宙，也不像勒梅特和伽莫夫他们认为的是由唯一的一次大爆炸而产生的。他认为宇宙是处在一种膨胀、收缩再膨胀，处在这样一种类似于震荡的过程中。同时他也认为当宇宙收缩到一个很小的体积的时候，根据热力学原理，这时候它的温度肯定是非常高的，而且当宇宙膨胀到今天这样状态的时候，肯定还有某种留存下来的温度存在。他认定了，这个剩余的热量要存在的话，他就准备想办法来测量这个剩余的热量。”
狄基教授在第二次世界大战时曾从事雷达研究并发明了计量微波辐射的仪器。这个仪器正好在此处实验当中用上。他让助手之一的皮伯斯从事理论计算，而另一位助手威尔金森则设计实验仪器。他们将天线安装到了普林斯顿大学的屋顶上，就在他们自信的把探测仪器调试得完美无缺的时候，接到了罗伯特·威尔逊的电话。
“当电话铃响的时候，去接电话的是狄基教授。其他的小组成员也都在同一个办公室里。当这些小组成员听到狄基教授和对方谈的是有关天线的事情，他们就意识到贝尔电话实验室有可能得到了类似的结果，因为他们知道贝尔电话实验室有和他们类似的设备，而且做的也是相关的课题。狄基教授放下电话以后，就说了一句，很失望的（样子）：哎呀，我们被别人抢先了。”
狄基教授和他的同事们立刻带上自己的资料来到贝尔实验室。他们要亲身体会这个天线电波的躁声。当罗伯特·威尔逊和彭齐亚斯看到狄基教授带去的仪器和记录时，他们终于明白那个推论中的宇宙大爆炸的痕迹被他们无意中发现了。
宇宙微波背景辐射，也就是大爆炸痕迹的发现，以确凿的证据证明了宇宙的确曾经处于与今天完全不同的高温高密状态。这是继哈勃发现宇宙膨胀之后，宇宙学研究上的又一个重大突破。
认为宇宙起源于原始原子、并以此说服爱因斯坦的勒梅特，在他临终前几天听到了这个消息，他的宇宙诞生于没有昨天的那一天的猜想终于被科学所证明。
而建立了完整的大爆炸理论、并对遗迹辐射温度做出科学预言的伽莫夫则以他特有的幽默来回应人们的祝贺：“我也许确实丢过一分钱，但当有人在街上检到一分钱时，我也不能说，那一定就是我丢的。”这位谦逊的物理学家于1968年去逝。而彭齐亚斯和威尔逊也因为自己的发现在13年后的1978年获得了诺贝尔物理学奖。
宇宙微波背景辐射被发现的时候，斯蒂芬·霍金正在剑桥攻读博士学位。这件事情很可能促使他选择大爆炸和爱因斯坦的相对论作为博士论文的研究主题。
“霍金刚到剑桥的时候，他准备拜霍伊尔为师。可惜的是，当时霍伊尔他不想招学生。于是，他就拜了希尔玛为师。希尔玛本来是稳恒态宇宙的支持者，后来他转而支持大爆炸理论。希尔玛后来给予霍金很大的帮助。”
研究活动刚开始，霍金就遇到了很大的麻烦。“我在剑桥并没有一个好的开始，我刚被诊断出得了肌肉萎缩侧向硬化症，根本不知道能不能活到念完博士？而我又一直找不到论文的适当题材。”
斯蒂芬·霍金当年的导师丹尼斯·希尔玛晚年就住在意大利的威尼斯。他回忆那时的情景说：“博士论文必须要包含大量的原创知识，这是一个很大的负担，因为你必须要在三年的时间内作出这样一篇论文，里面一定得要有成果。当时正是宇宙学很不兴盛的时候，斯蒂芬的进度很慢。”
他找不到好的论文题目，而希尔玛自己也没有好的东西给他。时间越来越少，在剩下不到一年的时候，斯蒂芬·霍金受牛津大学数学教授罗杰·彭洛斯的启发，决定从爱因斯坦的相对论入手，看看它对宇宙还能预示些什么？霍金的导师希尔玛是彭洛斯的好朋友。希尔玛就决定到牛津去，听听彭洛斯的意见。
彭洛斯正在研究爱因斯坦方程可能导致的另一种结果，即由于引力的驱使，大量的物质坠入一个密度极大的区域中，以致光都无法从中发出来。这个区域就是黑洞。黑洞中存在着一个密度无限大的点，在这里一切已知的物理学定律都要失效，这就是所谓时空的奇点。
“他当时的研究结果显示，宇宙中大质量的物体，比如说大质量的恒星，在它演化过程中，必然要发生坍塌，坍塌到一个奇点上。霍金从彭洛斯教授的数学方面的研究结果，得到一个非常重要的启发。他想到，这个坍塌过程反过来，实际上就是一个大爆炸的过程。于是霍金从这一点切入，形成了他从数学角度来研究爱因斯坦方程最后得到的一个结果。他这个结果，非常有力的支持了大爆炸理论。”
