第6章 大爆炸的餘暉——宇宙微波背景輻射
COBE衛星將在大氣層之外拍攝宇宙微波背景輻射。此次拍攝的成果將是一張宇宙的“嬰兒照片”，那時的宇宙大約隻有38萬歲，冷卻的大爆炸物質剛剛開始在引力作用下聚集在一起，構成那些最終會形成星係的東西。
大爆炸留下的輻射和微波爐裏的輻射是一樣的，但威力要小得多。而且前者隻會把比薩加工到零下270.4攝氏度——對解凍比薩來說不太好，更不用說烹飪了!
——斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)
這些元素的烹調時間比做一盤烤鴨和烤土豆的時間還短。
——喬治·伽莫夫(George Gamow)
1965年春天，新澤西州霍姆德爾
在一年的大部分時間裏，阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)都飽受著研究計劃的拖延和受挫的折磨，一種靜態射電幹擾頑固的靜噪搞得他們連一點點天文學工作也做不成。但現在，當他們穿上工裝連衣褲和靴子，拿著大掃帚爬進20英尺(約6米)的喇叭天線張開的嘴裏時，他們覺得噩夢很快就會結束了。
該喇叭天線是一個巨大的金屬漏鬥狀設備，有火車的車廂那麽大，坐落於新澤西州霍姆德爾附近的克勞福德山上一個長滿樹木的土丘上。該套設備建於1959年，隸屬美國電話行業巨頭美國電話電報公司(American Telephone and Telegraph Co.，簡稱AT&T)，由貝爾實驗室(Bell Labs)管理。它是用來測試利用一係列圍繞地球的通信衛星發送電話和電視信號的可行性的。
建設這種通信衛星的理念是由英國科幻作家亞瑟·查理斯·克拉克(Arthur C. Clarke)提出的。[101]他在刊登於1945年10月的《無線電世界》(Wireless World)雜誌上的一篇文章中指出：物體離地球越遠，受到地球引力的束縛就越弱，因此軌道運行速度就越慢。在離地球中心35 787千米的距離處，物體的軌道速度會慢到繞地球一周需要24個小時。從地麵上看這樣的衛星，它就像是懸掛在天空中沒有動過一樣。
克拉克設想在地球同步軌道(geosynchronous orbit)上等距離地布置3顆通信衛星。環球通信，比如從英國向澳大利亞發送電話通話信號時，英國的發射機就可以向最近的衛星發送無線電信號，然後再由這顆衛星轉發給下一顆衛星，下一顆衛星再轉發給澳大利亞的接收器。
在1945年，環繞地球的通信衛星隻存在於瘋狂的科幻小說中。但是對在皇家空軍擔任雷達技術員的克拉克來說，德國納粹用V2導彈(德國在1942年研製的第一種彈道導彈，依靠自身動力裝置推進)轟炸倫敦的事件讓他印象深刻，那時他就已經意識到，既然這種導彈可以發射到如此遙遠的城市，那它也可以很容易被射到很高的天空中去。有這種想法的不止克拉克一個人。1947年，美國人繳獲了德國納粹一枚V2火箭，並將之從新墨西哥州的白沙試驗場(the White Sands Missile Range)射向天空。火箭衝出了大氣層，從太空拍下了地球的第一張照片。
1957年10月4日，當蘇聯人發射第一顆人造衛星時，克拉克相信科幻小說中的情節很快就會成為科學現實。斯普特尼克1號(Sputnik 1)是一個直徑58厘米的金屬球狀體，在環繞地球運行的過程中不停地發出嘟嘟聲。這嚇壞了美國人，他們擔心蘇聯人會用這種方式向紐約之類的城市投擲氫彈。人造衛星的出現標誌著太空時代的到來，並開啟了世界上兩個超級大國之間的太空競賽。AT&T公司和其他許多公司都立刻意識到，他們要進軍衛星商務領域，而且要快。
用衛星通信傳遞信號的最佳方式是利用微波，即波長在幾厘米到幾十厘米範圍內的短波長無線電波。問題是，人、樹、建築物、天空等所有的一切都會發射微波。因此，AT&T公司的工程師麵臨的挑戰是，如何在四麵八方都發出強烈幹擾信號的情況下接收到天空中衛星傳來的微弱的微波信號。
克勞福德山上的微波喇叭天線是根據AT&T公司的工程師們提出的解決方案，於1959年夏天開始建造的。當喇叭天線20平方英尺(約1.86平方米)的開口對準天空中某個點狀的物體時，其他來源發出的微波就很難拐進錐形的天線內部。這意味著隻有來自指定來源的微波，才會被傳送到喇叭天線的錐形末端，並被安置在那裏的無線電接收器檢測到。
