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然而,卡尔·央斯基最终得到了永恒的纪念。1973年,国际天文学联合会通过用他的名字来命名射电流量的单位认可了他的贡献。这个单位——央斯基——被射电天文学家用来表示任何射电源的强度。一个强的类星体可能测得的强度达100央斯基,而一个弱的射电源测得的强度可能只有几毫央斯基。
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资助央斯基开展射电天文学方面工作的贝尔实验室,通过设立射电天文学研究项目来向他表示敬意。特别是,贝尔实验室为射电天文学历史上最有名的两个人——一位直率的、雄心勃勃的犹太难民和一位来自得克萨斯州油田的安静的、勤奋好学的科学家——提供了一个家园。他们将共同做出一项发现,这项发现将彻底动摇现有的宇宙学观念。
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彭齐亚斯和威尔逊的发现
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阿诺·彭齐亚斯于1933年4月26日出生在慕尼黑的一个犹太家庭。这一天也正巧是盖世太保成立的日子。他第一次遭遇到反犹主义是在他4岁时。当时他正与他母亲一道坐电车:
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当你是受宠的长子时,你会有一种成天显摆的感觉。但当那天我向其他人表明我是犹太人时,电车上的气氛立马紧张起来,我母亲不得不带我们下车等下一趟。从这件事情上我意识到我不应该在公共场合谈论自己是犹太人。如果你这么做,你就会让你的家人处于危险之中。这对我是一个很大的震动。
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虽然他出生于德国,但彭齐亚斯的父亲是一名波兰公民,这使得他们家还要承受特殊的压力。德国当局曾威胁要逮捕拒绝离开该国的波兰人,但波兰政府已于1938年11月1日取消了犹太人的护照,所以彭齐亚斯一家人无法跨越边界。仿佛他们已经无从逃脱纳粹的迫害。不过,美国人在国内发起了一项运动:鼓励人们将这些德国犹太人认作亲戚。这个纯粹的人道主义策略可以使那些犹太家庭获得许可离开德国。仅过了一个多月,彭齐亚斯一家被告知,有一位美国人愿意资助他们办理出境签证。1939年春天,他们逃到英国,并在那里登上了开往纽约的轮船,从此开始了在布朗克斯的新生活。
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彭齐亚斯的父亲以前在慕尼黑做皮革生意,但现在他只好找了一份在一个公寓做门卫的工作,工作事项包括给大楼的供暖炉上煤和清除炉渣。彭齐亚斯看到父亲是怎样为一家人的生活而挣扎的,同时他也注意到,“那些上大学的人似乎穿得更体面,通常不用为一日三餐发愁”。正是渴望这种舒适和安全感,他变得非常努力,学业成绩表现出色,继而赢得了上大学的机会。
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彭齐亚斯对物理学情有独钟,但他担心当物理学家可能无法谋生,于是就去问他父亲他该选择什么专业为好。他说,“物理学家认为他们能做工程师能做的任何事情。如果他们真能做到这一点的话,他们至少可以像工程师那样挣钱糊口。那时,来读物理学的个个都是牛逼哄哄的。他们想法新奇,满脸阳光,但就是很难合群。大脑聪明的孩子似乎是出于审美的原因才来读物理学。”
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在免费的纽约城市大学获得第一个学位后,彭齐亚斯来到哥伦比亚大学物理系攻读射电天文学方向的博士学位。哥大物理系到1956年已经荣获了3项诺贝尔奖。彭齐亚斯的导师查尔斯·汤斯,一位因其在微波激射器(微波波段的激光)领域的贡献而将成为哥伦比亚大学的第四位诺贝尔物理学奖的获得者。彭齐亚斯的论文项目需要建造一台超灵敏的无线电接收器,而其中的关键器件就是汤斯的微波激射器。