1970年霍金和彭洛斯在论文中证明，如果广义相对论和经典物理学是正确的，那么时空中一定存在着奇点，因此黑洞和宇宙大爆炸都不是奇怪的事，而且是不可避免的。
宇宙微波背景辐射被发现后，一些原来主张稳恒态理论的人转而接受大爆炸理论。但是霍伊尔并没有完全认输，他和持相同观点的几位科学家一直尝试用别的办法解释宇宙微波背景辐射。他们设想普通星系发出的光，如果被宇宙中均匀分布的尘埃吸收，然后再以较低的能量发射出来，会不会也能产生我们看到的宇宙微波背景辐射呢？
“霍伊尔他们还不太肯承认，因为他们说星系发的光，也可以解释这个（光）谱。但是实际上是很困难的，因为星系它是很多恒星组成的，这些恒星的温度也大不一样。比如说我们太阳是6000度左右，还有些高温的恒星可以到几万度。各种各样的不同温度的恒星，他们发出的（光）谱是混在一起的，这样是不可能得到一个像微波背景辐射那样的单一的温度的黑体谱。那么这里要说什么叫黑体谱？黑体是一个只吸收光，而不反射和透射电磁辐射波长的这样一种物体。在通常的温度下，比如室温下，它的温度是非常低的，就是说我们看不见，它的主要辐射区不在可见区。我们看不见，所以叫黑的。而在温度比较高的时候，我们就看见了，比如说到1000度的时候，我们就看到它发红了。温度再高到3000度，就发黄，然后发白。炼钢工人往往就是通过这样一个颜色来估计炼钢炉里的温度达到了多少。宇宙正好是符合这样一个黑体辐射的条件，所以说我们观测看到宇宙里面这个（辐射）谱，那么它的温度是多少就确定了。”
彭齐亚斯和威尔逊的观测，只是在一个波长处进行的，虽然与绝对温度3度的黑体辐射在该波长的强度相符，但要进一步证实它是不是大爆炸的遗迹，是否具有完美的黑体辐射谱，还需要在其他各个波长、特别是毫米波段进行精确测量。
1975年美国航空航天局决定采纳本局戈达德航天中心物理学家约翰·马瑟等人的意见，专门研制一颗卫星，用以对宇宙微波背景辐射进行精确测量。这颗卫星被命名为COBE，马瑟负责辐射谱仪的研制，还担任了COBE卫星的总负责人。1989年一个多风的早晨，美国航空航天局将COBE卫星送上了太空。COBE最初9分钟的观测结果就表明宇宙微波背景辐射确实具有完美的黑体辐射谱。大爆炸理论得到了进一步的证实。
大爆炸理论已接近完整，但是仍然有一个重要的问题。如果要形成星系，最初的宇宙必须不是完全均匀的。彭齐亚斯和威尔逊发现的辐射应该能够反映这一点，但它却似乎与方向无关。如果大爆炸理论正确，那么各方向上的辐射必定有所不同。这一定要有观察的证明。
今天的宇宙并不是完全均匀的。早在哈勃和兹威基的时代，从事观测的天文学家们就发现在他们得到的照相底片上，星系的分布并不是完全均匀的，而是有的地方密一些，有的地方稀一些。但是星系在空间中究竟是怎样分布的呢？20世纪80年代几个研究小组分别测量了几千个星系的红移，其中影响最大的是哈佛史密思天体物理中心的观测，这些观测揭示了星系的三维空间分布。
“那么他做了一个图，是一个扇形图。这个扇形图还是表现在二维上的。扇形的顶点是我们观测者的位置，扇形的半径是星体的距离，那么扇形的角度表示是天球上另一个坐标，叫经度的大小。这个上面的每一个点，就表示一个星系，所以星系在上面分布得均匀不均匀，一眼就看出来了。我们在上面看到，星系并不很均匀。有些地方有一个洞，好象是里面星系很少。这个洞的直径可以达到1亿光年左右。其中还有一条，很长的一条线可以达到5亿光年。天文学家把这些洞，叫做巨洞，把这条非常长的星系分布叫做长城。这就说明这个星系分布并不是很均匀的。那么任何一个天文学的理论，就要解释星系为什么会分布成这样的不均匀状态？”