首次對20英尺(約6米)喇叭天線的功能進行測試時，使用了回聲1號(Echo 1)，這是由美國國家航空航天局(NASA)在1960年發射的一種屬於“石器時代”的通信衛星，它實際上是一個直徑100英尺(約30.48米)、像充氣海灘氣球的銀色反射體，微波喇叭天線發出的無線電波應該被這個球反射回來，然後再次被喇叭天線接收(喇叭天線具有發射和接收無線電波的能力)。緊隨回聲1號之後的是第一顆現代通信衛星，電星(Telstar)衛星並不隻是簡單被動地反射來自地麵的無線電波，而是會在轉發之前增強無線電波的強度。1962年，電星衛星在美國和歐洲之間轉播了有史以來第一次的電視畫麵，這在全球引起了轟動，甚至還發行了關於這顆衛星的流行音樂唱片。
1963年，世界真正進入了通信衛星的時代，AT&T公司已經不再需要克勞福德山上的20英尺(約6米)喇叭天線了，於是該公司決定讓一些射電天文學家接手管理天線。這並非一種利他主義行為，這些射電天文學家和該公司一樣，也從事探測天空中超微弱信號的工作，該公司認為，把喇叭天線交給科研人員或許會增加收益。實際上，這並不是該公司首次涉足天文學領域。在20世紀30年代，AT&T公司曾聘請卡爾·詹斯基(Karl Jansky)找出某種嚴重幹擾無線電接收的幹擾源。詹斯基通過該項目，收集到了來自太陽的電波和銀河係中心的一種神秘信號源〔後來被證實是超大質量(supermassive)黑洞〕的電波，使他獲得了“射電天文學之父”的稱號。為了向他致敬，人們將射電發射強度的單位稱為詹斯基。
阿爾諾·彭齊亞斯，31歲，紐約人，精力充沛，1962年到霍姆德爾，他的家人都是逃離德國納粹的難民。羅伯特·威爾遜，28歲，沉默寡言，1964年初到霍姆德爾，來自帕薩迪納市的加州理工學院。就在威爾遜到來的那年夏天，他們二人開始合作研究。
威爾遜懷疑，在我們所在的形狀像一張CD光盤的銀河係的周圍可能仍保留著由星係形成時殘留下來的、極冷的氫氣構成的球形暈圈。如果真是這樣的話，該氣體應該會發出非常微弱的射電波，而喇叭天線能夠屏蔽來自周圍環境的幹擾信號，提高了它接收這種微弱信號的能力，用它來證實暈圈的存在再合適不過了。
然而，威爾遜想尋找的微弱信號很可能會被來自天空的射電雜波所淹沒，因此需要對喇叭天線進行改造。通常射電天文學家解決這種問題的方法是將望遠鏡的視場在天文信號源(比如恒星或星係)和鄰近的一片天空之間快速切換。然後將目標觀測信號與其他背景信號相減，從而巧妙地消除天空中其他電波的影響。[102]但觀測銀暈時不能這樣做，因為我們在銀河係內部，整個天空中都是銀暈的信號，我們沒有可切換的“別處”了。
彭齊亞斯和威爾遜提出的解決方案是將銀暈信號與人工射電源信號相減。彭齊亞斯用冷卻到比絕對零度(absolute zero，零下273.15攝氏度)高4開爾文的液態氦建造了一個人工射電源。他把這個冷負載安放在裝有射電接收器的棚子裏，綁在喇叭天線的錐形末端。
在開始觀測銀暈微波前，彭齊亞斯和威爾遜要先觀測下他們預計的銀暈不會發射的某種射電頻率，以便確定設備工作正常。這看似奇怪，但自有其道理：如果他們把喇叭對準一片無信號的天空時，檢測到信號為零，也就能知道設備是在正常工作的了。
然而，當用非目標頻率的信號測試時，意外發生了。倒不是說記錄到的信號為零，反而是在沒有無線電時檢測到了一種靜噪。這是物體在大約零下270攝氏度，或者說比絕對零度高3開爾文時發出的電磁波。
起初，兩位天文學家以為靜噪來自離霍姆德爾不遠的紐約。但是，當他們把喇叭天線的接收方向從紐約移開時，靜噪仍然存在。於是他們又猜測，靜噪可能來自太陽係裏的某個射電源，畢竟太陽和木星都會發射射電波。然而好幾個月過去了，地球一直繞著太陽轉，可是靜噪依然維持不變。接下來，兩位天文學家猜測靜噪是不是氫彈在高空爆炸引起的。1962年7月9日，海星一號(Starfish Prime)向範艾倫輻射帶(Van Allen Belts)注入了高能電子。範艾倫輻射帶是最近才發現的地球磁場區域，在這個區域可以捕獲來自太陽的帶電粒子，預計這些粒子繞著磁場線做螺旋運動時會發射出射電波。但這種影響會隨著時間的推移而明顯減弱，然而靜噪並沒有減弱的跡象。
