穩恆態理論和大爆炸理論，哪一種理論模型符合真實的宇宙？對這個問題，20世紀50 年代的天文學家和物理學家們陣營分明。在兩個最主要的理論陣營中，穩恆態學說的支持者們以“完美”宇宙學原則爲旗幟，成功地說明了宇宙中的重元素是如何從現已毀滅的恆星的核心區裏誕生的。

這兩種宇宙模型的區別

當時，每位主流的科學家都承認：宇宙正在膨脹，引力在引領着星系和恆星的形成，恆星可以將氫元素髮生聚變，產生相對較重的元素。但關於這一切事情都是怎麼開始的，則是爭議的焦點。在穩恆態模型中，宇宙從無限早開始就存在，未來也會永遠存在，而所有恆星和星系都在彼此遠離而去。在這個越來越稀散的變化過程中，新的物質將以氫原子的形式慢慢生成，這些新物質也終將逐漸凝縮而成爲新的星系，以保持宇宙的電中性，併爲此後的恆星和星系提供聚變材料，使宇宙永遠以恆定速度擴張。而當前的任何光子都是由恆星產生的，並在穿越宇宙空間時因經過氣體雲而被其散射。

與之對比，大爆炸理論所描述的宇宙在時間上有一個開端，並且隨着時間流逝而逐漸膨脹並冷卻。最初的原始物質和能量處於溫度和密度都極高的狀態，後來溫度隨着多個重要階段的進行而降下來，膨脹率和能量密度也隨之降低。這些重要階段有：所有可形成質子和中子的物質都在降溫，降到足以形成穩定的質子和中子的水平。宇宙的溫度下降到足以形成較輕的原子核，且這些原子核不會剛一形成就馬上被打散。殘存的光子也冷卻到足夠讓原子核與電子結合起來，形成穩定的原子的水平。引力在中性氣體上作用了足夠久，以至於最早的恆星開始形成，並創造出重元素。最後，許多代恆星紛紛誕生和消亡，積累下的重元素終於足夠形成巖質的行星併爲生命形式備齊了材料。

宇宙“大爆炸”的理論之父伽莫夫曾說過一句有名的話： “原子的誕生只用了不到一個小時，恆星和行星的誕生則用了幾億年，而人類的誕生要用去五十億年！”不過，只要缺少可靠的觀測數據和嚴謹的實驗現象，大爆炸和穩恆態這兩個理論派別熟是孰非的問題就一直存在。儘管如此，我們可以分別針對這兩個理論去做一件事，此事的結果將能在二者中選出一個毫無爭議的勝利者。

對穩恆態模型來說，如果能觀測到物質自發創生的過程，則其絕大部分的理論弱點就將被消除；對大爆炸模型來說，想要說宇宙曾經起源於高熱、高密、充滿輻射的狀態，就迫切需要找到證據。下面，我們來看看後一種假定圖景將牽涉到哪些東西。

如果宇宙真是始於一個被物質和能量擠滿的高溫、高密狀態，那麼早期宇宙中的輻射應該至今尚未被破壞，仍能找到。宇宙在其早期的幾個階段中，膨脹率和冷卻速度都高得驚人，那時輻射可以不斷轟擊單個的原子核，導致離子化的原子核無法與電子結合成中性原子。

等到中性原子開始形成時，輻射在數千年時間裏又會將電子從氫原子或氦原子中剔除出去，在溫度最終降到特定水平之前，讓中性原子無法進入一種穩定的狀態。即便是在中性原子大量出現之後，輻射也並未消失，它們依然存在於宇宙中！

經歷了宇宙早期的頻繁撞擊，它們應該已經進入了一種熱平衡狀態，即它們已經具有了一種極特殊類型的能量分佈——黑體（blackbody）分佈。這種能量譜的圖形比太陽的光譜還要理想化得多。

