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图2-4 看起来，我们就像位于一个巨大的等离子体球的中心，因为不管我们往哪个方向看，都会遇到一堵同样的等离子体墙。
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在1946年的书里，伽莫夫的大爆炸理论认为我们能够观察到这个等离子体球。他让他的学生拉尔夫·阿尔菲（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）进行更详细的计算。几年后，两人发表了一篇论文，认为这个等离子体球会闪耀着只比绝对零度高5度的温度。也就是说，它发出的不是可见光，而主要是微波。然而，没有一个天文学家愿意帮两人在天空中搜寻这个宇宙微波背景辐射，结果，他们的成果也逐渐被人遗忘，就像弗里德曼的膨胀宇宙理论一样。
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看见大爆炸的余晖
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1964年，普林斯顿大学的一个研究团队发现，这种可观测的微波信号可能真的存在，于是计划对其展开观测和搜寻，但他们被别人抢先了一步。同年早些时候，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在位于美国新泽西州的贝尔实验室测试一个最先进的微波望远镜时，发现了一件奇怪的事——他们的望远镜探测到了一个无法解释的信号，并且，不管往哪个方向看，这个信号都几乎保持不变。怪哉！他们本来以为，只有当望远镜指向天空里某个特定的物体时，才会接收到信号，比如太阳或者发射着微波的卫星。结果，整个天空仿佛都在发光，闪耀的温度比绝对零度高3度——很接近伽莫夫的团队预测的5度。他们仔细检查了附近可能造成噪声的东西，甚至一度怀疑是几只在望远镜上做窝的鸽子拉的鸟屎在作怪。
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不久前，我曾和彭齐亚斯一起吃午饭，他告诉我，他们把那几只可怜的鸽子装在木头盒子中，把它们远远地送到贝尔实验室的其他园区里，才放它们出来。不过，这些鸽子是信鸽……虽然他在书里只说，当信鸽飞回望远镜时，他们“清除”了它们，然而，在喝了点酒之后，彭齐亚斯向我坦承了一个悲伤的事实——他们使用了猎枪……鸽子是走了，神秘的信号却依然还在——原来，他们发现的是宇宙微波背景辐射，也就是宇宙大爆炸的余晖。
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彭齐亚斯和威尔逊的发现引起了轰动，并因此共同获得了1978年的诺贝尔物理学奖。从伽莫夫和他学生的计算中，可以得出，图2-4中那个等离子体球应该如太阳表面的一半那么热。由于它的热辐射在空间中穿行了140亿年才到达我们，随着空间膨胀了几千倍，它也被冷却了几千倍，只剩下了比绝对零度高3度的余晖。也就是说，我们的整个宇宙曾经和恒星一样炙热。伽莫夫的热大爆炸理论经受住了检验，被证明是正确的。
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珍贵的宇宙“婴儿照”
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现在，等离子体球已经被探测到了，科学家们开始你追我赶，看谁先拍下它的照片。由于各个方向的辐射温度相差无几，彭齐亚斯和威尔逊拍下的照片很像网上的搞笑图片“雾霾中的北京”——其实整张图片都是白色的。为了得到一张清晰的宇宙“婴儿照”，你需要把对比度调得非常大，以显示出处处细微的差别。这些差别必定会存在，因为如果在过去每个地方都完全相同，那物理定律会让这种相同保持到现在，绝不可能出现今天这个不均匀的、成块成簇的宇宙——有些地方有星系，有些地方空无一物。相反，宇宙会变成一片荒漠。
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然而，事实证明，要拍摄宇宙的“婴儿照”实在太困难了，人们花了将近30年的时间才发展出足够的技术。为了抑制环境噪声，彭齐亚斯和威尔逊不得不使用液氦，将他们的探测器冷却到接近宇宙微波背景辐射的温度。然而，天空中不同地方的温度起伏非常细微，差别大约只有几十万分之一，因此，需要比彭齐亚斯和威尔逊当年的探测器灵敏10万倍，才能拍下宇宙的婴儿照。全球的实验室都在挑战这个领域，但都失败了。