最後，彭齊亞斯和威爾遜的目光落在了在喇叭天線裏築巢的兩隻鴿子身上。乍一看，這似乎不是個安家的好地方。畢竟，每當喇叭天線轉向新的方向時，鴿子都得重新築巢。然而，新澤西州的冬天非常寒冷，而鴿子築巢的地方——喇叭天線的錐形末端——就在冷卻射電接收器的製冷機旁邊。去過製冷機後麵的人都知道那裏很溫暖，鴿子們選擇了這個舒適的地方來提高家庭生活質量。然而，鴿子長時間的居住逐漸在喇叭天線的內部留下了一層彭齊亞斯和威爾遜所稱的白色介電材料。所有人都明白，這就是鴿子糞，它像其他東西一樣會發出射電波。彭齊亞斯和威爾遜交換了一下眼神，難道這就是惱人的靜噪的來源嗎？幾個月來一直妨礙他們進行天文研究的幹擾大概就是它們產生的吧。
彭齊亞斯和威爾遜在當地的一家五金店購買了一個使用誘餌的哈瓦哈特(Havahart)捕鳥籠。當鳥踩在平衡板上時，後麵的門就會掉下來把鳥困住。在這個捕鳥籠的幫助下，兩位天文學家抓住了鴿子，並把鴿子郵寄到AT&T公司在新澤西州惠帕尼(Whippany)的另一個站點。[103]送走鴿子後，彭齊亞斯和威爾遜爬進了喇叭天線的大嘴，用掃帚辛苦地打掃了1個小時。另外，為了減小喇叭天線內部的鉚釘對射電信號的幹擾，他們還用鋁片蓋住了鉚釘。
回到地麵，換好衣服和鞋子，彭齊亞斯和威爾遜滿以為這下問題解決了，終於可以開始真正的天文學研究了。當重達16噸的喇叭天線在支撐軸上開始慢慢轉動時，彭齊亞斯和威爾遜的眼睛緊盯著筆式記錄器在紙卷上留下的線條，滿指望能保持一條直線。然而，當喇叭天線大張的嘴再次指向天空時，筆式記錄器的筆尖開始抖動。
幹擾竟然還在!彭齊亞斯和威爾遜沮喪地搖了搖頭。這到底是怎麽回事？
1948年夏，華盛頓特區
拉爾夫·阿爾弗(Ralph Alpher)和羅伯特·赫爾曼(Robert Herman)站在那裏欣賞了一會兒黑板上的推算結果，那是集合二人的智慧、經過一整晚的辛勞才得到的。如果他們是對的，宇宙就是有誕生起點的，而不是無始無終、一直存在的，而且證據簡直就像飄**在他們周圍一樣，唾手可得。
“記下來，記下來，你們兩個快記下來!”喬治·伽莫夫看完黑板上的推算結果後命令道。伽莫夫像竹筒倒豆子一樣劈裏啪啦地發表完一通意見後就走了，留下香煙散發出的煙霧彌漫在空氣中，這是他一貫的作風。眼下，伽莫夫手頭肯定還有別的事情要忙——星係形成、量子理論，以及諸如寫作係列通俗讀物《物理世界奇遇記》(The New World of Mr Tompkins)等，天知道還有些什麽。阿爾弗的這位高傲自大的導師的倉促來訪和不由分說的命令，搞得阿爾弗和赫爾曼目瞪口呆、不知所措。但話又說回來，指明這條發現之路的人正是伽莫夫。伽莫夫有惡作劇和酗酒的陋習，使其他物理學家把他當成不靠譜的業餘科學愛好者，而不是嚴謹的科學家。盡管這些事情讓阿爾弗和赫爾曼很煩惱，但他們還是很喜歡他。[104]
1933年，伽莫夫和他的妻子——同為物理學家的柳波娃·沃明澤娃(Lyubov Vokhminzeva)——離開了斯大林(Stalin)執政的蘇聯。由於無法在歐洲找到終身學術職位，伽莫夫於次年前往美國，在華盛頓特區喬治華盛頓大學擔任了教授職位，阿爾弗就是在那裏與他相識的。當時阿爾弗利用晚上的時間學習，白天則堅持從事導彈理論的研究工作。伽莫夫聲音洪亮、熱情奔放、玩世不恭，在各方麵都不同凡響，雖然他可能沒有得到物理學界的高度認同，但他認識所有物理學界的大人物——阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡等等。在解釋放射性α衰變這一存在已久的謎團時，他是第一個將量子理論應用於原子核、為物理學做出了重大貢獻的人。
盡管阿爾弗已經在巴爾的摩(Baltimore)的約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)工作了，但他還是鼓起勇氣問伽莫夫是否願意做他的博士導師，伽莫夫說願意。就在不久之後，阿爾弗遇到了博士後羅伯特·赫爾曼，他們的辦公室隻隔著幾扇門。赫爾曼順道過來自報家門時，阿爾弗給他講起自己正在進行的計算工作，赫爾曼立刻就著了迷。