基於已經掌握的物理定律，宇宙在各個方向上已經至少膨脹了近1000倍，所以目前宇宙中的一個典型光子的能量應該只有零點几子伏。若將這一能量值等效爲溫度，則僅相當於比絕對零度高几攝氏度，也就是幾個開氏度的水平。但是，只要伽莫夫所說的來自“原始火球”即“大爆炸”的輻射能被偵測到，那麼就等於爲大爆炸宇宙學打響了勝利的炮聲，從而將穩恆態理論擠下去。大爆炸模型對微波輻射的預測

讓我們把目光回到那個宇宙很熱、很緻密，中性原子無法穩定存在的年代，看看當時宇宙有哪些重要的成分。首先是原子核，包括質子，以及質子和中子聯合起來的狀態。比起其他類型的粒子，這些比較重的、帶正電荷的粒子出於“體重”原因而移動得慢一些。其次是電子，即便跟最輕的原子核相比，這種帶有負電荷的小型粒子的質量還不到前者的0.1%，因此移動速度快了不少，但仍然遠遠慢於光速。

最後就是光子，這種質量爲零的輻射粒子隨着宇宙中空間和時間肌理的不斷延展而不停損失能量，但是在以光速運動着。在整個宇宙的環境溫度與密度都很高時，光子和帶電粒子間的碰撞非常頻繁，而每次碰撞都會造成雙方的動能交換。不消很久，各種粒子（包括電子、原子核和光子）的溫度都變得差不多了，獲得了類似的黑體能量分佈。

這就好比如果給一個房間加熱，且房間內的空氣可以充分混合的話，所有氣體分子都可以獲得相似的溫度。當宇宙降溫到允許中性原子形成的時候，輻射（以光子的形式出現）突然間變得不再完全自由了，帶電荷的粒子會與它相互作用！中性原子只能吸收或放出特定波長的光子，這就是說，絕大部分光子會因爲波長不是特定數值而無法反應，只能單純地以光速在時空中沿着直線運動。

隨着宇宙繼續膨脹，物質變得越來越稀散，最終讓宇宙密度降到了今天的水平：平均來看，每立方米不足一個原子！綜上所述，我們知道，在早期的宇宙中，光子曾經非常高效地被等離子體散射，直到中性原子穩定地形成。這個關鍵事件一旦發生，散射就完全停止了；所有光子都開始暢通無阻地旅行，除了宇宙的膨脹之外，再沒有什麼效應發生在它們身上。

假如大爆炸理論提出的這個框架正確，那麼年輕宇宙的輻射給我們留下的痕跡將有以下幾種性質：在天空的各個方向都有。不論方位如何，都可以通過溫度來識別。其能量譜遵循黑體譜。能譜的峯值處於僅高於絕對零度幾度的位置，其對應的波段爲微波。

雖然伽莫夫會同阿爾弗、赫爾曼，率先算出過原始火球的各項參數，但直到20世紀60年代前期，人們才更爲詳盡地推導出了這些輻射的屬性。由狄基（Bob Dicke）、皮伯斯（Jim Peebles）、威爾金森（David Wilkinson）和若厄（Peter Roll）領銜的一個來自普林斯頓大學的科學團隊，不僅算出了大量有關的細節，而且建造出了“狄基輻射計”(Dicke Radiometer）用於偵測“大爆炸”在當今的餘暉：宇宙微波背景輻射（縮寫爲CMB）。

而就在離他們只有 48 千米的地方，另一個團隊正在進行一項性質截然不同的工作——有趣的是，這項工作最終解答了所有的問題，而其設計者竟然根本不知道爲什麼會有此成果。

充滿全天空的宇宙殘留輻射

在新澤西州的霍姆德爾（Holmdel），受僱於貝爾實驗室的科學家威爾遜（Robert Wilson）和彭齊亞斯（Arno Penzias）當時正在使用一架新制造的號筒型天線，該天線對波長較長的光波特別敏感。他們當時的任務本來是屬於美國海軍的科研項目，一個信號發射器要被搭載在氣球上升空，他們負責偵測來自這個發射器的信號，因此首先要確保通信環境沒有受到與上述的長波光信號類似的雜波干擾。

所以，他們要排除的信號包括無線電廣播（含被地面基站轉發的廣播，以及被大氣電離層傳遞的廣播）以及雷達信號等。當然天線本身也會產生信號，爲此他們還採用液氦爲偵測設備降溫至僅有4開氏度，認爲這樣就足以消除任何熱噪聲的干擾了。