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有人说，这个任务根本毫无希望，但有些人却不肯放弃。1992年5月1日，在我的研究生读到一半时，初具规模的互联网上开始对一个传言议论纷纷——天体物理学家乔治·斯穆特（George Smoot）准备要公布一个迄今为止最野心勃勃的微波背景实验结果。他采用的是NASA的宇宙背景探测器——COBE卫星（Cosmic Background Explorer），从冰冷黑暗的太空中发回的数据。我的博士生导师乔·西尔克正好被安排去华盛顿主持斯穆特的演讲。在他飞去华盛顿之前，我问他这个发现有多大胜算。西尔克说，他认为他们并没有发现宇宙中的起伏，只是发现了来自银河系的射电噪声。
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然而，斯穆特的演讲并不像许多人想象的那样虎头蛇尾。相反，他在科学界扔下了一颗炸弹，不仅改变了我的职业生涯，还改变了整个宇宙学领域——他的团队真的发现了那些起伏！霍金将其誉为：“如果算不上人类历史上最伟大的发现，那至少也是本世纪内最伟大的发现。”我们接下来将会看到，这些“婴儿照”拍下的是宇宙“只有”40万年历史时的样子。它包含着许多关键线索，让我们得以窥探宇宙的起源。
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淘金热
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现在，COBE卫星找到了金矿，立刻涌现了一个热潮——人们想从里面挖出更多金子。从图2-5中可以看到，COBE卫星拍下的天图十分模糊，因为低分辨率将小于7°的差别都抹掉了——你能很自然地想到，下一步工作应该是把镜头拉近，聚焦在天空中的一小块区域，用高分辨率和低噪声进行拍摄。下面我将解释，这样的高分辨率天图中暗藏着一些关键的宇宙学问题。
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12岁时，我在斯德哥尔摩递送信件，赚到了人生第一部照相机。从那以后，我就很喜欢摄影。所以，给宇宙拍照这个想法，本能地吸引着我。我也很享受用计算机制图的过程，不管是为了我的高中校报《箭毒》（Curare），还是为我自己开发的计算机游戏FRAC——这是一个三维的俄罗斯方块游戏，从中我赚到了1991年环球旅行的旅费。所以，当许多实验物理学家邀请我和他们组成团队，帮他们将数据转换成天图时，我感到由衷的幸运。
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我交到的第一个好运，就是认识了普林斯顿大学的年轻教授——莱曼·佩奇（Lyman Page）。我喜欢他孩子气的顽皮微笑。在他的一次会议演讲后，我鼓起勇气去询问他是否有合作的机会。当他告诉我，他在上研究生之前花了很多年在大西洋上航海之后，我更加欣赏他了。后来，佩奇委托我对一个微波望远镜得到的数据进行计算。这个望远镜位于加拿大小城萨斯卡通（Sasktoon）。在那里，他和他的团队花了三年时间，用这个望远镜扫描北极上空的一小片天域。
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图2-5 在展示一张全天图时，为了方便起见，通常把它投影在一张平面上，就像地图（上）一样，看起来就像是在抬头看天，而非低头看地。COBE卫星拍摄的宇宙婴儿照（左下）十分模糊，于是，许多人希望把镜头拉近，采用较高的分辨率（中左）拍摄一小块天空。后来，WMAP探测器和普朗克卫星发回了分辨率更高的全天图片（右），它们的分辨率分别为300万像素和5 000万像素。这些全天图都相对地图旋转了一点，目的并不是让天图的中面与地球赤道面相对应，而是让其与银河的盘面对应（左下图中的灰条带）；地球北极指向萨斯卡通天图的中部。（图片来源：帕特里克·迪宁[Patrick Dineen]）
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把这些数据转化为图像是相当困难的事情。因为单凭数据无法组成天空的图片，它们只是装满数字的表格，代表着用各种复杂的方法对天区进行加减后测出的伏特数。同时，我也觉得非常兴奋，因为它需要我在信息论和数字计算上付出极大的努力。在慕尼黑的博士后办公室里，我度过了许多个用麦片来保持精力的夜晚。终于，我按时完成了图2-5中的那个萨斯卡通天图。于是，我被邀请到法国阿尔卑斯山参加一个大型宇宙学会议，并在会议上演讲。