這項計算工作正是由一直在思考化學元素的起源問題的伽莫夫牽頭的。正如前麵提到過的，到20世紀40年代，人們已經意識到自然界中的全部92種元素——從最輕的氫到最重的鈾——顯然不可能都是造物主在創世的第一天就放進宇宙中的，而是一點一點加進去的。有證據表明，元素的豐度和元素原子核的結合強度之間存在聯係，這又暗示核反應參與了元素的形成——宇宙起初隻有最基本的元素氫，其餘的元素都是後來由這種基本元素像搭樂高積木那樣組裝而成的。
構建這樣的元素必須麵對的問題是，已知所有的氫核都攜帶1個正電荷，但同種電荷會相互排斥，這意味著核與核之間存在著強烈的排斥力。能讓它們緊密地結合在一起的唯一方法，就是讓它們以極高的速度相互撞擊，這也就意味著需要高溫。要構成新元素，大概需要高達數十億攝氏度的溫度，但是在宇宙中哪裏有這麽熱的爐子呢？
顯而易見，爐子就在恒星的內部。但英國天文學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓卻得出了錯誤的結論：恒星內部既沒有足夠的溫度，也沒有足夠的密度進行核合成，這就是20世紀40年代中期伽莫夫思考元素形成時所麵臨的情況。
伽莫夫曾是數學家、宇宙學家亞曆山大·弗裏德曼(Alexander Friedmann)的學生。1922年，弗裏德曼是第一個認識到愛因斯坦的廣義相對論必然推導出我們生活在動態宇宙中的人。宇宙必然處於運動之中，而並非像愛因斯坦自己相信的那樣保持靜態不變。弗裏德曼明確指出，宇宙要麽向超密度狀態收縮，要麽向超密度狀態膨脹。雖然“大爆炸”一詞是在近30年後才被創造出來的，但弗裏德曼早就發現了愛因斯坦方程的大爆炸解(1925年，37歲的弗裏德曼英年早逝，這也是伽莫夫與蘇聯無緣的另一個原因)。
1929年，美國天文學家愛德文·鮑威爾·哈勃利用位於南加州威爾遜山上、當時世界最大的望遠鏡觀測，發現正如弗裏德曼所預期的那樣，宇宙確實在膨脹，構成宇宙的星係像宇宙彈片一樣四處飛散。盡管遙遠過去的一次爆炸很可能是宇宙膨脹的原因，但沒有人認真地考慮過這個問題，因為它似乎離人們的日常生活太遙遠了。直到伽莫夫開始思考這件事，情況才開始有了變化。[105]
伽莫夫用倒著放電影的方法想象宇宙的膨脹：當所有的東西都被壓縮到非常小的空間裏時，就會變熱，就像自行車打氣筒裏的空氣被壓縮後會變熱一樣。伽莫夫意識到，大爆炸之前的宇宙就是一個滾燙的火球。難道自然界的元素就是從這個無法想象的火球熔爐裏鍛造出來的嗎？伽莫夫並不是個注重細節的人，事實上，他常常因為混淆方程式、計算錯誤而被人詬病。因此，計算的工作自然就交給了學生阿爾弗來做。
阿爾弗和伽莫夫都不清楚宇宙起源時確切的物質成分，隻知道其成分一定很簡單。阿爾弗嚐試了許多種可能性，其中一種就是質子和中子的混合物。1932年，英國物理學家詹姆斯·查德威克發現，除了質子，中子也是構成所有原子核的兩個基本元素之一(除了氫核隻含有1個質子)。不帶電荷的中子很容易進入原子核並與之結合，然而，如果太多的中子嵌入原子核，原子核就會變得不穩定。此時，某個中子會變成1個質子，這個過程稱為β衰變。
阿爾弗很快意識到，由於大爆炸火球的迅速膨脹和冷卻，隻有短暫的時間能用來鍛造元素，也就是說，從宇宙誕生算起，隻有1~10分鍾的時間。在那之後，膨脹就可能使原子核彼此分離得過遠，原子核的移動速度變得不夠快，碰撞次數過少，撞擊力降低到無法使核子間彼此粘在一起。另外，自由的中子大約10分鍾後就會衰變為質子，因此中子將迅速被耗盡。
阿爾弗進行了大量的計算，以便分析大爆炸火球中劇烈核反應的最初產物。他發現，這個熔爐可以將大約10%的原子核轉化成氦，而剩下的90%則轉化成了氫。這是個了不起的結果，因為它正是我們今天在宇宙中觀察到的。
盡管計算結果毋庸置疑地支持了大爆炸是鍛造元素的熔爐，但從中很難看出比氦重的元素是如何形成的。即便有超過10分鍾的時間進行核反應，也無濟於事。正如我們所知道的，自然界中並不存在5個或8個核子的穩定原子核，但要鍛造更重的元素隻有兩種可能：氦有4個核子(2個質子和2個中子)，再加入1個核子(形成有5個核子的原子核)，或者將2個氦原子核結合在一起(形成一個有8個核子的原子核)。鍛造更重原子核的途徑被徹底阻斷了。[106]