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虽然这台无线电接收器的性能表现出色,但它并没有让彭齐亚斯实现他的主要目标——检测到星系间的氢气云所发出的无线电波。彭齐亚斯称他最后的博士论文“很糟糕”,虽然称作“没有定论”也许更合适。无论哪种说法,总之在1961年他确实获得了博士学位,并离开哥伦比亚大学在贝尔实验室谋得了一个博士后的职位,这是当时世界上唯一的聘请有潜质的射电天文学家的工业实验室。
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在开展自己的纯理论研究的同时,彭齐亚斯也希望为实验室正在进行的商用研究项目提供帮助。例如,贝尔实验室设计了一款通讯卫星,这是第一颗有效的通信卫星。在它发射后,开发者便遇到了如何将天线指向卫星的问题。新来的男孩彭齐亚斯站在30位天线委员会的大佬们面前,向他们解释了如何采用已知的射电星系的位置来校准天线的方向,从而找到通讯卫星。这堪称纯基础研究与商用研究的完美结合。彭齐亚斯的这一解决办法,为贝尔实验室一贯坚持的让纯理论科学家与搞应用的科学家和工程师们一起工作将会取得意想不到的成果,提供了强有力的证明。
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两年来,彭齐亚斯是贝尔实验室的唯一的射电天文学家。但到了1963年,罗伯特·威尔逊加盟进来。这位年轻的德克萨斯州来的小子从小在他的父亲——当地油田的一名化学工程师——的熏陶下对科学有着强烈的兴趣。长大后他去了休斯敦的莱斯大学学习物理,1957年毕业后去了加州理工学院攻读博士学位。在那里威尔逊选修了霍伊尔开设的宇宙学研究生课程。1953年,与威利·福勒合作后,霍伊尔成为加州理工学院的常设访问学者。与彭齐亚斯一样,威尔逊的博士论文题目也是射电天文学领域,获得博士学位后也放弃了学术界奔向贝尔实验室。
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威尔逊被吸引到贝尔实验室的部分原因是附近的克劳福德山设有跨度6米的喇叭形射电天线(如图96所示)。这副天线最初被设计用来检测新颖的称为“回声”的气球卫星所返回的信号,该卫星已于1960年发射升空。“回声”在发射时被压缩置于直径66厘米的球体内。进入预定轨道后,它会膨胀成一个巨大的银质球体,直径达30米。它能够被动地反射回地基发射器和接收器之间的信号。然而,政府对通信行业的干预,使得AT&T因为经济原因而退出该项目,留下的喇叭天线被免费改造成一个射电望远镜。对于射电天文学研究来说,喇叭天线有加倍的好处:它不仅大大屏蔽当地的无线电干扰,而且其尺寸意味着它可以非常准确地定位射电源天体的位置。
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彭齐亚斯和威尔逊得到贝尔实验室的许可,他们可以花费一定的时间来扫描天空以研究各种射电源。但在能够进行测量之前,他们首先要充分了解射电望远镜和它所有的怪癖。特别是,他们要检查它捡拾噪声的最低水平,噪声这个术语用来描述可能掩盖真正信号的任何随机干扰。
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这与你调谐收音机收听某个电台的广播时可能遇到的噪声是完全一样的。电台的信号可能伴有嘶嘶声,这就是噪声。信号和噪声总是相伴的,理想的状况是信号比噪声强得多。通常情况是当你调到一个当地电台来收听,你可以听得很清楚,噪声是微不足道的。但是,如果你调到国外的电台,信号就可能很微弱,噪声对广播的清晰度造成严重影响。在最坏的情况下,无线电信号完全被噪声淹没,根本无法正确地听到。
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图96 罗伯特·威尔逊(左)和彭齐亚斯在贝尔实验室位于新泽西州克劳福德山上的喇叭天线前的留影。这个射电望远镜实际上是一台巨大的射电信号接收器。它的孔径为6米见方,监控设备安装在锥顶的一个小屋里。
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在射电天文学领域,来自遥远星系的信号极其微弱,因此抑制噪声变得至关重要。为了检查噪声水平,彭齐亚斯和威尔逊将射电望远镜对准几乎没有任何星系射电信号的空间区域。因此,这时检测到任何讯息都可以归结为噪声。他们原本以为此时的噪声可以忽略不计,但实际测量后却惊讶地发现,噪声水平要比预料的高。这个噪声水平令人失望,但还不至于高到会严重影响他们打算进行的测量。事实上,大多数射电天文学家会忽略这个问题并着手进行调查。然而,彭齐亚斯和威尔逊决心进行的是最灵敏的调查,因此他们立即着手试图找出噪声来源,可能的话,设法减少甚至完全去除这种噪声。