萬事俱備，彭齊亞斯和威爾遜取得了第一批數據。然而，數據檢查的結果讓他們困惑不已：即便排除了附近廣播電臺和雷達的所有干擾，而且將天線的工作溫度降到了那麼低，在環境背景中仍然有一個明顯的熱噪信號，而且來源不明。更神祕的是，這個背景信號具有以下兩個特點：其強度比他們預期的雜波水平高出約兩個數量級，即大約100倍；它在天線對準天空的任何方向時都存在，而且強度始終不變。

通常的背景雜波源，其強度會受到多種因素的影響，比如：環境溼度變化、地面其他物體的阻擋，以及天線對準的方向是晴空還是有云，等等。但是上述這些因素看起來完全不能影響到這個神祕的背景信號。隨後，二人還迅速排除了三種最常見的信號干擾源：地球、太陽、銀河系。

那麼這個信號到底是什麼來歷？剩下未被排除的思路中，看起來最有可能的是天線自身出了毛病。於是他們對天線做了整體檢修，確認了每個部件工作正常，每處電路連接完好，天線的技術都嚴格符合標準、毫無瑕疵。折騰一番之後，偵測重新開始，結果神祕信號居然原樣重現。那麼，還可能有何原因？

進一步的詳查發現，居然有鴿子在號筒的尖端處做了窩，準備繁育後代。由於擔心鴿子及其排泄物可能造成信號異常，他們趕走了鴿子，清潔了號筒——這時他們還不知道，這次“鏟屎”行動最終幫他們榮膺諾貝爾獎。他們的獲獎成果的誕生過程中，居然包括清理鳥糞的環節，這也堪稱諾貝爾獎歷史上之絕無僅有。

話說回來，鳥糞消失後，神祕信號安然無恙，這讓二人又經過一陣艱苦的研究才得出結論：這一信號只可能來自銀河系之外的某種弱能量源，儘管目前還不知道這種能量源的來龍去脈。因此，二人只能向其他科學家求助，以期揭開這種信號的真面目。

狄基、皮伯斯、若厄和威爾金森的團隊的研究成果，正可以爲彭齊亞斯和威爾遜偵測到的信號提供理論框架。當然，此時他們還未公開發表這一成果，但皮伯斯已經以個人名義單獨發表過一篇理論文章，對宇宙背景輻射的細節做了充分的推測，指出了這種輻射的特性，即在特定的微波或無線電波段內，從任何方向都可以接收到，且其能量譜呈現黑體輻射的特點。

彭齊亞斯和威爾遜並未看到皮伯斯的這篇論文，但是他們曾經把這個神祕信號的事情告訴過一位射電天文學家伯克（Bernard Burke）。伯克看到皮伯斯這篇文章的預印本之後，立刻將這兩件事聯繫了起來：來自天空各個方向的微弱無線電信號，應該正是宇宙以“大爆炸”形式誕生時，一種極強的能量噴發事件在當今留下的痕跡！總結

普林斯頓大學科研團隊給出的理論預測，看來正好可以與彭齊亞斯和威爾遜的實測數據吻合，併爲之提供解釋。得知這一點後，彭齊亞斯欣喜若狂，立刻聯繫了狄基，索取皮伯斯的論文，而這也正合狄基的心意。彭齊亞斯細讀了皮伯斯的論文並做了補充研究之後發現，來自普林斯頓的這份成果豈止是神祕信號目前的最佳解釋，它與實測結果簡直就是吻合得天衣無縫。他立刻再次聯繫狄基，邀請他和他的團隊成員造訪貝爾實驗室，親眼看看這個信號，一起觀測宇宙創始之際留下的背景噪聲。

從這時起，大爆炸宇宙論不再只是一種關於宇宙起源的假說了，它成了能夠預言和解釋這種遍佈天空、處處強度相等的微弱射電信號的唯一理論。也正是從這時起，我們開始真正明白，宇宙在很久遠的過去確實有着一個開端。

相關文章