阿爾弗就此計算結果撰寫了一篇論文，實際上就是他的博士學位論文，他打算用他和伽莫夫的名字署名。但是他的這位導師確實做得很過分，決定在論文上加上漢斯·貝特的名字。貝特並未對此做出任何貢獻，加上貝特的名字，作者就變成了“阿爾弗、貝特和伽莫夫”， [107], [108]這讓阿爾弗感到沮喪。作為一名學生，阿爾弗將來想獲得終身學術職位，就需要現在獲得盡可能多的榮譽，但伽莫夫卻把水攪渾了。貝特是一位大名鼎鼎的物理學家，曾參與製造原子彈的曼哈頓計劃。貝特最為著名的逸事是在華盛頓特區與紐約的往返火車餐車上，在餐巾紙上計算出了可能為恒星提供能量的核反應鏈。人們必然會誤以為貝特才是宇宙核合成計算背後的推手。讓阿爾弗最恐懼的是，在博士論文答辯的現場，他發現自己所麵對的不僅是伽莫夫和一兩名同事，還有大約300名急不可待的物理學家。
然而，生成元素的核反應並不是大爆炸產生的唯一後果。還有一個，那就是阿爾弗和赫爾曼一直在探索的東西，也就是伽莫夫在阿爾弗辦公室的黑板上看到的字跡潦草的計算結果。
就在宇宙誕生大約1分鍾後，溫度約100億攝氏度時，每個核子大約伴有100億個光子。因此，光子本應占據著物質世界的主導地位，但現在卻隻占了宇宙組成的非常小的部分。[109]這就引發了一個問題：那些光子去哪裏了？伽莫夫意識到，答案是哪裏也去不了。和核爆炸的熱量最終會消散到周圍環境中不同，大爆炸的熱量無處可去，將被永遠封存在宇宙中。從定義上講，宇宙就是一切。因此，作為大爆炸餘暉的光子今天肯定還在我們周圍。粗略估算表明，在任意空間內，大爆炸遺留光子的總能量應該與星光的總能量大致相等。這使得伽莫夫得出結論：遺留光子與星光是無法區分的，所以絕對沒有探測到遺留光子的機會。
阿爾弗和赫爾曼意識到伽莫夫錯了。在宇宙誕生後的幾十萬年，膨脹的火球冷卻到大約3000攝氏度時，宇宙曆史上的一個關鍵事件發生了。此時，原子核和電子的運動速度已足夠緩慢，這使得兩者可以結合在一起形成宇宙中的第一批原子。這對宇宙的麵貌產生了巨大的影響。自由電子容易引發散射或改變光子方向，而被束縛在原子周圍的電子則不然。因此，在這個後散射時代(epoch of last scattering)之前，光子被迫以“之”字形穿過空間，就像光子在濃霧的水滴間散射一樣。之後，霧消散了，宇宙變得透明。與物質解耦(decoupled)後，大爆炸光子能夠在空間中不受阻礙地隨意直線飛行。
大爆炸遺留下來的光子不再是138.2億年前其旅程剛開始時的熾熱光子，而是在數十億年間，由於宇宙膨脹被極大地冷卻後的光子。在今天看起來，遺留下來的光子就像短波無線電波，或者說是微波，均勻地分布在天空的各個方向，這也被稱為微波傳播的各向同性。阿爾弗和赫爾曼意識到，這種各向同性是區分宇宙大爆炸的餘暉與星光的兩個明顯特性之一，而另一個特性更技術一點兒。
在大爆炸的火球中，光子與自由電子的每一次碰撞反彈都會交換能量。如果電子運動得很快，光子就獲得能量；如果電子移動緩慢，光子就會失去能量。頻繁發生碰撞的結果是光子以一種非常特殊的方式重新分配了總的有效能量。最終造成低能量的光子很少，高能量的光子也很少，絕大多數光子的能量都介於兩者之間。具有這種駝峰狀能量譜的物體被稱為黑體(black body)。黑體的光譜特別簡單，因為其形狀隻取決於一件事——溫度[1]。[110]盡管大爆炸的火球膨脹得特別快，但光子與電子碰撞的速度要快得多。所以在火球明顯膨脹之前，光子有充足的時間形成黑體。因此，即使光子的溫度下降了很多，但仍可保留特有的黑體光譜。阿爾弗和赫爾曼意識到，這種光譜正是區分大爆炸的餘暉與星光的第二個特性。隻要知道溫度，就可以知道一切。
阿爾弗和赫爾曼開始著手計算，二人合作得非常默契，從二人第一次見麵時，他們就注意到雙方總能想到一起，好像心有靈犀一樣。最後，他們算出了一個溫度——冰冷的5開爾文(零下268攝氏度)。正是看到了黑板上的這個數字，才促使伽莫夫立即下令：“快記下來!”今天，大爆炸遺留下來的餘暉正以微波的形式從天空中的各個方向照過來，其光譜與比絕對零度高5開爾文的物體的光譜完全相同。
根據伽莫夫的指示，阿爾弗和赫爾曼把對宇宙微波背景輻射的預測寫成了一篇短論文。如果預測是對的，那麽今天宇宙中99.9%的光子都與大爆炸的餘暉聯係在一起，而來自恒星和星係的光隻占區區0.1%。這是一個了不起的發現。然而是不是有可能哪裏出錯了呢？最終，他們打消了疑慮，將論文寄給了英國的科學雜誌《自然》(Nature)。
