踏过宇宙涟漪，我心澎湃依旧：2019年诺贝物理学奖的故事 | 袁岚峰
2019年10月8日，今年的诺贝尔物理学奖得主公布了，有三个人。诺贝尔奖委员会对他们获奖原因的叙述（https://www.nobelprize.org/prizes/lists/all-nobel-prizes-in-physics/）是“因为对我们理解宇宙演化与地球在宇宙中的位置的贡献”（for contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos）。
在这个总的名目下，又分成两个子项。一位获奖者，加拿大科学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles），是“因为物理宇宙学中的理论发现”（for the oretical discoveries in physical cosmology）。
另外两位获奖者，瑞士科学家米歇尔·梅厄（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz），是“因为发现环绕类太阳恒星的系外行星”（for the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star）。
这里有一点很奇怪。后面那个是一个明确的具体成果，前面那个却是一个很宽泛的说法。什么叫“物理宇宙学中的理论发现”？
我读过许多关于诺贝尔奖的资料，也跟诺贝尔奖获得者工作过，就是我的博士后导师Roald Hoffmann教授，所以我很清楚，诺贝尔奖奖励的是单项成果，而不是终身成就。有许多德高望重的科学家，虽然成果很多，在业内广受尊崇，但由于缺乏单个最顶级的成果，所以始终得不了诺贝尔奖。
因此，皮布尔斯的这个获奖理由，在我看来十分反常。正如李元芳的名言：“其中必有蹊跷！”
在调研了一些介绍材料，以及跟一些天文学家朋友交流后，我终于领悟到了原因。这里有一个曲折动人的故事。
如果在皮布尔斯的工作中只提一项最值得获奖的，那么就是“宇宙微波背景辐射”（cosmic microwave background radiation，简称CMB）。
诺贝尔奖委员会为什么不直接说这个呢？因为皮布尔斯并不是这个理论的头号提出者，至少还有他的博士导师罗伯特·迪克（Robert Henry Dicke，1916-1997），以及更早的乔治·伽莫夫（George Gamow，1904-1968）等人。这位伽莫夫大大的有名，因为他写过一本经典的科普著作《从一到无穷大》，此书激励了一代又一代人走上科学道路。
那么，为什么不把诺贝尔奖发给这些更重要的贡献者呢？
因为他们都已经去世了，诺贝尔奖只发给活着的人。事实上，皮布尔斯也已经84岁高龄了。
所以，我估计诺贝尔奖委员会的心理活动是这样的：把皮布尔斯作为提出宇宙微波背景辐射的理论家的代表，再加上他的其他成果，例如提出暗物质、暗能量，总之打包把这个奖发给他，这样就可以弥补一个历史性的缺憾。
咦，什么叫做历史性的缺憾？
就是这项成果的实验发现者获奖了，理论提出者却没获奖，在理论和实验之间出现了一次失配。
为什么会这样呢？
这就引出了一个传奇。
1964年，美国贝尔实验室有两位年轻的工程师阿诺·彭齐亚斯（Arno Allan Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Woodrow Wilson），他们造了一根号角形的天线，用来探测来自宇宙的无线电波，也就是一台射电望远镜。令他们奇怪的是，天线无论指向什么方向，总是有一种噪音在干扰信号。
他们想尽了一切办法来排除干扰，例如把所有能拆的零件都拆掉重新组装了一遍，但全都没用，那个噪音依然存在。
最富有戏剧性的是，他们在天线里找到了一个鸽子窝，于是认为自己发现了真相，肯定是因为鸟粪！嗯，这真是让我想起了科大的“天使路”和“勤奋路”。
在清理掉鸟粪之后，你猜怎么着？噪音依然故我！
折腾了一年，到1965年，他们在绝望中打电话给附近普林斯顿大学的迪克教授。在他们叙述完问题后，迪克立刻就明白了：这正是我们预言的宇宙微波背景辐射啊！我们正打算做实验去寻找这个预测，你们居然已经找到了！真是“有心栽花花不发，无心插柳柳成荫”！
1978年，诺贝尔物理学奖发给了彭齐亚斯和威尔逊，而没有发给理论家。
你可能会问：诺贝尔奖不是能发给三个人吗？为什么不带上一个理论家？
回答是：那一年已经满三个名额了。另一个人是苏联科学家彼得·卡皮查（Pyotr Leonidovich Kapitsa，1894-1984），他获奖的原因是“低温物理领域中的基础发明与发现”（for his basic inventions and discoveries in the area oflow-temperature physics）。
就这样，伽莫夫、迪克和皮布尔斯等人与诺贝尔奖失之交臂。你说这该怪谁呢？怪彭齐亚斯和威尔逊？怪卡皮查？怪评奖委员会？好像谁都不怪，只能说命运如此。
许多人听过彭齐亚斯和威尔逊的故事后，感觉他们纯粹是瞎猫撞上死耗子，捡了一个诺贝尔奖。但其实，这俩人本来就是射电天文学的博士。要不然，他们怎么会想到架个天线去探测太空信号呢？而且这天线是当时世界上灵敏度最高的。正如笛卡尔所说：“机遇只垂青有准备的头脑。”