星系结构的不均匀分布，导致宇宙空间呈现一种大尺度的结构状态。这一点尤其在河外星系表现得非常明显。河外星系的空间尺度之大，经常要以10亿光年来计算。那么这些大尺度结构又是怎样形成的呢？美国的皮伯斯和前苏联的泽尔多维奇等人认为，早期宇宙中物质密度可能存在一些非常微小的不均匀性，它们在引力的作用下逐渐成长为星系、星系团，以及更大尺度的结构。如果是这样，宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏，天文学家称之为各向异性。
而探测宇宙微波背景辐射中的各向异性，是COBE卫星的另一个重要任务。这个任务落到了美国伯克利大学教授乔治·斯穆特的肩上。乔治·斯穆特是一位宇宙学家，他认为这项工作是一个大的挑战。如果能找出宇宙微波背景辐射在不同方向上的微小变化，宇宙形成及扩张的秘密将进一步解开。斯穆特用一个类似普林斯顿大学使用过的定向号角天线开始了一系列试验。他希望做出一张详细的地图，来标出大爆炸残留的遗迹，并勾画出银河及宇宙的结构。随后斯穆特和他的小组研制出了一套能消除包括地球大气层干扰在内的、具备高灵敏度的仪器。为了把这样精密的仪器带出大气层，他们最早尝试使用充氦的气球，但是气球很不可靠，而且容易受风的影响改变方向。他们又选择改用U2飞机，但很快发现，飞机不能像气球那样停留在同一个位置，再加上燃料的限制，使用飞机的计划也只好放弃。
“斯穆特他们发现，选用人造卫星是一个最好的方法。为什么呢？因为第一，人造卫星是在地球大气层外面进行观测，这样就可以摆脱地球大气对观测的不利的影响，比如说大气的吸收、散射，或者因为温度不均匀造成的大气抖动，这些不利因素就完全摆脱了。另外一个好处呢，就是人造地球卫星可以在地球同步轨道上运行，那么这样它就可以在同步轨道上进行定点观测，这样就具有非常好的稳定性。”
几年之后美国太空总署给了斯穆特机会，这就是COBE卫星。COBE卫星升空不久，就发回来了准确的观测数据。在第一天快要结束的时候，斯穆特教授得到了一张清晰度前所未见的宇宙照片。他和他的小组花了一整年的时间收集了3亿个观测数据，用计算机绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图象。斯穆特将它称之为宇宙蛋。
这个宇宙蛋所显示的是大爆炸结束时宇宙的图象。粉红和蓝色的区域分别表示温度的变化。宇宙微波背景辐射是非常均匀的，但是如果我们去掉均匀的背景，就可以看到各向异性。红色代表温度较高的区域，蓝色代表温度较低的区域。在这幅图中我们看到，由于地球相对于宇宙微波背景辐射的运动，多普勒效应导致一边温度更高，这里用红色表示，我们再除去地球的运动，中间的红色带是由于银河系辐射的污染，再去掉这一块，剩下的就是宇宙微波背景辐射的皱纹，形成星系所不可缺少的大爆炸后存留于宇宙不同方向上的温度细微变化的证据被找到了。
“斯穆特一开始还不太相信自己得到的结果。他于是把COBE卫星得到的资料送给他的一位同事，请他的同事也来做同样的处理。当然他没有把他自己的结果给这位同事看，这样他的意思就是请这位同事做独立的来处理。到第二天，斯穆特发现他的门下面有一张图。这张图就是他的同事得到的，用计算机得到的。这张图结果竟然跟斯穆特他自己得到的结果几乎一模一样，而且这张图上面还贴着一张字条，上面写着一个希腊文的叫做Eureka。那么Eureka这句话，据传说是阿基米德在洗澡的时候突然意识到浮力原理的时候说的一句话，意思就是说，我找到了，我发现了。”
COBE的探测结果，使大爆炸的理论再次得到观测的证实。大爆炸也终于被大多数人所接受。斯穆特教授筹建了一个博物馆来纪念这项发现。当然COBE的成功也有约翰·马瑟的功劳，由于约翰·马瑟和乔治·斯穆特在宇宙微波背景辐射研究中的贡献，他们在2006年获得了诺贝尔物理学奖。
在马瑟和斯穆特获得诺贝尔奖的31年前，也就是1975年斯蒂芬·霍金也因为大爆炸理论得到了罗马教宗的接见。宇宙产生于一次大爆炸的观点，在科学和宗教两方面都能找到认同。
然而大爆炸的理论并非就此完美无缺，它仍然还有一些问题需要解决。
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