這篇論文發表於1948年11月13日，阿爾弗和赫爾曼熱切地期待著科學界的反應。[111]但科學界並沒有反應，有的隻是死一般的沉默。沒有人會不戰而降，在接下來的幾年裏，這兩位物理學家在學術會議中無數次強調他們的研究成果。與會者中也有射電天文學家，這兩位物理學家總是提出一個直擊要害的問題：“這些大爆炸遺留下來的輻射能用射電望遠鏡探測到嗎？”“不能。”大家異口同聲地回答(但不正確)。因此，沒有人願意站出來找點什麽。如果有人願意找的話，等待他的就是宇宙誕生最顯著的特征——大爆炸的餘暉。
1965年春天，新澤西州霍姆德爾
彭齊亞斯和威爾遜清理了20英尺(約6米)喇叭天線裏的鴿子糞後，那持續不斷的、莫名其妙的微波靜噪仍然存在，這真讓人沮喪。然而更讓人沮喪的是，那對鴿子在被送走後不久，又回到了克勞福德山——原來那是一對信鴿。最終，彭齊亞斯和威爾遜隻得痛下殺手。盡管可以說這些鳥是為科學而犧牲的，但二人始終不能釋懷。這惱人的幹擾使他們自從1964年夏天開始合作以來，就一直處於被動待工的狀態，完全沒有進行任何天文學的觀測。
但是，就在他們陷入絕望之際，彭齊亞斯碰巧和朋友伯尼·伯克(Bernie Burke)通了一次電話。伯克是一位射電天文學家，在華盛頓特區的地磁部工作。彭齊亞斯本來打電話給伯克完全是為了另外一件事，但在通話快要結束時，他忍不住抱怨起克勞福德山那些惱人的靜噪。伯克一聽，便立即告訴彭齊亞斯，最近他參加了普林斯頓大學研究員吉姆·皮布爾斯(Jim Peebles)的一次演講。伯克記得，當時，皮布爾斯的上司鮑勃·迪克(Bob Dicke)正在普林斯頓大學地質大樓的樓頂上監督一個小型射電望遠鏡的建造工作，他們正準備尋找可能存在的從早期宇宙高溫致密時期幸存下來的微波。[112]
彭齊亞斯掛了伯克的電話，馬上給普林斯頓大學打了電話。當時，迪克正在辦公室裏和團隊成員們享用自帶的午餐。兩人簡短地交流了一會兒，在聽到“微波喇叭天線”和“冷負載”等詞時，迪克團隊的成員們麵麵相覷。迪克放下電話時，大家已經猜到發生了什麽。“好吧，夥計們，”他搖搖頭說，“他們搶先了一步!”
第二天，迪克一行驅車去了離普林斯頓隻有30英裏(約48千米)的霍姆德爾。他們先看了20英尺(約6米)喇叭天線、射電接收器和冷負載，又與彭齊亞斯和威爾遜進行了簡單的交流，迪克確認他們真的沒戲了。普林斯頓大學研究小組一直計劃尋找的大部分東西已經被貝爾實驗室的兩位天文學家在無意中發現了。
宇宙中的光都被束縛在大爆炸的餘暉中。如果將一台老式模擬信號電視調撥在兩個電視頻道之間，屏幕上1%的靜噪來自大爆炸。在被電視天線截獲之前，這些信號已經在太空中穿行了138.2億年。在離開大爆炸火球之後，它們從未接觸過任何東西。彭齊亞斯和威爾遜發現的宇宙微波背景輻射，為宇宙並非永遠存在而是誕生於大爆炸提供了證據。[113]
兩個研究團隊——彭齊亞斯-威爾遜團隊和迪克團隊——決定在《天體物理學雜誌快報》(The Astrophysical Journal Letters)上發表各自的論文，宣布他們的發現。具有諷刺意味的是，彭齊亞斯和威爾遜都是宇宙恒穩態理論的追隨者；而該理論是弗雷德·霍伊爾和他的兩位同事於1948年提出的，認為宇宙是永恒存在的，不存在極熱的、超高密度的起點。因此，彭齊亞斯和威爾遜不願意把無意中的發現解釋為支持競爭對手——大爆炸理論——的證據。在論文中，彭齊亞斯和威爾遜隻是把令人討厭的靜噪說成可以支持任何理論的實驗結果。同時，他們把對靜噪準確身份的猜測留給了一同發表論文的迪克團隊。
就在論文即將刊出的兩周前，克勞福德山上的電話響了，彭齊亞斯拿起電話，是《紐約時報》(The New York Times)的科學記者沃爾特·沙利文(Walter Sullivan)。當時，沙利文正在追蹤另一個故事的線索，他碰巧打電話給《天體物理學雜誌》(The Astrophysical Journal)。一位編輯透露，該雜誌即將刊發一些論文，披露一種有可能來自宇宙開端的神秘射電信號。電話中，沙利文就20英尺(約6米)喇叭天線的作用盤問了彭齊亞斯好半天。