彭齐亚斯生于1933年，威尔逊生于1936年，他们和1935年生的皮布尔斯几乎是同龄人。彭齐亚斯和威尔逊在45岁和42岁就拿到了诺贝尔奖，皮布尔斯却一直等到84岁。对于理论家没有获奖，他们也许也一直感到遗憾。现在这个遗憾终于得到弥补，他们也许是除了皮布尔斯本人之外最高兴的人。
了解了这些人物故事，现在我们来了解科学：宇宙微波背景辐射究竟是什么？
基本的脉络是这样。
首先，我们的宇宙在膨胀。二十世纪二十年代，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-1953）通过对星系的多普勒效应红移观测发现，所有的星系都在远离地球而去，而且远离的速度刚好正比于它们到地球的距离。
你的第一反应也许是：难道地球是宇宙的中心？
但仔细想想就会发现，宇宙并没有一个中心。因为从任何一点看出去，都会看到所有星系在远离自己而去，而且远离的速度正比于距离。
有一个比喻有助于大家理解这个现象。好比宇宙是一个气球，星系是气球表面上的若干个斑点。气球吹大了，那么任何两个斑点之间都会远离，而且远离的速度正比于距离，但没有一个斑点是中心，大家的地位仍然是平等的。
然后，既然现在宇宙在膨胀，那么把录像带倒放，就会看到宇宙在收缩。收缩到什么程度是尽头呢？就是一个点。
因此，一个顺理成章的想法就是，整个宇宙最初都来自一个点，从这个点开始不断地膨胀，成了现在这个样子。这个点最初的膨胀创生了整个宇宙，被称为“大爆炸”（Big Bang）。根据现在的观测，大爆炸大约发生在138亿年前。
这就是当今宇宙学中标准的理论，大爆炸理论。伽莫夫就是大爆炸理论的头号提出者，可惜他在获得诺贝尔奖之前就去世了。
许多人可能会问：大爆炸之前是什么呢？
回答是：这个问题没有意义，时间、空间都是大爆炸创造出来的。当然，单凭这种打机锋式的对话是不可能真正理解前沿理论的。如果你真的想了解宇宙学，就需要拿起教科书认真去学习。
最后，我们终于可以解释宇宙微波背景辐射是什么了，它就是大爆炸的余晖。大爆炸时宇宙的温度非常高，但随着体积的膨胀，温度逐渐下降。到了现在，宇宙的温度已经下降到了3 K左右，也就是零下270摄氏度左右。因此，我们无论在什么地方、什么方向，都能探测到相当于3 K温度的辐射。这就是它为什么叫做背景辐射。
宇宙微波背景辐射是大爆炸理论的关键证据之一，对它的测量也成了一座金矿，不断在揭示出关于宇宙的关键信息。例如，宇宙的年龄有多大了？它的最终命运是什么？宇宙中有多少物质和能量？
这最后一个问题引出了皮布尔斯的另外一项重要成果：提出暗物质和暗能量。以后有了更恰当的机会，我们再来详细介绍暗物质和暗能量。
2006年的诺贝尔物理学奖颁给了美国科学家约翰·马瑟（John C. Mather）和乔治·斯穆特（George F. Smoot），就是因为他们对宇宙微波背景辐射的精细测量。宇宙微波背景辐射大致是各向同性的，但又有十万分之一量级的各向异性。好比大海的表面，远看是光滑的，靠近却能看到涟漪。这些涟漪，就揭示了宇宙的早期历史。
了解了这些你就会感到，探测的都获奖了，提出的却没获奖，这真是太说不过去了！
宇宙微波背景辐射的探测装置，以前都来自欧美，例如COBE（Cosmic Background Explorer）、WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）和Planck卫星。它们不断接力，把精度推向前进。
现在，中国也要加入进来了。在西藏阿里，中国科学院高能物理研究所主导的“阿里原初引力波探测实验”正在建设中。它的望远镜通过对宇宙微波背景辐射的偏振观测，可望探测到原初引力波，也就是大爆炸留下的另一种信号，引力波的信号。
对于这个目标，海拔高、大气干燥是对台址的基本要求。阿里地区海拔高达5250米，大气透射率高，水汽含量低，因此是北半球的最佳观测点。
我的朋友、科大天文系的蔡一夫教授，现在就经常往阿里跑。虽然他是理论家，不是实验家，但他非常希望阿里项目能够检验他的宇宙学理论。是的，我们即将进入用自己的仪器、检验自己的理论的时代！
了解了这些令人心驰神往的科学道理之后，让我们再回到科学家个人的情感。
1965年，在彭齐亚斯和威尔逊向他的导师迪克打电话的时候，皮布尔斯只有30岁。很难想象，从那时到现在84岁，他的心里经历了多少波澜？有没有抱怨过命运的不公？有没有想到过自己在有生之年还能获奖？有没有想到过以这种理由获奖？
诺贝尔奖委员会发的一条推特，给出了他的一个正式回应（https://m.jiemian.com/article/3557852.html）。在得知自己获奖之后，他说：
“我对进入科学的年轻人的建议是：你应该出于对科学的热爱来从事它……你进入科学的原因应该是，你对它深深地着迷。”
背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，青年科学家社会责任联盟理事，中国无神论学会理事，安徽省科学技术协会常务委员，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 责任编辑：孙远