“今年诺贝尔物理学奖授予了天体物理学中的宇宙学分支。主要表彰约翰·马瑟和乔治·斯穆特在两个方面做出的工作：一是精确测量出宇宙微波背景辐射的波长分布的黑体谱形；二是发现宇宙微波背景辐射在不同方向上有着极其微小的温度差异，也就是所谓的各向异性。”在得知今年诺贝尔物理学奖颁给两位美国物理学家后，中国科学院紫金山天文台研究员、天体物理学家、中科院院士陆埮评论说。
了解宇宙中恒星和星系的形成过程
宇宙学红移、微波背景辐射和氦丰度是“宇宙大爆炸”学说的三大支柱。陆埮介绍说，按照大爆炸宇宙论的主要观点，宇宙有过一段由热到冷、由密到稀不断膨胀的演化过程。在大爆炸开始后0.01秒，宇宙的温度约为1000亿度，主要物质成分为处于热平衡状态的轻粒子。随着宇宙的膨胀，温度就不断下降。当宇宙年龄约为38万年，宇宙温度降到3000度左右时，其中带正电的原子核将俘获带负电的电子而成为中性原子，光子因不能与中性原子发生作用而遗留下来，成为保持黑体谱形的背景辐射。此后，中性原子因引力作用而集聚起来，形成恒星、星系，并逐渐演化成我们今天的宇宙。由于宇宙一直在膨胀，遗留下来的背景辐射的波长也随着增长，波长增长相当于等效的温度下降。到了今天，当时3000度的温度就降为今天的2.7度，背景辐射的波长就增长到了微波的范围，因而成为了今天的微波背景辐射。马瑟等直接测出了微波背景辐射的黑体谱形，与大爆炸宇宙学所预言的精确一致。
马瑟和斯穆特的研究对象是今天的宇宙微波背景辐射，它反映了宇宙年龄大约为38万年的早期状态。这是我们所能直接看到的最早的宇宙形态，也是大爆炸宇宙学预言的结果。测量宇宙中的微波背景辐射，可以“回望”宇宙的早年。借助COBE卫星，斯穆特等发现了微波背景辐射的各向异性，正是这种微小差异起到了今天宇宙中所看到的恒星和星系以及更大尺度的结构的“种子”的作用。如果没有这种各向异性，那么今天的宇宙很可能完全不是现在这个样子，其中的物质也许像淤泥一样均匀分布。“国外有学者评价发现微波背景辐射各向异性的意义时说，'就像看到了上帝的脸’。就是说，这是我们所能直接看到的宇宙的最早图像。”
极大和极小尺度研究奇妙地结合了起来
“在天体物理学领域，这已经是第二次因研究微波背景辐射而获诺贝尔奖了。”陆埮说，20世纪60年代初，美国贝尔电话实验室的两位科学家建立了一架高灵敏度天线，以改进卫星通讯能力，并用来测量天空中的噪声源。在实验过程中他们发现，在扣除地球大气吸收、地面噪声等已知噪声源的影响后，仍然存在无法解释的剩余微波噪声。1965年，他们确定这种噪声相当于温度约为3K的微波黑体辐射，并表现为各向同性分布，且不随观测时间而发生变化。尽管他们无法对这种噪声作出解释，但可以断定，它不可能来自任何特定的辐射源。科学家们相信：这种找不到来源的噪声正是宇宙微波背景辐射。这一意外发现让人们可以从中捕获宇宙创生早期的重要信息。彭齐亚斯和威尔逊两位学者也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
陆埮说：“虽然人们在上世纪60年代就已知道微波背景辐射的存在，但针对这种大爆炸'余烬’的测量工作一开始都是在地面上展开，进展十分缓慢。彭齐亚斯和威尔逊只是利用地面天线测量，仅仅测量了一个特定波长的情形。接着又有许多人在各个不同波长上进行了测量，所得结果完全符合黑体辐射的谱形。但是，他们是用不同的仪器，在不同的条件下进行的测量。借助1989年发射的COBE卫星，马瑟和斯穆特领导的研究团队首次完成了对宇宙微波背景辐射的太空观测。他们对COBE卫星测量结果进行分析计算后发现，宇宙微波背景辐射与黑体辐射非常吻合，而且是一次完成的各个波长上的测量，从而为大爆炸理论提供了进一步支持。”
按照大爆炸宇宙模型，宇宙诞生之初物质的密度和温度都极高，那时既没有原子和分子，更谈不上恒星与星系，有的只是极高温的热辐射和与它耦合的高能粒子。于是，早期的宇宙成了粒子物理学研究的对象。粒子物理学家也希望从宇宙早期演化的观测中获得一些信息和证据，来检验极高能量下的粒子理论。就这样，物理学中研究最大尺度的宇宙学和探究极小对象的粒子物理学竟奇妙地衔接在一起，结成为密不可分的姊妹学科，犹如一条大蟒咬住自己的尾巴。
学科交叉和团队协作才能在天体物理领域作出成绩
大型地面和空间天文望远镜的相继投入使用，大量观测数据的获得以及理论研究的深入，极大地扩展了人们对宇宙奥妙的了解，激发了人类研究宇宙的起源与演化的兴趣。今天，发生在宇宙中的超新星爆发、恒星的形成、喷射、黑洞和γ射线暴等现象，已成为高能高密物理领域研究的前沿课题。2002年，美、日科学家以他们在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙X射线源”方面取得的成就，获得诺贝尔物理学奖；2004年，美国科学家因发现“粒子物理强相互作用理论中的渐近自由现象”而获奖。陆埮说：“我相信这一领域可能还会取得一些能获诺贝尔奖的成就，因为这一领域还有些非常重要的问题有待解决。”
马瑟和斯穆特带领一个上千人的研究团队，共同完成了对宇宙微波背景辐射的太空观测研究。现在，天体物理学研究越来越依赖大科学装置。“我国在国家天文台即将建成的LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)是一个非常重要的研究大尺度结构的设备。它必将会对宇宙学的研究作出重要贡献。”陆埮说，“在这一领域，国内的高能物理研究所、理论物理研究所、北大、科大和清华，以及上海天文台、紫金山天文台、南大、北师大等都作过这方面的探究。我们要在这方面有所作为，必须尽可能地利用各种大科学装置，使高能物理、天文学、物理学等相关学科的研究者都参与其中，用学科交叉和团队协作的力量来完成。”
(来源：科学网 作者：张双虎)