當時，威爾遜的父親恰巧從得克薩斯州來看他。他的父親是一個習慣早起的人，第二天早早地起床去當地的藥店買藥，回來時把一份晨報扔到還未起床的兒子的臉上。在《紐約時報》的頭版上有一張20英尺(約6米)喇叭天線的照片，上麵刊載著有關《天體物理學雜誌快報》即將發表那些論文的報道。
伽莫夫已退休，當時住在科羅拉多州的博爾德(Boulder)，他在《紐約時報》上讀到了這個報道。但是，令人沮喪的是，伽莫夫沒有看到自己的名字，也沒有看到阿爾弗或赫爾曼的名字。平心而論，本來他很期待論文在《天體物理學雜誌快報》上發表的。
彭齊亞斯和威爾遜論文標題的謹慎和刻板絕對是大師級的——《在4080兆赫處測量到天線溫度[2]過高》。[114]從本質上講，文中兩位天文學家表達的是“在新澤西州霍姆德爾的克勞福德山實驗室，用20英尺(約6米)喇叭天線測量有效天頂噪聲溫度時，在4080兆赫處測得數值比期望值高出約3.5開爾文”。在簡短的論文中，他們沒有在任何地方提到這種輻射可能來自大爆炸。他們隻是指出“對觀測到的額外的噪聲溫度的一種可能的解釋，請參見迪克、皮布爾斯、羅爾(Roll)和威爾金森(Wilkinson)在本期隨發的論文”。
經伽莫夫告知才聽說這兩篇論文的阿爾弗和赫爾曼，立刻抄近道迅速趕到圖書館，他們簡直不敢相信，大爆炸輻射終於被發現了——17年前，在華盛頓特區的一塊黑板上，他們預測的東西真的存在!實際上，就像他們想象的那樣，微波背景輻射充滿了宇宙。然而，兩個人一口氣把論文看完後，呆若木雞地站在那裏。論文中竟然隻字未提阿爾弗和伽莫夫關於大爆炸中元素鍛造(element-building)的開創性工作，也沒有任何地方提到阿爾弗和赫爾曼對大爆炸餘暉的預測。他們已經努力證明了自己是這方麵的魔術師，但看起來就好像沒人知道。
難以置信，他們居然被忽視了。他們不僅在《物理評論》(Physical Review)的一係列論文中發表了關於大爆炸的計算結果，甚至還就此撰寫了許多通俗性讀物。事實上，在1952年，伽莫夫就為大眾讀者撰寫了一本名為《宇宙的創造》(The Creation of the Universe)的科普讀物，書中他談到了大爆炸中氦的生成以及氦與宇宙溫度的關係。1956年，伽莫夫甚至還在流行雜誌《科學美國人》(Scienti c American)的一篇文章中發表了他的觀點。
現在竟然有人把他們近20年前的研究成果據為己有。這對於伽莫夫、阿爾弗和赫爾曼來說，真可謂“是可忍孰不可忍”。[115]
1978年秋季，新澤西州霍姆德爾
威爾遜首次獲悉自己有望獲得諾貝爾獎是在1978年初。“有人發表了對下屆諾貝爾獎的預測，我想是在《奧秘》(Omni)雜誌上，作者把我們列進去了，”威爾遜說，“但作者在很多事情上都搞錯了，所以我和阿諾都沒當回事。”1978年夏天，一個名叫傑瑞·瑞克森(Jerry Rickson)的愛爾蘭人也向威爾遜透露了一些消息。瑞克森在貝爾實驗室工作，他在瑞典進行訪問時，被該國一位頂尖的射電天文學家拉住聊了很久。“他問了一些非常細致的問題，關於阿諾，關於我，以及我們之間的關係，”威爾遜說，“還有諸如誰幹了些什麽之類的問題。”
後來，威爾遜的一位瑞士同事就說得更加直白了。馬丁·施耐德(Martin Schneider)要給威爾遜交一份實驗進展報告，但交遲了，所以當兩人在貝爾實驗室偶遇時，威爾遜問施耐德能否明天把報告放在他的辦公桌上。“你明天不會想看那份報告的，”施耐德興致勃勃地說，“他們就要宣布你獲諾貝爾獎了!”
第二天早上7點鍾，電話鈴聲把威爾遜吵醒了，打電話的是他的另一位同事。這位同事在WCBS廣播電台上聽到一則新聞，想知道威爾遜和阿諾·彭齊亞斯獲得諾貝爾獎的消息是否屬實。威爾遜也不能肯定，直到瑞典皇家科學院(Royal Swedish Academy of Sciences)發來電報，一切疑慮才煙消雲散了。1978年諾貝爾物理學獎授予彭齊亞斯和威爾遜，以表彰他們發現了3K宇宙微波背景輻射。
諾貝爾物理學獎頒發給了威爾遜和彭齊亞斯，這無異於往阿爾弗和赫爾曼的傷口上撒鹽。彭齊亞斯和威爾遜隻不過是偶然發現了他們17年前就預測到的輻射。如果這還不夠的話，貝爾實驗室的研究人員在之後長達兩年的時間裏都沒有承認這個信號與宇宙的誕生有任何關係!