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到今天为止，我曾在几百个会议上演讲过，但只有少数几个会议的经历独立于记忆的流逝之外，就像被赋予了魔法一样历久弥新，每次想起来都会让我忍不住微笑。阿尔卑斯山的这次会议，就是其中之一。走上演讲台时，我的心简直跳到了嗓子眼儿。我环视了一周，发现礼堂里挤满了人，他们中许多人的研究，我都读过，但大多数人并不知道我是谁。他们来这里开会的主要目的是滑雪，而不是听我这样的新手演讲。但是，我不仅仅感到心跳得厉害，还感受到了房间里涟漪般涌动的能量。人们为宇宙微波背景辐射的新进展而兴奋，我也为自己能参与其中一小部分工作而感到荣幸。那是在1996年——现在想起来简直像寒武纪一样久远，那时候，人们演讲用的幻灯片都是透明的塑料片，而我手中正好握着一张塑料片王牌——萨斯卡通天图的幻灯片（和图2-5中的一样）。它相当于把COBE卫星的图片拉近了仔细观察。我感到房间里流动着一股兴奋的情绪。在茶歇时，一堆人挤在高射投影仪旁边，只为再看一眼那张图片和提问题。宇宙微波背景辐射学的奠基人之一迪克·邦德（Dick Bond）走过来，微笑着对我说：“我简直不敢相信，佩奇竟然把数据给你了！”
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我意识到，宇宙学进入了一个黄金时代。新的发现吸引了无数新人和新资金进入这个领域，又再一次促成了新发现的涌现，构成了一个良性循环。会议结束后的一个月，也就是1996年4月，两颗新卫星的基金通过了批准，它们的分辨率和灵敏度都远远大于COBE卫星。其中一个是NASA的WMAP探测任务，是由莱曼·佩奇带头的严谨团队。还有一个是欧洲的项目——普朗克卫星，我为它的基金申请工作做了计算和预测，这让我非常开心。由于空间任务通常需要花很多年来做计划，于是，为了抢在WMAP探测器和普朗克卫星之前出成果，全球各地的小团队都在你追我赶，企图在它们发射之前摘些酸果子。结果，萨斯卡通项目抢到了第一个风头，由此开启了我参与的一系列好玩项目。
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接下来，我和许多实验物理学家一起工作。这些实验的名字都稀奇古怪，比如HACME、QMAP、特纳里夫岛（Tenerife）、POLAR、PIQ和飞去来器（Boomerang）。我同他们合作，利用他们的数据来制作宇宙“婴儿照”，并探索其中关于宇宙的秘密。我最基本的游戏规则是担任理论与实验的中间人——我感到，宇宙学正从一个极度缺乏数据的领域，转变成一个拥有超多数据的领域，这些数据多到让人无所适从，所以我决定开发一个工具来充分处理这种数据“雪崩”。具体地说，我的战略是运用一种叫信息论的数学方法，在一个给定的数据集中搜寻与宇宙相关的信息。通常，几兆字节（MB）、几吉字节（GB），甚至几太字节（TB）的信息中，只有非常稀少的几个比特是关于宇宙的信息。它们以十分复杂的方式深深隐藏在纷繁杂乱、数据庞大的噪声中，这些噪声来自探测器的电子设备、大气辐射、银河辐射等各种各样的源头。当时，有一个完美的数学方法可以完成这项大海捞针的任务，但在实践中做起来太复杂，需要计算机进行几百万年的运算。而我发表的几个数据分析方法虽然并不完美，但提取信息的速度足够快，适用于实践。
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我喜欢宇宙微波背景辐射的原因有很多。比如，它促成了我的第一段婚姻，让我拥有了两个可爱的儿子，菲利普和亚历山大。我和我的前妻安赫丽卡·科斯塔（Angélica de Oliveira Costa）走到一起，正是因为她从巴西来到加州大学伯克利分校读乔治·斯穆特的研究生。我们的合作亲密无间，不仅限于给孩子换尿布，还包括我前面提到过的许多数据分析项目。其中一个项目是QMAP，它是一个望远镜，装在一个高空气球上，由莱曼·佩奇和马克·德夫林（Mark Devlin）等人放飞到高空，以避免受到地球大气层的微波噪声干扰。
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不好了！1998年5月1日凌晨2点，一切看起来都糟透了。还有7个小时，我们的飞机就要飞往芝加哥，我将在那里的一场宇宙学会议上演讲，公布QMAP项目的最新结论。但此时此刻，我和安赫丽卡却在普林斯顿高等研究院的办公室里焦虑不已。宇宙微波背景辐射实验容不下一点错误，也不能忽视任何重要的东西。在科学界，可信度的关键要素是被另一个独立的实验所验证。但由于人们聚焦的天区不同，采用的分辨率也不同，所以根本不可能通过比较两个实验的结论来验证它们是否相符。然而，萨斯卡通和QMAP的天图在一处香蕉形状的天区正好产生了重叠（见图2-5）。我和安赫丽卡灰心丧气地盯着计算机屏幕，感到心沉到了谷底——萨斯卡通和QMAP重叠的那部分天图并排显示在屏幕上，而它们俩根本没有一点相似之处！我们眯着眼睛仔细看，企图把这些差异想象成设备的噪声。但这只是美好的幻想。我们所有的努力都表明，这两张天图中至少有一张是完全错误的。我怎能拿这个结论去演讲呢？这不仅是对我们自己，也是对所有建造和运行实验的科学家们的羞辱。
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