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噪声源大致可以分为两种类型。首先是外部噪声,即由射电望远镜之外的某些因素(如地平线上的大城市或附近的一些电气设备)引起的噪声。彭齐亚斯和威尔逊调查了周围景观的杂散噪声源,甚至将望远镜指向纽约大都会,但这种噪声既没有增加也不见减少。他们还监测了噪声水平随时间的变化,结果发现这种噪声是连续的。总之,这种噪声是绝对恒定的,无论何时望远镜指向何处。
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这迫使二人考虑这种噪声是否属于第二类,即设备固有的噪声。射电望远镜包括许多部件,每个部件都有可能产生自身的噪声。这就如同你听广播。即使广播公司发出的是很强的信号,但你接收到的信号有可能因为你的收音机的功放、扬声器或线路所产生的噪声而降低品质。彭齐亚斯和威尔逊为此检查了他们的射电望远镜的每一个环节,查找可能的虚焊点、布线瑕疵、电子学故障、接收器偏差等。甚至为保万全,所有接口处都拿铝膜胶带缠定。
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有一点引起了他们注意:一对鸽子在喇叭天线内做窝。彭齐亚斯和威尔逊认为,沉积在喇叭上的鸽子屎这种“白色介电材料”可能是噪声的原因。因此,他们捉住鸽子,把它们安置在一辆邮车上,送到距贝尔实验室50千米外的地方放飞。他们将天线擦洗得锃亮,但可惜,鸽子有归巢的本能,又飞回到望远镜的号角天线内,并开始再次沉积白色介电材料。彭齐亚斯再次将鸽子捕获,但这次他不情愿地决定一劳永逸地摆脱它们:“有一个鸽友愿意帮我们处理掉它们,但我想最人性化的做法是打开笼子,开枪射杀。”
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经过一年的检查、清洁和重新布线,射电望远镜的噪声水平有所降低。彭齐亚斯和威尔逊将剩余噪声归结为可能是大气的影响以及环境在射电望远镜的号角壁上产生的效应,他们只得接受:这两种噪声源是完全不可避免的。但是,这仍不能完全解释他们检测的所有噪声。他们投入了巨大的时间、精力和金钱,以便理解并尽量减少射电望远镜的噪声,但总有这种既神秘莫测又源源不绝的噪声成分:无论何处,无论何时,在各个方向上总存在这种莫名来源的无线电波。
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两位沮丧的射电天文学家没有意识到,他们遇到了宇宙学史上最重要的一个发现。他们完全无视这样一个事实,即这种无所不在的噪声其实是大爆炸的残留物:它是宇宙早期膨胀阶段的“回响”。这种恼人的“噪声”将成为证明大爆炸模型的正确性的最具说服力的证据。
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如果你还记得,伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼曾计算过,在大爆炸后宇宙会经历一个大约30万年的过渡期。届时宇宙的温度会下降到大约3000℃,冷到足以让以前自由飘浮的电子被原子核俘获,形成稳定的原子。充斥宇宙间的光海不再与带电的电子或原子核相互作用,因为后者已经彼此结合成中性原子。宇宙演化史上的这一刻称为重组,此后原始光线可以没有任何改变地穿过宇宙——只有一点除外。
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伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼曾预言,随着宇宙随时间膨胀,原始光的波长会随着空间本身的延展而拉长。就是说,在宇宙大爆炸之初,原始光的波长大约是千分之一毫米,而根据大爆炸模型,宇宙在这30万年里膨胀了大约1000倍,因此这些光的波长现在应该有大约1毫米,即它们处于电磁波谱的射电波段。
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