迪克和他的同事們堅稱，他們並不知道阿爾弗和赫爾曼1948年對大爆炸餘暉的預測，他們隻是未做好背景調查。公平地說，他們確實嚐試做過，然而，在阿爾弗和赫爾曼看來，迪克他們還不夠努力。[3]因此，阿爾弗和赫爾曼的傷口始終未能愈合。至於伽莫夫，他一直對此事耿耿於懷，直到1968年因酒精性肝病而過早離世，他唯一幸運的是沒有聽到1978年諾貝爾物理學獎的消息。
威爾遜當然沒有權力左右諾貝爾委員會的決定。他說：“我認為自己很幸運。”
大爆炸的餘暉是宇宙誕生最鮮明的特征。如果我們的眼睛可以看到微波，而不是可見光，那麽我們就像在一個巨大的燈泡裏麵，會看到空間內充滿了耀眼的光。因此，問題出現了：為什麽直到1965年，宇宙微波背景輻射才被彭齊亞斯和威爾遜發現，而且是偶然發現的呢？諾貝爾獎得主、物理學家史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)就此問題以及為什麽沒有較早地係統性地研究進行了長期的思考。在關於大爆炸的通俗讀物《最初三分鍾：關於宇宙起源的現代觀點》(The First Three Minutes A Modern View of The Origin of The Universe)中，他分析歸納了三個主要原因。
溫伯格說，首先，也是最直接的原因，射電天文學家告訴阿爾弗和赫爾曼，大爆炸的微波餘暉是無法檢測的。這不正確，但要承認，檢測的確很難，需要一個冷負載與天空的信號相比較，不過這畢竟是可以做到的。
溫伯格說，之所以沒有人去尋找輻射的第二個原因，緣於該預測來自一個後來被推翻的理論。到了20世紀50年代，每個人都清楚，大多數元素不可能像喬治·伽莫夫期望的那樣，都是由大爆炸產生。大自然主要使用了兩個熔爐來鍛造元素：一個是大爆炸的火球，在宇宙誕生後的最初幾分鍾裏產生了氫核和氦；另外一個是在之後鍛造了所有重元素的恒星。不幸的是，當發現大爆炸不可能產生自然界中的重元素時，伽莫夫就放棄了這一預測。很可惜，他把孩子連同洗澡水一起倒掉了。
1989年11月18日，加州範登堡空軍基地
在美國宇航局發射宇宙微波背景探測衛星(Cosmic Background Explorer， COBE)的前一天晚上，相關研究團隊的成員飛到了洛杉磯以北100英裏(約160千米)的範登堡空軍基地。他們在淩晨3點左右被送上巴士，大巴司機把他們放在了離發射台大約1英裏(約1.6千米)的地方。天氣極冷，離天亮還有一段時間。
COBE衛星所搭載的微波喇叭天線是用於在大氣層之外觀測宇宙微波背景輻射的。因為有大氣層的影響，從地麵觀測背景輻射非常困難。此次觀測的成果將是一張宇宙的“嬰兒照片”，那時的宇宙大約隻有38萬歲，冷卻的大爆炸物質剛剛開始在引力作用下聚集在一起，構成那些最終會形成星係的東西。COBE衛星要拍攝的就是這張照片。
曠野裏形成了一場大規模集會，現場的人們充滿了興奮和期待。人們等待著，跺著腳取暖。在人群中，有兩位上了歲數的老人，他們對自己能被邀到現場感到既驚訝，又高興。COBE項目科學家、團隊負責人約翰·馬瑟(John Mather)特意邀請了拉爾夫·阿爾弗和羅伯特·赫爾曼，大家終於認識到這兩位魔術師於1948年預測到的大爆炸餘暉是一種了不起的遠見。
[1]黑體可以吸收所有照射到它表麵的電磁輻射，並將其100%轉化為熱輻射。所以其光譜隻與溫度有關，而與構成黑體的物質無關。
[2]天線溫度是射電天文學中用來度量射電望遠鏡接收功率的一個量。
[3]迪克相信宇宙始終處於振**之中。宇宙就像一個巨大的、跳動的心髒，在永恒中不斷地膨脹和收縮。如果每個周期都像前一個周期一樣開始，那麽就有必要摧毀前一個周期中可能是在恒星內部建立的全部元素。迪克意識到，極高的溫度會使原子核猛烈地撞擊在一起，分解成氫，從而成功地使宇宙進入下一個周期。因此，他偶然想到宇宙經曆過一個熱密相，留下了熱輻射，而他的理由與伽莫夫的完全相左。真正的科學就是這樣的：這兩個人都因為錯誤的理由而正確，而每個錯誤的理由又各不相同。畢竟，我們似乎並沒有生活在一個振**的宇宙中(迪克的觀點)，而且大多數元素不是在一次熾熱的大爆炸中形成的(伽莫夫的觀點)。